Planung von Trinkwasser-Zisternen

Tiempo de leer 6 minutos

Aktualisiert – noviembre 22, 2025

Die Planung von Trinkwasser-Zisternen umfasst mehrere physikalische Gegebenheiten, die es zu berücksichtigen gilt, will man mit möglichst geringem Aufwand die gewünschte Trinkwasser-Qualität und Förderleistung erzielen.

Wasser-Analyse und Grenzwerte

Zunächst ist von jeder Wasserquelle eine Laboranalyse zu fertigen, mittels derer die Wasserwerte mit den geltenden Grenzwerten verglichen werden, um ggf. gezielt Maßnahmen zur Einhaltung derselben ergreifen zu können:

• Acrylamid 0,10 μg/l
• Antimon 10 μg/l
• Arsen 10 μg/l
• Benzol 1,0 μg/l
• Benzo(a)pyren 0,010 μg/l
• Bisphenol A 2,5 μg/l
• Bor 1,5 mg/l
• Bromat 10 μg/l
• Cadmium 5,0 μg/l
• Chlorat 0,25 mg/l
• Chlorit 0,25 mg/l
• Chrom 25 μg/l
• Kupfer 2,0 mg/l
• Cyanid 50 μg/l
• 1,2-Dichlorethan 3,0 μg/l
• Epichlorhydrin 0,10 μg/l
• Fluorid 1,5 mg/l
• Halogenessigsäuren (HAAs) 60 μg/l
• Blei 5 μg/l
• Quecksilber 1,0 μg/l
• Microcystin-LR 1,0 μg/l
• Nickel 20 μg/l
• Nitrat 50 mg/l
• Nitrit 0,50 mg/l
• Pestizide 0,10 μg/l
• Pestizid gesamt 0,50 μg/l
• PFAS gesamt 0,50 μg/l
• Summe der PFAS 0,10 μg/l
• Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe 0,10 μg/l
• Selen 20 μg/l
• Tetrachlorethen und Trichlorethen 10 μg/l
• Trihalogenmethane gesamt 100 μg/l
• Uran 30 μg/l
• Vinylchlorid 0,50 μg/l

Dureza del agua

Die Wasserhärte repräsentiert den Gehalt von Calciumcarbonat (CaCO₃) in mmol/l, ppm o mg/l (1 mmol/l = 1 ppm/l = 1 mg/l) Erdalkali-Ionen gemäß dem internationalen Einheitssystem SI (Système International d’Unités), veraltet auch noch in °dH (deutsche Härte 1 °dH entspricht 0,1783 mml/l), angegeben.

• weiches Wasser -> kleiner 8,4 °dH, entsprechend kleiner 1,5 mmoll
• mittel -> 8,4 .. 14 °dH, entsprechend 1,5 .. 2,5 mmol/l
• hartes Wasser -> größer 14 °dH, entsprechend größer 2,5 mmol/l

Die Wasserhärte zeigt sich u.a. in Kalkablagerungen in Leitungen, auf von Wasser benetzten Oberflächen und im Verbrauch von mehr Waschmittel je kalkhaltiger, mithin härter das Wasser ist.

Wasserenthärtung

Wasserenthärtung kann auf zwei Wegen vorgenommen werden, so durch: 

