Biofilme in Verdunstungskühlanlagen sind mehr als nur ein Hygieneproblem – sie gefährden Gesundheit, Anlagensicherheit und Wirtschaftlichkeit gleichermaßen. In den Schleimschichten vermehren sich Legionellen rasant und finden optimalen Schutz vor Desinfektionsmitteln. Bereits eine Belagsschicht von unter einem Millimeter senkt die Kühlleistung um mindestens 15 Prozent. Mit Legionellen kontaminierte Aerosole können über zehn Kilometer weit getragen werden und schwere Lungeninfektionen auslösen.
Betreiber stehen dabei unter strengen gesetzlichen Verpflichtungen: Die 42. BImSchV fordert umfassende Kontrollen und dokumentierte Maßnahmen gegen mikrobielles Wachstum.
Inhalt dieses Beitrags
Was ist ein Biofilm in einer Verdunstungskühlanlage?
Ein Biofilm bildet sich, wenn sich verschiedene Mikroorganismen – Bakterien, Pilze, Algen und Protozoen – an wasserbenetzten Oberflächen im System ansiedeln. Diese Organismen hüllen sich in eine Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) ein, die eine schleimigen Belag bilden. Dieser Bioschleim entsteht innerhalb kürzester Zeit und kann auch Biofouling, also Korrosion hervorrufen.
In Verdunstungskühlanlagen finden sich Biofilme bevorzugt an allen wasserberührten Flächen: Füllkörper, Rohrleitungen, Tropfenabscheider und Wärmeübertrager bieten ideale Siedlungsbedingungen.
Faktoren für Biofilm-Wachstum
Das Wachstum wird von mehreren Parametern bestimmt:
- Temperatur und Nährstoffe: Ideale Wachstumstemperaturen für Mikroorganismen, einschließlich Legionellen, liegen zwischen 25 °C und 45 °C
- Umwelteintrag: Pollen, Staub, Blätter und Schmutz liefern kontinuierlich Nährstoffe
- Oberflächenbeschaffenheit: Raue Oberflächen durch Korrosionsprodukte, Kalk, Rost oder Schlamm begünstigen die Anhaftung massiv
- Hydraulik: Stagnation und Totzonen mit zu geringer Fließgeschwindigkeit (unter 1 m/s) fördern die Besiedlung
- Wasserzusammensetzung: Die chemische Zusammensetzung des Kühlwassers beeinflusst das mikrobielle Milieu
Warum sind Biofilme in Verdunstungskühlanlagen ein Problem?
Prozessstörung durch mikrobielles Wachstum
Die Ursache für Anlagenstörungen liegt in den physikalischen, chemischen und mikrobiologischen Eigenschaften der Biofilm-Matrix:
Verschlechterter Wärmeübergang
Biofilme wirken isolierend und mindern die Kühl- oder Heizleistung von Wärmetauschern drastisch. Auch anorganische Beläge wie z.B. eine Kalkschicht von unter einem Millimeter reduziert die Kühlleistung um mindestens 15 Prozent. Die Kühlturmleistung sinkt entsprechend.
Verstopfungen und Produktionsausfälle
Lebende oder tote Biomasse blockiert Rohre, Kühlwasserfilter und Wärmetauscher. Die Rohrquerschnitte verengen sich, was im schlimmsten Fall zu Produktionsausfällen führt.
Mikrobiologisch induzierte Korrosion
Biofilme begünstigen Lochfraß und Unterbelagskorrosion. Die mechanische Zerstörung von Kühltürmen nimmt ihren Lauf. Als Folge entstehen höhere Betriebskosten, erhöhter Energieverbrauch und im Extremfall der Stillstand der gesamten Anlage.
Gesundheitsrisiko: Legionellen und Pseudomonaden im Biofilm
Schutzzone und Vermehrungsort
Der Biofilm dient Legionellen als Lebensraum und schützt sie vor Desinfektionsmitteln. Die Bakterien vermehren sich bevorzugt intrazellulär in Protozoen – vor allem in Amöben, die häufig Bestandteil des Biofilms sind. In den Amöben überstehen Legionellen einen Angriff durch Desinfektionsmittel, UV-Strahlung und Austrocknung. Sie werden über weite Strecken transportiert. Biofilme fungieren als permanente Kontaminationsquelle.
