Wasser

Alles menschliches und tierisches Leben stammt aus dem Wasser. Vor Jahrmillionen entwickelten sich im urzeitlichen Meer, der Ursuppe, die ersten Einzeller von denen alle anderen Lebensformen abstammen. Auch heute ist Wasser ein unverzichtbarer Bestandteil menschlichen Lebens.

Der Mensch besteht zu 60-70 % aus Wasser. Da er über verschiedene Stoffwechselvorgänge permanent Wasser ausscheidet, muss er es auch immer wieder ersetzen. So werden über die Atmung und das Schwitzen ca. 1 l pro Tag ausgeschieden. Dies gilt aber nur ohne körperlich Anstrengung. Bei körperlicher Anstrengung wie beim Sport ist der Wasserverlust wesentlich höher. Deshalb muss ein Erwachsener pro Tag mindestens 2,5 l Wasser zu sich nehmen. Der Mensch kann ohne Nahrungsaufnahme etwa zwei Wochen überleben. Ohne Wasseraufnahme wird der Zustand aber bereits 36 Stunden kritisch.Bei anhaltenden Flüssigkeitsverlusten verdickt sich das Blut und kann nicht mehr mit der erforderlichen Geschwindigkeit durch den Körper gepumpt werden. Der Körper wird nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt, erst wird das Gehirn geschädigt, dann versagt das Herz.

Chemisch betrachtet ist Wasser eine Verbindung aus zwei Atomen Wasserstoff und einem Atom Sauerstoff, das Wasserstoffoxid mit der Formel H2O. Dadurch, dass im Wassermolekül die Elektronen nicht gleichmäßig verteilt sind, sonder zum Sauerstoff, wegen seiner größeren Elektronegativität, hin verschoben sind bildet sich ein Dipolmoment aus.

Dieses Dipolmoment ist für eine Reihe von chemischen und physikalischen Besonderheiten des Wassers verantwortlich. So bilden sich zwischen den Wassermolekülen in flüssigem Zustand Wasserstoffbrücken, die bewirken, dass im Wasser keine einzelnen Moleküle vorliegen, sondern Agglomerate aus 2, 4 oder 8 Molekülen. Auch andere Elemente aus Nähe des Sauerstoffs im Periodensystem der Elemente bilden mit Wasserstoff Verbindungen, die Wasserstoffbrücken ausbilden. Diese sind jedoch nicht dreidimensional vernetzt, so dass sie nur schwach wirksam sind.

Die Wasserstoffbrücken sie u.a. verantwortlich für Anomalie des Wassers, die hohe Schmelzwärme des Wassers und die hohe Verdampfungswärme des Wassers.

Anomalie des Wasserstoff
Unter der Anomalie des Wassers versteht man die Tatsache, dass Wasser im Gegensatz zu anderen Flüssigkeiten seine höchste Dichte bei 4 °C aufweist. Bei fast allen anderen Flüssigkeiten steigt die Dichte linear mit der Temperaturverringerung. Nicht so bei Wasser. Sowohl Wasser mit 6 °C, als auch Wasser mit 2 °C sind leichter als Wasser mit 4 °C. 4 °C kaltes wird also mit kälterem und wärmeren Wasser überdeckt. Da Eis eine geringere Dicht als Wasser hat gefrieren Gewässer, eine hinreichende Tiefe vorausgesetzt auch in strengen Wintern niemals bis zum Grund. So bleibt ein Rückzugsraum für Wasserbewohner, die sonst im Eis den Winter nicht überleben würden.

Schmelzen uns Verdampfen
Wird Eis erwärmt, so steigt die Temperatur kontinuierlich an bis 0 °C erreicht sind. Trotz weiterer Wärmezufuhr erhöht sich die Temperatur nicht bis alles Eis vom festen in den flüssigen Zustand übergegangen ist (=Schmelzen). Wird weiter Wärme zugeführt, so steigt die Temperatur wiederum kontinuierlich an bis 100 °C erreicht sind und das Wasser in die dampfförmige Phase übergeht (=Verdampfen). Nun verharrt die Temperatur trotz Wärmezufuhr wiederum bei 100 °C bis alles Wasser verdampft ist.

