2019 - Idee und Umsetzung einer chemiefreien Trinkwasseraufbereitung für das Wohnmobil mit UVC-Strahlung

Sauberes Trinkwasser ist nicht allerorts eine Selbstverständlichkeit, trotzem ist Trinkwasser das am meisten kontrollierte Lebensmittel, zumindest in Europa. Da wir während unserer Reisen eigentlich immer Zugang zu Trinkwasser haben, sei es in Form von abgefüllten und verschlossenen Gebinden, oder aus Trinkwasserquellen, besteht nicht zwingend die Notwendigkeit unser Tankwasser zu trinken. Vorrangig für unsere Gebrauchsgewohnheiten, ist keimfreies Dusch- und Brauchwasser, aber auch Wasser für die Geschirrwäsche, im Tank zu haben.  Allerdings, beim befüllen unseres Wassertanks war ich mir in manchen Ländern nicht immer sicher ob die Qualität einwandfrei war, so halfen wir bisher mit den gängigen Methoden nach.

Zur Trinkwasseraufbereitung können mechanische, chemische und biologische Verfahren eingesetzt. Alle Verfahren sind landläufig in Fachbüchern oder auf Wohnmobilseiten im WEB ausreichend beschrieben, haben ihre Vorteile aber auch Nachteile, insofern möchte ich dieses Thema nicht abermals durchnehmen.  Für uns war klar, wir rüsten um auf  eine chemiefreie Methode, somit setzte ich mich ausführlich mit der UVC-Thematik auseinander. 

  •  Was ist UVC- (Ultraviolett) Strahlung?

Im Jahre 1878 haben die  Forscher A. Downes und T. P. Blunt den primären Zusammenhang zwischen UV-Strahlung und Wachstum von Mikroorganismen entdeckt. Ultraviolette (UV) Lichtstrahlen lassen sich nach ihrer Wellenlänge in UVA-, UVB- und UVC- Strahlen einteilen. Diese nichtionisierende Strahlung, umfasst den Wellenlängenbereich von 100 nm bis 400 nm. Zur Erklärung 1 nm ist 1 mal 10-9  Meter. Durch unterschiedliche physikalische und biologische Wirkungen wird die UV-Strahlung nochmals unterteilt in UVA-, UVB- und UVC- Strahlung. Bei Strahlung unter 200 nm kommt es zur Ozonbildung

  • UV-A-Strahlung Wellenlänge 400 - 315 nm
  • UV-B-Strahlung Wellenlänge 315 - 280 nm
  • UV-C-Strahlung Wellenlänge 280 - 100 nm

UV-A-Strahlung folgt direkt dem sichtbaren Licht und ist am energieschwächsten, hat jedoch die höchste Eindringtiefe in unsere Haut,  im Gegensatz zur UV-C-Strahlung, welche am kurzwelligsten ist und somit am energiereichsten, hat diese die geringste Eindringtiefe. Die terrestrische UVC-Strahlung der Sonne wird wird durch eine intakte Ozonschicht auf die Erde verhindert.

  • Welche Keime und Bakterien werden durch UVC- Strahlung beseitigt?

Wird Trinkwasser über längere Zeit aufbewahrt führt dies innerhalb weniger Tage zur Verunreinigung, respektive einer Anreicherung von Bakteriophagen. UVC-Strahlung verhindert die Vermehrung von Mikroorganismen, verhindert Resistenzbildung und wirkt „abtötend“, außerdem haben sie eine bedeutende Entkeimungswirkung. Mineralstoffe sind immer anorganisch und bleiben deshalb erhalten. Bei Wellenlängen von ca. 250 bis 280 nm werden in den Zell-Nucleinsäuren, welche auch die genetische Information (DNA) enthalten, die Strahlen absorbiert (aufgenommen) und führen zur Abtötung bzw. Schädigung nachfolgender Bakterien:

  • Bakterien und Viren
  • Hefe-  und Schimmelpilze
  • Cholera, Coli-Bakterien und Väkalkeime
  • Legionellen, Salmonellen
  • TBC, SARS und Anthrax
  • Beseitigung von Schwebealgen und Grünalgen

Darüber hinaus kann nach gegenwärtigen wissenschaftlichen Erkenntnissen eine Resistenzbildung nicht erworben werden. Dies ist auch einer der größten Vorteile gegenüber der physikalischen/chemischen Entkeimung, sogenannte multiresistente Problemkeime haben keine Überlebenschance. Somit ist die UVC-Entkeimung eine der sichersten und zuverlässigsten Desinfektionsverfahren.

