Trink-/Süsswassergewinnung

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1 Trink-/Süsswassergewinnung Wasser bedeckt zwei Drittel der Erdoberfläche, macht 75% des menschlichen Körpers aus und gehört zu den Elementen, die das Leben auf der Erde erst ermöglicht haben. 1 Wasser ist ein sehr empfindliches Element und es ist nötig geworden, es zu schützen, zu bewahren und für den Mensch trinkbar zu machen. Wasserqualität wird durch viele Faktoren beeinflusst, die in anthropogene und geogene Verunreinigungen aufgeteilt werden können. Die ersten entstehen durch Urbanisierung, Abfalldeponierung, Bewässerung, usw. Klimawandel ist ein wichtiger Faktor für die geogene Verschmutzung. Wasser wird nämlich erwärmt, was die Bildung von Cyanobakterien zur Folge hat. Es verhindert auch die saisonale Seewasserdurchmischung und das führt zu einem Sauerstoffmangel in den tieferen Seezonen. Ein anderer Faktor ist das Auflösen im Untergrundwasser von natürlichen aber giftigen Stoffen, wie Arsen. Dieser Stoff ist normalerweise an schwerlöslichen Metallen gebunden im Boden vorhanden. Wenn Bakterien mit organischen Materialen reagieren, eine sauerstoffbedürftige Reaktion, wird der Boden sauerstoffarm, was die Bedingung fürs Auflösen im Wasser der schwerlöslichen Metalle ist. Auf diese Weise gelingt das toxische Arsen ins Grundwasser und vergiftet die Menschen, die dieses Wasser dann ohne Aufbereitung trinken. Daher ist die Trinkwasseraufbereitung eine lange Reihenfolge von Prozessen, Kontrollen und Schutzmassnahmen (wie Schutzzonen an der Quelle oder Einführung von Grenzwerten). I. Beurteilung der Trinkwasserqualität Um sicherzustellen, dass die Grenzwerte nicht überschritten werden, wird das Trinkwasser durch Probenahme regelmässig kontrolliert. In der Schweiz wird geprüft, ob die Grenzwerte der aeroben mesophilen Keime, der Escherichia Coli und der Enterokokken eingehalten werden. Aufwachsen von Bakterien Auf einem Nährstoffboden bilden die im Wasser enthaltenen Bakterien Kolonien. Nach ein paar Stunden bei Escherichia Coli bis zu ein paar Tagen bei den aeroben mesophilen Keimen kann man die Kolonien aufzählen und damit ermitteln, wie viele Keime in einer Probe vorhanden sind. Diese Methode hat die Vorteile, dass sie einfach einwendbar und kostengünstig ist. Nachteile sind aber der lange Zeitaufwand und die Unterschätzung der keimanzahl. Die Zahl basiert sich nämlich auf Kolonien, obwohl nur ein Keim von Hundert eine Kolonie bildet. Durchflusszytometrie Diese Methode wird von EAWAG als Ersatz des Aufwachsens von Bakterien vorgeschlagen. Vorteile der Methode sind der geringe Zeitaufwand, da sie bis zu 1000 Zellen pro Sekunde zählen kann, und die mögliche Unterscheidung zwischen den toten und den lebenden Bakterien. Sie ergibt auch genauere Resultate, da die Methode nicht auf Kolonienbildung basiert. 1 ABB Technik 2/2008, Quell des Lebens, Heinrich-Martin Schreyer Daphné Freudiger & Michel Jäger 1