Die Energiemenge, die nötig ist um einen Feststoff in eine Flüssigkeit zu verwandeln wird Schmelzwärme genannt, die Energiemenge für die Umwandlung einer Flüssigkeit zu einen Gas Verdampfungswärme. Für Wasser beträgt die Schmelzwärme 333 J/g und die Verdampfungswärme 2256 J/g. Im Vergleich dazu sind zum Verdampfen von Ethanol nur 854 J/g notwendig.

Genau dieser Effekt der Umwandlung eines Stoffes von flüssig nach dampfförmig wird auch bei der Wärmepumpe genutzt, um gespeicherte Sonnenenergie aus der Umwelt zu gewinnen.

Das für den Mensch, Tier und Pflanzen lebensnotwendige Wasser bedeckt ca. 70% der Erdoberfläche. Süßwasser, das allein ohne aufwändige Aufbereitung für die Menschheit nutzbar ist, hat von den weltweiten Wasservorräten einen Anteil von etwa 4%. Davon ist jedoch fast die Hälfte als Eis in den Polkappen und Gletschern, sowie als Dauerschnee gespeichert. Als Süßwasser wird Wasser bezeichnet, das einen Salzgehalt von weniger als 0,1% aufweist. Liegt der Salzgehalt über 1% wird von Salzwasser gesprochen. Der durchschnittliche Salzgehalt von Meerwasser liegt bei 3,5-4%. Wasser mit dazwischenliegenden Salzgehalten wird als Brackwasser bezeichnet. Es ist in den Mischzonen wie Flussmündungen zu finden. Der ostafrikanische Assalsee hat den höchsten bekannten Salzgehalt von 35%. Das als das salzhaltigste Gewässer angesehene Tote Meer liegt 2% darunter.

Die Herkunft und Entstehung des Wassers auf der Erde ist noch nicht eindeutig erklärt. Dazu existieren mehrere Theorien. Einige gehen von extra terrestrischen Quellen aus, andere von Ausgasungen aus dem Erdinnern. In unserem Universum ist Wasserstoff zwar das am häufigstem vorkommende Element, und auch Sauerstoff, der aber meist chemisch gebunden ist, ist reichlich vorhanden. Dadurch ist jedoch die gewaltige Menge noch nicht erklärt.

Wasserverteilung - Trockenheit
Die weltweite Verteilung des Wassers weist große Unterschiede auf. Als die trockenste, niederschlagsärmste Gegend gilt die Antarktis, in deren Eisschicht aber 80% der Süßwasservorräte gespeichert sind. Die wasserärmsten Gebiete liegen im Südwesten der USA (Mohave-Wüste, Death Valley), dem Nordwesten Kanadas, in Nord-, Zentral- und Südafrika, auf der arabischen Halbinsel, in Teilen Asien (Wüste Gobi) und in Australien. In Australien fallen auf 80% der Landfläche unter 300 mm Niederschlag pro Jahr. Deshalb leben ca. 90% der Bevölkerung auf nur 20% der Landmasse.

Von Trockenheit bedrohte Gebiete
Große Teile der USA, Südamerikas, des restlichen Afrikas, die Mittelmeeranrainer, die Volksrepublik China und andere Teile Asiens sind bei gleich bleibenden Bedingungen von einem zukünftigen Wassermangel betroffen.

Ausreichende Wasservorkommen
In allen anderen Gegenden der Welt gelten die Wasservorkommen als gesichert.

Jede Inanspruchnahme von Wasser durch den Menschen wird als Wasserverbrauch bezeichnet. Dazu zählt nicht nur die als Trinkwasser und zur Nahrungsmittelzubereitung, sowie zur Hygiene genutzte Menge, sondern auch die in der Landwirtschaft, Gewerbe und Industrie eingesetzte. Den höchsten Wasserbrauch pro Kopf haben die hoch industrialisierten Länder. So haben Japan und die USA einen täglichen Verbrauch von fast 300 l pro Kopf. In Deutschland liegt der Wasserverbrauch bei ca. 130 l täglich. Der größte Wasseranteil wird dabei von der Landwirtschaft und der Industrie verbraucht. Sehr viel Wasser wird bei der Eisen- und Stahlerzeugung verbraucht, in der Chemischen Industrie, bei der Papiererzeugung und in der Nahrungsmittelindustie.

