Anwendungen und Lösungen - Trinkwasser

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1 Beschreibung der Anwendung

1.1 Einleitung

Trinkwasser ist unser wichtigstes Lebensmittel und für jeden Menschen lebensnotwendig. Um Trinkwasser in ausreichender Menge und in optimaler Qualität zu sichern, muss sowohl der Ressource Wasser als auch der Verarbeitung der Trinkwasserinstallationen und den angewandten Materialien grösste Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Dieses Dokument gibt einen Überblick über die besonderen Wassereigenschaften, die gesetzlichen Grundlagen der Trinkwasserversorgung und die Lösungen, die von der R. Nussbaum AG in diesem Bereich angeboten werden.

1.2 Wasser – ein einzigartiges Molekül

Unter Normalbedingungen ist Wasser, wie im Phasendiagramm erkennbar, eine Flüssigkeit. Es ist der einzige bekannte Stoff, der auf der Erdoberfläche in nennenswerten Mengen in allen drei klassischen Aggregatzuständen, flüssig, fest und gasförmig, existiert.

Tripelpunkt	=	Der Punkt, an dem alle 3 Phasen im Gleichgewicht sind
Kritischer Punkt	=	Der Punkt, an dem die Unterschiede zwischen den beiden Aggregatzuständen flüssig und gasförmig aufhören zu existieren. Im Phasendiagramm stellt der Punkt das obere Ende der Dampfdruckkurve dar.

Wasser ist Lebensraum für viele Organismen und Lösungsmittel für eine Vielzahl von Verbindungen wie Säuren, Basen oder Salze. Deshalb fungiert Wasser als Transportmittel in der Natur, aber auch selbst als Ausgangsstoff für eine Vielzahl chemischer Reaktionen, z. B. der Fotosynthese. Wasser ist ein Stoff mit zahlreichen besonderen Eigenschaften, die in der Summe sicher mit verantwortlich dafür sind, dass es überhaupt Leben auf der Erde gibt.

Aufgrund seiner chemischen Bindungsverhältnisse weist Wasser einige aussergewöhnliche Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu fast allen anderen Stoffen hat flüssiges Wasser eine höhere Dichte als der Feststoff. Ausserdem hat Wasser seine grösste Dichte nicht am Schmelzpunkt, bei 0 °C, sondern erst bei 4 °C. Dies hat in der Natur u. a. den Effekt, dass in Gewässern Eisschichten immer oben schwimmen und das Wasser am Grund zuletzt gefriert, was Fischen ein Überleben am Boden ermöglicht. Diesen Effekt des Dichtemaximums bei 4 °C bezeichnet man als Anomalie des Wassers.

1.3 Eigenschaften von Wasser

Die besonderen Eigenschaften des Wassers haben Auswirkungen auf das Leben auf der Erde, die Ökologie und das Klima und sind bei seiner Behandlung und seinem Transport zu beachten.

