Biozide und Desinfektionsmittel für Wassersysteme
Auswahlfehler in Kühlwasser- und Prozesswassersystemen und ihre Folgen
„Hauptsache, das Biozid tötet Bakterien.“ Ein gefährlicher Irrglaube, der in der industriellen Wasseraufbereitung leider weit verbreitet ist. Doch die Auswahl eines Biozids für Kühlwassersysteme ist eine komplexere Entscheidung als viele Betreiber von Verdunstungskühlsystemen oder anderen industriellen Wasserkreisläufen vermuten mögen. Ein falsches Produkt kann sowohl unwirtschaftlich sein, nicht den gewünschten Erfolg bei der Bekämpfung von Mikrobiologie, z. B. Legionellen erzielen als auch signifikante Schäden im Wassersystem verursachen.
Vereinfacht gesagt: Zur Prävention, Beseitigung oder Kontrolle von Mikrobiologie, Bakterien, Algen & Biofilmen in einem Kühlsystem muss das richtige Biozid zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort, im richtigen Zyklus und vor allem in der geeigneten Menge dosiert werden.
In diesem Fachartikel wollen wir darauf eingehen, warum eine Differenzierung zwischen den einzelnen Bioziden so wichtig ist und welche gravierenden Folgen Auswahlfehler haben können.
Biozide lassen sich grob in zwei Wirkmechanismen unterteilen.
Oxidierende Biozide
Oxidierende Biozide zerstören organisches Material durch Oxidation der Zellmembran.
- Vorteile: Eher preiswerter; schnell wirksam; wirken gegen ein breites Spektrum.
- Nachteile: Oft erhöhte Korrosionsraten gegenüber Metallen; können durch Metallionen, UV-Licht und organische Substanzen negativ beeinflusst werden
Häufig eingesetzte oxidierende Biozide
| Wirkstoff | Empfohlener pH-Wertbereich | Interferenzen/Inaktiverung | Neutralisations-/Inaktivierungs-mittel | Bakterien | Algen/Pilze | Nachteile |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Chlor/ Hypochlorit | 6-7,5 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der AOX-Bildung, bei erhöhten pH-Werten von über 8 schneller und starker Wirkverlust |
| Bromid/ Hypochlorit | 6-9 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der AOX-bildung |
| Chlordioxid | 6-10 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Teure und komplizierte Herstellung vor Ort notwendig, bei falscher Handhabung gefährlich (Explosionsgefahr) |
| Wasserstoffperoxid | 6-9 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Katalase | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der Inaktivierung des Wirkstoffs durch Enzyme; Wirkverlust bei höheren pH-Werten; kann in Kühltürmen ausgasen; meist größere Mengen erforderlich |
| Peressigsäure | 6-9 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Katalase | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der Inaktivierung des Wirkstoffs durch Enzyme |
| Ozon | 6-10 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Geringe Pufferwirkung; kaum Wirkung gegen Biobeläge; aufwendige und teure Herstellung; organische Konditionierungsmittel sowie Kunststoff- und Holzeinbauten können angegriffen werden. |
| Peroxo- monosulfat | 6-9 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der Inaktivierung des Wirkstoffs durch Enzyme |
| Bromchlordimethyl-hydantoin (BCDMH) | 6-9 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der AOX-Bildung |
| Dichlorisocyanur- säure | 6-7,5 | UV-Licht, reduzierende Substanzen, organische Substanzen, Schwermetallionen | Natriumthiosulfat | geeignet | geeigntet mit erhöhten Einsatzkonzen-trationen | Gefahr der AOX-Bildung |
*Neutralisationsmedien übernommen aus DIN EN 13623
Quelle: VDI 2047
Nicht-oxidierende Biozide
Nicht-oxidierende Biozide greifen gezielt in den Stoffwechsel oder die Zellteilung der Mikroorganismen ein (Giftwirkung). Sie werden oft in Anlagen eingesetzt, in denen oxidierende Biozide zu riskant (korrosiv) sind, Oxidationsmittel allgemein nicht eingesetzt werden können (z. B. geschlossene Kühlsysteme) oder eine langanhaltende Wirkung sinnvoll und erwünscht ist.