Wasseraufbereitung
Bis auf Grundwasser, das in der Regel keiner Aufbereitung bedarf, wird Quell- und Oberflächenwasser je nach Zusammensetzung und Verwendungszweck aufgearbeitet. Diese Aufarbeitung kann sehr Aufwand- und Kostenintensiv sein. Je besser die Qualität des Rohrwassers ist, um so geringer ist der Behandlungsbedarf. Eine Sonderform der Wasseraufarbeitung ist die Meerwasserentsalzung. Hier kommen vor allem die Umkehrosmose und thermische Verfahren zum Einsatz.

Abwasser
Verbrauchtes Wasser muss natürlich auch wieder entsorgt werden. Vor einer Einleitung in Seen und Flüsse muss es daher gereinigt werden um die natürlichen Ressourcen zu schonen und das Entstehen von Krankheiten durch verschmutztes oder vergiftetes Wasser zu verhindern.

Wasseraufbereitung
In Mitteleuropa wird Trinkwasser überwiegend aus Grundwasser (Brunnen), Oberflächengewässern (Talsperren, Seen und Flüssen) oder Uferflitrat erzeugt. Trinkwasser muss folgende Qualitätskriterien erfüllen:

• frei von fremdem Geschmack
• farb- und geruchlos
• frei von Krankheitserregern
• nicht gesundheitsschädigend

Nur wenn diese Kriterien erfüllt sind kann Trinkwasser seine Aufgabe als wichtigstes Lebensmittel erfüllen.

Um diesen Qualitätskriterien zu genügen wird das Rohwasser aus dem das Trinkwasser gewonnen wird verschiedenen chemischen und physikalischen Behandlungen unterworfen. Die Art und der Umfang der Behandlungen hängt von der Zusammensetzung des Rohwassers ab. Deshalb werden Wasserschutzgebiete ausgewiesen, um das Grund- und Oberflächenwasser vor schädlichen Verunreinigungen zu schützen. Dies kann insbesondere die Landwirtschaft betreffen. Werden die Gewässer mit Gülle belastet, können im Rohwasser bedenkliche Nitratwerte erreicht werden. Dies stellt eine Gefahr für Kleinkinder dar. Auch ist darauf zu achten, dass keine Pestizide, Herbizide, Funigizide oder Insektizide in das Rohwasser gelangen. Ein anders Problem ist die Belastung des Wassers durch Stoffwechselprodukte (Metaboliden) von Medikamenten, die durch Abwässer in das Rohwasser gelangen können. Bei chemischen Analysen des Uferfiltrates des Rheins wurde bei Köln ein signifikanter Anstieg eines Kokainmetaboliden während der Karnevalszeit verzeichnet.

Wasseraufarbeitung
In einer ersten Stufe werden, sofern vorhanden, Schwebeteilchen abgetrennt. Dies geschieht in Kiesbettfiltern. Durch Belüftung werden die gelösten zweiwertigen Eisenionen zu dreiwertigen Eisenionen oxidiert und zu Eisen(III)-oxidhydrat, einer gallertartigen braunen Substanz, umwandelt. Das Eisen(III)-oxidhydrat wird ebenfalls in Kiesbettfiltern abgetrennt. Eventuell vorhandene organische Stoffe, die im Wasser gelöst sind, können über Aktivkohlefilter entfernt werden. Steht zu vermuten an, dass sich im Wasser pathogene (krankheitserregende) Keime befinden, schließt sich eine Desinfektion an.

