Badewasseraufbereitung

Water treatment in swimming pools

Badewasseraufbereitung in Kürze

The Most Relevant Facts on Water Treatment in Swimming Pools

The water treatment ensures pool water that is hygienic and chemically safe.

By hygienic we mean that micro-organisms such as bacteria and viruses are inactivated quickly, before they can harm the swimmers. The disinfection process has to take care of that. In addition, inactivated micro-organisms, particulate matter like dander, hairs, and dirt from the environment, have to be removed by filtration. The chemicals used must be skin and mucosa friendly (acidity, toxicity).

The most common disinfection processes are based on chlorine, chlorine dioxide or hypochlorite, and ozone (pre-oxidation only).

Filters are made up of sand or diatomite.

Fresh water is added in the range of 5% per day of the total pool volume. This adds to keep the water clean and chemically and biologically compatible.

Dirt that collects on the bottom of the pool has to be removed by suction once or twice per week.

State-of-the-art water treatment meets all legal and health requirements, if the plant is operated and maintained properly.

If there is a problem, it is usually caused by the swimmers themselves. If they do not shower at all or if they shower only partially and quickly and omit the "critical parts" beneath the trunks, the pool manager has to increase the concentration of the disinfectant. The disinfectant reacts with organic substances released from the body (worst-case: from the bladder ...). The substances formed cause the typical smell of pools, which also irritate the nose, eyes, and mucosa in the airway.

Badewasseraufbereitung (Schema)

Water Treatment (Diagram)

Erklärung

Aus dem Becken (1) fliesst das Wasser über den Überlauf (2) zur Wasseraufbereitung. Je nach Leistungsvermögen der Wasseraufbereitung müssen täglich zwischen 3 und 7% des gesamten Wasservolumens gewechselt werden (3, Wasserwechsel). Die Pumpe (4) hält den Kreislauf in Bewegung. Um die Wirkung des Filters (6) zu verbessern, wird ein Flockungsmittel (5) zugesetzt. Der Filter (6) enthält Sand oder Kieselgur. In neueren Anlagen werden gelöste, nicht filtrierbare organische Stoffe, wie z.B. Chloramine, mittels Ozon (7, 8) zerlegt. Restozon wird im Aktivkohlefilter (9) zersetzt. Das Desinfektionsmittel 10) wird so dosiert, dass im Becken stets eine desinfizierende Wirkung vorhanden ist, ohne Haut und Schleimhäute zu reizen. Der Säurewert (pH) muss im Bereich von 6.5-7.6 gehalten werden (11).

Explanation

Excess water from the pool (1) flows towards the water treatment via the gutter (2). Depending on the performance of the plant between 3 and 7% of the total water volume are replaced every day (3, water exchange). The pump (4) drives the whole process. The efficiency of filters is greatly enhanced by the addition of flocculation agents (5). The filter (6) contains sand or diatomite. Cutting edge water treatment plants sport an ozone treatment (7, 8). Ozone breaks down organic molecules that passed the filter. Remaining ozone is removed from the water by activated charcoal (9). The disinfectant (10) is added at a concentration high enough to ensure safe disinfection in the pool but low enough to avoid skin and mucosa irritation. The acidity of the water (pH) must be held in the range of 6.5-7.6 (11).

Filtrationsverfahren

Filtration techniques

Filters based on sand and diatomite are equally good if the filter is of good quality and properly maintained. Diatomite is kept on a matrix and is replaced every two weeks or every month. Sometimes, during replacement, a small amount can be washed into the pool, resulting in poor visibility (white clouds).

Desinfektionsverfahren

Das Badewasser wird nach der Filterung mit einem Desinfektionsmittel angereichert. Dabei sterben alle Mikroorganismen ab. Das mit Desinfektionsmittel angereicherte Badewasser gelangt ins Becken, wo das Desinfektionsmittel verdünnt wird. Das Desinfektionsmittel reagiert im Becken mit den dort eingetragenen Schmutzstoffen, weshalb seine Konzentration sinken würde. Durch die dauernde Zufuhr von mit Desinfektionsmittel angereichertem Wasser wird die notwendige kleine Konzentration konstant gehalten (Chlordepot im Becken). Kommen plötzlich eine grosse Anzahl Badegäste, womöglich noch schlecht geduscht, muss die Anlage den Hygienestandard durch erhöhte Zufuhr von Desinfektionsmittel erhalten. Das Badewasser beginnt wegen den Reaktionsprodukten unangenehm zu riechen (Chloramine als Reaktionsprodukte des Chlors mit Harnstoff und anderen Amino-Verbindungen). Dieses Problem kann mit einer Ozon-Voroxidation gelöst werden (s. Schema und Text unten)

