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Wasser - eine Lebensgrundlage
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Wasser und seine Inhaltsstoffe
Das gesamte Wasservorkommen auf der Erde beträgt etwa 1,35*109 km3. Davon entfallen ca. 97,4 % auf salzhaltiges Wasser der Weltmeere. 2 % sind als Eis in den Polkappen und Gletschern gebunden. Nur etwa 0,6 % der Gesamtmenge an Wasser bilden in Form von Luftfeuchtigkeit, Niederschlag oder Grund- und Oberflächenwasser den aktuellen Süßwasservorrat der Erde. Die Süßwasserreserven sind entsprechend den unterschiedlichen Zonen der Erde naturgemäß unterschiedlich verteilt. Während in den gemäßigten Zonen der Nord- und Südhalbkugel Wasser in der Regel in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht, gibt es aber zunehmend auch viele Regionen, für die Wasser ausreichender Menge und Güte ein nahezu unerschwingliches Gut geworden ist. Aufgrund der globalen Erwärmung der Erde wird sich dieses Problem in den kommenden Jahrzehnten vermutlich dramatisch vergrößern.
Vereinzelt vorgetragene Forderungen hierzulande nach noch schärferen Grenzwerten, die vermeintlich auch das "letzte" gesundheitliche Restrisiko ausschließen sollen, sind vor diesem Hintergrund stark zu relativieren. Die eigentliche Herausforderung dürfte selbst in Europa (z.B. Mittelmeerländer) in naher Zukunft eher darin bestehen, den Zugang zu chemisch und bakteriologisch einwandfreiem Trink- und Brauchwasser weiterhin in ausreichender Menge sicher stellen zu können. Es versteht sich von selbst, dass die Einhaltung der bestehenden nationalen bzw. EU-weiten Grenzwertregelungen lokal betrachtet dennoch natürlich oberste Priorität haben müssen. Denn auch hierzulande ist es in etlichen Gegenden bereits nur noch durch Mischen mehrerer unterschiedlich belasteter Wässer oder durch Zwischenschalten einer Trinkwasseraufbereitungsanlage möglich, Trinkwasser ausreichender Reinheit bereitzustellen.
Meerwasser enthält trotz permanenter Stoffzufuhr durch die
Flüsse sowie Verdunstung einen nahezu konstanten Salzgehalt von etwa
35 g/kg. Dabei bildet NaCl den Hauptbestandteil. Auch der Gehalt an gelösten
Gasen ist besonders in den oberen
Schichten hoch. Die Aufnahme von gasförmigen Stoffen aus der Luft bildet
eine wichtige Grundlage für das Leben im Meer. Meerwasser enthält
ferner ca. 2-15 mg/kg gelöste organische Verbindungen. Hierbei handelt
es sich vorwiegend um Abbauprodukte des pflanzlichen und tierischen Stoffwechsels.
Humusartige Stoffe verleihen dem Wasser der Weltmeere seine charakteristische
Eigenfarbe.
Niederschlagswasser ist an sich die reinste in der Natur vorkommende Form des Wassers. Durch den natürlichen Destillationsprozess ist der Mineralstoffgehalt sehr gering. Jedoch findet man in Niederschlagswasser prinzipiell all jene Stoffe, die in den Luftschichten vorhanden und in Wasser löslich sind. Dazu zählen neben Sauerstoff und Kohlendioxid auch aus anthropogenen Quellen entstammende Bestandteile wie Schwefeldioxid, Stickoxide und Rußpartikel sowie diverse organisch-chemische Verbindungen. Der natürliche Kohlendioxidgehalt der Luft und natürlich auch der Gehalt an Schwefeldioxid und Stickoxiden verleihen dem Wasser aus Niederschlägen tendentiell einen sauren pH-Wert (häufig 4 bis 5). Bei hohen SO2-Konzentrationen führt dieses Phänomen zum so genannten "saueren Regen" mit pH-Werten teilweise unter 3.