  • Wie setze ich meine Idee in die Praxis um?

Grundvoraussetzung war, die kompromisslose, verschleißfreie Elektronik sollte so einfach als möglich sein, die Leistungsaufnahme so gering als ausführbar, der Wirkungsgrad der gesamten Schaltung größer 90% sein,  eine einfache Programmierung sowie eine hohe Betriebssicherheit. Kleine Abmessungen und geringes Gewicht, darüber hinaus Schutzart min. IP55 und ein völlig geräuschloser Dauerbetrieb, also kein Relaisklacken. Außerdem stellte sich noch die Frage einer Tankentkeimung oder einer Durchlaufentkeimung. Nach sorgfältigen Überlegungen entschied ich mich für eine Tankentkeimung der sogenannten Sekundärdesinfektion, der größere Vorteil, gerade im Wohnmobil, überwiegt.

  • Das Ergebnis, ein praxistaugliches Gerät!

Technische Daten der Entkeimungsanlage

  • Schutzklasse 2 und 3
  • Nennspannung 12,5V DC +/- 10%
  • Nennstrom mit UVC Leuchtmittel max.750mA
  • Nennstrom Stand-by max.7mA
  • Nennleistung des UVC-Leuchtmittel 11 Watt/230V
  • Betriebsleistung mit UVC-Leuchtmittel 9,5W
  • Nennleistung Stand-by 88mW
  • Umgebungs-Temperaturbereich Elektronik: -15° bis +50° 
  • Wasser- Temperaturbereich: 10 bis 30° C
  • Abmessungen: L,B,H in mm 250/110/55
  • Betriebsstunden: ca. 8000 Std.
  • Montagelage: beliebig
  • Entkeimung >98% bei 120l möglich
  • Gewicht 950g
  •  Dosierung - Programmierung!

Die Wirksamkeit der Desinfektion steht in unmittelbarem Zusammenhang mit der gehandhabten Dosis. Je höher die Strahlungsleistung und je länger die Einwirkzeit, desto größer die entkeimende Wirkung. Die Formel ist:

Dosis = Strahlungsenergie mal Zeit geteilt durch die Fläche. Die Einheit für die Dosis wird meist in mW*s/cm² angegeben, dementsprechend lässt sich die Formel in Watt umstellen. Außerdem schwächt Wasser die Strahlung ab, genaugenommen nimmt diese nicht linear, sondern zum Quadrat der Entfernung ab. Vereinfacht gesagt dringen UVC-Strahlen ca. 30 Zentimeter tief ins Wasser ein, bevor sie erheblich abgeschwächt werden. Nach etlichen Berechnungen und Ergebnisvergleichen kam ich auf folgende Werte, welche Gültigkeit haben für einen Tankinhalt von ca. 150 Liter Wasser. Zyklisch alle 3 Stunden schaltet die Steuerelektronik für 15 Minuten die Entkeimung an. Diese Berechnung basiert auf 9,5 Watt Ansteuerleistung und beinhaltet selbstverständlich einen ausreichend dimensionierten Sicherheitsfaktor.  Als Minimaldosis wären 4 Stunden Standby und 10 min Bestrahlung bei 200 Liter gerade noch möglich.

  • Sicherheit

UVC-Strahlung ist einfach abschirmbar, beispielsweise durch hochwertiges Fensterglas, transparenten oder eingefärbten Kunststoff wie Acrylglas, Makrolon®, Plexiglas® sowie alle undurchsichtigen Materialien wie Metall, Holz etc.. Ein Kunststoffwassertank hat z.B. eine Schirmwirkung von 100%. Achtung auf keinen Fall direkt in die Lampe sehen, die Lampe nicht außerhalb des Wassertanks betreiben - akute Sonnenbrandgefahr!

  •  Aufbau und Lebensdauer der UV-Lampe

Der Strahler ist wasserdicht aus Quarzglas ausgeführt. Quarzglas, wird auch landläufig als Kieselglas bezeichnet, dieses Glas, hat im Gegensatz zu den gebräuchlichen Gläsern keine Beimengungen von Soda oder Calciumoxid.