Die Desinfektion kann mit Chlor oder Ozon durchgeführt werden. Ozon wirkt schneller, aber Chlor hat eine länger andauernde Wirkung. Bei großen Leitungsnetzen wird dem Wasser deshalb oft Chlor zugesetzt, um eine Verkeimung in den Leitungen zu verhindern. Gesundheitsschädigende Schwermetallionen wie Blei müssen mit Ionenaustauschern entfernt werden. Ionenaustauscher binden die gelösten Metallionen und ersetzen sie durch Wasserstoffionen.

Für bestimmte Einsatzzwecke muss das Wasser zusätzlich aufbereitet werden. Allen Autofahrern ist das Batteriewasser bekannt. Das ist demineralisiertes (entmineraliesiertes) Wasser, dem durch Ionenaustauscher die Kat- und Anionen entzogen wurden. Dadurch wird die elektrische Leitfähigkeit des Wassers vermindert. Demineralisiertes Wasser wird auch oft in chemischen Labors zu analytischen Zwecken verwendet.

In entmineralisiertem Wasser können jedoch noch organische Substanzen gelöst sein, die bei analytischer, pharmazeutischer und industrieller Verwendung unerwünscht und störend wirken. Deshalb erfolgt eine Destillation, um hoch reines Wasser zu erhalten. Dabei wird das wird das Wasser verdampft und der Dampf wieder kondensiert. Die unerwünschten Substanzen bleiben als Rückstand im Destillationssumpf zurück. Solch hoch reines Wasser wird in der Pharmazie zur Herstellung von Infusions- und Injektionslösungen verwendet.

Steht in wasserarmen, meernahen Gegenden kein oder zu wenig Grund- oder Oberflächenwasser in entsprechender Qualität als Rohwasser zur Verfügung, kann die Meerwasserentsalzung zum Einsatz kommen., die jedoch sehr energieintensiv ist. Zwei Methoden sind weit verbreitet. Die Destillation, bei der wie bei der Herstellung von hoch reinem Wasser verdampft und kondensiert wird, und die Umkehrosmose. Dem Trinkwasser, das durch Destillation gewonnen wird muss hinterher wieder eine bestimmte Menge Salz zugesetzt werden, da der Genuss größerer Mengen destillierten Wassers den Elektrolythaushalt des menschlichen Körpers stört und schwere gesundheitlich Schäden verursacht. Bei der Umkehrosmose wird das Rohwasser mit hohem Druck durch eine semipermiable (halb durchlässig) Membran gepresst. Entgegen dem natürlichen osmotischem Druck wandert das Lösungsmittel nach außen und die gelösten Bestandteile verbleiben innerhalb der Membran.

Abwasser
Abwasser ist nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) durch den "häuslichen, gewerblichen, landwirtschaftlichen oder sonstigen Gebrauch in seinen Eigenschaften verändertes [...] Wasser". Dazu gehört auch das Niederschlagswasser. Aus Haushalten und Betrieben stammendes Schmutzwasser wird über die Kanalisation abgeleitet. Vor der Einleitung in die als Vorfluter dienenden Gewässer muss das Abwasser aus hygienischen und umweltschutz Gründen gereinigt werden.

Im Abwasser können eine Vielzahl von gelösten und festen Stoffe vorhanden sein. Die biologisch abbaubaren Substanzen wie etwa Harnsäure und Zucker können bei anaeroben (unter Ausschluss von Sauerstoff) Prozessen zu einer erheblichen Geruchsbelästigung führen. Nährstoffe wie stickstoffhaltige Eiweißverbindungen und Phosphate (früher sehr stark in Waschmitteln enthalten) tragen zur Eutrophierung (Umkippen) der Seen bei. Außerdem besteht die Gefahr des Eintrages von gesundheitsschädigenden Schwermetallen, giftigen und infektiösen Substanzen (Bakterien, Viren), die zu Erkrankungen führen, in die Gewässer aus denen wieder Trinkwasser gewonnen werden soll. Ein Beispiel für die Gesundheitsgefährtung man die Choleraepidemie in Hamburg 1835 dienen. Damals starben tausende weil kein sauberes Trinkwasser vorhanden war. Das war letztendlich der Anlass für den Hamburger Senat eine Kanalisation zu bauen.