Grund- und Quellwässer enthalten einen beachtlichen, je nach den geologischen Gegebenheiten unterschiedlichen Anteil an natürlichen Mineralstoffen. Dabei können in gipshaltigen Kalksteinschichten Sulfatgehalte von bis zu 1500 mg/l sowie in Sandsteinschichten in Tiefen von 300-500 m Chloridgehalte von über 10000 mg/l auftreten. Typisch sind Quellwässer mit etwa 5-50 mg/l Chlorid, 10-50 mg/l Sulfat, 40-300 m/ l Hydrogencarbonat als wichtigste anionische, sowie 15-60 mg/l Calcium, 1-30 mg/l Magnesium und Spuren an Natrium und Eisen als kationische Inhaltsstoffe. Da sich Grundwasser in feinporigen Gesteinen in größerer Tiefe sammelt, wird es in der Regel durch Niederschläge nicht wesentlich beeinflusst und ist im Allgemeinen mikrobiell unbelastet. In intensiv industriell oder landwirtschaftlich genutzten Gebieten sind jedoch immer wieder auch Grundwasserverschmutzungen feststellbar. Schwermetalle und organische Stoffe (z.B. aus Deponien und Altlasten) sickern sehr langsam in tiefere Bodenschichten, wo sie schließlich grundwasserführende Schichten erreichen und kontaminieren können.
Als Oberflächenwasser wird das Wasser aus stehenden oder fließenden
Gewässern bezeichnet. Es ist praktisch immer ein Gemisch aus Grund-,
Quell-, Regen- und teilweise auch Abwasser. Bäche, Flüsse und Seen
weisen deshalb einen stark unterschiedlichen Gehalt an Mineralstoffen auf.
Durch die zahlreichen Lebewesen im und um den Lebensraum Wasser findet man
auch viele organische Substanzen, die meistens Produkte des Stoffwechsels
sind. Häufig sind Oberflächenwässer durch Schadstoffeinleitungen
der Industriebetriebe und Haushalte mit Schwermetallen und organischen Verbindungen
belastet. Besonders problematisch ist auch der Schadstoffeintrag durch die
Landwirtschaft. Dies gilt besonders dann, wenn sie nicht ökologisch
betrieben wird. Neben Pestiziden, Herbiziden usw., die als Wirkstoffe häufig
halogenierte Kohlenwasserstoffe enthalten, gelangen aus diesen Quellen große
Mengen an Phosphat und Nitrat (aus Düngemitteln) sowie auch an biologischen
Stoffen (aus Gülle, etc.) in die Gewässer.
Trinkwasser - Anforderungen, Grenzwerte
Die Anforderungen an Wasser, das als Trinkwasser für den menschlichen Gebrauch zugelassen ist, sind in der neuen verschärften Trinkwasserverordnung vom 1. Januar 2003 festgelegt, die auch die Erfordernisse der EU-Richtlinie 98/83/EG berücksichtigt. Darin heißt es: Wasser für den menschlichen Gebrauch muss frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein. Da die genaue Zusammensetzung der Quell- und Brunnenwässer je nach geologischen Bedingungen stark unterschiedlich ist und teilweise auch auf Oberflächenwasser aus Trinkwasser-Talsperren zurückgegriffen werden muss, sind für eine große Anzahl von Inhaltsstoffen Grenzwerte und Indikatorparameter festgelegt worden, deren Überschreitung (bis auf zeitlich oder örtlich begrenzte Ausnahmeregelungen) nicht zulässig ist. In die neue Trinkwasserverordnung sind zudem Regelungen aufgenommen worden, welche Stoffe zur Aufbereitung von Wässern verwendet werden dürfen. Darüber hinaus besteht nunmehr eine Kennzeichnungspflicht für Nicht-Trinkwasseranlagen (z.B. Regenwassernutzung) um die Gefahr einer Verwechselung mit Trinkwasser führenden Leitungen zu minimieren. Den Betreibern entsprechender Wasserversorgungsanlagen sowie den Gesundheitsämtern erwachsen gemäß der neuen Verordnung detaillierte Pflichten zur Überwachung der Wasserqualität sowie zur Information der betroffenen Verbraucher bei einer etwaigen Nicht-Einhaltung einzelner Grenzwerte. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die wesentlichen derzeit bestehenden Grenzwerte.