• intercambiador de iones (hier wird Wasser durch einen mit Natrium-Ionen gesättigten Harzfilter geleitet, wobei ein Austausch von im Wasser gelösten Calcium- und Magnesium-Ionen gegen die Natrium-Ionen des Harzes stattfindet.
  Ionentauscher sind je nach Durchflussmenge früher oder später mit Calcium- und Magnesium-Ionen gesättigt und müssen dann mit einer hochkonzentrierten Kochsalz-Lösung (NaCl) gespült, regeneriert werden. Danach können sie wieder Calcium- und Magnesium-Ionen aufnehmen und entsprechend Natrium-Ionen abgeben.
  Derlei Anlagen benötigen im Laufe eines Jahres je nach Durchsatz große Mengen, ein nach EN 973 Typ A zertifiziertes, hochreines Salz mit einer Reinheit über 99,5 %.
  Nachteilig ist die Anreicherung des Wassers mit Natrium, womit der Gedanke „natriumarmen“ Trinkwassers konterkariert wird. Ebenso natürlich die wiederkehrenden Kosten für das Regenerations-Salz, wie den damit verbundenen Wartungsaufwand.
• Umkehrosmose, indem das Wasser mit hohem Druck durch 0,00001 µm feine Filterporen gepresst wird. Nachteilig ist allerdings, dass das resultierende Wasser keinerlei Mineralstoffe mehr enthält und somit re-mineralisiert werden muss, um für den menschlichen Organismus wieder verwertbar zu werden.
  Nachteilig sind die regelmäßig wiederkehrenden Kosten für die Osmosemembran (Filterkartusche) und das „Wasser“, das bei der Umkehrosmose anfällt und bis zu 50% zusätzlichen Wasserverbrauch betragen kann.
• Destilación, was ebenfalls in Wasser ohne jeglichen Mineralstoffgehalt mündet und damit für den Menschen gesundheitlich kontraproduktiv ist.
  Nachteilig ist zusätzlich der hohe Energieaufwand.
• Impfkristallisation, bei der mittels eines Katalysators (gefüllt mit speziell beschichteten Keramik oder Polymer-Kügelchen, an denen Calcium- und Carbonat-Ionen andocken und auskristallisieren) der das Kalkablagerungen verursachende Calcit in nadelförmige, nicht mehr anhaftende Aragonit-Kristalle umwandelt.
  Das Wasser beinhaltet nach wie vor alle Mineralien, inklusive „Kalk“ in Form der Aragonit-Kristalle).
  Für den Organismus ist dieses Wasser vollständig nutzbar.
  Solche Geräte haben Standzeiten von über zehn Jahren, je nach Durchsatz und Dimensionierung. Sie werden in die Hauptzuleitung der Hauswasserversorgung nach dem Wasserzähler eingeschleift.
  

Impfkristallisations-Technologien

Die Wasserhärte ändert sich bei keiner der nachfolgenden Technologien. Allerdings lagert sich Kalk nur noch stark vermindert ab, da das CaCO₃ bereits in stabilen feinen Mikro- oder sehr feinen Nanokristallen gebunden vorliegt.

TAC

Template Assisted Crystallization – Träger des Kristallisationskeimes ist ein festes Medium, z.B. Harz oder Granulat. Auf diesen bilden sich beim Durchströmen des Wassers Calciumcarbonat-Kristalle, die sich umgehend vom Medium ablösen und mit dem Awasser fortgeleitet werden.
Ideal bei geringerem Durchfluss, da die Bildung der Mikro- im Vergleich zu Nanokristallen beim NAC-Verfahren mehr Zeit beansprucht.

NAC

Nucleation Assisted Crystallization – prinzipiell identisch mit dem TAC-Verfahren, jedoch werden hier Nano- statt Microkristalle erzeugt. D.h. die Partikelzahl ist größer, die Kristalle kleiner.
Vorteilhaft, wenn hoher Durchfluss gefordert ist, da die Kontaktzeit zum Medium deshalb kürzer ist und die Kristallbildung systembedingt schneller als beim TAC-Verfahren abläuft.

MAC

Media Assisted Crystallization – fasst beide Verfahren, TAC und NAC, unter einem Überbegriff zusammen. Die Bezeichnung MAC wird meist dann verwendet, wenn eigene Technologien in anwendung kommen, die sich von üblichen TAC-/NAC-Verfahrenstechnolgien unterscheiden.

Anbieter von Systemen mit Impfkristallisation

Wie immer gilt es die Spreu vom Weizen zu trennen, sprich: welcher Hersteller behauptet nicht nur, sondern belegt auch die Funktion seiner Produkte mit entsprechenden Zertifikaten unabhängiger Prüfstellen und / oder Studien.

Die Kontaktzeit des durchströmenden Wassers ist, wi evor erwähnt, funktional bedeutsam, weshalb die Datenblätter der einzelnen Produkte hinsichtlich dieses Kriteriums gesondert zu bewerten sind und die Gesamtanlage darauf abszustimmen ist.