Industrielle Abwässer, die früher die Flüße sehr stark belasteten, sind heute durch eine veränderte Prozessführung, andere Edukte (Einsatzstoffe), und effektive Vorreinigung wesentlicher weniger gefährdend. Der Rhein, der bis in die siebziger Jahre des letzten Jahrunderts durch die anliegende chemische Großindustrie wie BASF, Beyer und Höchst; um nur einige zu nennen, sehr stark verschmutzt war ist durch diese Maßnahmen wieder so rein, dass auch schon wieder Lachse darin gesichtet wurden. Durch strenge gesetzliche Umweltauflagen wurden diese Betriebe gezwungen erhebliche Mittel in Umweltschutztechnologien zu investieren. Der legislative Druck erzeugte für diese Unternehmen neue Geschäftsfelder. Noch heute sind sie oder ihre Töchter weltweit führend in Abwasser- und Umweltschutztechnologie.

Häusliches und gewerbliches Abwasser wird heute durch die Kanalisation Kläranlagen zur Reinigung zugeführt. Dort wird das Abwasser durch mechanische, physikalische, chemische und biologische Verfahren gereinigt, um einen Zustand zu erreichen, der dem natürlichen Wassers gleich kommt.

In einer ersten mechanischen Reinigungsstufe wird das Abwasser in den Abwasserreinigungsanlagen durch rechenartige Schmutzfänger von groben Feststoffen wie Toilettenpapier, Kondomen und ähnlichen Festkörpern befreit. Daran schließt sich ein Absetzbecken an, in dem kleine Feststoffe wie Sand, die von dem Rechen nicht erfasst werden können, zu Boden sinken.

Nach der mechanischen Reinigung erfolgt die biologische. In der biologischen Reinigungsstufe werden die abbaubaren organischen Bestandteile zu anorganischen Produkten wie Sulfaten, Phosphaten, Kohlendioxid, Nitrat und Wasser umgesetzt.

Eine sich daran anschließende chemische Reinigung ist je nach Zusammensetzung optional.

Der bei dem Prozess der Reinigung von Abwasser anfallende Klärschlamm wird in Faulbehältern durch anaerobe (sauerstofffreie) Behandlung weiter verarbeitet. Dabei entsteht durch den Einsatz von geeigneten Bakterien ein dem Gas aus Biogasanlagen ähnliches brennbares Gemisch aus Methan und Kohlendioxid, das nach der Entfernung von schwefelhaltigen Bestandteilen zur Nutzung in Blockheizkraftwerken zur Verfügung steht. Der Feststoffanteil kann, sofern frei von belastenden Bestandteilen, als Dünger in der Landwirtschaft dienen. Ansonsten muss er in Müllverbrennungsanlagen verbrannt, oder auf Deponien verbracht werden.

Sind Anwesen oder einzeln liegende Gehöfte nicht an eine Kanalisation angeschlossen, sind andere Verfahren zur Abwasserentsorgung notwendig. In Kleingartenanlagen kommen auch heute noch Sammelgruben zum Einsatz, die den Anforderungen dem Stand der Technik entsprechen müssen. Diese Sammelgruben werden je nach Füllstand durch entsprechende Entsorger abgepumpt und deren Inhalt einer fachgerechten Entsorgung zugeführt. Eine andere Möglichkeit bieten Kleinkläranlagen.

Osmose
Unter Osmose versteht man die Diffusion eines Lösungsmittel durch eine semipermeable (halbdurchlässigen) Membran oder Scheidewand (Diaphragma) in einen Bereich höherer Konzentration an gelösten Stoffen. Die Membran ist für das Lösungsmittel durchlässig, aber nicht für den gelösten Stoff.

Die Osmose verläuft so, dass auf der einen Seite der Membran kein gelöster Stoff oder eine geringere Konzentration an gelöstem Stoff (hypotonisch) vorliegt als auf der anderen, hypertonischen Seite. Die Teilchen des Lösungsmittels wandern nun durch die Membran, bis auf beiden Seiten die Konzentration gleich hoch ist. Es wird ein isotonischer Zustand angestrebt. Bei diesem Vorgang verändert sich die Volumina der Lösungen. Der hypotonischen Lösung werden Volumenanteile an Lösungsmittel entzogen, ihr Volumen wird geringer. Der hypertonischen Lösung werden Volumenanteile an Lösungsmittel zugeführt. Ihr Volumen vergrößert sich. Ist der Konzentrationsausgleich erreicht, besteht ein osmotisches Gleichgewicht.