Eigenschaft	Grösse	Besonderheit	Ökologische Bedeutung
Dichte	Dichte_{Wasser max} = 1 g/ml	Maximale Dichte des Wassers bei 4 °C Eis hat eine kleinere Dichte als Wasser. Dichte_Eis = 0.92 g/ml	Seen frieren von oben nach unten zu Umschichtung im Frühjahr und Herbst Verwitterung durch Frostsprengung durch vergrössertes Volumen von Eis
Spezifische Wärmekapazität	c = 4.18 kJ/(kg·K)	Wasser hat die höchste spezifische Wärmekapazität bei Flüssigkeiten.	Ozeane als Wärmespeicher Ausgleichende Wirkung auf das Klima
Schmelzwärme	Q_Schmelz = 335 kJ/kg	Die Schmelzwärme des Wassers liegt wesentlich höher als die von anderen Flüssigkeiten.	Ausgleichend beim Zufrieren und Auftauen von Gewässern
Verdampfungswärme	Q_V = 2282 kJ/kg	Wasser hat die höchste Verdampfungswärme bei Flüssigkeiten.	Kühlender Effekt bei Transpiration
Wärmeleitung	λ_Wasser = 0.6 W/(m·K)	Höchste Wärmeleitfähigkeit bei Flüssigkeiten, aber im Vergleich zu Metallen eine sehr geringe. Beispiele andere Stoffe: λ_Glas = 1 W/(m·K) λ_Kupfer = 380 W/(m·K)	Wichtig für den Energiehaushalt in Lebewesen Thermische Schichtung von Seen im Sommer mit unterschiedlichen Lebensformen
Oberflächenspannung	σ_Wasser = 0.072 N/m	Wasser hat die höchste Oberflächenspannung bei Flüssigkeiten.	Wassertransport durch Kapillarkräfte in Pflanzen
Ausdehnung bei Erwärmung	ca. 4.37 % Von 4 °C auf 100 °C	Die Anomalie des Wassers bewirkt, dass Wasser sich sowohl beim Erwärmen über 4 °C als auch beim Abkühlen unter 4 °C ausdehnt.	Bei Erwärmung von 10 °C auf 60 °C dehnt sich das Wasser um 2 % aus, was bei einem 300 l Wassererwärmer dazu führt, dass ca. 4 l über das Sicherheitsventil abfliessen.
Ausdehnung beim Gefrieren	ca. 9 % Vom flüssigen in den festen (Eis) Aggregatzustand (0 °C)
Komprimierbarkeit	ca. 1/2000	Wasser ist praktisch nicht komprimierbar

Beispiele physikalischer Eigenschaften des Wassers

1.4 Der Wasserkreislauf

Unter dem Begriff Wasserkreislauf versteht man den Transport und die Speicherung von Wasser auf globaler wie regionaler Ebene.

Beim natürlichen Wasserkreislauf wechselt das Wasser durch Verdunstung, Niederschlägen in Form von Regen und Schnee, Speicherung in offenen Gewässern und im Grundwasser sowie in Pflanzen und anderen Organismen mehrmals seinen Aggregatzustand. Dabei geht kein Wasser verloren, es ändert nur seinen Zustand.

Dieser Wasserkreislauf ist ein natürliches Phänomen und findet unabhängig von menschlicher oder technologischer Einwirkung statt.

Unter dem Begriff künstlicher Wasserkreislauf versteht man den Transport und die Speicherung von Wasser aufgrund menschlicher Aktivitäten, unter Aufwendung von Energie. Er dient der gesicherten und kontrollierten Wasserversorgung. Die Wassermengen, die in diesem Kreislauf transportiert werden, sind entsprechend dem Bedarf bemessen. Sowohl bei der Aufbereitung des Trink- als auch des Abwassers wird Energie und Fachwissen benötigt, um den Kreislauf aufrecht erhalten zu können. Chemisch belastetes Grundwasser und verkeimte Oberflächengewässer können nur mit grösstem Aufwand, oder überhaupt nicht mehr für Trinkwasser aufbereitet werden. Der Kreislauf ist gestört. Ein sorgfältiger Umgang mit der Ressource Wasser ist von höchster Bedeutung.

ARA

Abwasserreinigungsanlage

1.5 Wasserbedarf und- angebot

Wasser wird vielseitig genutzt. Nur ein geringer Anteil dient als Lebensmittel und zur Hygiene. Der grösste Teil (70 %) wird in der Landwirtschaft benötigt. Rund 22 % in der Industrie.

Der Trinkwasserbedarf des menschlichen Körpers beträgt ca. 2 bis 6 Liter pro Tag. Um die tägliche Hygiene zu gewährleisten, gilt ein minimaler Trinkwasserverbrauch von 20 Liter pro Person und Tag. Heute leben ca. 450 Millionen Menschen in mindestens 26 Ländern unter dieser Grenze.

50 Liter Trinkwasser pro Person und Tag gelten als Grundbedarf um Bedürfnisse wie Waschen, Duschen und Nahrungsmittelzubereitung zu befriedigen. Weitere ca. 1 Milliarde Menschen in 28 Ländern leben unter der Grundbedarfsgrenze.