2 Die Mikroorganismen werden durch eine Glaskapillare geschickt, die von einem Laser durchdrungen ist. Wenn das Licht auf eine Bakterie trifft, wird die Strahlung von ihrer Trajektorie abgelenkt, über Linsen-, Spiegel- und Filtersysteme auf einem Detektor umgeleitet und dort erfasst. Fluoreszierende Farbstoffe können auch benutzt werden, um die toten Zellen von den lebendigen zu unterscheiden, da der Farbstoff sich nur an bestimmten Komponenten der lebendigen Zellen binden kann. II. Trinkwasseraufbereitung Aus Süsswasser Schadstoffkonzentrationen möglichst tief halten: jährlich können in der Schweiz 400 von 1000 m 3 Trinkwasser unbehandelt in die Trinkwasserleitungen eingespeist werden. Der Rest davon, muss zusätzlich aufbereitet werden. So kommen physikalische, biologische und chemische Prozesse in verschiedene Kombinationen zum Einsatz: Flockung, Sedimentation, (biologische) Filtration, Adsorption, chemische Transformation, Oxidation/Desinfektion. Die EAWAG untersucht im Rahmen des Querprojekts Wave21 (Wasserversorgung des 21. Jahrhunderts), ob diese Verfahren auf die neusten Gefahren abgestimmt sind. Wie sieht die Zukunft der Trinkwasseraufbereitung aus? Dieser Frage versuchen die Forscher der EAWAG zu beantworten: im Rahmen des Projekts Wave 21 testen sie neue Aufbereitungsverfahren und -technologien. Als Versuchsstelle wurde das Seewasserwerk Lengg der Wasserversorgung Zürich genommen und es wird versucht, die bestehende Anlage zu verbessern. Die aktuelle Anlage besteht aus je zwei Ozonungs- und Sandfiltrationsstufen sowie einer Aktivkohlefiltration. Man möchte die bestehende Sandfiltration durch Membranfiltration austauschen: diese bietet einen besseren Schutz vor Mikroorganismen. Leider treten dabei neue Probleme auf: die Ultrafiltration durch nm Membranen stellt keine Barriere für die Schad-, Geruchs- und Geschmacksstoffe dar. Dafür muss man Aktivkohlefiltration und Ozonung einsetzten. Nach diese Voraussetzungen wurden zwei neue Aufbereitungsketten entworfen: die Kombination B, bei der die Membranfiltration in der Endstufe benutzt wird und die Kombination C, bei der man die Membranfiltration am Anfang einsetzt. Seit zwei Jahren wird hauptsächlich die Kombination B getestet. Kombination C wird parallel mit einer kleineren Membrananlage getestet. Obwohl das Zürichseewasser keine permanent zu entfernen Mikroverunreinigungen aufweist, gibt es trotzdem relevante Parameter die genau angeschaut wurden. Pathogene Mikroorganismen: in der bestehenden Anlage werden sie durch die Ozonung inaktiviert oder durch die Sandfiltration zurückgehalten. Normalerweise befindet sich auf dem Sandfilter eine Schmutzstoffen-abbauende Schmutzdecke : wenn der hydraulischer Widerstand zu gross wird, muss sie abgetragen werden. Danach ist die Filtrationssleistung - bis sich die Schmutzdecke wieder gebildet hat- Daphné Freudiger & Michel Jäger 2

3 eingeschränkt. Im Gegensatz dazu leistet die Membranfiltration eine konstante Entfernung, die von der Ozonung zusätzlich unterstützt wird. Nitritbildung: bei der Kombination B bildete sich im ersten Frühjahr nach der Inbetriebnahme Nitrit im Aktivkohlereaktor. Im zweiten Frühjahr hatten sich wahrscheinlich Nitrit oxidierende Bakterien im Reaktor angesiedelt und es kam dort deshalb nicht zu einer Nitritbildung. In der Kombination B werden grobe Partikel (vor allem Phytoplankton) bei der Vorfiltration abgetrennt. Einige gelangen jedoch trotzdem zur Ozonung, wo sie in Proteinen abgebaut werden. Diese werden bei der Aktivkohlefiltration mikrobiell in Ammonium und dieses durch nitrifizierende Bakterien in toxisches Nitrit umgewandelt. Ohne Nitrit oxidierende Bakterien verbleibt dieses Nitrit im Trinkwasser. In der Kombination C, wo die Membranfiltration am Anfang steht, wird die Permeabilität der