Aerosol-Gefährdung
Verdunstungskühlanlagen setzen feinste Wassertröpfchen (Aerosole) frei, die Legionellen enthalten können. Diese Aerosole können über eine große Entfernung von bis zu zehn Kilometern verbreitet werden. Das Einatmen kann zur Legionellose führen – einer schweren Lungeninfektion, die bei nicht richtiger Behandlung auch tödlich verlaufen kann – oder zum milderen Pontiac-Fieber.
Wie wird Biofilm in Verdunstungskühlanlagen bekämpft?
Chemische Behandlung: Biozide und Dispergatoren
Die Behandlung mit geeigneten und hierzu zugelassenen Bioziden kann die technisch, physikalischen Maßnahmen ergänzen. Auf keinen Fall ist der Legionellenbekämpfung mit chemischen Mitteln der Vorzug zu geben. Die Auswahl muss anlagenspezifisch nach eingehender fachlichen Beratung erfolgen.
Oxidierende Biozide
Diese Wirkstoffe agieren schnell und verhindern Resistenzbildungen:
- Chlordioxid: Bewährt gegen Legionellen, entfernt Biofilm in Rohrleitungen, weitgehend pH-unabhängig
- Ozon: Sehr starkes Oxidationsmittel, greift auch Holz, Kunststoffe und Antiscalants an
- Hypochlorit: Klassisches Oxidationsmittel; Neigung zu unerwünschten Nebenprodukten
- Hypobromit: Alternatives Biozid; Neigung zu unerwünschten, carcinogenen Nebenprodukten
- Peressigsäure und Wasserstoffperoxid: Sehr umweltschonend
Herstellung und Anwendung sind daher recht aufwendig.
Nichtoxidierende Biozide
Diese Wirkstoffe benötigen längere Einwirkzeiten, bieten aber längeren Schutz:
Beispiele: Isothiazolinone, Bronopol, DBNPA, Glutardialdehyd und Quaternäre Ammoniumverbindungen (QAV/QUATS). Eine Kombination aus Isothiazolinone und Bronopol ist besonders beliebt.
Anwendung: Als Stoßdosierung, wobei die Absalzung für mehrere Stunden geschlossen bleibt, um die Einwirkzeit zu gewährleisten und keine Biozidwirkstoffe in die Vorflut zu entlassen.
Biodispergatoren
Biodispergatoren unterstützen die Biozid-Wirkung, indem sie Oberflächenbeläge ablösen (Dispergierung). So werden Mikroorganismen auch in tieferen Schichten zugänglich für die Abtötung.
Physikalische Behandlung von Biofilmen
Als Alternative oder Ergänzung zur chemischen Desinfektion stehen physikalische Verfahren bereit:
- UV-Bestrahlung (UV-Desinfektion): Beseitigt Mikroorganismen im Nutz-/Kühlwasser. Die Wirkung ist lokal begrenzt auf die Installationsstelle. Getrübtes Wasser mindert die Effizienz.
- Partikelfiltration: Teilstromfiltration (Kiesfilter, Sandfilter, Scheibenfilter) entfernt Trübstoffe, allgemein suspendierte anorganische und organische Masse aus dem Kühlwasser. Dies reduziert das Nährstoffinventar und verringert den möglichen Biozideinsatz.
- Thermische Desinfektion: Erwärmen des Nutzwassers auf mindestens 60 °C kann Legionellen abtöten, ist aber in der Praxis bei Betrieb von VKA und KT nicht umsetzbar. Nassabscheider dagegen können dauerhaft bei über 60 °C betrieben werden.
Präventive Maßnahmen gegen Biofilm
- Wasseraufbereitung: Scaling-Inhibierung gegen Kalkablagerungen, Entsalzung des Zusatzwassers
- Hygienegerechter Aufbau: Minimierung von Totzonen, gleichmäßige Durchströmung
- Optimierte Wasserchemie: Vorbeugung von Korrosion, Kalkausfällungen und mikrobiellem Wachstum
Gesetzliche Anforderungen durch die 42. BImSchV und regulatorische Empfehlungen der VDI 2047
Betreiber von Verdunstungskühlanlagen, Kühltürmen und Nassabscheidern unterliegen strengen gesetzlichen Rahmenbedingungen, um Gesundheitsrisiken durch Legionellen zu minimieren.