Nachfolgende Hersteller fallen hier positiv auf:

• ScaleStop – support@scalestopplus.com
  Unabhängige Tests der Arizona State University und DVGW (W512 aus 2013) belegen die Wirksamkeit mit jeweils 99%
• Water Tech – info@watertechgroup.com
  bewirbt sein Produkt Scale-Safe mit einer 99,9-prozentigen Wirksamkeit
• Aqon Pure – info@aqon-pure.com
  belegt die Wirksamkeit ihres Systems mit zwei Studien: der Hohenstein Innovations gGmbH und der GSA (Link 1, Link 2, Link 3)
• Watts – info@wattsindustries.it
  bietet eine Produktreihe unter der Bezeichnung One-Flow en
• Crystal Wash – clean@crystalwash.fr
  beschränkt sich auf eine Wirksamkeitsangabe von 88 .. 97 % und bezieht sich auf die generell durch DVGW-W512 ausgewiesene Effizenz des TAC-Verfahrens
  

Ergiebigkeit der Quelle

Bei einer vorhandenen oder geplanten Brunnenbohrung sind die Parameter Durchfluss- und Entnahmerate, neben anderen Parametern in der Berechnung der zu entnehmenden Grundwassermenge in der Zeiteinheit elementar. Die Erläuterung, samt Berechnung findet sich sehr anschaulich auf dieser sitio web.

Die Entnahme von Wasser aus einem Fluss ist oft genehmigungspflichtig und wird mengenmäßig begrenzt festgelegt.

Auswahl der Förderpumpe

Eine Tiefbrunnenpumpe dient der Förderung von Grundwasser aus Tiefen zwischen 8 und 90 Metern. Zu beachten ist, dass die Entnahmehöhe und Pumpentiefe (Ansaugtiefe) addiert die Gesamtförderhöhe ergeben.

Anwendungs-Ejemplo:

Pumpentiefe (Saugkorb) 20 m + höchster Entnahmepunkt 30 m = 50 m beträgt die gesamte Förderhöhe der Tiefbrunnenpumpe.

Allerdings sind, neben der reinen Höhendifferenz, auch Reibungsverluste der Leitungsführung (Rauhigkeit des Rohres, Formstücke, etc. = dynamischer Kopf) zu berücksichtigen. Diese müssen entsprechend bei der Pumpenauswahl aufgeschlagen werden.

Ausgehend von einer Pumpenleistung von 3.000 l/h (Q = 3/3600 m³/s = 0,0008333333333333333 m³/s), unter der Verwendung von z.B. DN65 (D = 0,0752) PE/HDPE-Rohr mit einer Rauhigkeit lt. Datenblatt von ε = 1,5 µm = 1,5 × 10⁻⁶ m, der kinematische Viskosität von Wasser von ≈ 1·10^-6 m²/s, sowie einer Dichte ρ = 1000 kg/m³ und Fließgeschwindigkeit von g = 9,81 m/s², sowie Berücksichtigung der Äquivalente von Fittingen, etc. durch das kalkulierte 1,2-Fache der Leitungslänge von 200 m, entsprechend 240 m und zu überwindendem Höhenunterschied von H_s 50 m (statischer Kopf) bei einer mittleren Erdbeschleunigung von g = 9,81 m/s² (als Konstante), ergibt sich folgende Rechnung:

• Querschnitt DN65
  A = ( π ⋅ D² ) : 4 = ( π ⋅ 0,0752 ² ) : 4 = 0,004417865 m²
• Strömungsgeschwindigkeit
  v = Q : A = 0,0008333333333333333 m³/s : 0,004417865 m² = 0,1886280807 m/s
• Reynoldszahl (Kennzahl, niedrig = laminare, hoch = turbulente Strömung)
  Re = υD : v = ( 0,1886280807015056 ⋅ 0,0752 ) : ( 1⋅10−6 m²/s ) = 14147,10605261292 m²/s
• Rohrreibungsbeiwert (Swamee-Jain)
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( (ε : ( 3,7 ⋅ D )) + ( 5,74 : Re^0,9 ) ) ]²
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( 5,405405405405405 × 10^-6 + 0,000728728 ) ]²
  f = 0,25 : [ log₁₀ ( 0,0007341334054054 ) ]²
  f = 0,25 : [ −3,134490 ]²
  f = 0,25 : 9,825866 = 0,028256663933258565
• Rohrreibungsverlust (Darcy-Weisbach)
  h_f  = f ⋅ ( L : D ) ⋅ ( v² : 2g )
  h_f  = f ⋅ ( 240 : 0,075 ) ⋅ ( 0,1886280807015056² : 2 ⋅ 9,81 )
  h_f  = f ⋅ ( 3.200 ) ⋅ ( 0,001813634 m )
  h_f  = 0,028256663933258565 ⋅ 5,803629 = ≈ 0,1639776104 m
• Äquivalenter Formstückverlust
  (identische Fommel, statt L (Rohrlänge) wird L_eq (mit 10 m gesetzt)
  h_eq = f ⋅ ( L_eq : D ) ⋅ ( v² : 2g ) = ≈0,0068324004 m
• Gesamtförderhöhe
  h_tot = H_s + h_f  + h_eq
  h_tot = 50,0 m + 0,1639776104 m + 0,0068324004 m = ≈50,1708100 m
• Druck am Ausgang der Pumpe
  p = ρgH_tot
  p = 1000⋅9,81⋅50,1708100108 = 492175.6462064206 Pa
  p = 492175.6462064206 Pa : 10.000 = 4,921756462064206 bar
• Hydraulische Pumpen-Leistung
  PAG_h​ = ρgQH_tot
  PAG_h​ = 1000 ⋅ 9,81 ⋅ 0,0008333333333333333 ⋅ 50,1708100108 = 410,1463718386839 W
• Elektrische Motorleistung PAG_motor​ bei Wirkungsgrad η = 0,65
  PAG_motor​ = Ph​​ : η
  PAG_motor​ = 410,1463718386839 : 0,65 = 630,9944182133598 W

