Wasserressourcen & Versorgung: Sammlung, Nutzung, Entsalzung

Wasserversorgung und Globale Wasserressourcen

Verteilung und Verfügbarkeit

Die Ozeane speichern 97,6 % des natürlichen Wassers (in fester, flüssiger oder gasförmiger Form). Das Wasser, das den Organismen des irdischen Lebens zur Verfügung steht, macht nur 0,5 % der Gesamtmenge aus, wobei der größte Teil davon Grundwasser ist.

Der atmosphärische Wasserkreislauf

Obwohl die Menge des atmosphärischen Wassers relativ gering ist, ist die Recyclingquote in der Atmosphäre relativ hoch. Die durchschnittliche Verweildauer in der Atmosphäre beträgt neun Tage, sodass der atmosphärische Wasserdampf 40 Mal pro Jahr erneuert wird.

Menschlicher Wasserverbrauch

Die beiden menschlichen Aktivitäten, die am meisten Wasser verbrauchen, sind:

• Industrie: 32 % der Gesamtmenge
• Landwirtschaft: 57 % der Gesamtmenge

Sammlung und Fassung von Oberflächenwasser

Allgemeine Anforderungen an die Wasserfassung

Oberflächenwasser sollte so entnommen werden, dass große Schwankungen in Durchfluss, Temperatur und Qualität vermieden werden. Die Fassungsanlage selbst besteht typischerweise aus einer Öffnung und einer Rohrleitung, die den Durchfluss zu einem Sammelbehälter leitet, von wo aus das Wasser zur Behandlung gepumpt werden kann.

Wasserqualität in Stauseen und Seen

Die Wasserqualität in tiefen Staudämmen und Stauseen unterliegt großen Schwankungen. Gewöhnlich ist die Wasserqualität nahe der Oberfläche besser.

Thermische Schichtung in Stauseen

Die tiefsten Schichten in Stauseen sind typischerweise kalt, und die Temperatur ändert sich im Laufe des Jahres nur wenig. Die Oberflächentemperatur variiert jedoch mit der Lufttemperatur und ist die meiste Zeit des Jahres wärmer als die unteren Schichten.

Im Herbst, wenn die Luft abkühlt, werden die Oberflächenschichten gekühlt und sinken ab (Dichteanomalie), wodurch die unteren Schichten verdrängt und an die Oberfläche gebracht werden. Ein ähnliches Phänomen kann im Frühjahr auftreten, wenn Wasser aus schmelzendem Eis seine maximale Dichte (bei 4 °C) erreicht und auf den Boden sinkt.

Generell ist das Wasser am Boden des Stausees arm an gelöstem Sauerstoff und reich an organischer Substanz. Es ist daher nicht ratsam, Wasser aus diesen tiefen Schichten zu entnehmen.

Schutz von Einzugsgebieten

Die Einzugsgebiete von Seen sollten so weit wie möglich von Schadstoffquellen entfernt sein. Es ist erforderlich, die Schadstoffe sowie die Auswirkungen von Wind und Strömung auf deren Bewegung zu überwachen. Insbesondere können Winde Sedimente aufwirbeln, die in die Fassungsanlage gelangen könnten, wenn diese sich in flachem oder sehr ufernahem Wasser befindet.

Die Bildung von Eis unter der Oberfläche der Gitter kann ein ernstes Hindernis darstellen und erfordert den Einsatz verschiedener Entfernungsmethoden.

Wasserentnahme aus Flüssen

Die Aufnahme in Flüssen sollte so konzipiert werden, dass Wasser nur geringfügig unterhalb der Oberfläche entnommen wird, um sowohl schwimmende Verunreinigungen als auch Schwebstoffe auf niedrigerer Ebene zu vermeiden.

Gitter (Rechen) sind bei der Entnahme aus Flüssen besonders geeignet, da große Mengen an suspendiertem Material sonst in die Struktur eindringen würden.