Ein Sonderfall liegt vor, wenn auf der hypotonischen Seite reines Lösungsmittel verwendet wird. Auch dann wird versucht den Konzentrationsausgleich zu erreichen. Dies kann jedoch niemals gelingen, da zwar das Lösungsmittel die Membran in Richtung der höheren Konzentration durchdringt, aber kein gelöster Stoff durch die Membran in Richtung der geringeren Konzentration gelangen kann. Auch hier stellt sich ein osmotisches Gleichgewicht ein, das erreicht ist wenn der osmotische Druck gleich dem hydrostatischen Druck ist. Dann kann kein Lösungsmittel mehr von der hypotonischen Seite zur hypertonischen Seite gelangen.

Die Osmose ist grundlegend für alles menschliche, tierische und pflanzliches Leben. So befördern Bäume Flüssigkeiten aus dem unteren Wurzelbereich bis in ihre Kronen. Erythrozyten (rote Blutkörperchen) liegen normalen in einem isotonischen Medium vor, dem Blutplasma. Gibt man Erythrozyten in reines, destlliertes Wasser halten die Zellwände dem osmotischen Druck nicht stand und zerplatzen. Das Zerplatzen kann verhindert werden, wenn statt reinem Wasser eine isotonische (0,9%-ige) Kochsalzlösung verwendet wird. Isotonische Kochsalzlösungen werden in der Medizin viel verwendet unter anderen als Plasmaexpander bei großen Blutverlusten.Ein wichtiges Einsatzgebiet der Osmose ist die Dialyse. Das ist die Blutentgiftung bei Menschen mit Nierenfunktionsstörungen. Dabei wird dem Blut der sich bei der Verstoffwechselung der Nahrung gebildete Harnstoff entzogen. Der Harnstoff würde ansonsten den Körper vergiften.

Auf der hypotonischen Seite der Membran befindet sich eine harnstofffreie aber salzhaltige Flüssigkeit, in die der Harnstoff der hypertonischen Seite hinein diffundiert. Der Salzgehalt ist so eingestellt, dass andere Blutbestandteile die Membran nicht durchdringen.

Umkehrosmose

Der umgekehrte Prozess heißt Umkehrosmose. Bei der Umkehrosmose wird die hypertonische Flüssigkeit unter hohem Druck durch die Membran gepresst. Dabei diffundiert das Lösungsmittel durch die Membran und die gelösten Stoffe konzentrieren sich auf der hypertonischen Seite auf. Dazu muss natürlich der Druck der normalen Osmose überwunden werden. Bei Trinkwasser liegt der osmotische Druck je nach Zusammensetzung bei ca. 2 bar. Für eine Umkehrosmose von Trinkwasser werden Drücke von 4-30 bar verwendet.

Weite Verwendung findet die Umkehrosmose bei der Meerwasserentsalzung. Wegen der hohen Salzgehalte von Meerwasser sind hier Drücke von 60-80 bar notwendig. Das entstehende Konzentrat muss permanent abgeführt werden. Ansonsten würde der osmotische Druck gleich dem zugeführten Druck und der Prozess käme zum Stillstand. Da das durch Meerwassentsalzung gewonnene Wasser sehr arm an Ionen und gelösten Stoffen ist sollten vor einer Verwendung als Trinkwasser wieder Salze zugesetzt werden. Dazu kann ultrafilitriertes Rohwasser verwendet werden. Durch die Ultrafiltration wird das Rohwasser von Mikroorganismen befreit. Dadurch wird sichergestellt, dass das Trinkwasser gesundheitlich unbedenklich ist. Auf Grund der hohen Drücke benötigt die Meerwasserentsalzung sehr viel Energie.