Was ist Trinkwasser?

Mit einer globalen Trinkwasserkrise am Horizont, machen alte und neue Technologien das Beste aus den vorhandenen Wasserressourcen

„Trinkwasser“ bedeutet einfach Wasser, das sicher zu trinken ist, und das wird auf der Welt immer knapper. Eine scheinbar endlose Liste von Verunreinigungen kann einst trinkbares Wasser in ein Gesundheitsrisiko verwandeln oder es einfach ästhetisch inakzeptabel machen.

Von den mehr als 2 Milliarden Menschen, die zu Hause kein Trinkwasser haben, verfügen 844 Millionen nicht einmal über eine grundlegende Trinkwasserversorgung, darunter 263 Millionen, die 30 Minuten pro Weg zurücklegen müssen, um Wasser zu holen. Etwa 159 Millionen trinken unbehandeltes Oberflächenwasser. Unsicheres Trinkwasser ist eine der Hauptursachen für Durchfallerkrankungen, an denen jährlich etwa 800.000 Kinder unter 5 Jahren sterben, meist in Entwicklungsländern. Es wird erwartet, dass 90 Länder das Ziel einer flächendeckenden Versorgung bis 2030 nicht erreichen werden.

Was macht Wasser ungeeignet zum Trinken?

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) gliedert Trinkwasserverunreinigungen in organische, anorganische, radiologische und mikrobiologische Verunreinigungen ein und bezieht Maße für die Akzeptanz von Geschmack, Geruch und Aussehen mit ein.

• Organische Verunreinigungen sind kohlenstoffbasierte Chemikalien, einschließlich Lösungsmittel und Pestizide, die durch landwirtschaftliche Abwässer oder industrielle Ableitungen eingeführt werden. Sie können für eine Reihe von schwerwiegenden Gesundheitsproblemen verantwortlich sein, von Krebs bis hin zur Störung der endokrinen Funktion.
• Radiologische Bedrohungen umfassen Radon, Cäsium, Plutonium und Uran. In Nordamerika ist Radon die führende Ursache für Lungenkrebs bei Nichtrauchern und die führende umweltbedingte Ursache für Krebssterblichkeit insgesamt.
• Anorganische Schadstoffe, wie Mineralsäuren, anorganische Salze, Metalle, Zyanide und Sulfate, bleiben in der Umwelt bestehen. Schwermetalle können beim Menschen neurologische Probleme verursachen, vor allem bei Ungeborenen und Kindern, und akkumulieren sich auch in einigen Lebensmitteln. Arsen kann Krebs, Hautveränderungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes und kognitive Beeinträchtigungen verursachen. Algenblüten, die durch Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff verursacht werden, können ebenfalls Cyanotoxine in das Trinkwasser einbringen.
• Krankheitserreger im Wasser, einschließlich Bakterien, Viren, Protozoen und Parasiten, werden in der Regel über Fäkalien in das Wasser eingebracht und können eine Reihe von Krankheiten verursachen, von leichter Gastroenteritis bis hin zu potenziell tödlichem Durchfall, Ruhr, Hepatitis, Typhus, Cholera und Kryptosporidiose. Millionen von Menschen sind außerdem mit durch Wasser übertragenen Tropenkrankheiten infiziert, zu denen auch das Trachom gehört, die häufigste Ursache für vermeidbare Erblindung.

Eine weitere Bedrohung für das Trinkwasser sind so genannte „aufkommende Verunreinigungen“ oder „Kontaminanten, die für die Umwelt bedenklich sind“, zu denen Pharmazeutika gehören, die durch Abwässer und Abflüsse aus der Viehzucht eingebracht werden.

Trübung (mangelnde Klarheit durch eingemischte Partikel) kann dem Wasser einen inakzeptablen Geschmack, Geruch oder ein unangenehmes Aussehen verleihen. Ob trübes Wasser schädlich oder nur unattraktiv ist, hängt von den vorhandenen Stoffen ab. Für eine effektive Trinkwasseraufbereitung ist es wichtig, das Quellwasser sorgfältig zu analysieren und die Behandlung dann auf die spezifischen Wasserbedingungen und -standards abzustimmen.

Wasseraufbereitung für die Trinkbarkeit

Viele altbewährte Wasseraufbereitungsprozesse werden auch heute noch in den ersten Aufbereitungsstufen eingesetzt. Die Geschichte der Wasseraufbereitung reicht Tausende von Jahren zurück, bis in die minoische Zivilisation um 1700 v. Chr. und zu den alten Ägyptern, die erstmals Alaunflockung und Sedimentation zur Klärung von Wasser um 1500 v. Chr. einsetzten.

Sedimentation bedeutet, dass sich Partikel in trübem Wasser absetzen. Alaun und andere „klebrige“ Zusätze, die als Polyelektrolyte bekannt sind, unterstützen den Absetzprozess durch Ausflockung oder das Zusammenkleben von Partikeln zu „Flocken“. Die Flockung und Sedimentation mit Klärmitteln ist in Wasseraufbereitungsanlagen üblich.

Das Verständnis der Mikrobiologie, das mit der Arbeit von Dr. John Snow und Louis Pasteur in den 1800er Jahren kam, hatte große Auswirkungen auf die Wasseraufbereitung. Die Forschung brachte Trübungen mit Krankheitserregern in Verbindung, und Sandfilter wurden erstmals 1829 in London zur Aufbereitung einer öffentlichen Wasserversorgung eingesetzt. Städtische Wassersysteme in den Vereinigten Staaten folgten in den frühen 1900er Jahren, und der Prozess der Filtration mit Schichten aus Sand, Kies und Holzkohle ist auch heute noch weit verbreitet.