In der Schweiz werden pro Person und Tag ca. 142 Liter Trinkwasser verbraucht, etwa der dreifache Grundbedarf. Den grössten Anteil (ca. 30 %) hat dabei die WC-Spülung.

Während in der Schweiz sauberes Wasser im Überfluss vorhanden ist, wird es in vielen Teilen der Erde zu einer knappen Ressource. Eine langfristig nachhaltige Wassernutzung darf sich ausschliesslich auf die erneuerbare Süsswasserquelle, den Regen, stützen.

Die erneuerbare Wasserverfügbarkeit pro Person und Jahr beträgt in der Schweiz ca. 6520 m³.

1.6 Wasser ist nicht gleich Trinkwasser

Die Erdoberfläche ist zu einem grossen Teil mit Wasser bedeckt. Die Oberfläche der Meere beträgt ca. 71 % der gesamten Erdoberfläche, das entspricht ca. 361 Mio km².

Der Anteil des Süsswassers am Wasserhaushalt der Erde ist jedoch mit ca. 3 % sehr gering. Zudem ist der überwiegende Anteil (96 %) des globalen Süsswasservorkommens nicht unmittelbar nutzbar, da er unserem Zugriff entzogen ist:

66 % des Süsswassers sind in den Gletschern der Arktis und Grönlands gebunden.
30 % des Süsswassers lagern in unzugänglichen geologischen Schichten.

Gleichzeitig steigt der tägliche Bedarf an Wasser.

Der Weg von Süsswasser in unsere Trinkwasserleitungen ist lang. Am Anfang von Trinkwasser steht das sogenannte Rohwasser.

Als Rohwasser gelten:

Regenwasser
Oberflächenwasser
Grundwasser
Quellwasser
Uferfiltrat

In den meisten Fällen ist das Wasser von natürlichen Verunreinigungen betroffen. Dazu gehören u. a. Eisen- und Manganverbindungen, Salze, Feststoffe oder gar Kieselsäure. Das gilt vor allem für das Grundwasser. Das Grundwasser wird durch Regen, Schneeschmelze und Gletscher sowie Sickerwasser gespeist. Wenn Wasser im Boden versickert, findet ein intensiver Stoffaustausch statt. Je nach Beschaffenheit und Zusammensetzung des Bodens löst das Wasser unterschiedlichste Stoffe und nimmt diese auf, gesunde wie schädliche.

In der Schweiz wird Trinkwasser aus drei verschiedenen Quellen gewonnen:

Ca. 40 % aus Grundwasser
Ca. 40 % aus Quellen
Ca. 20 % aus Oberflächengewässern, hauptsächlich aus Seen und Flüssen

1.6.1 Abgrenzung Trinkwasser von anderen Wasserarten

1.6.1.1 Chemisch reines Wasser

In der Natur kommt Wasser als Reinstoff nicht vor. Da es ein hervorragendes Lösungsmittel und Lebensraum für viele Arten ist, enthält es immer Verunreinigungen in Form von gelösten Substanzen, organischen Stoffen und Mikroorganismen.

Entfernt man die im Wasser gelösten Salze, also die Kationen und Anionen, erhält man vollentsalztes Wasser. Durch die Entfernung der Kalzium- und Magnesiumsalze ist es zugleich vollständig enthärtet. Organische Stoffe und Mikroorganismen sind noch enthalten.

Erst nach einer Destillation liegt Wasser in weitgehend reiner Form als H₂O vor.

1.6.1.2 Trinkwasser

Trinkwasser ist Süsswasser, das entsprechend der gesetzlichen Grundlagen für den menschlichen Bedarf geeignet ist, insbesondere zum Trinken und zur Speisezubereitung, aber auch zur Körperpflege und Hygiene. Für die im Trinkwasser enthaltenen Stoffe sind festgelegte Grenzwerte einzuhalten und dürfen weder über- noch unterschritten werden. Nicht enthalten sein dürfen z. B. krankheitserregende Mikroorganismen. Mineralstoffe hingegen sollten in einer Mindestkonzentration enthalten sein.