- Vorteile: Wirken spezifischer, sind oft stabiler in Systemen mit hoher organischer Belastung und weniger korrosiv, lange Halbwertszeiten mit präventiver Wirkung
- Nachteile: Häufig teurer, benötigen längere Einwirkzeiten, und Mikroorganismen können Resistenzen entwickeln. Wobei Resistenzen erfahrungsgemäß zu vernachlässigen sind.
Häufig eingesetzte nicht-oxidierende Biozide
| Wirkstoff | Empfohlener pH-Wertbereich | Interferenzen/Inaktiverung | Neutralisations-/Inaktivierungs-mittel | Halbwertszeit in Abhängigkeit von pH-Wert und Temperatur | Bakterien | Algen | Pilze | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Quaternäre Ammoniumsalze | 6-14 | höhermolekulare Anionen | Lecithin, Saponin, Polysorbat 80, Natriumlaurylsulfat, Ethylenoxidkondensat aus Fettalkoholen (nicht ionische Tenside) | + | + | o | – grenzflächenaktiv – Breitbandbiozid | – können Allergien auslösen – Neigung zur Schaumbildung – Vorsicht bei gleichzeitiger Verwendung mit anionischen Polymeren, z.B. Dispergiermitteln | |
| Glutardialdehyd | 6-8,5 | Ammonium, Amine, Sulfit | L-Histidin, Glycin | bei 25 °C pH 6: 12 Tage pH 7: 9 h pH 8: 5 h pH 9: 1 h pH 11: 1 min | + | o | o | – wirken gegen eine breite Palette von Baktereien und Algen in weiten pH-Bereichen | – können Allergien auslösen – relativ teuer |
| Isothiazolinone | 6-9,5 | Sulfide, Sulfit, Schwefelwasserstoff | Natriumglykolat | bei 40 °C pH 8,2: 62 h pH 11: 29 min | (+) | + | + | – stabil in hartem Wasser | – lange Einwirkzeit – können Allergien auslösen |
| 2-Brom-2-nitro-propan-1,3-diol (Bronopol) | 6-8,5 | hoher pH-Wert, Temperatur >60°C, Sulfit | Lecithin, Saponin, Polysorbat 80 | bei 40 °C pH 4: 2 Jahre pH 6: 4 Monate pH 8: 8 Tage | + | o | o | – In Kombination mit speziellen Isothiazolinonen sehr wirksam in offenen Kühltürmen und VDKAs – biologisch abbaubar | – können Allergien auslösen – Erhöhung der AOX-Konzentration bei unzureichender Verriegelung der Absalzung |
| Tetrakis-(hydroximethyl)-phosphonium-sulfat (THPS) | 6-10 | höhermolekulare Anionen | Lecithin, Saponin, Polysorbat 80, Natriumlaurylsulfat, Ethylenoxidkondensat aus Fettalkoholen (nicht ionische Tenside) | bei 22 °C pH 5: 8 Tage pH 7: ~20 Tage pH 9: >25 Tage bei 50 °C: 4 Tage | + | + | o | grenzflächenaktiv | können Allergien auslösen |
| Dibromni-trilopropi-onamid (DBNPA) | 6-9 | hoher pH-Wert, Temperatur >60°C, Sulfit | Lecithin, Saponin, Polysorbat 80 | bei 25 °C pH 6: 155 h pH 7,3: 8,8 h pH 8: 120 min pH 8,4: 20,4 min pH 9,7: 6,6 min pH 11,3: 25 s | + | o | + | – kurze Einwirkzeit ausreichend und extrem schnelle Wirkung gegen Bakterien | – können Allergien auslösen – Erhöhung der AOX-Konzentration bei unzureichender Verriegelung der Absalzung – kurez Haltbarkeit im Wasser und schneller Zerfall bei hohen pH-Werten – vergleichsweise teuer |
*Neutralisationsmedien übernommen aus DIN EN 13623 und [2]
Quelle: VDI 2047
Gut zu wissen: In geschlossenen Kühlsystemen sollten nur nicht-oxidierende (organische) Biozide zum Einsatz kommen. Sehr bewährte Wirkstoffkombinationen sind Gemische aus Isothiazolinonen und Bronopol, da Sie ein sehr breites Wirkspektrum haben und sich beide Wirkstoffe ideal ergänzen.
