UV-Desinfektion von Kühltürmen

Zuverlässige Kontrolle von Legionellen und Biofilm für sicheren und effizienten Betrieb

Christian Gurrath und Martin Sörensen

Die wachsende Verbreitung von Kühltürmen zur Abfuhr von Prozesswärme hat zu einem vermehrten Aufkommen von Verdachtsfällen geführt, in denen sich Krankheitserreger mutmaßlich durch Kühltürme vermehren und verbreiten konnten. Aktuellere Beispiele aus einer Reihe von Verdachtsfällen hierfür sind die wahrscheinlich durch Kühltürme verursachten Ausbrüche von Legionellose in Ulm (2010) und in Warstein (2013), wobei allein beim Krankheitsausbruch in Ulm 5 Tote und 65 Verletzte gezählt wurden. Hier wurde ein Legionellenbefall in Kühltürmen auf einem Gebäude entdeckt und anschließend ein wirksames Desinfektionssystem basierend auf der UV/H₂O₂-Technologie durch die a.c.k. aqua concept GmbH realisiert. Um dieser Entwicklung eines Anstiegs von Fällen Rechnung zu tragen, gilt seit Januar 2015 in Deutschland die VDI-Richtlinie 2047 Blatt 2 für die Sicherstellung des hygienegerechten Betriebs von Verdunstungskühlanlagen. Die Richtlinie gibt dem Betreiber Hinweise zum fachgerechten Betrieb und gilt für bestehende und neu zu errichtende Verdunstungskühlanlagen und -apparate. Hierbei gilt die grundsätzliche Pflicht des Betreibers, den sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Um industrielle Kühltürme effizient und sicher betreiben zu können, muss das verwendete Kreislaufwasser sachkundig konditioniert, desinfiziert und die Wasserqualität regelmäßig überprüft werden. Die Konditionierung/Desinfektion des Kreislaufwassers erfolgt derzeit überwiegend über die regelmäßige Dosierung von teilweise giftigen Chemikalien, die wiederum den Betrieb des Kühlturms negativ beeinflussen können (z. B. Korrosion durch Biozide).

Im Folgenden wird die generelle Funktionsweise von Kühltürmen beschrieben und die beim Betrieb zu beachtenden Parameter in Zusammenhang gesetzt. Das etablierte Vorgehen zur Kontrolle dieser Parameter wird beschrieben und dessen Auswirkungen analysiert. Alternativ wird die von enviolet entwickelte Lösung für die Desinfektion und Stabilisierung von Kühltürmen auf Basis der UV-Desinfektion in Kombination mit H₂O₂ vorgestellt. Die Vorteile des Verfahrens gegenüber der herkömmlichen Herangehensweise werden anhand der bestehenden Betriebsdaten (Gesamtkeimzahl, Legionellenwerte, Korrosionsgeschwindigkeit, Betriebskosten) von Kühltürmen dargestellt.

Grundlagen Kühlturmbetrieb

Bei Kühltürmen handelt es sich um halboffene Kühlsysteme, in denen der Kühleffekt durch die Verdunstung von Wasser realisiert wird. Wie in Abb. 2 dargestellt, strömen Luft und Wasser im Gegenstrom, dabei verdunstet ein Teil des Wassers und die dem System entzogene Verdunstungsenthalpie sorgt für eine Abkühlung des im System verbleibenden Wassers. Da im Kühlturm nur das reine Wasser verdunstet, kommt es zu einer stetigen Anreicherung der im Wasser gelösten Inhaltsstoffe, wie z. B. Salze (Eindickung), wodurch die Löslichkeitsgrenze der Salze ohne Gegenmaßnahmen überschritten wird; die Folge sind anorganische Ablagerungen im Kühlsystem (z. B. Kalk), die unter großem Aufwand wieder entfernt werden müssen.

Um dies zu verhindern, muss regelmäßig ein Teil des Umlaufwassers abgeschlämmt werden, damit die Löslichkeitsgrenze der im Wasser gelösten Salze nicht überschritten wird. Dies geschieht in der Regel automatisiert über eine Leitfähigkeitsmessung. Je mehr Wasser jedoch abgeschlämmt wird, umso größer ist der Bedarf an Frischwasser, um das im System enthaltene Volumen (Umlaufwasser) konstant zu halten, wodurch die Betriebskosten des Kühlsystems zusätzlich ansteigen. Abb. 3 bildet den Zusammenhang zwischen Eindickungsfaktor und benötigter Frischwassermenge ab. Man erkennt hier, dass die benötigte Frischwassermenge mit steigender Eindickung bei konstantem Umlaufwasservolumen sinkt. Erhöhung der Eindickung von 1,5 auf 3 reduziert die benötigte Frischwassermenge um die Hälfte. Da die Wasserkosten üblicherweise höher sind als die Kosten für Prozesschemikalien, können durch Erhöhung der Eindickung wesentliche Kostenersparnisse erzielt werden. Oberhalb der Eindickungszahl 4 werden die Einsparungen vernachlässigbar gering und andere sich überlagernde Effekte bewirken eine Verschlechterung der Systemeigenschaften. Eine weitere Erhöhung des Eindickungsfaktors ist daher unüblich, zumal die Aufsalzung den Siedepunkt des Umlaufwassers erhöht und den Dampfdruck des Wassers bei gleicher Temperatur absenkt (ebullioskopischer Effekt), was zu weniger Verduns­tung und damit zu einem Verlust von Kühlleistung führt.

Problematik Mikroorganismen

Das salzangereicherte Umlaufwasser im Kühlturm bietet zusammen mit den in Kühltürmen üblichen Temperaturen von ca. 25-35°C ideale Bedingungen für die Vermehrung von Mikroorganismen wie z. B. Pseudomonas ­aeruginosa und Legionella spp. Während des Betriebs werden laufend Keime aus der Luft (oder über das Frischwasser) in den Kühlturm eingeschleppt, was eine angemessene Desinfektion und Überwachung der Keimzahlen nötig macht. Die Bildung von Biofilmen (Fouling) an den mit dem Wasser in Kontakt stehenden Oberflächen stellt ein besonderes Problem dar, da dies sowohl Wärmeübergänge beeinträchtigt als auch Korrosion begünstigt und eine zusätzliche Verschlechterung der hygienischen Bedingungen im Kühlturm darstellt. Durch den direkten Kontakt des Umlaufwassers mit der Luft, die anschließend in die Umgebung abgegeben wird, besteht bei Kühltürmen trotz Tropfenabscheidern immer die Gefahr, dass Tröpfchen von der Abluft mitgerissen werden und in Form eines Aerosols aus dem System ge­tragen werden. Dadurch ergeben sich im Falle einer übermäßigen Verkeimung des Kühlturms gesundheitliche Risiken, da sich die keimbeladenen Aerosole ideal […]

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