Unter Wasseraufbereitung bzw. Wasserreinigung versteht man ein Verfahren, bei dem unerwünschte chemische Verbindungen, organische und anorganische Stoffe sowie biologische Verunreinigungen aus dem Wasser entfernt werden. Dieses Verfahren umfasst auch die Destillation (Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf, um sie wieder in flüssige Form zu kondensieren) und die Entionisierung (Entfernung von Ionen durch Extraktion gelöster Salze). Ein Hauptzweck der Wasseraufbereitung ist die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser. Die Wasseraufbereitung erfüllt auch die Anforderungen medizinischer, pharmakologischer, chemischer und industrieller Anwendungen an sauberes und trinkbares Wasser. Durch das Reinigungsverfahren wird die Konzentration von Verunreinigungen wie Schwebstoffen, Parasiten, Bakterien, Algen, Viren und Pilzen verringert. Die Wasseraufbereitung erfolgt in großem Maßstab (z. B. für eine ganze Stadt) und in kleinem Maßstab (z. B. für einzelne Haushalte).
Die meisten Gemeinden sind auf natürliche Gewässer als Quellen für die Wasseraufbereitung und den täglichen Gebrauch angewiesen. Im Allgemeinen können diese Ressourcen als Grundwasser oder Oberflächenwasser klassifiziert werden und umfassen unterirdische Aquifere, Bäche, Flüsse und Seen. Mit den jüngsten technologischen Fortschritten wurden auch Ozeane und Salzwasser-Meere als alternative Wasserquellen für den Trink- und Hausgebrauch genutzt.
Bestimmung der Wasserqualität
Historische Belege deuten darauf hin, dass die Wasseraufbereitung bereits von den alten Zivilisationen erkannt und praktiziert wurde. Grundlegende Behandlungen zur Wasserreinigung sind in griechischen und Sanskrit-Schriften dokumentiert, und die Ägypter verwendeten bereits 1500 v. Chr. Alaun zur Ausfällung.
In der heutigen Zeit wird die Qualität, bis zu der Wasser gereinigt werden muss, in der Regel von staatlichen Stellen festgelegt. Unabhängig davon, ob sie auf lokaler, nationaler oder internationaler Ebene festgelegt werden, legen die Behörden in der Regel Höchstkonzentrationen an schädlichen Verunreinigungen fest, die in sicherem Wasser zulässig sind. Da es nahezu unmöglich ist, Wasser nur anhand seines Aussehens zu untersuchen, wurden verschiedene Verfahren wie physikalische, chemische oder biologische Analysen entwickelt, um den Verschmutzungsgrad zu testen. Der Gehalt an organischen und anorganischen Chemikalien wie Chlorid, Kupfer, Mangan, Sulfat und Zink, mikrobielle Krankheitserreger, radioaktive Stoffe, gelöste und suspendierte Feststoffe sowie pH-Wert, Geruch, Farbe und Geschmack sind einige der gängigen Parameter, die zur Bewertung der Wasserqualität und des Verschmutzungsgrads analysiert werden.
Wasserreinigung, ein Verfahren, mit dem unerwünschte chemische Verbindungen, organische und anorganische Stoffe sowie biologische Verunreinigungen aus dem Wasser entfernt werden. Dieser Prozess umfasst auch die Destillation (Umwandlung einer Flüssigkeit in Dampf, um sie wieder in flüssige Form zu kondensieren) und die Entionisierung (Entfernung von Ionen durch Extraktion gelöster Salze). Ein Hauptzweck der Wasseraufbereitung ist die Bereitstellung von sauberem Trinkwasser. Die Wasseraufbereitung erfüllt auch die Anforderungen medizinischer, pharmakologischer, chemischer und industrieller Anwendungen an sauberes und trinkbares Wasser. Durch das Reinigungsverfahren wird die Konzentration von Verunreinigungen wie Schwebstoffen, Parasiten, Bakterien, Algen, Viren und Pilzen verringert. Die Wasseraufbereitung erfolgt in großem Maßstab (z. B. für eine ganze Stadt) und in kleinem Maßstab (z. B. für einzelne Haushalte).
Die meisten Gemeinden sind auf natürliche Gewässer als Quellen für die Wasseraufbereitung und den täglichen Gebrauch angewiesen. Im Allgemeinen können diese Ressourcen als Grundwasser oder Oberflächenwasser klassifiziert werden und umfassen unterirdische Aquifere, Bäche, Flüsse und Seen. Mit den jüngsten technologischen Fortschritten wurden auch Ozeane und Salzwasser-Meere als alternative Wasserquellen für den Trink- und Hausgebrauch genutzt.
Prozess der Wasseraufbereitung
Das meiste Wasser, das in den Industrieländern verwendet wird, wird in Wasseraufbereitungsanlagen behandelt. Obwohl die Methoden, die diese Anlagen zur Vorbehandlung anwenden, von ihrer Größe und der Schwere der Verunreinigung abhängen, sind diese Praktiken standardisiert worden, um die allgemeine Einhaltung nationaler und internationaler Vorschriften zu gewährleisten. Der größte Teil des Wassers wird gereinigt, nachdem es aus seiner natürlichen Quelle gepumpt oder über Rohrleitungen in Sammeltanks geleitet wurde. Nachdem das Wasser zu einem zentralen Ort transportiert wurde, beginnt der Reinigungsprozess.