Nominell erbringt eine Pumpe mit rund 630 W die erforderliche Leistung. In der Praxis geht man, mit einem 80-prozentigen Aufschhlag als Sicherheitsreserve, also von etwa 1,1 kW aus.

Ventile

Wenn jede Zisterne im Verbund einzeln trennbar sein soll, was im Falle von bei Wartungsarbeiten oder Leckagen sinnvoll ist, benötigt man für jede Zisterne ein Absperr- und Rückschlagventil, sowie ein Spül-, bzw. Entleerungsventil.

Motorisch betriebene Ventile sollten über die Möglichkeit einer manuellen (Not-)Betätigung verfügen.

Alle Komponenten müssen bei Trinkwasser-Anforderung WRAS/DVGW-konform ausgelegt sein (EPDM-Sitz und NBR-Membran). Montageflansche für die Anbindung von Aktuatoren müssen gemäß ISO 5211, Motorflansche entsprechend ISO5211 F05/F07 ausgelegt sein.

Die Leckrate sollte gemäß Klasse VI sein, was absolute (blasenfreie) Dichtigkeit bedeutet, mithin einer Leckrate von Null entspricht. Alle Ventilen mit (PTFE-) / EPDM-Sitz erfüllen diese Forderung.
Metallsitze erreichen nur Klasse IV: eine Leckrate von 10 ml/min unter Prüfdruck ist erlaubt.

Ob 230 V AC- oder 24 V DC-(Batterie-)Betrieb der Aktuatoren entscheidet die Forderung einer automatisierten Bedienbarkeit auch bei Ausfall des öffentlichen Strom-Versorgungsnetzes.
Alle elektrischen Komponenten müssen bei, der Witterung ausgesetzten, Anlagen nach IP65 (staubdicht, Schutz gegen Strahlwasser), besser IP67 ( Staubdicht, Schutz gegen kurzzeitiges Untertauchen) zugelassen sein.

Motorisch betriebene Ventile müssen über Endschalter, idealerweise eine Ansteuerung über 0 .. 10 V, resp. 4 .. 20 mA verfügen, wenn andere Positionen als offen / geschlossen angesteuert werden sollen.

Füllstands-Messung

Für die Füllstandsüberwachung bieten sich Ultraschall- und Drucksensoren an. Während Drucksensoren, am Zisternenboden positioniert, ständig Wasser ausgesetzt sind, ist die Ultraschall-Messung berührungslos: Der Sensor wird am oder unter dem Zisternendeckel montiert und ist damit schnell zugänglich.

Industrielle Ultraschallsensoren geben als Signal einen Strom von 4 .. 20 mA aus, der über enen kalibrierten IU-Wandler (Strom zu Spannung) eine messwertabhängige Spannung erzeugt, die über einen Mikrokontroller ausgewertet und als Messwert, in Liter, Kubikmeter oder Prozent umgerechnet, angezeigt wird.

Allerdings steigen die Preise für Ultraschallsensoren analog der zunehmenden Reichweite bis in den vierstelligen Euro-Bereich. Sensoren mit bis zu 2,2 m Messdistanz liegen um die 200 Euro, was die Zisternentiefe auf etwa 2 m begrenzt, soll das Budget nicht überstrapaziert werden.

... continuará ...