Wasserwerk Tiefengruben

Wasserwerk Tiefengruben

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Lernziele

Kennenlernen der Historie und der Architektur des Trinkwasserwerks sowie Vertiefung der Filterstufen zur Aufbereitung des Rohwassers zu Trinkwasser.

Annotationsinhalte

Ebene 1

1/6: Willkommen - inhaltliche Einführung

Herzlich willkommen in der 1956 errichteten Trinkwasseraufbereitungsanlage (TWA) Tiefengruben: Sie stehen nun im Eingangsbereich der östlich von Bad Berka gelegenen und unter Denkmalschutz stehenden Anlage, die vom Wasserversorgungszweckverband (WZV) Weimar betrieben wird.

Die ersten Tiefbrunnen bei Tonndorf waren Ende der 1930er Jahre zur Versorgung des von den Nationalsozialisten errichteten Konzentrationslagers Buchenwald abgeteuft worden; KZ-Häftlinge mussten in Zwangsarbeit von Hand den Rohrgraben für eine noch heute betriebene Leitung bis auf den Ettersberg ausschachten.

Die Entsäuerung des Wassers wurde bis Mitte der 1950er Jahre durch Zugabe von Natronlauge (chemische Entsäuerung) bewirkt; die dazu erforderlichen Anlagen befanden sich in den Brunnenhäusern im Tal zwischen Tonndorf und München bei Bad Berka.

2/6: Willkommen - inhaltliche Einführung

Heute liefern sieben Brunnen in Tiefengruben und Tonndorf das aufzubereitende Rohwasser. Gefördert wird das Grundwasser aus der geologischen Formation „Buntsandstein“. Aufgrund seiner hydrogeologischen Herkunft enthält es freie überschüssige Kohlensäure sowie gelöstes Eisen. Dabei handelt es sich nicht um Schadstoffe; allerdings muss das Rohwasser aufbereitet werden, um es für Rohrleitungstransport und Kundengebrauch tauglich zu machen.

3/6: Willkommen - inhaltliche Einführung

Heute werden mit dem aufbereiteten Trinkwasser zahlreiche Ortschaften des Landkreises Weimarer Land von Kranichfeld im Süden bis Berlstedt, Neumark und Vippachedelhausen nördlich des Ettersberges versorgt. Auch Teile der Stadt Weimar erhalten ihr Trinkwasser von hier.

Die Aufbereitung des Rohwassers ist auf drei Etagen untergebracht. Das über eine erdverlegte Zuleitung eintreffende Rohwasser gelangt zunächst in die 3. Etage, wo es durch Einblasen von Luft physikalisch entsäuert wird, bevor es in der zweiten Etage in die drei parallel arbeitenden offenen Schnellfilter läuft. Im Erdgeschoss befinden sich die unteren Bereiche der Filter sowie die Bedienelemente. Nicht sichtbar ist der Reinwasserbehälter, der sich unter den Filterbecken befindet und nur nach vollständiger Entleerung über Einstiegsöffnungen erreichbar ist.

4/6: Willkommen - inhaltliche Einführung

Die 1956 errichtete Trinkwasseraufbereitungsanlage und das schon vor Ende des 2. Weltkrieges im Rohbau errichtete und in den 1950er Jahren fertiggestellte Reinwasserpumpwerk (mit integrierter Chlorgas-Desinfektionsanlage) stehen unter Denkmalschutz - das war bei allen Umbau- und Sanierungsarbeiten zu beachten.

Zur Besichtigung empfehlen wir, dem Lauf des Wassers von oben nach unten zu folgen. Zur Orientierung befindet sich an jeder Treppenoberkante ein Fließschema.

5/6: Navigation

Die Navigation ist ähnlich zu Google-Streetview – einzelne Standpunkte (am Boden) ermöglichen die Besichtigung. Mit dem auf der Abbildung gezeigtem Ebenensymbol (im Ansichtsfenster links unten) oder der Treppe können Sie in die einzelnen Stockwerke gelangen. In jedem Stockwerk befinden sich farblich hervorgehobene Informationspunkte, über die Sie spezifische Kenntnisse zu einzelnen technischen Komponenten erhalten können. Die blauen Punkte geben Auskunft über den „Betrieb des Wasserwerks“, während Rot „zusätzliche Infos“ umfasst. Haben sie einen Informationspunkt angewählt, sollten Sie zur vollständigen Darstellung auf das Bild klicken, die Bildbeschreibungen können zusätzlich auf- und eingeklappt werden.