Rechtlicher Rahmen
BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung)
Seit dem 20. August 2017 in Kraft. Betreiber sind verpflichtet, Anlagen so auszulegenund zu betreiben, dass Verunreinigungen des Nutzwassers durch Mikroorganismen – insbesondere Legionellen – nach dem Stand der Technik vermieden werden.
VDI 2047 Blatt 2
Bietet praxisnahe Handlungsempfehlungen für den hygienegerechten Betrieb und die Bauweise von VKAs. Sie fordert beispielsweise die Minimierung von Totzonen und die Sicherstellung einer gleichmäßigen Durchströmung.
Pflichten für Betreiber im Überblick
- Meldepflicht: Anlagen müssen der zuständigen Behörde gemeldet werden.
- Gefährdungsbeurteilung: Vor Inbetriebnahme oder bei wesentlichen Änderungen muss eine Gefährdungsbeurteilung erstellt und dies dokumentiert werden. Eine hygienisch fachkundige Person unterstützt hierzu den Betreiber.
- Regelmäßige Überwachung:
- Betriebsinterne Überprüfungen (zweiwöchentlich): Mikrobiologische Kenngrößen (z. B. allgemeine Koloniezahl mittels Dip-Slides) Chemisch-physikalische Parameter des Nutzwassers
- Laboruntersuchungen (alle drei Monate): Kühlwasser auf Legionellen und allgemeine Koloniezahl untersuchen lassen. Probenahme durch geschulte Probenehmende. Analyse durch hierzu akkreditiertes Labor.
- Dokumentation: Ein Betriebstagebuch ist lückenlos zu führen und mindestens fünf Jahre lang aufzubewahren.
- Überwachungswerte und Maßnahmen: Bei Überschreitung festgelegter Prüfwerte oder Maßnahmenwerte für Legionellen sind Maßnahmen erforderlich. Der Maßnahmenkatalog ist durch den Betreiber selbst festzulegen. Orientierend sind hier Vorgaben aus der 42. BImSchV und der VDI 2047-2 zu entnehmen.
Hinweis: VBNC-Zustand und molekularbiologische Methoden
IN bestimmten Fällen können Keime in einen VBNC-Zustand (viable but not culturable – lebend, aber nicht kultivierbar) übergehen. In diesen Fällen reichen klassische Kulturmethoden nicht aus. Molekularbiologische Methoden können hier weitgehenden Ermittlungen des Hygienestatus ergänzend empfohlen werden.
Die Regelwerke 42. BImSchV und VDI 2047 wirken zusammen, um den sicheren und gesetzeskonformen Betrieb von Verdunstungskühlanlagen zu gewährleisten. Nur durch die konsequente Umsetzung regulatorischer, technischer, chemischer und physikalischer Maßnahmen lässt sich ein hygienegerechter Betrieb gewährleisten zum Schutz von Mensch, Anlage und Umwelt.
Nächste Termine der VDI 2047-Schulung
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Biofilme entstehen innerhalb kurzer Zeit, begünstigt durch ideale moderate Wassertemperaturen zwischen 20-40 °C, Nährstoffeintrag aus der Umgebung (Pollen, Staub, Blätter, Zusatzwasser) und raue Oberflächen durch Korrosion oder KalkaAblagerungen. Besonders problematisch sind Stagnation und Totzonen mit Fließgeschwindigkeiten unter 1 m/s, da dort Mikroorganismen optimale Siedlungsbedingungen vorfinden.
Der Biofilm wirkt wie eine Schutzschicht gegenüber Bioziden. Bevor das Biozid die Legionellen angreifen kann, ist seine Wirkung bereits an dem Biofilm abreagiert. Zudem sind die Legionellen in Amöben innerhalb des Biofilms inseriert, wodurch diese Amöben einen zusätzlichen Schutz gegenüber den Bioziden aber auch UV-Strahlung und Austrocknung bilden.
