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Das oberste Ziel der Hardwasser AG ist die Erfüllung des öffentlichen Auftrages, einwandfreies Trinkwasser in genügender Menge für die Stadt Basel und deren Umgebung bereit zu stellen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird vorgereinigtes Rheinwasser zur Versickerung in die Hard geleitet und später als Grundwasser aus der Tiefe des Hardbodens in das Reservoir gefördert. Von hier aus wird das Grundwasser über eine Aktivkohlefilteranlage geleitet, um restliche Mikroverunreinigungen aus dem Trinkwasser zu filtern. Danach kann das Trinkwasser an die angeschlossenen Wasserversorgungen abgegeben werden.
Die Situationsübersicht zeigt, dass sich diese Verfahrensschritte in zwei geographisch voneinander getrennte Anlagenbereiche aufteilen:
Die verschiedenen Verfahrensschritte für die Trinkwassergewinnung sind im Laufe der Zeit durch die oben erwähnte Aktivkohlefilterstufe ergänzt worden und lassen sich für einen Überblick in die folgenden Teilschritte auflisten:
Alle Verfahrensschritte werden von einem modernen Prozessleitsystem geführt und überwacht. Das System zeichnet alle wichtigen Prozess- und Messdaten lückenlos auf. Ein vom Schweizerischen Verein für das Gas- und Wasserfach (SVGW) zertifiziertes Qualitätssicherungssystem garantiert unseren Kunden und Trinkwasserabnehmern einwandfreie Qualität und hohe Verfügbarkeit des für uns alle so wichtigen Trinkwassers.
Rohwasserentnahme aus dem Rhein
Der Rhein führt bei unserer Fassungsstelle, ca. 800 m unterhalb des Kraftwerkes Augst, im Durchschnitt eine Wassermenge von 1000 m³/s. Der Extremwert für Niederwasser vom Februar 1963 liegt bei 302 m³/s, jener für Hochwasser vom Mai 1999 bei etwa 4'500 m³/s.
Die Fassungsstelle liegt in einer Tiefe von 4,2 Metern an der Flusssohle etwa 40 m vom Ufer entfernt, und wird von einem kuppenförmigen Betonelement überdeckt. Eine Betonleitung mit 125 cm Durchmesser führt von dieser Stelle in den Pumpenschacht der Rheinwasserpumpstation. Ein Rechensystem vor dem Einlauf in das Bauwerk verhindert das Eindringen von angeschwemmtem Material.
In der Rheinwasserpumpstation sind acht Pumpen mit einer Gesamtförderkapazität von 3250 l/s installiert. Die grösste dieser Pumpen fördert pro Sekunde etwa 500 Liter und hat eine Leistung von 155 kW (210 PS). Im Jahresdurchschnitt werden ungefähr 1000 l/s Rohwasser in das um 20 m höher gelegene Überlaufbauwerk gepumpt.
Das Rohwasser sprudelt hier von den Pumpen her kommend aus den Überlauftrompeten und erreicht im Becken ein Wasserniveau von etwa drei Metern über dem Strassenniveau. Dies reicht aus, damit alle folgenden Verfahrensstufen der Aufbereitung im Areal Steinhölzli im freien Gefälle ohne weitere Pumpenergie durchströmt werden können.
Das tosend ankommende Rheinwasser verbreitet im Bauwerk den charakteristischen Geruch des Flusswassers.
Vorreinigung in Absetzbecken
Das Rohwasser fliesst vom Überlaufbauwerk in das Verteilbauwerk, wo es auf zwei parallel angeordnete Absetzbecken geleitet wird. Diese unterscheiden sich in einigen Merkmalen augenfällig voneinander, obwohl sie innerhalb des Prozesses die gleiche Aufgabe haben. Sie befreien nämlich das Rheinwasser von gröberen Schwebestoffen, mitgeführtem Sand und Laub. Es kann vorkommen, dass der Rhein bei Hochwasser bis zu 1 g/l Sand und Schwebestoffe mit sich führt. Die Absetzbecken entnehmen dem Rohwasser etwa 60% der ursprünglich mitgebrachten Fracht an Schwebestoffen.