Wenn ein Biozid falsch dosiert wird oder zu schwach ist (z. B. wegen ungeeignetem pH-Wert), tötet es nur die oberste Schicht des „Schleims“ ab. Die sterbenden Bakterien dienen den darunter liegenden Schichten als Nahrung und Schutzschild. Der Biofilm härtet aus, wird dicker und ist danach mit normalen Mitteln kaum noch zu entfernen. Das wiederum fördert gefährliche MIC (Mikrobiologisch Induzierte Korrosion).
Zur Veranschaulichung stellen wir uns ein Biozid wie ein Werkzeug vor: Ein Hammer ist sehr hilfreich, wenn man Nägel in die Wand schlagen will. Auf der anderen Seite aber völlig nutzlos (oder sogar schädlich), wenn man eine Schraube ins Holz bohren will. Bei Bioziden verhält es sich ähnlich: Hier entscheiden die Beschaffenheit des Kühl- oder Prozesswassers, die Werkstoffe im System und das Design bzw. der Aufbau des Kreislaufes darüber, ob das Biozid effizient die gewünschten Ziele erreicht.
Hier ist eine einfache Übersicht, wie die Wasserchemie oder andere Komponenten die Wirkung Ihrer Biozide negativ beeinflussen können. Außerdem zeigen wir Ihnen gleich mögliche Lösungsansätze auf.
Der pH-Wert entscheidet wesentlich, ob ein Biozid stabil bleibt und eine gute Wirkung entfalten kann. Viele Biozide fühlen sich nur in neutralem bis leicht alkalisches Wasser wohl. So verliert beispielsweise Chlor bei einem pH-Wert von über 8,0 (üblich in vielen Kühlkreisläufen) massiv an Schlagkraft. Die Folgen können ein Biofilm-Aufbau trotz (vermeintlicher) Dosierung sein.
Lösung: Chlordioxid ist hier im Vergleich zu Chlor die bessere Alternative, da es auch bei höheren pH-Werten effektiv arbeitet.
TOC steht für den gesamten organischen Kohlenstoff im Wasser – den sogenannten „Dreck“ im Wasser (z. B. Pollen, Staub, Ölreste). Oxidierende Biozide (wie Chlor oder Brom) sind nicht wählerisch und stürzen sich auf alles Organische. Das bedeutet, die Biozide verbrauchen sich bereits beim Angriff auf harmlose Schmutzpartikel. Für die eigentlichen Bakterien bleibt dann nichts mehr übrig.
Lösung: Bei hoher TOC-Belastung sollten Sie eher auf nicht-oxidierende Biozide setzen, da diese den Schmutz ignorieren und gezielt die Bakterien angreifen.
Eisen im Wasser ist oft ein Zeichen von Korrosion oder schlechtem Zusatzwasser. Dabei wirkt Eisen wie ein Katalysator und kann den Zerfall von Bioziden (besonders Wasserstoffperoxid oder Peressigsäure) beschleunigen. Das Biozid „verpufft“ dann wirkungslos. Zudem fördert Eisen das Wachstum von speziellen Eisenbakterien, die sich unter braunen Ablagerungen verstecken, wo das Biozid sie nicht mehr erreicht.
Lösung: Korrosion im System, z. B. durch den Einsatz eines Korrosionsinhibitors, verringern.
Kalk ist zwar für die Bakterienbekämpfung meist kein direktes Hindernis, sorgt aber für indirekte Probleme. So bilden sich bei hoher Härte nicht selten Kalkablagerungen im Rohrleitungssystem – ein perfekter „Ankerplatz“ für Mikrobiologie und Biofilme aufgrund rauer Oberflächen. Zudem können bestimmte Biozide die Wirkung von Härtestabilisatoren und Dispergiermitteln stören, was zu noch mehr Ablagerungen führt.
Lösung: Prüfen Sie die Kompatibilität aller chemischen Produkte, die in Ihrem Wasserkreislauf einsetzt werden.