Quell- und Grundwasser

Auf seinem Weg durch die verschiedenen Bodenschichten wird das Wasser gründlich gereinigt und ist damit ideal für die Nutzung als Trinkwasser geeignet.

Eigenschaften:

Wenige grobe Verunreinigungen durch die natürliche Filterung beim Versickern im Boden
Mehrheitlich gutes Trinkwasser, das meistens unaufbereitet verwendet wird
Unterschiedlicher Mineralstoffgehalt
Gleichmässige Temperatur

See- und Flusswasser (Oberflächenwasser)

Die Nutzung von Oberflächenwasser aus Talsperren, Flüssen und Seen ist ebenfalls weit verbreitet und überall dort üblich, wo keine ausreichenden Grundwasservorkommen vorhanden sind.

Eigenschaften:

Mehrheitlich weiches Wasser (ca. 10 bis 20 °fH)
Muss vor der Verwendung mechanisch, chemisch und bakteriologisch aufbereitet werden
Flusswasser wird nicht direkt aufbereitet, sondern zur künstlichen Grundwasseranreicherung verwendet

Mischwasser

Als Mischwasser wird die Mischung von Rohwässern unterschiedlicher Herkunft (z. B. Quell-, Grund- und Seewasser) im Rohrnetz der Wasserversorgung bezeichnet.

Meerwasser

Im Meerwasser herrschen die Natriumsalze vor. Der Mineralstoffanteil ist sehr hoch. Er beträgt durchschnittlich 3.5 % (Totes Meer ca. 30 bis 33 %). Der Kochsalzanteil (NaCl) macht ca. 77 % vom gesamten Mineralstoffanteil aus.

In Gegenden mit geringen Süsswasservorkommen wird Meerwasser, das reichlich vorhanden ist, zu Trink- oder Brauchwasser aufbereitet. Der Energieaufwand für diesen Prozess ist jedoch so hoch, dass diese Art der Trinkwassergewinnung die Ausnahme ist.

Mineralwasser

Mineralwasser ist vorwiegend Quellwasser. Damit es an den Verbraucher abgegeben werden kann, muss es den Anforderungen der «Verordnung über Trink-, Quell- und Mineralwasser» entsprechen. Der Anteil mineralischer Stoffe kann von sehr geringem bis zu hohem Mineralsalzgehalt variieren:

Sehr geringer Mineralsalzgehlat: < 50 mg/l
Hoher Mineralsalzgehalt: > 1500 mg/l

Als einziger Zusatz ist Kohlensäure erlaubt. Mineralwasser mit Zusatz von Fruchtsaft oder Fruchtsirup und Zucker oder künstlichem Süssstoff muss als Tafelgetränk bezeichnet werden. Die in der Trinkwasserverordnung festgelegten Grenzwerte gelten nur für Trinkwasser. Für Mineralwasser sind die Grenzwerte im Lebensmittelrecht festgeschrieben.

1.6.1.3 Betriebswasser/Grauwasser

Wasser, das für bestimmte Verwendungszwecke aufbereitet wird und keine Trinkwasserqualität besitzt, heisst Brauch- oder Grauwasser (z. B. Regenwassernutzung, Autowaschanlage). Wird es in Betrieben genutzt, nennt man es Betriebswasser. Es kann z. B. dort zum Einsatz kommen, wo besonders weiches Wasser benötigt wird, damit es in Rohrleitungen nicht zu Verengungen durch Kalkablagerungen kommt, oder als Kühlwasser Verwendung finden, z. B. in Kernkraftwerken.

Durch die Nutzung wird das Wasser meist verunreinigt und liegt dann oft zusammen mit Niederschlagswasser als Abwasser vor.

1.6.2 Wasseraufbereitungsbedarf unterschiedlicher Rohwässer

Aufgrund der abweichenden Verunreinigungen von Quell-, Grund- und Seewasser sind auch die Aufbereitungsverfahren unterschiedlich aufwendig. Seewasser benötigt den höchsten Energieaufwand und eine mehrstufige Aufbereitung.

Energieaufwand für die Aufbereitung von Rohwässern im Vergleich