Tabelle 1: Grenzwerte und Indikatorparameter gemäß neuer deutscher
Trinkwasserverordnung vom 1.1.2003 (Angaben ohne Gewähr).
| Bezeichnung | Grenzwert bzw. Indikatorparameter | berechnet als | Anmerkungen |
| Geschmack | für Verbraucher annehmbar, keine anormale Veränderung | - | - |
| pH-Wert | 6,5 bis 9,5 | - | - |
| Leitfähigkeit | 2500 mS/cm | - | bei 20 °C |
| Oxidierbarkeit | 5 mg/l O2 | - | - |
| Färbung | 0,5 m-1 | - | Absorptionskoeffizient bei Hg 436 nm |
| Trübung | 1,0 NTU | - | Nephelometrische Trübungseinheit |
| Geruchsschwellenwert | 2 bei 12 °C bzw. 3 bei 25 °C |
- | stufenweise Verdünnung mit geruchsfreiem Wasser und Prüfung auf Geruch |
| Bromat |
0,01 mg/l |
BrO3- |
|
| Cyanid | 0,05 mg/l | CN- | - |
| Chlorid | 250 mg/l | Cl- | - |
| Fluorid | 1,5 mg/l | F- | - |
| Nitrat | 50 mg/l | NO3- | Summe der Nitratkonz. (mg/l) geteilt durch 50 und Nitritkonz. (mg/l) geteilt duch 3 darf nicht größer als 1 mg/l sein. |
| Nitrit | 0,5 mg/l | NO2- | Summe der Nitratkonz. (mg/l) geteilt durch 50 und Nitritkonz. (mg/l) geteilt duch 3 darf nicht größer als 1 mg/l sein. |
| Sulfat | 240 mg/l | SO42- | - |
| Aluminium | 0,2 mg/l | Al | - |
| Ammonium | 0,5 mg/l | NH4+ | geogen bedingte Überschreitungen bis 30 mg/l zulässig |
| Antimon | 0,005 mg/l | Sb | - |
| Arsen | 0,01 mg/l | As | - |
| Bor | 1 mg/l | B | - |
| Blei | 0,01 mg/l* | Pb | *stufenweise Absenkung des Grenzwertes beschlossen: bis 30.11.2003: noch 0,04 mg/l, 1.12.2003-30.11.2004: 0,025 mg/l, ab 1.12.2004: 0,01 mg/l. |
| Cadmium | 0,005 mg/l | Cd | - |
| Chrom | 0,05 mg/l | Cr | bei Chromat umgerechnet auf Chrom |
| Eisen | 0,2 mg/l | Fe | - |
| Kupfer | 2 mg/l | Cu | - |
| Mangan | 0,05 mg/l | Mn | geogen bedingte Überschreitungen bis 0,2 mg/l zulässig |
| Natrium | 200 mg/l | Na | - |
| Nickel |
0,02 mg/l |
Ni |
- |
| Quecksilber | 0,001 mg/l | Hg | - |
| Selen | 0,01 mg/l | Se | - |
| Acrylamid |
0,0001 mg/l |
- |
Restmonomer aus Kunststoff-Rohrleitungen |
| Benzol |
0,001 mg/l |
- |
- |
| 1,2-Dichlorethan |
0,003 mg/l |
- |
- |
| Epichlorhydrin |
0,0001 mg/l |
- |
Restmonomer aus Kunststoff-Rohrleitungen |
| a) Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) b) Benzo(a)pyren |
0,0001 mg/l 0,00001 mg/l |
- - |
Summe von Benzo-(b)-fluoranthen, Benzo-(k)-fluoranthen,
Benzo-(ghi)-perylen und Indeno-(1,2,3-cd)-pyren. Einzelgrenzwert |
| Tetrachlorethen und Trichlorethen | 0,01 mg/l | - |
Summe der beiden Stoffe |
| Trihalogenmethane |
0,05 mg/l |
- |
Summe aus Trichlormethan (=Chloroform), Bromdichlormethan,
Dibromchlormethan und Tribrommethan (=Bromoform) |
| a) Pflanzenschutzmittel und Biozidprodukte b) Aldrin, Dieldrin, Heptachlor, Heptachlorepoxid c) Summe Pflanzenschutzmittel und Biozidprodukte |
0,0001 mg/l 0,00003 mg/l 0,0005 mg/l |
- - - |
Grenzwert für jede Einzelsubstanz,