Die gute Durchlässigkeit für Infrarot- bis Ultraviolettstrahlung beträgt ca. 170 nm bis 5.000 nm Wellenlänge.

 

Die theoretisch-physikalische Lebensdauer liegt bei ca. 20.000 Betriebsstunden

Die theoretische Nutzungslebensdauer liegt bei rund 8.000 - 15.000 und ist weitgehend abhängig von den Schaltzyklen.

Die praktische Lebensdauer im Wohnmobil liegt bei ca. 8.000 -8500 Betriebsstunden, was einer Nutzungsdauer bei 24 Stunden pro Tag in Summe min. 333 Tagen entspricht. Bei kontinuierlicher Nutzung muss nach spätestens einem Jahr der Strahler erneuert werden. Bei durchschnittlich 10 Wochen Urlaub pro Jahr, sollte nach ca. 4,7 Jahren der Strahler getauscht werden. Der UVC-Strahler ist steckbar und kann unkompliziert auch von einem Laien getauscht werden. Die Leistung von UVC-Niederdruckröhren kann mit einem UV-Dosimeter gemessen werden. Es gibt Messgeräte mit USB-Schnittstelle am Markt, welche am Smartphone betrieben werden können.

  • Wissenschaftlich fundierte Nachweise

Die große Anzahl an wissenschaftlichen Untersuchungen ist sehr umfangreich und wird in Fachbüchern und Publikationen ausführlich dokumentiert.

  • Funktionsbeschreibung der Elektronik

Die Energieversorgung der Steuerelektronik wird aus der 12V Boardbatterie hergestellt. Ein spezieller DC/AC Spannungswandler mit einer Schaltfrequenz von 27KHz (der Wirkungsgrad Eta ist >94%) erzeugt eine angenäherte Sinusspannung von 220V AC mit einer Frequenz von 27KHz. Mit dieser Spannung wird die Steuerelektronik des UVC-Strahlers betrieben. Steuerelektronik und  UVC-Strahler arbeiten mit der gleichen Taktfrequenz von 27KHz. Die extrem stromsparende Mikrocontroller-Timer-Schaltung wird mit 12V DC versorgt, die einmal eingestellten Werte werden in einem non volatilen Speicher (nichtflüchtige Datenspeicher) abgelegt und bleiben auch nach längerem abschalten der Boardbatterie erhalten. Im Standby Betrieb ist ausschließlich der Timer mit Anzeige in Betrieb, was zu der minimalen Stromaufnahme von 7mA führt. Insofern gibt es auch keine Notwendigkeit das Display dunkel zu schalten. Ein spezielles Gleichstrom-Solid State Relais (SSR) schaltet lautlos und verschleißfrei den UVC-Strahler ein und aus. Alle Kabelzuführungen sind mit Edelstahl-Anbauverschraubungen in einem brandsicheren Aluminium Gehäuse zugentlastet. Der Hauptschalter sowie eine von außen zugängliche Glasrohrsicherung sind stirnseitig eingebaut. Mit drei Tasten und einer Reset-Taste lässt sich der Timer individuell einstellen, das rote Display zeigt die Brenndauer, das blaue Display die Ausschaltzeit an. Somit ist immer nachvollziehbar wann die nächste Entkeimung stattfindet. Ist die Steuerelektronik einmal programmiert und in Betrieb genommen, ist eine weitere Bedienung nicht mehr notwendig. Der Energieverbrauch innerhalb von 24 Std ist so gering, sodaß eine intakte Bordbatterie kaum belastet wird. Werden größere Wassermengen (bis 500 Liter) zur Enkeimung benötigt, so beinhaltet die Elektronik eine Erweiterungsoption für den Anschluss einer zweiten UVC Lampe.

  • Einbau und Bedienung

Der ideale Einbauplatz ist in unmittelbarer Nähe der Tauchpumpe, bei Druckwassersystemen ist ein guter Platz benachbart der Wasser-Entnahmestelle.