Membranen ohne eine eventuelle Flockung-Vorbehandlung schnell abnehmen. Cyanobakterientoxine: werden vorhandene Cyanobakterien (Blaualgen) in der Ozonung zerstört, dann entstehen Cyanotoxinen. Diese werden sofort von Ozon wieder oxidiert, aber falls sie in Zellen zurückbleiben und erst später ausgelöst werden, dann besteht bei der Kombination B ein Problem, da die Membran-Ultrafiltration keine Barriere für die kleine Toxinen darstellt. Bei den Kombinationen A und C besteht dieses Risiko nicht (Sandfiltern bzw. Membrane am Anfang). Biologische Stabilität und Zellzahl: Trinkwasser wird biologisch Stabil bezeichnet, wenn der Gehalt an assimilierbarem organischen Kohlenstoff (AOC) zu niedrig für eine Vermehrung der Mikroorganismen im Verteilnetz ist. Die bestehende Kombination A bedankt seine Stabilität vor allem dem Langsamsandfilter. Bei der Pilotanlage B wird der AOC nur durch die Aktivkohlefiltration abgebaut, deshalb sind die Werte etwas höher als in Kombination A, obwohl immer noch im Stabilitätsbereich. Es wird noch abgeklärt, ob diese Werte ausreichend sind. Bei Kombination C besteht die Gefahr dass sich Zellen oder Zellenkolonien vom Aktivkohlefilter-Biofilm ablösen und so im Trinkwasser gelangen können. Durch eine regelmässige Rückspülung des Reaktors oder einer zusätzlicher UV-Schlussdesinfektion kann man dies verhindern. Chemieunfall: die neue Seewasseraufbereitungskette sollte zusätzlich in der Lage sein, möglichst viele potenzielle Schadstoffe zurückzuhalten: durch die Kombination Ozonung-/Aktivkohlefiltration wird dies gewährleistet. Wie weiter? Im Rahmen der Studie wurden nicht alle möglichen Gefahren analysiert, deshalb wird man weiter Versuche durchführen, besonders mit der Verfahrenskette C. Man muss auch Sondersituationen einbeziehen (z.b. Filterspülungen, Stillstände, usw.). Neben der produzierten Trinkwasserqualität müssen auch die verfahrenstechnischen, betrieblichen, finanziellen und ökologischen Aspekte berücksichtigt werden. Aktivkohlefiltration und Oxidation: zwei der wirkungsvollsten Verfahren unter der Lupe. Aktivkohlefiltration trennt die Substanzen wie sie sind ab: sie werden adsorbiert und/oder im Reaktor biologisch abgebaut. Bei der Oxidation dagegen, muss man ständig Oxidations- oder Desinfektionsmitteln (Ozon, Chlor, Chlordioxid, OH-Radikale) zugeben oder mit UV-Licht bestrahlen. Beide Methoden hängen von den Eigenschaften der Materialien bzw. Chemikalien und von den Daphné Freudiger & Michel Jäger 3

4 physikalisch-chemischen Stoffkonstanten ab. Zusätzlich spielt die Zusammensetzung des Rohwassers eine sehr wichtige Rolle. Man kann Aktivkohle als Pulver einsetzen wenn man flexibel und kurzfristig reagieren will, oder kann man Granulat wegen den geringeren Betriebskosten und die einfacheren Handhabungen für den Dauereinsatz benutzen. Apolare Stoffe werden sehr gut zurückgehalten, während polare Stoffe mit dem natürlichen organischen Material (NOM) um freie Adsorptionsplätze konkurrieren. NOM bildet im Reaktor Biofilme, die den Platz der polaren Stoffe nehmen aber auch AOC abbauen und dadurch die biologische Stabilität des Wassers erhöhen. Aktivkohlefiltration ist ein mit der Zeit alternder Prozess. Im Gegensatz dazu, gibt man bei der Oxidation frische Mittel kontinuierlich zu. Die Effizienz dieser Mittel hängt von deren Reaktivität mit NOM und von der Geschwindigkeit, mit