Früher wurde hauptsächlich gasförmiges Chlor für die Wasseraufbereitung eingesetzt (selten Brom und Ozon). Es ist das beste und billigste aller Desinfektionsmittel. Es wird druckverflüssigt in Gasflaschen (55 bis 70 kg) oder Stahlfässern (500 bis 1000 kg) geliefert. Aufgrund seiner hohen Giftigkeit wird es zunehmend durch die weniger gefährliche Chlorherstellung oder Chlordioxidproduktion vor Ort ersetzt. In den im Badewasser eingesetzten Konzentrationen ist Chlor ungefährlich. Gelangt hingegen aufgrund eines menschlichen oder technischen Fehlers druckverflüssigtes Chlorgas ungehindert ins Freie oder ins Bad, kann es zu einer grossen Zahl verletzter oder gar getöteter Personen kommen. Chlor wurde ja im ersten Weltkrieg als Kampfgas eingesetzt. Druckverflüssigtes Chlor wird wegen seines Gefahrenpotenzials praktisch nur noch in Freibädern, wo es aufgrund des umweltbedingten Eintrags von Schmutzstoffen grosse Mengen Desinfektionsmittel braucht, eingesetzt. Auch Bäder, die von den Sicherheitsmassnahmen und der Lage des Lagerraums ein geringes Risiko aufweisen, dürfen in der Schweiz vorläufig noch druckverflüssigtes Chlor noch einsetzen.

Als Ersatz für druckverflüssigtes Chlor aus Zylindern oder Fässern kommen in Frage:

• Chlorproduktion mit Salzsäure- oder Kochsalzelektrolyse. Dabei entsteht mit Hilfe von Strom Chlor, Natronlauge und Wasserstoff. Das benötigte Chlor wird elektrolytisch laufend vor Ort hergestellt. Die vorhandenen kleinen Mengen sind kein relevantes Gefahrenpotenzial. Die Investitions- und Betriebskosten sind gegenüber druckverflüssigtem Chlor höher.
  
• Natriumhypochlorit (Chlorbleiche, Javellewasser) und Calciumhypochlorit. Hypochlorit bildet im Wasser ausreichend freies Chlor und unterchlorige Säure wenn der Säuregrad des Wassers im richtigen Bereich (pH nicht über 7.6) gehalten wird. Die vorhandenen kleinen Mengen Chlor sind kein relevantes Gefahrenpotenzial. Die Investitions- und Betriebskosten sind gegenüber druckverflüssigtem Chlor höher.
  
• Chlordioxid. Wird Natriumhypochlorit mit Salz-oder Schwefelsäure gemischt, entsteht Chlordioxid, das eine ähnlich gute Desinfektionswirkung wie Chlor hat. Wegen Verwechslungsgefahr und unbeabsichtigem Mischen hat dieses Verfahren auch seine Gefahren, vor allem für das Personal.

Bei allen Desinfektionsmitteln auf Chlorbasis muss der Säuregrad im Becken (ph-Wert) im günstigen Bereich von pH 6.5-7.6 gehalten werden, damit genügend aktives Hypochlorit (früher unterchlorige Säure genannt) vorhanden ist. Dies wird mit dem Zusatz von Salzsäure reguliert. Am angenehmsten sind pH-Werte um 7.2.

Voroxidation mit Ozon

Ozon ist als eigentliches Desinfektionsmittel verschwunden. Das im Becken vorhandene Ozondepot ist sehr problematisch, weil es beim Sprudeln, Spritzen etc. aus dem Wasser in die Luft übertritt und bei den Schwimmern die Atemwege stark reizt (Hustenanfälle).