Vorbehandlung
Bei der Vorbehandlung werden biologische Verunreinigungen, Chemikalien und andere Stoffe aus dem Wasser entfernt. Der erste Schritt in diesem Prozess ist die Siebung, bei der große Verunreinigungen wie Stöcke und Müll aus dem zu behandelnden Wasser entfernt werden. Die Siebung wird in der Regel bei der Reinigung von Oberflächenwasser, z. B. aus Seen und Flüssen, eingesetzt. Bei Oberflächenwasser besteht ein größeres Risiko, dass es mit großen Mengen an Schadstoffen verunreinigt wurde. Die Vorbehandlung kann die Zugabe von Chemikalien zur Kontrolle des Bakterienwachstums in Leitungen und Tanks (Vorchlorierung) und eine Stufe mit Sandfiltration umfassen, die dazu beiträgt, dass sich Schwebstoffe auf dem Boden eines Lagertanks absetzen.
Die Vorkonditionierung, bei der Wasser mit hohem Mineralgehalt (hartes Wasser) mit Natriumkarbonat (Soda) behandelt wird, ist ebenfalls Teil des Vorbehandlungsprozesses. Bei diesem Schritt wird dem Wasser Natriumkarbonat zugesetzt, um Kalziumkarbonat herauszudrücken, das einer der Hauptbestandteile der Schalen von Meereslebewesen und ein aktiver Bestandteil von Kalk in der Landwirtschaft ist. Die Vorkonditionierung sorgt dafür, dass hartes Wasser, das mineralische Ablagerungen hinterlässt, die Leitungen verstopfen können, auf die gleiche Konsistenz wie weiches Wasser gebracht wird.
Die Vorchlorierung, die häufig der letzte Schritt der Vorbehandlung ist und in vielen Teilen der Welt als Standardverfahren gilt, wird von Wissenschaftlern in Frage gestellt. Bei der Vorchlorierung wird dem Rohwasser, das hohe Konzentrationen an natürlichen organischen Stoffen enthalten kann, Chlor zugesetzt. Diese organischen Stoffe reagieren während des Desinfektionsprozesses mit Chlor und können zur Bildung von Desinfektionsnebenprodukten (DBPs) wie Trihalogenmethanen, Halogenessigsäuren, Chlorit und Bromat führen. Die Exposition gegenüber DBPs im Trinkwasser kann zu gesundheitlichen Problemen führen. Besorgniserregend sind der mögliche Zusammenhang mit Magen- und Blasenkrebs und die Gefahren, die mit der Freisetzung von Chlor in die Umwelt verbunden sind.
Weitere Reinigungsschritte der Wasseraufbereitung
Nach der Vorbehandlung kann eine chemische Behandlung und Veredelung erfolgen. Dieser Prozess umfasst die Koagulation, einen Schritt, bei dem Chemikalien zugesetzt werden, die bewirken, dass kleine, im Wasser schwebende Partikel verklumpen. Es folgt die Flockung, bei der das Wasser mit großen Schaufeln gemischt wird, so dass die koagulierten Partikel zu größeren Klumpen (oder Flocken“) zusammengeführt werden können, die sich langsam auf dem Boden des Tanks oder Beckens absetzen.
Nachdem sich der Großteil der Schwebstoffe abgesetzt hat, verlässt das Wasser das Flockungsbecken und gelangt in ein Absetzbecken. In Absetzbecken durchläuft das behandelte Wasser den Reinigungsprozess, während sich die restlichen Partikel absetzen können. Schlamm, der sich auf dem Boden des Beckens ablagert, wird entfernt und behandelt. Von diesem Becken aus wird das Wasser zum nächsten Schritt, der Filtration, transportiert, bei der neben vielen Mikroorganismen und Algen auch die verbleibenden Schwebstoffe und nicht abgesetzte Flocken entfernt werden.
Die Desinfektion ist der letzte Schritt der Wasseraufbereitung. In diesem Schritt werden schädliche Mikroben wie Bakterien, Viren und Protozoen durch die Zugabe von Desinfektionsmitteln abgetötet. Die Desinfektion erfolgt in der Regel mit einer Form von Chlor, insbesondere mit Chloraminen oder Chlordioxid. Chlor ist ein giftiges Gas, so dass bei seiner Verwendung eine gewisse Gefahr durch Freisetzung besteht. Um diese Risiken zu vermeiden, verwenden einige Wasseraufbereitungsanlagen Ozon, ultraviolette Strahlung oder Wasserstoffperoxid zur Desinfektion anstelle von Chlor. Andere Reinigungsmethoden sind die Ultrafiltration für bestimmte gelöste Stoffe, der Ionenaustausch zur Entfernung von Metallionen und die Fluoridierung zur Verhinderung von Karies.