Hinweise: Wird der Wassertank primär als Trinkwasserversorgung genutzt, so muss auf eine vollständige Einhaltung  der  DIN 2001-2, der DVGW und insbesondere der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) geachtet werden. Gemeint ist damit, Wasser, welches im ursprünglichen Zustand oder nach Aufbereitung, zum Trinken, zum Kochen, zur Zubereitung von Speisen und Getränken verwendet wird. Außerdem die Reinigung von Gegenständen (Geschirr), die definitiv mit Lebensmitteln in Berührung kommen. Alle Materialien welche in den Wassertank eingebracht werden, müssen den Verordnungen entsprechen! Darüber hinaus muss für den Nachweis einer ausreichenden Wirksamkeit der UVC-Entkeimungsanlage eine Biodosimetrie durchgeführt werden. Zusätzlich muss ein Sensor welcher die absolute Bestrahlung nach §5 der TRWV mißt, angebracht sein und den Wert in W/m² anzeigen. Soll die Trinkwasserversorgung mit UVC-Entkeimung  zur Gänze der Norm entsprechen, wird der Umbau aufwändig!

Achtung: Herkömmliche Gardena Schlauchkupplungen und ein Gartenschlauch entsprechen nicht der Trinkwasserverordnung!

Die einfache Einkeimung im Tank mit  nur einer UVC -Einrichtung, erfüllt in der Regel nicht die strengen Richtlinien der Trinkwasserverordnung. Dennoch als Dusch- und Brauchwasser halte ich die Methode für gut geeignet.

 

 Vorteile

  1. unproblematische, vollautomatische  Entkeimung
  2. hohe Entkeimungswirkung im Tank
  3. keine Chemie, keine Silberionen
  4. geringer Energiebedarf
  5. geringer Platzbedarf
  6. einfach nachrüstbar

  • Nachteile

  1.  keine Entkeimung in den Leitungen, insbesondere bei längerem Stillstand des Fahrzeuges und des Leitungswassers
  2. bei längerem Stillstand des Fahrzeuges findet keine Wasserumwälzung statt, somit werden entfernte Keime im Abstand >30cm von der Lampe, nicht oder nur bedingt unschädlich gemacht
  3. bei Abschattungen im Tank (insbesondere bei nicht geometrischen Tankbehältern) können sich trotzdem Keime ansetzten.
  • Abhilfe und Erweiterungsmöglichkeiten

Mit dementsprechend großen Aufwand wie beispielsweise einer zusätzlichen  Durchlaufentkeimung in der Leitung, sowie Einsatz eines zweiten UVC-Strahlers im Tank,  lässt sich gewiss eine sehr hohe Wirkung erzielen. Wird das Tankwasser ausschließlich zur Trinkwasserversorgung genutzt, sollte diese Methode eingesetzt werden. 

 

Zusammen mit dem Partikel-Vorfilter zur Befüllung des Wassertanks und der Entkeimungsanlage ist eine Entkeimung des Tankwassers theoretisch von >95% möglich.

Eine jährliche, bzw. halbjährliche Inspektion der Wasserversorgungsanlage, mit Grundreinigung und Desinfektion mit zugelassenen Mitteln nach DVGW W 291 , ist unbedingt ratsam.

 

  • Erfahrungsbericht 2020

Die Anlage ist nun rund ein Jahr in Betrieb. Die Elektronik arbeitet zuverlässig, es traten keinerlei Störungen auf. Die eingestellten Parameter, welche genügend Sicherheitsreserven bieten können beibehalten werden. Der Leistungsbedarf fällt außergewöhnlich positiv. Während unserer Sommerreise von 2 Monaten hatten wir kaum Landstrom, wenn Strom in den Stellplatzkosten inkludiert war, stecken wir an, obwohl keine Notwendigkeit gegeben war. Der gesamte Energiebedarf wurde aus der Photovoltaikanlage bezogen und zu keiner Zeit bestand Energieknappheit, obwohl täglich unsere Espressomaschine mehrmals in Betrieb war.   

 

Die eingefüllte Wasserqualität konnten wir bakteriologisch nicht ermitteln, ebenso auch nicht die Verkeimung im Tank. Unser Vertrauen in meine Technik war zu jeder Zeit da, wir hatten keinerlei gesundheitliche Probleme während unserer Reisen. Die Praxistauglichkeit kann ich mit gutem Gewissen bestätigen.

 

 

Quellen:

Empfehlungen zur Überwachung von mobilen Versorgungsanlagen

Trinkwasserverordnung ÖsterreichLebensmittel-Rechtsvorschriften Österreich

Trinkwasserverordnung DeutschlandUmweltbundesamt Deutschland