Hingegen ist Ozon zur Voroxidation wiederentdeckt worden. Darunter versteht man die Behandlung des Badewassers nach der Filterung. Dadurch werden Mikroorganismen und organische Moleküle wie Harnstoff in kleine Bruchstücke abgebaut. Es können sich keine Chloramine und andere Reizstoffe mehr bilden. Die Badewasserqualität lässt sich mit Ozonvoroxidation bis zur Trinkwasserqualität steigern. Darüber hinaus kann die Frischwasserzufuhr auf die Grössenordnung von 3% gedrosselt werden. Eine Vorozonisierungsanlage ist deshalb bereits nach 2-3 Jahren amortisiert.

Disinfection techniques

Following filtration the water a disinfecting agent is added. All micro-organisms are killed. The water with the disinfectant goes to the pool where the concentration is reduced. The disinfectant reacts chemically with organic matter present, which would decrease its concentration over time. By constantly adding recycled water enriched with disinfectant, the level of concentration is kept constant, which is necessary to maintain hygienic conditions. However, if a great number of people jump into the pool, at worst without showering, the influx of disinfectant has to be increased. Because of the chemical reactions with urea and other organic (amino) substances, the water starts to smell. This problem can be solved by pre-oxidation using ozone (s. diagram and text below). The ozone cracks all organic molecules so that chlorine cannot react with them anymore.

Originally, gaseous chlorine was used for water treatment. Bromine and ozone (that went into the pool) were also in use, but less often. Chlorine is the best and most economic disinfectant. It is delivered as liquefied chlorine in pressure cylinders (55 to 70 kg) or barrels (500 to 1000 kg). It is extremely toxic when released from the tank. Thus, less toxic chemicals or electrolytic processes are used to produce chlorine in situ. Note that toxicity of chlorine depends on its concentration. In the pool it is harmless for humans. However, if chlorine is released from a storage vessel into the environment or next to the pool, people can be killed or injured. Chlorine was used as a weapon in World War I. Liquefied chlorine is about to be replaced because of its hazard potential. Only in swimming pools in the open it is used because a lot of dirt can get into the pool. In addition, in pools where safety is not an issue because the chlorine storage is far from the public, you can still find liquefied chlorine.

Pressurised liquefied chlorine in cylinders or barrels can be replaced by:

• Online chlorine synthesis using hydrochloric acid or sodium chlorine electrolysis. By applying electric current chlorine, sodium hydroxide and hydrogen is formed. The chlorine formed presents not a hazard potential. Investment and maintenance cost are higher as compared to pressurised liquefied chlorine.
  
• Sodium hypochlorite (chlorine bleach, eau de javelle) and calcium hypochlorite. Hypochlorite and water form sufficient free chlorine and chlorous acid if the acidity of the water (pH) is kept in the required range (pH must not exceed 7.6). The amount of chlorine formed poses no hazard potential. Investment and maintenance cost are higher as compared to pressurised liquefied chlorine.
  
• Chlorine dioxide. When sodium hypochlorite and hydrochloric or sulphuric acid is mixed, chlorine dioxide is formed. Chlorine dioxide is a good disinfectant. It is dangerous when the two components are mixed up or poured together accidentally. The personnel are at relatively high risk.

It is essential that when disinfectants based on chlorine are applied that the acidity of the water in the pool (pH) is kept between 6.5 and 7.6. Otherwise not enough chlorius acid is present in the pool. Acidity of the water is regulated by adding hydrochloric acid. pH-values around 7.2 are considered to be best and comfortable.

Pre-Oxidation with Ozone

Ozone is obsolete as the main disinfectant. There should be no ozone reaching the pool. If there is ozone in the pool water it is released if the water is agitated mechanically for instance by splashing, kicking etc. Swimmers will start to cough very soon.

Ozone has made a second career as a means to pre-oxidise the water after filtration and before the disinfectant is added. Ozone cracks all micro-organisms and organic substances into small molecules that do not react with chlorine. No chloramines are formed which smell badly and/or could irritate eyes and mucosa. The quality of the pool water actually is almost similar to drinking water. In addition it pays back, because the addition of fresh water can be as low as 3%. A pre-oxidation plant is depreciated after 2-3 years easily.

Reizungen, Asthma, Allergien etc.

Von Schwimmern erhalte ich öfters Anfragen, ob "das Chlor" im Badewasser Allergien, Reizungen der Schleimhäute usw. bewirken kann. Unter Umständen ist das möglich. Es kommt aber sehr auf die Badewasseraufbereitungstechnik und –anwendung sowie die allgemeine Hygiene im Bad an. Insbesondere ist auch die Luft über dem Wasser, d.h. die Hallenlüftung, ein ausschlaggebender Faktor.