der sie mit den unerwünschten Spurenstoffen reagieren, ab. Leider entstehen bei der Oxidation auch Nebenprodukte die man vermeiden möchte, deshalb ist Ozon die beste Wahl, da dessen Produkte häufig toxikologisch weniger heikel und biologisch besser abbaubar als die Ausgangsstoffe sind. Bei hohen Ozondosen (für langsam reagierende Spurenstoffe notwendig) kann sich krebserregendes Bromat bilden: dies wird mit der so genannten weitergehenden Oxidation eingeschränkt. Hier setzt man zusätzlich OH-Radikalen ein, die, sobald sie auf organische Spurenstoffe stossen, mit diesem reagieren. Die Bromatbildung ist mit UV- Desinfektion sogar vernachlässigbar, sie erfordert aber zehnmal mehr Energie. Fazit: in der Schweiz werden die meisten Spurenstoffe mit den üblichen Verfahren nahezu vollständig entfernt, vor allem dank der Aktivkohlefiltration und der Ozonung. Wie schon erwähnt, spielt die Rohwasserqualität eine sehr wichtige Rolle und beeinflusst die Wahl der Aufbereitungsprozesse. Meerwasserentsalzung Meerwasserentsalzung wird in Gebieten verwendet, wo Süsswasser nicht ausreichend vorhanden ist. Es werden hier zwei von vielen möglichen Verfahren vorgestellt, die beide von ABB angeboten werden. Mehrstufen-Entspannungsverdampfung Meerwasser wird mit immer abnehmendem Druck in verschiedenen Kammern verdampft und dann kondensiert. Das Kondensat wird noch mit Mineralien angereicht bevor es ins Trinkwassernetz eingespeist wird. Vorteil dieser Methode ist, dass sie auch Wasser mit sehr hohem Salzgehalt entsalzen kann. Sie braucht aber sehr viel Energie. Umkehrosmose Umkehrosmose ist eine Art Filtration. In einer Kammer wird das Meerwasser mit einem bestimmten Druck an eine semipermeable Membran, gepresst. Wassermoleküle gehen durch die Membran während Salze und die anderen unerwünschten Stoffe zurückgehalten werden. Dieses Verfahren hat einen kleineren Energieaufwand als die Mehrstufen-Entspannungsverdampfung, aber immer noch einen zu grossen im Vergleich zur Trinkwasseraufbereitung aus Süsswasser. Daphné Freudiger & Michel Jäger 4

5 Low cost Alternativen Für Dörfer in Entwicklungsländern, wo es wirtschaftlich schwierig ist, eine Trinkwasseranlage zu bauen, und nach Umweltkatastrophen wie Tsunamis können einfache Methoden zum Einsatz kommen. Diese können schon die wesentlichen Bakterien und Viren aus dem Wasser entfernen und so das Risiko vermeiden, nach dem Trinken krank zu werden. Eine dieser Methoden ist die Solardesinfektion. Wasser wird in durchsichtigen Flaschen in der Sonne ein paar Stunden gelagert. Die enthaltenen Stoffe sedimentieren und das Wasser wird dann trinkbar. Das Aufkochen des Wassers ist auch eine sichere Methode Trinkwasser aufzubereiten. III. Schlussfolgerungen Es existieren zahlreiche Methoden, um Trinkwasser aufzubereiten. Die Wahl der Methode hängt von verschiedenen wesentlichen Faktoren ab, wie die wirtschaftliche Situation des betroffenen Gebietes, seine Süss-/ Meerwasserverfügbarkeit, die Qualität dieses Wassers, usw. Trinkwasservorbereitung ist aber ein langes Verfahren und ist heutzutage in vielen Ländern noch keine Selbstverständlichkeit. Weitere nützliche Links: EAWAG, News 65d/September 2008 Die grösste Massenvergiftung der Menschheit / Martin Läubli - Tages Anzeiger, 15. Juli 2008 Quell des Lebens / Heinrich-Martin Schreyer - ABB Technik, 2/ Daphné Freudiger & Michel Jäger 5