Der Cyclator ist ein grosses Rundbecken mit einem Fassungsvermögen von 5000 m³, worin das Wasser zirka zwei Stunden verweilt. Durch die sich einstellende, sehr geringe Strömungsgeschwindigkeit, können sich die Schwebestoffe auf den Grund des Rundbeckens absetzen. Die auf dem Beckenboden ständig wachsende Schlammschicht wird von einer langsam kreisenden Räumerbrücke mit Bodenschabern gesammelt und drei Trichtern im Beckenboden zugeführt. Periodisch werden die mit Schlamm gefüllten Trichter entleert. Leichte Partikel wie Laub, oder auch aufschwimmender Blütenstaub, werden durch eine glockenförmige Tauchwand zurückgehalten.
Das etwas neuere, rechteckige Absetzbecken hat ein Fassungsvermögen von 2100 m³ und ist in zwei Beckenkammern aufgeteilt. Auch hier verhindern Tauchwände das Weiterkommen von leichten, schwimmenden Partikeln. Das Wasser durchströmt in sehr langsamer Geschwindigkeit wabenartige Rechteckrohrelemente, die in einem Winkel von 30° zur Senkrechten stehen. An der Oberfläche dieser Rohre, wo die Strömungsgeschwindigkeit gegen Null sinkt, setzen sich die Schwebestoffe fest und bilden eine wachsende Schlammschicht. Da diese Schicht immer schwerer wird, kann sie von der glatten Rohrwand plötzlich nicht mehr gehalten werden und gleitet Richtung Beckenboden ab, wo der Schlamm gesammelt wird. Die Reinigung der Becken erfolgt wöchentlich und wird über eine automatische Steuerung ausgelöst.
Filtration mittels Schnellfiltern
Das vorbehandelte Rheinwasser fliesst nach der Vorreinigung über zwei Schnellfilter mit je 10 Becken und einer Filterfläche von je 500 m². Das Wasser durchströmt mit einer Geschwindigkeit von etwa 4 m pro Stunde eine 80 cm dicke Quarzsandschicht aus Körnern von 1 bis 1,5 mm Grösse. Der maximale Durchsatz pro Filter liegt bei etwa 1000 l/s. Im oberen Teil der Quarzsandschicht sammeln sich die Schmutzpartikel und beladen den Filter immer stärker. Ein ausgeklügeltes Rückspülsystem mit Luft und Filtratwasser ermöglicht das Reinigen der verschmutzten Filterschicht. Seit der Inbetriebnahme der Filter vor über 50 Jahren musste der Filtersand noch nie ausgewechselt werden, lediglich eine untergeordnete Verlustmenge musste als Folge der Spülvorgänge nachgefüllt werden.
Ein Blick in die Sauberwasserkammer unter dem Filterboden zeigt, dass das Rheinwasser mittlerweile sehr sauber und klar geworden ist, weil nun bis zu 95 % aller Schwebestoffe ausgefiltert sind. Dieses Wasser enthält aber immer noch den Grossteil aller Bakterien und anderer unerwünschter Stoffe, riecht und schmeckt nach Flusswasser, und ist somit für uns Menschen nach wie vor ungeniessbar.
Schnellfilter-Anlage
Das Wasser erreicht nun das 900 m³ fassende Reservoir der Filtratpumpstation. Eine Gruppe von 8 abwechslungsweise im Betrieb stehenden Pumpen fördert das Filtrat durch eine Betonleitung mit 1,25 m Durchmesser in die etwa 4 km flussabwärts liegende Hard. Durchschnittlich werden etwa 1000 l/s Filtrat gefördert, die maximale Pumpmenge beträgt etwa das Doppelte. Drei zusätzliche Pumpen versorgen die Abwasserreinigungsanlage ARA Rhein mit bis zu 60 l/s Brauchwasser, welches dort für Kühl- und Reinigungszwecke genutzt wird.