Überwachung nur solcher Substanzen obligatorisch,
deren Vorhandensein wahrscheinlich ist. Grenzwert für jede Einzelsubstanz Summengrenzwert |
| Vinylchlorid | 0,0005 mg/l | - | Restmonomer aus Kunststoff-Rohrleitungen |
| Bakterielle Stoffe a) E. Coli, Coliforme Bakterien, Enterokokken, Pseudomonas aeruginosa b) Koloniezahl |
keine 100/ml* bzw. 20/ml** |
- | * bei 22 °C Bebrütungstemperatur, ** bei 36 °C Bebrütungstemperatur, für Wässer in Tanks von Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen bis 1000/ml bei 22 °C. |
| Tritium |
100 Bq/l |
- |
- |
| Gesamtrichtdosis |
0,1 mSv/Jahr |
- |
- |
Vielerorts wird die Einhaltung verschiedener Grenzwerte ständig schwieriger. Besonders in Gebieten mit intensiver landwirtschaftlicher Nutzung ist der Nitrat-Grenzwert häufig nur noch durch geeignete Verfahren zur Nitratentfernung einzuhalten, da selbst im Grundwasser bereits steigende Belastungen festgestellt werden. Ursachen hierfür sind hauptsächlich Auswaschungen der in erheblichem Umfang in die Böden eingebrachten Düngemittel. Gefahr geht jedoch besonders auch von Nitrit aus, welches im Körper bakteriell aus Nitrat gebildet werden kann. Nitrit stellt eine Schlüsselsubstanz für die Bildung krebserzeugender N-Nitrosoverbindungen dar, da es mit nitrosierbaren Aminen und Amiden reagieren kann. Abgesehen von relativ seltenen geologisch bedingten lokal erhöhten Nitratbelastungen lassen hohe Nitrat- und Nitritwerte fast immer auf eine Verschmutzung des Grund- bzw. Brunnenwassers schließen. Ihnen sollte deshalb erhöhte Aufmerksamkeit geschenkt werden.
In manchen Wässern findet man aufgrund der relativ guten Löslichkeit von Gips einen Sulfatgehalt von 100 mg/l oder mehr. Extrem sulfatreiche Wässer wirken abführend, besonders wenn sie zugleich Magnesium enthalten. Sie sollten deshalb nicht unvermischt zur Trinkwasserversorgung genutzt werden. Chlorid ist praktisch in allen Wässern enthalten. Ein erhöhter Gehalt gilt als unbedenklich.
Von den kationischen Wasserinhaltsstoffen sind Natrium, Kalium
und Calcium praktisch überall anzutreffen. Problematisch sind
aber teilweise relativ hohe Schwermetallgehalte in Wässern. Blei
ist wie Cadmium und anderen Stoffen unerwünscht, da es sehr toxisch
ist. Blei ist nur sehr selten geologischen Ursprungs und stammt in Trinkwasserproben
sehr häufig aus bleihaltigen Rohrleitungssystemen. In der aktuellen
Fassung der Trinkwasserverordnung ist daher eine stufenweise Absenkung des
Grenzwertes bis 2004 beschlossen worden (siehe Tabelle 1). Zink ist
ein lebenswichtiges Spurenelement. Der Tagesbedarf eines Menschen liegt
etwa bei 2-10 mg. Jedoch ist Zink, wenn es aus Leitungen und Armaturen stammt,
fast immer von hoch giftigen Elementen wie Pb, As, Cu, Sn, Sb begleitet. Deshalb
ist in Deutschland die Verwendung von verzinkten Wasserbehältern untersagt.