Viel Spaß beim Erkunden!

6/6: Funktionsschema TWA Tiefengruben

Sie befinden sich in Etage 1. Diese birgt im Wesentlichen die unteren Teile der drei offenen Schnellfilter sowie deren Bedienelemente und Regelarmaturen. Nicht sichtbar ist der Reinwasserbehälter, der sich unter den Filterbecken im Kellergeschoss befindet und nur nach vollständiger Entleerung über Einstiegsöffnungen erreichbar ist.

Das Zwischenpumpwerk, das das aufbereitete Trinkwasser vom Reinwasser-Sammelbehälter in das Verteilungsnetz und den Hochbehälter fördert, sowie die Chlorgas-Desinfektionsanlage sind im benachbarten Reinwasserpumpwerksgebäude untergebracht.

Anzeige- und Bedientableau des Schnellfilters

In der Anzeige werden die Füllstände der Filter und die des Reinwasserbehälters in m WS (Meter Wassersäule) angegeben. In Blau sind die Fließwege des Wassers aufgezeigt. In Gelb ist die Laufrichtung der Spülluft erkennbar. Das in Tiefengruben zur Filterrückspülung verwendete Wasser-Luft-Gemisch gewährleistet eine sehr effektive Reinigung des Filtermaterials, durch welche auch Verbackungen (Verstopfungen durch Verklumpen) des Filters gelöst werden.

Desinfektion durch Chlorzugabe (nicht in diesem Gebäude)

Die Desinfektion durch Chlor findet im benachbarten Zwischenpumpwerk statt.

Trinkwasser darf keine krankheiterregenden Mikroorganismen enthalten. Das in der TWA Tiefengruben aufbereitete Trinkwasser ist frei von schädlichen Bakterien; diese hervorragende Qualität muss aber auch bis zum Zapfhahn beim Kunden aufrechterhalten werden. Zum Schutz vor einer etwaigen Wiederverkeimung wird dem Trinkwasser vor seiner Abgabe in das Verteilungsnetz deshalb eine geringe Menge Chlor zum Aufbau eines Desinfektionspotentials zugegeben.

Eine Desinfektion von Trinkwasser ist auch durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht möglich: Durch intensive UV-Bestrahlung werden Keime abgetötet. Allerdings baut sich kein Desinfektionspotential auf: Das Trinkwasser kann durch späteren Eintrag von Mikroorganismen wieder verkeimen.

Druckerhöhungsanlage

Die Anlage stellt Trinkwasser als „Steuerwasser“ für die Regelung der Filterdurchsätze bereit: Über an den Filteroberflächen installierte Schwimmerventile wird der jeweils aktuelle Wasserüberstau erfasst und so der „Steuerwasserdurchfluss“ beeinflusst; dieser steuert dann den Öffnungsgrad der Hauptventile, die die Menge des aus den Schnellfiltern in den Reinwasserbehälter abfließenden Wassers regeln. Ziel ist es, den Wasserstand in den Filtern konstant zu halten und so ein Leer- bzw. Überlaufen der Filterbecken zu verhüten.

Filterregelventil von Schnellfilter

Luftentfeuchter

Um das Bauwerk zu schützen wird die Raumluft entfeuchtet.

Reinwasserbehälter

Das durch Entsäuerung und nachfolgende Filtration aufbereitete Trinkwasser gelangt zunächst in den unter den Filtern befindlichen Reinwasserbehälter. Dieser dient als Pumpenvorlage für das Reinwasserpumpwerk dem Ausgleich zwischen der Menge des aus den Filtern zufließenden Wassers einerseits und der Fördermenge der Reinwasserpumpen andererseits.