Versickerung und Bodenpassage in der Muttenzer Hard
Mit der Versickerung oder Infiltration des Filtratwassers in der Grundwasserschutzzone Hardwald durchläuft das Wasser eine wichtige Reinigungsstufe bevor es zu Trinkwasser wird. Vom Auslaufbauwerk wird das Filtrat gezielt auf die Sickeranlagen verteilt. Dieses System aus 3500 m offen im Wald angelegten Sickergräben mit 7000 m² Fläche und 6 Weihern mit 4000 m² Sickerfläche, wird pro Tag mit durchschnittlich 1000 l/s Filtrat beschickt. Die Sohle der Sickeranlagen ist mit verschiedenen Sand- und Kiesfiltern aufgebaut. So ist beispielsweise in den Weihern eine 40 cm starke Rundkiesschicht aufgeschüttet, die Laub oder restliche Schwebestoffe zurückhält. Diese Schicht muss infolge Verschlammung periodisch erneuert werden. Laub und Treibholz herunterfallender Äste werden laufend von Hand entfernt.
Die Wegstrecke zwischen den Sickeranlagen und den nördlich gelegenen Entnahmebrunnen beträgt etwa 400 m. Der Kiesboden unter dem Hardwald ist von unterschiedlich feiner Struktur und Körnung. Diese Kiesstrukturen bilden für das Grundwasser verschiedene Strömungswiderstände, die bewirken, dass sich für das Wasser Verweilzeiten zwischen einem Tag und mehreren Monaten einstellen. Beim Einsickern in den Untergrund und beim nachfolgenden Durchströmen des Kiesbodens finden massgebende Reinigungsvorgänge statt, wonach Flusswasser zu qualitativ hochwertigem Grundwasser wird. Biologische und chemisch-physikalische Prozesse sorgen auf natürliche Art und Weise für den Abbau bzw. den Rückhalt vieler unerwünschter Inhaltsstoffe. Das Verfahren entspricht jenem, wie von der Natur in vielen Flusstälern hochwertiges Grundwasser aus Flusswasser gebildet wird. Die Bodenpassage sorgt überdies für einen Ausgleich der Wassertemperatur über die Jahreszeiten.
Im Normalbetrieb wird jeden Tag ungefähr die doppelte Menge Filtratwasser zur Versickerung gebracht als Grundwasser entnommen wird. Dieser Überschuss bildet tief unter dem Waldboden einen Wasserberg dessen höchster Punkt etwa in der Mitte der Grundwasserschutzzone liegt. Von diesem Berg fliesst das Wasser nach allen Himmelsrichtungen weg und verhindert so das Eindringen von eventuell verunreinigtem Grundwasser von ausserhalb in die Hard.
Es ist noch anzumerken, dass die Versickerung von Filtratwasser in der Hard bis zu einer Woche unterbrochen werden könnte, ohne die Trinkwassergewinnung negativ zu beeinflussen. Das Grundwasser wird in den Poren der Kiesschichten zurückgehalten und kann nicht ungehindert schnell abfliessen.
Einmal wöchentlich werden die Grundwasserpegel von etwa 80 Messrohren in der Hard und deren Peripherie abgelesen. Die Resultate ergeben zusammengefasst eine Isohypsenkarte, ein Bild des Grundwasserberges mit Höhenlinien, wie es Wanderkarten an einem Jurahügel zeigen. Einige Grundwasserpegelrohre sind mit elektronischen Messsonden ausgerüstet und erlauben zusätzlich eine zeitlich lückenlose Beobachtung der Grundwasserstände.
Gefasst wird das Grundwasser in 32 Brunnen. Die grössten Teils vertikalen Filterrohre sind bis zu 38 m in den Kieskoffer eingebaut, wo sie unten auf massivem Fels aufliegen. Diese Strecke vom Waldboden bis zum Fels teilt sich in zwei Zonen auf. Vom Waldboden bis zum Grundwasserspiegel liegt der trockene Bereich, man spricht vom Flurabstand. Dieser beträgt 16 bis 20 Meter. Darauf folgt die mit Wasser gesättigte Zone vom Grundwasserspiegel bis zum undurchlässigen Fels, deren Mächtigkeit somit ebenfalls um die 20 m misst.