Kupfer und Eisen sind zwar ebenfalls essentiell, doch verleihen
diese Stoffe dem Wasser einen unerwünschten metallischen Geschmack Ein
hoher Eisengehalt führt außerdem zu unerwünschten Ablagerungen
im Leitungsnetz. Chrom ist als Spurenelement für den Menschen
ebenfalls essentiell. Allerdings ist bei Chrom der Oxidationszustand des
Ions sehr entscheidend. Während die Toxizität von Cr(III)-Salzen
eher gerig einzustufen ist, sind Cr(VI)-Verbindungen hoch toxisch und
gelten heute als krebserzeugend. Chrom ist in vielen Trinkwässern nur
in sehr geringen Mengen vorhanden und stellt dort selten ein Problem dar.
Industrieabwässer aus Metallbeizereien und Galvanikbetrieben sind dagegen
oft mit erheblichen Mengen besonders auch an Chrom(VI) belastet.
Ins Blickfeld geraten sind in letzter Zeit aber besonders auch Trinkwasserverunreigungen
durch organisch-chemische Stoffe. Neben polyzyklischen aromatischen
Kohlenwasserstoffen (PAK) stellen dabei vor allem Rückstände
von Herbiziden und Insektiziden Probleme dar. Die Ursachen hierfür
liegen wiederum in der intensiv durchgeführten Landwirtschaft. In der
letzten Novellierung der Trinkwasserverordnung ist dieser Tatsache dadurch
Rechnung getragen worden, dass für solche Substanzen sowohl Einzelgrenzwerte
wie auch Summengrenzwerte erlassen worden sind. Bei sorgfältiger
Überwachung ergibt sich hieraus für den Konsumenten ein deutlicher
Zugewinn an Sicherheit. In Analogie zur Vorgehensweise beim Blei bestehen
seit Januar 2003 ebenfalls Grenzwerte für Restmonomere, die bei
der Verwendung von Kunststoffrohren ins Trinkwasser gelangen können.
Verfahren zur Wasseraufbereitung
Zur Abtrennung unerwünschter Wasserinhaltstoffe stehen prinzipiell eine ganze Reihe von chemischen, physikalischen und biologischen Verfahren zur Verfügung. Solche Verfahren können z.B. zur Entfernung unerwünschter ionischer Stoffe (z.B. Nitrat) aus Trinkwässern oder auch zur Reinigung von industriellen Abwässern mit dem Ziel der Edelmetallrückgewinnung (z.B. aus Spülbädern der galvanischen Industrie) eingesetzt werden. Vor dem Einsatz von Verfahren zur Wasseraufbereitung sollte aber immer geprüft werden, ob das Problem nicht auch anders gelöst werden kann. Letztlich hängt die Wirtschaftlichkeit eines Reinigungsverfahrens auch entscheidend von der Konzentration des Schadstoffs ab. Teilweise lassen sich erst durch Kombinatio mehrerer unterschiedlicher Verfahren geeignete Problemlösungen erzielen.
Fällungsverfahren werden erfolgreich zur Vorreinigung und Entgiftung industrieller Abwässer eingesetzt. So können Chrom(III)-Verbindungen durch Einstellen eines optimalen pH-Bereiches als Chrom(III)-hydroxid sowie Eisen(II)-Salze nach vorhergehen der Oxidation mit Luftsauerstoff als Eisen(III)-oxid-hydrat gefällt werden. Aluminium-, Eisen- und Calciumionen können auch als schwerlösliche Phosphate, viele zweiwertige Ionen als Carbonate ausgefällt werden. Mit Hilfe von Flockungsmitteln und organischen Komplexbildnern lassen sich ebenfalls Abtrennungen erreichen. Entscheidende Nachteile der Fällungsverfahren sind darin zu sehen, dass durch die teilweise recht hohen Löslichkeitsprodukte hohe Restkonzentrationen im Wasser verbleiben können.