Reizungen. Reizungen der Nasenschleimhäute, der Augen und der Bronchien bei Wettkampfschwimmern, die bekanntlich häufig und lange exponiert sind, wurden bereits 1990 beschrieben (Zwick H, Popp W, Budik G, Wanke T, Rauscher H: Increased sensitization to aeroallergens in competitive swimmers. Lung. 1990;168(2):111-5) und seither bestätigt. Dabei handelt es sich offenbar um aus dem Wasser in die Luft gelangende allergieerzeugende Stoffe (Aeroallergene) d.h. das Desinfektionsmittel selber sowie Reaktionsprodukte des Desinfektionsmittels mit im Wasser befindlichen Schmutzstoffen. Natürlich hängt die Bildung der Aeroallergene von der verwendeten Badewasseraufbereitung und der im Bad angetroffenen Hygiene ab. Eine triefende Nase kann auch durch mechanische Reizung der Schleimhäute durch das Wasser entstehen.


Asthma. Belgische Wissenschaftler publizierten eine Studie, wonach Chlor im Badewasser bei Kindern Asthma erzeuge (Bernard A, Carbonnelle S, Michel O, Higuet S, De Burbure C, Buchet JP, Hermans C, Dumont X, Doyle I: Lung hyperpermeability and asthma prevalence in schoolchildren, unexpected associations with the attendance at indoor chlorinated swimming pools. Occup Environ Med. 2003 Jun;60(6):385-94). Das Chlor solle bei Kindern, die häufig in öffentlichen Badeanlagen schwimmen, die Lungen beeinträchtigen. Wenn Chlor und Stickstofftrichlorid vom Wasser in die Luft überträten , bilde sich eine schädigende Atmosphäre knapp über der Wasseroberfläche, welche die Lungenepithelzellen angreife. Dadurch könnten andere Reizstoffe wie Pollen, Russ und andere Partikel leichter Asthmaattacken provozieren. Die belgischen Forscher halten fest, dass ihr Befund eine mögliche Erklärung für den deutlichen Anstieg von Asthma bei Kindern in den vergangenen 20 Jahren bedeute. Über 40% der Eliteschwimmer seien als Asthmatiker registriert. Den belgischen Forschern gelang es nachzuweisen, dass bei Kindern, die sich häufig in Hallenbädern aufhalten, tatsächlich das Lungenepithel geschädigt ist, was es den allergenen Stoffen erleichtere, in das Gewebe einzudringen. Sie konnten auch nachweisen, dass die Lüftung sowie die Grösse der Hallen ein Rolle spielt. Abschliessend stellen die belgischen Wissenschaftler fest, dass die Badewasserrichtlinien einseitig auf die Hygiene und weniger auf die Luftqualität ausgerichtet seien. Kritiker der Studie meinen, dass das Chlor und die Chlorverbindungen nicht ursächlich Asthma erzeugen, sondern nur einen nebensächlichen Beitrag leisten. Die Hauptursachen von Asthma seien Übergewicht, (Passiv-)Rauchen, Luftverschmutzung, Autoabgase und Staubmilben zu Hause. Der hohe Anteil an Asthmatikern bei Schwimmern könne durchaus andere Ursachen haben: Viele Kinder würden gerade wegen des Asthmas zum Schwimmen geschickt.

Mehr Informationen:

Belastungsinduziertes Asthma im Schwimmen

Irritations, Asthma, Allergies

I get a lot of questions if chlorine could cause allergies, irritations etc. Depending on the country (water treatment legislation) and water treatment traditions that can actually happen. But without checking the local system as well as hygiene in a particular pool, it is not possible to make a final judgment. An important factor is the air in indoor pools. If the ventilation system is bad or badly maintained, an increased amount of irritants can accumulate above the surface.

I have compiled some information fore our English readers on the page:

• Exercise-Induced Asthma in Swimming.

Scientific Articles:

• Increased sensitization to aeroallergens in competitive swimmers.
  
• Lung hyperpermeability and asthma prevalence in schoolchildren: unexpected associations with the attendance at indoor chlorinated swimming pools.