Die Ergiebigkeit der Brunnen variiert im Bereich von 50 l/s bis 95 l/s. Die Brunnen sind über ein 5500 m langes Leitungsnetz aus Stahlrohren miteinander verbunden und können kurzfristig zusammen bis zu 1400 l/s Grundwasser in das Reservoir Zentrale West fördern.
Schwarze Kohle für sauberes Wasser
Dass schwarze Kohle für die Wasserreinigung eingesetzt wird erscheint im ersten Moment widersinnig. Beim verwendeten Stoff handelt es sich um so genannte Aktivkohle, die im Falle der Hardwasser AG aus Steinkohle gewonnen wird. Die kleinen Körnchen sehen aus wie löslicher Kaffee. Ihre Oberflächenstruktur gleicht einem Schwamm und ist sehr porös. Erreicht wird dies durch die Behandlung mit sehr heissem Wasserdampf. Vier Gramm Aktivkohle weisen so eine Oberfläche eines halben Fussballfeldes auf. Bevor die Aktivkohle zur Trinkwasseraufbereitung benutzt werden kann, muss der Abrieb ausgewaschen werden und das geschwärzte Spülwasser wird als Abwasser weggeleitet. Einmal ausgewaschen, hinterlässt die Aktivkohle aber klarsichtiges, sauberes Wasser.
Wird die Aktivkohle als Filter in der Trinkwasseraufbereitung angewandt, dann fliesst das Wasser durch die körnige Schüttung und benetzt alle Poren der Aktivkohle. Im Wasser enthaltene, unerwünschte Stoffe bleiben grössten Teils an der Oberfläche haften, sie werden adsorbiert. – So auch das in äusserst geringen Mengen im Wasser enthaltene Chlorbutadien.
Der Aktivkohlefilter der Hardwasser AG wird über drei Filterbecken verfügen, sowie ein Reservebecken. Die Aufbereitungskapazität mit drei Becken beträgt pro Tag ca. 75‘000 Kubikmeter. Dank des Reservebeckens ist ein Austausch der Aktivkohle ohne Einschränkung des Betriebes auf einfache Weise möglich.
Granulierte Aktivkohle kann mehrmals verwendet werden. Die „verbrauchte“ oder beladene Kohle wird in einer speziellen Anlage regeneriert. Dabei ist sichergestellt, dass ein Wasserwerk seine eigene Aktivkohle wieder geliefert bekommt. Der Regenerationsprozess kann zwei bis drei Mal wiederholt werden. Danach muss wieder auf Frischkohle zugegriffen werden.
Der Aktivkohlefilter mit einer Schichthöhe von 2,5 Metern wird in den Reinigungskreislauf eingeschaltet, um jene ca. 0,1 µg (sprich Mikrogramm) Chlorbutadien zu adsorbieren, die in einem Liter Wasser enthalten sind. Diesen Anteil kann man sich nur Vorstellen, wenn man einen anschaulichen Vergleich hinzuzieht. Löst man einen halben Würfelzucker in einem Sportschwimmbecken vom Ausmass 50x20x2 Metern, dann entspricht die Zuckerkonzentration im Wasser einem Mikrogramm pro Liter – und das ist immer noch zehn Mal mehr, als jene Menge Butadien, die in einem ungefilterten Liter Wasser enthalten ist.
Mit der zusätzlich eingeschalteten Reinigungsstufe kommen die Konsumenten der Hardwasser AG in den Genuss von reinem, klarem Trinkwasser – schwarze Kohle macht’s möglich.
Aktivkohlefilter Hard
Die Menge von 4 Gramm Aktivkohle entspricht einem gehäuften Kaffeelöffel. Die Oberfläche davon entspricht einem halben Fussballfeld.
Speicherung im Reservoir Zentrale West und Abgabe
Das Reservoir ist in zwei symmetrisch angelegte Becken unterteilt und hat ein Fassungsvermögen von 5000 m³. Dieses Reservoir wird als Vorlagebehälter verwendet und wird bei Tagesabgabemengen zwischen 25‘000 m³ und 75‘000 m³ pro Tag, entsprechend zwischen 5- und 15-mal umgewälzt.