Rückspülung

Während der Filtration entsteht durch das Eindringen der Partikel ein Druckverlust, der mit der Zeit steigt, da sich immer mehr Partikel ablagern. Meist wird durch Druckverlustmessungen festgestellt, ob der Filter gereinigt werden muss. Hierzu wird dieser von unten her mit einem Wasser-Luft-Gemisch durchgespült, um die Teilchen zu lösen. Durch viele kleine Düsen ist die gleichmäßige Verteilung des Spülwassers und der Spülluft sicherzustellen. Vor der Spülung wird der Wasserspiegel im zu spülenden Filter etwas abgesenkt, dann wird das Filtermedium durchwirbelt und das Schlammwasser über den Seitenablauf entsorgt. Das Filterbett und die Stützschicht müssen so konzipiert sein, dass sich die Schichten nach Beendigung des Spülvorgangs wie vor der Spülung aufbauen.

Spülluftgebläse

Die zur Filterrückspülung benötigte Luft wird mittels Spülluftgebläse aus dem Raum angesaugt und in die Spülluftleitung gedrückt. Das Gebläse läuft nur wenige Stunden pro Woche und unterliegt deshalb nur einem geringen Verschleiß: Beim hier genutzten Aggregat handelt es sich deshalb um ein in den 1970er Jahren installiertes Gerät aus DDR-Produktion.

Spülwasserpumpe

Das zur Filterrückspülung benötigte Wasser wird mit dieser Pumpe aus dem Reinwasserbehälter angesaugt und in die Spülwasserleitung gefördert. Die Pumpe läuft nur wenige Stunden pro Woche und unterliegt deshalb nur einem geringen Verschleiß. Bei der hier genutzten Pumpe handelt es sich deshalb immer noch um das im Zuge der Errichtung der TWA Mitte der 1950er Jahre installierte Aggregat.

Ebene 2

Blaue Fenster und Filterabschottung

Das blaue Fensterglas verhindert das Eintreten von ultraviolettem Licht. Dieses würde zum Aufwuchs von Algen an den feuchten Wänden der Schnellfilter führen. Dies muss aus hygienischen Gründen verhindert werden.

Ursprünglich waren die Oberflächen der drei offenen Schnellfilter vom sie umgebenden Bediengang her frei zugänglich. Im Zuge der Sanierung der Anlage wurden Zwischenwände eingezogen und Glasabschottungen installiert, um die Luftfeuchtigkeit im Gebäude zu reduzieren und so die Tauwasserbildung an kalten Oberflächen (Fenster, Außenwände) zu verhindern. Diesem Ziel dienen auch die in allen drei Etagen installierten Luftentfeuchter.

Hohe Luftfeuchtigkeit und Tauwasserbildung würden zur Schädigung der Bausubstanz und der elektrischen Ausrüstung führen; zudem wäre im Bereich feuchter Flächen ein aus hygienischen Gründen unerwünschter mikrobiologischer Aufwuchs zu befürchten.

Funktionsschema TWA Tiefengruben

Sie befinden sich in Etage 2. Hier befinden sich die oberen Teile der drei offenen Schnellfilter.

Gebiet des WZV Weimar

Mit vier Wasserwerken bzw. Trinkwasseraufbereitungsanlagen versorgt der WZV Weimar die in über 120 Orten lebenden rund 110.000 Einwohner sowie der Industrie- und Gewerbekunden, Landwirtschaftsbetriebe und öffentlichen Einrichtungen mit Trinkwasser. Zusammen haben die Wasserwerke eine Kapazität von rund 20.000 m³/d. Etwa ¾ des Bedarfs werden aus örtlichen Aufkommen - mehr als 100 Meter tiefe Brunnen zwischen Bad Berka, Blankenhain, Tiefengruben und Tonndorf sowie Ressourcen am Nordhang des Ettersberg-Massivs - gedeckt. Rund ¼ des benötigten Wassers stammt aus der Ohra-Talsperre bei Luisenthal im Thüringer Wald und wird von der Thüringer Fernwasserversorgung bezogen.

Luftentfeuchter

Um das Bauwerk zu schützen, wird die Luft entfeuchtet.

