Optimierung einer Trinkwasserozonung im Hinblick auf die Bromatbildung

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Trinkwasserozonung im Zielkonflikt zwischen einer Spurenstoffentfernung und der Entstehung von Bromat. Dieses entsteht während der Ozonung als Oxidationsnebenprodukt aus dem im Wasser vorkommenden Bromid. Aufgrund seiner Einstufung als potenziell kanzerogener Stoff ist Bromat gemäß den Leitlinien der WHO sowie der EU-Trinkwasserrichtlinie über einen Parameterwert auf 10 μg/L begrenzt. Damit stellt das hier untersuchte Desinfektionsnebenprodukt einen zentralen Konflikt der Ozonbehandlung dar. In der Arbeit wird der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Bromatbildung untersucht. In weiterer Folge werden Strategien zur Minimierung entwickelt, ohne die Wirksamkeit der Spurenstoffentfernung zu beeinträchtigen. Dazu wurden drei aufeinander aufbauende Versuchsphasen im Labormaßstab durchgeführt.Die erste Phase waren Ozonzehrungsversuche, bei welchen die Stabilität und Verfügbarkeit von Ozon in Wasserproben mit variierenden Temperaturen und Ozonkonzentrationen untersucht wurde. Aufbauend darauf wurden in der zweiten Phase in Form von Bromatbildungsversuchen untersucht, wie sich die Variation verschiedener Parameter wie Bromidkonzentration, Ozonkonzentration und Kontaktzeit auf die Bromatbildung auswirken. In der dritten Phase wurde durch die Zugabe von Wasserstoffperoxid (H2O2) eine erweiterte Oxidation (AOP) durchgeführt, um den Einfluss radikalischer Reaktionspfade auf die Bromatbildung zu untersuchen.Die Ozonzehrungsversuche belegten den starken Temperatureinfluss auf die Ozonstabilität, wobei höhere Temperaturen zu einem schnelleren Ozonabbau führten. Die Ergebnisse der Bromatbildungsversuche zeigen, dass höhere Bromid- und Ozonkonzentrationen sowie längere Kontaktzeiten die Bromatbildung signifikant erhöhen. Höhere Temperaturen führen durch die beschleunigte Oxidation ebenfalls zu einer verstärkten Bromatbildung. Der Einsatz von H2O2 führte in allen untersuchten Fällen zu einer deutlichen Reduktion der Bromatbildung, da Zwischenprodukte wie Hypobromit (OBr–) wieder zu Bromid reduziert werden. Dadurch wird der Zielkonflikt zwischen Spurenstoffentfernung und Nebenproduktbildung deutlich, da schnellere Oxidationsreaktionen mit einer erhöhten Bromatbildung einhergehen.Das auf Basis der Versuchsdaten entwickelte Regressionsmodell beschreibt die Bromatbildung in Abhängigkeit von Ozon- und Bromidkonzentration. Auch die Kontaktzeit wird miteinbezogen und das Modell erlaubt Prognosen für praxisnahe Szenarien. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass eine gezielte Steuerung der Prozessparameter und der Einsatz von AOP eine signifikante Minimierung der Bromatbildung ermöglichen. Die Arbeit bildet damit eine Grundlage für die betriebliche Optimierung und sichere Anwendung der Ozonung in der Trinkwasseraufbereitung.

This diploma thesis deals with drinking water ozonation and the inherent trade-off between effective trace substance removal and the formation of the health-relevant by-product bromate. Bromate is formed during ozonation as an oxidation product from naturally occurring bromide in water. Due to its classification as a potentially carcinogenic compound, bromate is regulated in accordance with WHO guidelines and the EU Drinking Water Directive with a parametric value of 10 μg/L. Consequently, this disinfection by-product represents a central challenge in the practical application of ozonation. The study investigates the influence of various process parameters on bromate formation and develops strategies to minimise its occurrence without impairing the efficiency of trace substance removal. Three consecutive experimental phases were conducted at laboratory scale.The first phase comprised ozone decay experiments, in which the stability and availability of ozone in water samples with varying temperatures and ozone concentrations were examined. Building upon these results, the second phase focused on bromate formation experiments, analysing the effects of different parameters such as bromide concentration, ozone concentration and contact time on bromate formation. In the third phase, advanced oxidation (AOP) was investigated by adding hydrogen peroxide (H2O2) to assess the influence of radical reaction pathways on bromate formation.The ozone decay experiments confirmed the strong temperature dependence of ozone stability, with higher temperatures leading to faster ozone decomposition. The results show that higher bromide and ozone concentrations as well as longer contact times significantly increase bromate formation. Elevated temperatures further enhanced bromate formation due to accelerated oxidation processes. The addition of H2O2 led to a significant reduction of bromate formation in all tested cases, as intermediates such as hypobromite (OBr–) were reduced back to bromide. These findings highlight the trade-off between trace substance removal and by-product formation, as faster oxidation reactions are associated with increased bromate formation.Based on the experimental data, a regression model was developed to describe bromate formation as a function of ozone and bromide concentration as well as contact time. The model allows predictions for realistic operational scenarios. Overall, the results demonstrate that a targeted control of process parameters combined with the application of AOP enables a significant reduction of bromate formation. The findings provide a valuable basis for the optimisation and safe implementation of ozonation in drinking water treatment.