Bereits eine Belagsschicht von unter 1 Millimeter reduziert die Kühlleistung um mindestens 15 Prozent. Der Biofilm wirkt isolierend und verschlechtert den Wärmeübergang in Wärmetauschern drastisch. Als Folge entstehen höhere Betriebskosten durch erhöhten Energieverbrauch und im Extremfall Produktionsausfälle bis zum kompletten Anlagenstillstand.
Biozide sollen in erster Linie die lebenden Mikroorganismen abtöten. Eine Entfernung der Biofilme erreicht man dadurch nur bedingt. Die Frage nach dem richtigen Biozid ist nicht ohne Verfahrenskenntnisse seriös zu beantworten. Die konkrete Auswahl ist somit nach Ermittlung des Anlagenzustands individuell zu treffen.
Zur Entfernung von Biofilmen kommen dagegen sogenannte Biodispergatoren in Betracht.
Biodispergatoren sind oberflächenaktive Substanzen (Tenside), die die Biofilme idealerweise von der Oberfläche ablösen und in die fließende Welle bringen.. Dadurch werden Mikroorganismen aus tieferen Biofilm-Schichten freigelegt und für nachfolgende Biozid-Behandlungen zugänglich gemacht. Sie erhöhen die Gesamtwirksamkeit der -Bekämpfung der Mikrobiologie und verzögern eine erneute Besiedlung.
Eine hygienisch fachkundige Person hat eine Schulung nach VDI-MT 2047 Blatt 4 oder VDI 6022 Blatt 4 absolviert und eine Prüfung bestanden. Sie erhält ein VDI-Zertifikat als Qualifikationsnachweis. In der Schulung werden Kenntnisse vermittelt zur Mikrobiologie, damit verbundenen gesundheitlichen -Risiken, Wasserchemie, Anlagentechnik und deren Überwachung, Biozid-Einsatz und zugehörige Rechtsgrundlagen. Die Gültigkeit des Qualifikationsnachweises ist an die Richtlinie gebunden. Eine Auffrischung der Schulung ist spätestens nach fünf Jahren geboten.
Die Frage nach dem richtigen Biozid ist nicht ohne Verfahrenskenntnisse seriös zu beantworten. Die konkrete Auswahl ist somit nach Ermittlung des Anlagenzustands individuell zu treffen.
Hilfreich bei der Auswahl sind z.B. folgende Kennzahlen: Zusatzwasserbedarf, Eindickung, Leitfähigkeit, Betriebsweise, verbaute Materialien und Wasseranalyse. Rechtsverbindliche Vorgaben (z.B. Abwasserverordnung, BImSchV-Genehmigung, BiozidV) können die Auswahl einschränken. Die GefStoffV fordert Minimierung des Biozid-Einsatzes.
Konkrete Kostenzahlen sind schwer zu beziffern, da sie stark anlagenspezifisch sind. Die Kosten umfassen Biozide und Chemikalien, Laboruntersuchungen (alle drei Monate plus zweiwöchentliche interne Kontrollen), Wartung, Wasserverbrauch und die Sachverständigenprüfung (alle fünf Jahre). Wasserkosten übersteigen oft die Chemikalienkosten. Innovative Verfahren mit funktionellen Mikroorganismen statt Bioziden versprechen deutliche Kosteneinsparungen.
Verstöße gegen die 42. BImSchV gelten als Ordnungswidrigkeit nach § 62 BImSchG und können mit Bußgeldern bis zu 50.000 Euro geahndet werden. Bei juristischen Personen sind nach § 30 OWiG noch höhere Bußgelder möglich. Die konkreten Bußgeldhöhen sind bundeslandspezifisch. Zusätzlich drohen behördliche Anordnungen zur Mängelbeseitigung, Betriebseinschränkungen oder im Extremfall die Stilllegung der Anlage.
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Quellen und weiterführende Links
- Bundesministerium der Justiz: 42. Bundesimmissionsschutzverordnung (BImSchV)
- LAI: Auslegungsfragen zur 42. BImSchV
- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz: Legionellen in Aerosolen aus Verdunstungskühlanlagen
- Umweltbundesamt: Legionellennachweis in Verdunstungskühlanlagen