Viele unerwünschte organische Schadstoffe können durch Adsorption an Aktivkohle oder Aluminiumoxid abgetrennt werden. Technisch wird dabei das belastete Wasser auf Säulen gegeben, die mit dem jeweiligen Sorptionsmittel, teiweise auch Gemischen davon, beladen sind. Vorteilhaft an diesen Verfahren ist, dass beim Durchströmen solcher Säulen schon geringste Mengen Schadstoff aus einer sehr großen Abwassermenge adsorbiert werden können. Beim Regenerieren der Adsorptionssäulen mit geeigneten Elutionsmitteln (z.B. auch überhitztem Wasserdampf) stehen die anhaftenden Schadstoffe dann in konzentrierter Form zur Verfügung und können entsorgt werden.
Die Aufreinigung von Wässern, die mit organisch-chemischen Stoffen verunreinigt sind, kann technologisch auch sehr gut durch Bestrahlung mit UV-Licht hoher Intensität erfolgen. Dabei werden die Schadstoffmoleküle durch photochemische Spaltung abgebaut. Positiver Nebeneffekt ist, dass auf diesem Wege gleichzeitig auch zumindest teilweise eine Zerstörung pathogener Keime erreicht werden kann. Letzteres wird traditionell durch eine Zugabe von Chlor (als Hypochlorit) erreicht, was besonders in amerikanischen Großstädten zu deutlichen Geschmacks- und Geruchswahrnehmungen führt.
Das Einsatzgebiet für Ionenaustauschersäulen ist sehr weit und reicht von Wasserteil- bzw. -vollentsalzungsanlagen bis hin zur Reduzierung des Gehaltes an organischen Substanzen im Trinkwasser (besonders Huminsäuren). Die Entfernung von Nitrat durch Verwendung von stark basischen Anionenaustauscherharzen in Austauschersäulen stellt ebenfalls ein klassisches Trinkwasseraufbereitungsverfahren dar. Nachteil von Ionenaustauschverfahren ist jedoch, dass in der Regel neben den ausgetauschten Ionen auch geringe Mengen der jeweiligen Harzmaterialien an das Wasser abgegeben werden (z.B. Amine).
Biologische Verfahren zur Abwasserreinigung basieren meist auf mikrobiologischen Abbauvorgängen, für deren Aufrechterhaltung in den Reaktoren definierte Bedingungen wie Temperatur, pH-Wert oder Nährstoffzufuhr für die Bakterien exakt einzustellen sind. Es sind in letzter Zeit z.B. auch biologische Denitrifikationsreaktoren zur Entfernung von Nitrat erprobt worden. Ein direkter Einsatz zur Trinkwasseraufbereitung ist aber bisher aus Gründen möglicher gesundheitlicher Gefährdungen durch bakterielle Verunreinigungen nicht unproblematisch.
Eine große Anwendungsbreite bei der Entfernung ionischer Wasserinhaltsstoffe
zeigen heute die Membranverfahren. Oftmals ist ihr Einsatz effektiver
und kostengünstiger als der Einsatz anderer Verfahren. Ein wesentlicher
Vorteil aller Membranverfahren liegt darin, dass die Systeme kontinuierlich
betrieben werden können. Dadurch lassen sich optimale Betriebsparameter
über lange Zeit aufrechterhalten. Technologisch eingesetzt werden dabei
u.a. die Methoden der Umkehrosmose, der Dialyse und der Elektrodialyse.
Auch gibt es besonders vor dem Hintergrund der Edelmetallrückgewinnung
zahlreiche Versuche, Flüssigmembranen für die Stofftrennung
einzusetzen. Hierbei bestehen die Membranen ebenfalls aus einer flüssigen
Phase, die in einer weiteren Variante auch auf einem Trägermaterial
fixiert sein kann. Forschungsansätze dieser Art finden Sie u.a. in meiner
Diplomarbeit.
Literatur
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