Material Schnellfilter

Links: eine der weit über 100 Porzellandüsen im Filterboden

Mitte: Filterbett (halbgebrannter Dolomit)

Rechts: unter dem Filterbett angeordnete Stützschicht (Quarzkies)

Offener Schnellfilter

Die Filtration ist eine physikalische Reinigungsstufe, bei der im Wasser enthaltene Partikel zurückgehalten werden. Im offenen Schnellfilter findet eine Tiefenfiltration (Raumfiltration) statt, bei der die Partikel durch das Filtermedium transportiert werden und am Filtermaterial haften bleiben. Eine andere Möglichkeit ist die kuchenbildende Filtration, bei welcher die Teilchen auf der Oberseite des Filtermaterials liegen bleiben, wie z.B. bei einem Kaffeefilter. Bei der Raumfiltration wird zwischen Schnell- und Langsamfiltern unterschieden. Die Unterschiede ergeben sich aus der mittleren Filtergeschwindigkeit [m/h}, dem Grenzfilterwiderstand [bar], den Filteroberflächen [m²)] der Schichthöhe [mm] und der Filterform. Die platzsparenden Schnellfilter können als Einschicht- oder – wie hier in Tiefengruben – als Mehrschichtfilter ausgebildet werden. Geschlossene Schnellfilter sind in Filterkesseln angeordnete Druckfilter mit hoher Filtergeschwindigkeit.

Steuerventil für Filterregelung

In jedem der drei Schnellfilter ist solch ein Schwimmerventil verbaut.

Trinkwasserverordnung (TrinkwV)

Als gesetzliche Grundlage fordert die Trinkwasserverordnung (TrinkwV) eine hohe Qualität vom Wasserwerk bis zur Zapfstelle im Haus. Es gilt der Grundsatz, dass das Trinkwasser die menschliche Gesundheit auch bei lebenslangem Genuss zu keinem Zeitpunkt gefährden darf. Bis zu den Übergabestellen an die Kunden sind die Wasserversorger dafür verantwortlich; die Grundstückseigentümer bzw. -verwalter verantworten den ordnungsgemäßen Zustand und den fachgerechten Betrieb der nachgelagerten Haus- bzw. Grundstücksinstallationen. Arbeiten an diesen Installationen dürfen nur von Fachbetrieben ausgeführt werden!

Ursprünglicher Zustand

In dieser historischen Schnittzeichnung aus den 1950er Jahren ist der frühere Aufbau erkennbar. Beim Bau der Anlage waren 1956 im obersten Stockwerk drei parallel betriebene offene Verdüsungskammern installiert worden. Dort stehen heute die drei geschlossenen Hochleistungsentsäuerer. Im mittleren Stockwerk sind die oberen Teile der drei voneinander unabhängigen offenen Schnellfilter erkennbar. Im Erdgeschoss befinden sich die unteren Teile der Filterbecken; darunter – unterhalb der Geländeoberfläche – ist der Reinwasserbehälter angeordnet.

WZV Weimar in Zahlen

Zulauf zu einem Schnellfilter

Jeder Schnellfilter wird kontinuierlich mit bis zu 100 m³/h Wasser beschickt. Der Wasserzulauf muss so gestaltet werden, dass die Oberfläche möglichst gleichmäßig angeströmt und nicht aufgewirbelt wird.

Ebene 3

1/2: 1956 Historischer Zustand

Ab 1956 erfolgte die Entsäuerung zunächst mittels Verdüsung. Dabei wurde das Rohwasser in drei luftdurchströmten Kammern senkrecht nach oben verspritzt. Die große Oberfläche des aus vielen kleinen Tropfen bestehenden Sprühnebels begünstigte den Gasaustausch (Abgabe von CO2 und Aufnahme von Luftsauerstoff). Die Größe der Verdüsungskammern bestimmte die Höhe des heute überdimensioniert wirkenden Obergeschosses. Die Position des Bauwerks auf einer Anhöhe sorgte für ständigen Wind und damit für „frische Luft“, die durch lukenartige Öffnungen unter den Fenstern einströmen und durch die damals luftdurchlässig gestaltete „Dachlaterne“ entweichen konnte. In den 1970er Jahren wurde in der mittleren Verdüsungskammer eine Rohrgitterkaskade aufgestellt, die über die Dachlaterne herausragte. Mit ihrer Inbetriebnahme wurde die Verdüsung eingestellt.