In bestimmten Gebieten der Welt, die keinen Zugang zu Wasseraufbereitungsanlagen haben, müssen alternative Reinigungsmethoden eingesetzt werden. Zu diesen Methoden gehören Abkochen, körnige Aktivkohlefilterung, Destillation, Umkehrosmose und Direktkontakt-Membrandestillation.
Industrielle Wasseraufbereitung
Neben der Trinkwassernutzung und der Verwendung im Haushalt verbraucht auch die Industrie erhebliche Mengen an Wasser. Die Chemie-, Erdöl-, Lebensmittel- und Textilindustrie zum Beispiel benötigt Wasser für die Herstellung, Verarbeitung, Heizung, Kühlung, zum Waschen, Spülen und für andere Anwendungen. Solche industriellen Systeme erfordern aufbereitetes Wasser, und das Fehlen einer angemessenen Reinigung kann zu Problemen wie Kalkablagerungen, Korrosion, Ablagerungen, Bakterienwachstum in Rohrleitungen oder Verarbeitungsanlagen und schlechter Produktqualität führen. Neben konventionellen Wasseraufbereitungsverfahren kann die industrielle Wasseraufbereitung auch spezielle Techniken wie Elektrodeionisation, Ionenaustausch, Membransysteme, Ozonbehandlung, Verdampfung und ultraviolette Bestrahlung umfassen. Die Auswahl der Technologien hängt von der Qualität des Rohwassers und dem beabsichtigten industriellen Verwendungszweck ab.
Aufbereitung von Salzwasser
Die große Mehrheit der Gemeinden ist für die Trink- und Brauchwasserversorgung auf Süßwasserressourcen angewiesen. Angesichts der schrumpfenden Süßwasserreserven und des steigenden Wasserbedarfs, der durch natürliche Faktoren wie Dürren, Überschwemmungen und die Auswirkungen des Klimawandels erschwert wird, haben mehrere Länder damit begonnen, die Ozeane und Binnenmeere als alternative Wasserquellen zu nutzen. Entsalzungstechnologien, die Salze und Mineralien aus dem Meerwasser entfernen, sind auf dem Vormarsch, um Trinkwasser für Trink- und Haushaltszwecke zu gewinnen. Umkehrosmose, Vakuumdestillation, mehrstufige Flash-Destillation, Gefriertauung und Elektrodialyse gewinnen für die Salzwasserreinigung zunehmend an Bedeutung. Diese Verfahren sind in der Regel mit einem höheren Energieverbrauch verbunden und vergleichsweise teurer als herkömmliche Süßwasseraufbereitungsverfahren. Es werden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um Entsalzungsmethoden kosteneffizient und wirtschaftlich zu machen.
Systemkonfigurationen und Verbesserungen
Größe und Kapazität von Wasseraufbereitungssystemen sind sehr unterschiedlich und reichen von einfachen Haushaltsgeräten über kleine Anlagen für die verarbeitende Industrie bis hin zu großen zentralen Wasseraufbereitungsanlagen für Städte und Gemeinden. Die Wahl eines bestimmten Aufbereitungsverfahrens hängt von Faktoren wie der Qualität des Eingangswassers, dem erforderlichen Reinigungsgrad, der beabsichtigten Wassernutzung, den Anforderungen an die Durchflusskapazität, den behördlichen Vorschriften, dem verfügbaren Kapital sowie den Betriebs- und Wartungskosten ab. Das aufbereitete Wasser wird über Wasserverteilungssysteme mit Rohren, Pumpen, Druckerhöhungsanlagen, Speichertanks und zugehörigen Anlagen an die Verbraucher verteilt.
In dem Bemühen, strenge Umweltvorschriften zu erfüllen und den steigenden Wasserbedarf der wachsenden Bevölkerung zu decken, haben viele Wasseraufbereitungsanlagen intelligente Technologien eingesetzt, um die Betriebssicherheit zu erhöhen. Zu den Verbesserungen der Nachhaltigkeit im Wasserbereich, die die Energieeffizienz einer Anlage erhöhen und ihren CO2-Fußabdruck verringern können, gehören häufig die Optimierung des Chemikalieneinsatzes, die Minimierung des Abfallaufkommens und die Nutzung von Sonnen- oder Windenergie. Darüber hinaus wurden mit dem Fortschritt der hochentwickelten Technologien in die Wasseraufbereitungsprozesse komplexe Instrumentierungs- und Prozesssteuerungssysteme integriert. Der Einsatz von Online-Analyseinstrumenten, Überwachungs- und Datenerfassungssystemen (SCADA) und spezieller Software hat zu einer Automatisierung und Computerisierung von Aufbereitungsprozessen geführt, die eine Fernsteuerung ermöglichen. Solche Innovationen können den Systembetrieb erheblich verbessern, um eine gleichbleibende Wasserqualität bei minimaler Überwachung zu erreichen, insbesondere bei größeren Systemkonfigurationen.