Viele Betreiber erhöhen bei Keimproblemen einfach die Dosis, z. B. von chlorbasierten Bioziden (z. B. Natriumhypochlorit). Doch Chlor bzw. Chlorid haben einen korrosiven wirkenden Wasserinhaltsstoff. Durch die Kreislaufführung des Wassers und geringe Wasseraustauschmengen, z. B. in halboffenen Kühlkreisläufen, kann der Chloridwert dadurch signifikant ansteigen. Das Problem: Hohe Chloridwerte greifen die Passivschicht von Edelstahl an. Es kommt in solchen Fällen sogar zu Lochfraßkorrosion bei Edelstahl. Mehr dazu finden Sie auch in unserem Artikel Korrosion durch Chlor / Chlorid.
Lösung: Umstieg auf Biozide mit geringerem Korrosionspotenzial und Prüfung inwieweit bei Ihrem System eine Aufkonzentration von Abbauprodukten von Bioziden erfolgen kann.
Bakterien sind echte Anpassungskünstler. Nutzt man über Monate hinweg nur einen Wirkstoff, können sich Resistenzen bilden. In der Praxis ist das zwar selten zu beobachten, die Möglichkeit besteht jedoch.
Lösung: In der Praxis nutzt man eine Wechselstrategie, z. B.
- Eine Woche Wirkstoff A
- Eine Woche Wirkstoff B
Durch den Wechsel des Wirkstoffs haben die Bakterien keine Zeit, einen Schutzmechanismus zu entwickeln.
Effizienter und wirtschaftlicher kann es aber sein, einfach ein Kombinationsprodukt einzusetzen, das bereits 2 oder mehr biozide Wirkstoffe im einem enthält. Hier ist eine Resistenz von Mikrobiologie dann mit einem 6er im Lotto zu vergleichen.
Ein Biozid braucht Zeit zum „Töten“. Wird also ein „langsames“ Biozid in einem System mit schnellen Wassertauschintervallen eingesetzt, wird das Mittel aus dem System gespült, bevor es die Bakterien vernichten kann. Bei einem kleinen Kühlturmkreis mit z. B. 2 m³ Gesamtwasservolumen und einem leistungsstarken Kühlturm mit z. B. 1 m³/h Verdunstungsleistung wird das gesamt Wasservolumen innerhalb eines Tages mehrmals gewechselt. Sehr langsam wirkende Biozide sind hier also die falsche Wahl.
Die Lösung: Bei kurzer Verweilzeit schnell wirkende „Killer“ nutzen (z. B. DBNPA), die innerhalb von 1–3 Stunden alles abtöten. Bei langer Verweilzeit langzeitstabile Wirkstoffe nutzen, die auch nach 24 Stunden noch aktiv sind.
Hinweis: Während der Biozidzugabe sollte die automatische Absalzung idealerweise für einige Stunden verriegelt werden (Absalzstopp). Ansonsten können Abwassergrenzwerte überschritten werden und „teures“ Biozid verlässt teilweise ohne Wirkung das Wassersystem.
AOX steht für „adsorbierbare organisch gebundene Halogene“. Viele Biozide (vor allem Chlor und Brom) bilden diese Stoffe als Nebenprodukt. Wenn das Abwasser Ihres Kühlturms die gesetzlichen Grenzwerte für AOX überschreitet, drohen Bußgelder und Ärger mit der Wasserbehörde. Mehr zu diesem Thema finden Sie in unserem Fachartikel AOX-Grenzwerte einhalten.
Lösung: Lieber präzise dosieren statt „Viel hilft viel“.
Die Auswahl eines Biozids ist nicht trivial, teilweise sogar sehr komplex.
Durch die Erstellung abgestimmter Behandlungsprogramme mit dem richtigen Biozid in der richtigen Menge kann Sie die aqua-Technik Beratungs GmbH dabei unterstützen, Legionellen und Biofilme effektiv und langfristig zu bekämpfen, gesundheitliche Risiken zu minimieren, Ihre Anlagen wirtschaftlich zu betreiben und deren Lebensdauer zu erhöhen. Wir beraten Sie gerne unverbindlich und helfen Ihnen dabei, mögliche Fehler künftig zu vermeiden.
Wichtiger Hinweis: Die Auswahl des Biozids muss immer im Einklang mit der 42. BImSchV stehen, um Legionellenwachstum sicher zu verhindern und rechtlich abgesichert zu sein.