2/2: 1956 Historischer Zustand

Mit der Installation der modernen geschlossenen Entsäuerungsapparaturen im Jahre 2010 konnte die Luftfeuchtigkeit im Bauwerksinneren drastisch gesenkt werden. Hohe Luftfeuchtigkeit und Tauwasserbildung führen zur Schädigung der Bausubstanz und der elektrischen/elektronischen Ausrüstung; zudem muss aus hygienischen Gründen ein unerwünschter mikrobiologischer Aufwuchs befürchtet werden.

Abluftrohr der Entsäuerung

Die mit CO2 angereicherte „verbrauchte“ Luft wird über das Abluftrohr wieder zurück in die Umgebungsluft geblasen.

Aufteilung des Rohwassers auf die drei Wasserstraßen

Die drei Entsäuerungsbecken sind – genauso wie die jeweils nachgeschalteten drei Filter – voneinander unabhängig, damit die Aufbereitung auch bei Wartungsarbeiten oder Störungen an einer „Straße“ fortgeführt werden kann.

Blaue Fenster

Das blaue Fensterglas verhindert das Eintreten von ultraviolettem Licht. Dieses hätte zum Aufwuchs von Algen an den feuchten Wänden der früher in dieser Etage befindlichen Verdüsungskammern geführt. Dies musste aus hygienischen Gründen verhindert werden; zudem hätte Algenaufwuchs auch zur Schädigung der Bausubstanz geführt. Heute findet die Entsäuerung in geschlossenen Apparaturen statt. Aus denkmalpflegerischen Gründen sind jedoch im Zuge der Sanierung des Gesamtgebäudes auch in der 3. Etage wieder blau getönte Fenster eingebaut worden.

Druckwächter der Druckluftanlage

Die von den Gebläsen der Entsäuerungsapparaturen angesaugte Außenluft wird aus hygienischen Gründen mittels Filter aus speziellen Textilien von Pollen und Staub gereinigt. Durch die Ablagerungen erhöht sich der Filterwiderstand; der Druckverlust wächst. Dieser wird kontinuierlich gemessen, damit die Filtermatten rechtzeitig ausgetauscht werden können.

Eintritt des Rohwassers in die Anlage

Hier gelangt das aus den sieben Tiefbrunnen geförderte Rohwasser in die Aufbereitungsanlage.

Am Hochpunkt ist ein Be- und Entlüftungsventil installiert, um in der Rohwasserzuleitung durch Druckabfall entstehende Gasblasen gezielt abzuleiten und die Leitung im Fall geplanter Entleerung und Füllung bei Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten zu be- bzw. zu entlüften.

Entsäuerung des Rohwassers

Durch die Entsäuerung wird das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht hergestellt.

Dem Wasser wird in der geschlossenen Belüftung über keramische Filterkerzen Sauerstoff zugeführt (vergleiche: Belüftungssteine in Aquarien), bei diesem Prozess wird gleichzeitig gelöstes Kohlendioxid ausgetrieben. Die im Hinblick auf den Entsäuerungsgrad optimale Prozessführung wird durch entsprechende Steuerung der die Luftmenge bestimmenden Drehzahl der Gebläse eingestellt.

Funktionsschema TWA Tiefengruben

Sie befinden sich in Etage 3.

Luftentfeuchter

Hohe Luftfeuchtigkeit und Tauwasserbildung an kalten Oberflächen (Fenster, Außenwände, Rohrleitungen) würden zur Schädigung der Bausubstanz und elektrischen Ausrüstung führen; zudem wäre an den feuchten Flächen ein aus hygienischen Gründen unerwünschter mikrobiologischer Aufwuchs zu befürchten. Offene Wasserflächen und umgebende Raumbereiche sind deshalb baulich strikt getrennt. Zusätzlich werden in allen Etagen Luftentfeuchtungsgeräte betrieben, die die Raumluft umwälzen und ihr Wasserdampf entziehen.