Aber Desinfektionsmittel wie Chlor in Amerika und Ozon in Europa spielten die größte Rolle bei der Beendigung von Epidemien von durch Wasser übertragenen Krankheiten wie Typhus, Ruhr und Cholera. Heute wird in der kommunalen Wasserversorgung routinemäßig vorchloriert, um Algen und biologisches Wachstum zu verhindern, oder in den letzten Stufen der Wasseraufbereitung chloriert. Chlorung in Verbindung mit Belüftung wird auch verwendet, um gelöstes Eisen zu entfernen, und die Belüftung entfernt effektiv flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Andere Desinfektionsmethoden umfassen ultraviolettes (UV) Licht und pH-Anpassung.

Moderne Wasseraufbereitung

In der heutigen Zeit haben technologische Fortschritte auf der Grundlage älterer Verfahren aufgebaut. Zum Beispiel sind aerobe Prozesse seit langem die Hauptstütze der Abwasserbehandlung, insbesondere für Abwasser und andere Abfallströme mit hohem organischen oder biologisch abbaubaren Anteil. Bei aeroben Verfahren bauen Mikroorganismen, die in sauerstoffhaltigem Wasser gedeihen, organische Verunreinigungen ab und entfernen Nitrate.

Die neueste und effizienteste aerobe Behandlung findet sich im membranbelüfteten Biofilmreaktor (MABR), der bis zu 90 % weniger Energie für die Belüftung, die energieintensivste Stufe der biologischen Behandlung, benötigt. Im MABR findet die gleichzeitige Nitrifikation-Denitrifikation in einem einzigen Tank statt, der eine spiralförmig gewickelte, luftdurchlässige Membran enthält. Die Belüftung findet bei nahezu atmosphärischem Druck statt. MABR, das sich durch eine hohe Abwasserqualität und Energieeinsparungen auszeichnet, ist sowohl für die Nachrüstung bestehender Anlagen als auch für kleine, verpackte Systeme erhältlich, die für dezentrale Behandlungsstrategien geeignet sind. Durch die Dezentralisierung werden kleinere Anlagen in der Nähe des Verbrauchsortes platziert, wodurch die Notwendigkeit für große, regionale Anlagen und die kostspieligen Rohrleitungsnetze, die für viele Regionen finanziell unerschwinglich sind, entfällt.

Andere Wasserreinigungsverfahren, die Membranen verwenden, haben seit den 1970er und 1980er Jahren bedeutende Fortschritte gemacht, einschließlich der Umkehrosmosefiltration. Bei der Umkehrosmose (RO) wird Wasser unter Druck durch eine Membran gepresst, die auf molekularer Ebene semipermeabel ist, um unerwünschte gelöste Stoffe auszuschließen.

Eine gängige Methode zur Trinkwassergewinnung ist die Entsalzung. Fortschritte in der Mitte der 2010er Jahre haben ihre Energie- und Kosteneffizienz erhöht. Moderne Entsalzungsanlagen produzieren etwa 50 % des israelischen Trinkwassers. Höhere Rückgewinnungsraten und ein geringerer Verbrauch von Energie und Chemikalien haben die Entsalzung deutlich kostengünstiger gemacht. Jetzt ist die Entsalzung in skalierbaren und schnell einsetzbaren Smart-Packaged-Optionen verfügbar, die sich für die Dezentralisierung eignen.

Die anaerobe Vergärung, ein biologischer Aufbereitungsprozess, der auf Mikroben beruht, die in Abwesenheit von Sauerstoff gedeihen, wird jetzt eingesetzt, um organisches Material und organische Spurenstoffe (TOCs) zu entfernen, die durch menschliche Aktivitäten entstehen. TOCs reichern sich durch Biomagnifikation und Bioakkumulation in Organismen an und verursachen irreversible Schäden bei Menschen und Tieren, indem sie das endokrine System stören und Tumore verursachen.

Während des anaeroben Vergärungsprozesses bauen Mikroorganismen organische Verbindungen ab und erzeugen ein Biogas, das hauptsächlich aus Methan besteht. Waste-to-Energy-Systeme können auch installiert werden, um das Methan aufzufangen und zur Energieerzeugung zu nutzen.

Ionenaustausch, ein chemischer Prozess, der unerwünschte gelöste Ionen gegen ähnlich geladene Ionen austauscht, wird in großem Umfang für die Potabilisierung in Prozessen wie Wasserenthärtung, Demineralisierung, Entkalkung, Entionisierung und Desinfektion verwendet. Spezialisierte Ionenaustauscherharze, die auf bestimmte Verunreinigungen wie Nitrate, Perchlorat und Uran abzielen, werden ebenfalls immer beliebter für die Trinkwasserproduktion.

Die Zukunft des Trinkwassers

Der Bedarf an Süßwasser wird weltweit zwischen 2000 und 2050 voraussichtlich um 55 % steigen, und kürzlich haben NASA-Wissenschaftler festgestellt, dass die Süßwasserressourcen schneller verbraucht werden, als sie wieder aufgefüllt werden. Jay Famiglietti, ein leitender Hydrologe bei der NASA, hat gewarnt: „Der Grundwasserspiegel sinkt überall auf der Welt. Es gibt keinen unendlichen Vorrat an Wasser.“

Trinkwasser ist grundlegend für das menschliche Leben, und wir können davon ausgehen, dass es in absehbarer Zukunft ein wachsendes Problem sein wird.