Probenahme des Rohwassers

Ein Probenahmehahn ermöglicht die Probenahme am Rohwasserzulauf vor der Entsäuerung.

Probennahme Rohwasserstraße Entsäuerung

Es können Proben am Einlauf der Entsäuerungsapparaturen genommen werden. An jedem Ablauf ist ebenfalls eine Probeentnahmestelle installiert.

Schaltschrank mit Förderanzeige Rohwasser in m³/h

Das Rohwasser kommt aus Brunnen bei Tiefengruben und Tonndorf, bis zu 200 m³/h können gefördert und in der TWA aufbereitet werden. Der gesamte Aufbereitungsprozess einschließlich der bedarfsabhängigen Zu- und Abschaltung der Tiefbrunnen-Förderpumpen wird automatisch gesteuert. Auch das Reinwasserpumpwerk arbeitet vollautomatisch: Nur zum regelmäßigen Spülen der Filter oder im Falle von Störmeldungen des computergestützten Leitsystems wird die TWA von Betriebspersonal des WZV Weimar aufgesucht: die MitarbeiterInnen führen dabei auch die übrigen anstehenden Kontroll- und Wartungsarbeiten durch.

Übergang von den Entsäuerungsbecken zu den Schnellfiltern

Über diese Leitungen fließt das physikalisch entsäuerte Wasser in die offenen Schnellfilter.

Verdüsung

Durch die unter den Fenstern angeordneten Bauwerksöffnungen, die damals mit hölzernen Lamellen gegen Niederschlagswassereintritt geschützt waren, konnte die Außenluft in die Verdüsungskammern einströmen. Nur auf der Ostseite sind diese Öffnungen noch erhalten; sie dienen heute dem Ansaugen der Luft, die zum Betrieb der geschlossenen Entsäuerungsbecken benötigt wird. Aus denkmalpflegerischen Gründen sind die vormaligen – im Zuge der baulichen Sanierung der Anlage verschlossenen – Öffnungen unter den Fenstern der anderen Fassaden farbig auf dem Außenputz angedeutet.

Zwangsbelüftetes Entsäurungsbecken

Die drei geschlossenen Entsäuerungsbecken arbeiten parallel und somit voneinander unabhängig, ihnen ist je ein Luftgebläse zugeordnet. Gelöstes Eisen und Mangan werden durch die Zugabe von Sauerstoff oxidiert und so in wasserunlösliche Verbindungen überführt. Die entstehenden Flocken können dann in den nachgeschalteten Filtern zurückgehalten und aus dem Wasser entfernt werden.

Infrastruktur der Wasserwirtschaft

In Zusammenarbeit mit dem Wasserversorgungszweckverband Weimar und dem BVE wurde die südlich von Weimar gelegene Trinkwasseraufbereitungsanlage Tiefengruben 3D gescannt, digitalisiert und didaktisch aufbereitet. Ähnlich wie im Modell der P-Bank werden die Inhalte der Lehrveranstaltung zur Wasserinfrastruktur Studierenden an einem konkreten Beispiel vermittelt. Die Studierenden lernen u.a. die Historie und die Architektur des Gebäudes kennen und erfahren, welche Filterstufen gewonnenes Rohwasser durchlaufen muss, damit es letztendlich als Trinkwasser genutzt werden kann.

Auch dieses Modell wurde und wird bereits an verschiedenen Hochschulen (u.a. Fachhochschule Erfurt) regelmäßig in der Lehre eingesetzt und evaluiert. Der Wasserversorgungszweckverband Weimar selbst nutzt dieses Modell für die Schulung ihrer eigenen Mitarbeiter*innen, für Schulklassen und interessierte Bürger*innen.

Technische Voraussetzungen

Folgende technische Voraussetzungen sind für die 360°-Anwendung notwendig:

• PC mit stabiler Internetverbindung und aktuellem Webbrowser
• Eine Nutzung des 360°-Modells über eine VR-Brille ist möglich.

Link zum Szenario

• Wasseraufbereitungsanlage Tiefengruben