Bauarten der Flusswasserfassung

Wenn sich der Hauptkanal des Flusses am Ufer oder in dessen Nähe befindet, können Uferfassungen konstruiert werden. Für Entnahmestellen, die weit vom Ufer eines Flusses oder Sees entfernt liegen, wird oft ein unterirdischer Kanal unter dem Boden verlegt. Dieser Kanal mündet in einen Brunnen oder ein Sammelbecken der Anlage, von wo aus der Durchfluss zur Behandlung gepumpt wird.

(Anmerkung: Die folgende Abbildung kann die Installation dieser Art zeigen.)

Grundwasser: Vorkommen und Nutzung

Grundwasser macht 0,47 % der gesamten Wasserressourcen aus und spielt eine wichtige regulatorische Rolle, indem es die Schwankungen der Niederschläge dämpft. Fließende Grundwasserleiter tragen 30 % zum gesamten Abfluss der Flüsse weltweit bei.

Arten von Grundwasserleitern (Aquiferen)

Grundwasserleiter können grundsätzlich in zwei Arten unterteilt werden:

1. Freie Aquifere: Flächen, die von durchlässigen Schichten bedeckt sind, in denen die Luft die Poren und Risse füllt und der Wasserstand variieren kann (Speisung hauptsächlich durch die Oberfläche).
2. Gespannt/Inhaftierte Aquifere: Flächen, die von nahezu undurchlässigen Schichten bedeckt sind, in denen das Wasser unter Druck steht.

Herausforderungen und Lösungen

Die Ausbeutung nicht erneuerbarer Grundwasserressourcen führt langfristig zur Erschöpfung. Dies wird besonders in ariden Ländern praktiziert, wo ein wichtiger Teil der Versorgung aus der Nutzung dieser nicht erneuerbaren Ressourcen stammt.

Mögliche Lösungen umfassen:

• Erhöhung der konventionellen Versorgung (z. B. durch Staudämme).
• Meerwasserentsalzung.
• Effizientere Nutzung (z. B. Tröpfchenbewässerung).

Meerwasser und Entsalzungstechnologien

Meerwasser macht 97,6 % der globalen Wasserressourcen aus. Seine Nutzung für menschliche Aktivitäten ist jedoch aufgrund der hohen Salzkonzentration (durchschnittlich 35 g/l) relativ begrenzt. Meerwasser enthält auch fast alle chemischen Elemente, wenn auch in geringer Konzentration.

Klassifizierung von Entsalzungsverfahren

Die Verfahren zur Entsalzung von Brack- oder Meerwasser sind zahlreich und können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden:

1. Nach Energieverbrauch: Thermische Energie, elektrische Energie oder mechanische Energie.
2. Nach physikalischen/chemischen Prinzipien:

Hauptgruppen der Entsalzungsprozesse

Die wichtigsten Entsalzungsprozesse lassen sich in vier Hauptkategorien unterteilen:

• Prozesse mittels Destillation.
• Prozesse, die Kristallisation nutzen.
• Membranprozesse (die das Prinzip der Osmose nutzen).
• Prozesse auf Basis chemischer Prinzipien.

Nur wenige dieser Prozesse werden im industriellen oder semi-industriellen Maßstab eingesetzt:

• Thermische Energie: Multi-Effekt-Destillation und Flash-Verdampfung.
• Mechanische/Elektrische Energie: Brüdenverdichtung, Umkehrosmose und Elektrodialyse.

Aufbereitung von Wasser für den industriellen Einsatz

Anforderungen an Industriewasser

Die Eigenschaften und die Verwendung von Industriewasser müssen folgende Kriterien erfüllen:

1. Menge: Die verfügbare Wassermenge muss ausreichen, um den Bedarf sowohl in der Gegenwart als auch in der nahen Zukunft zu decken, wobei mögliche Erweiterungen der betreffenden Industrie berücksichtigt werden müssen.
2. Verfügbarkeit: Der Durchfluss und der Druck, mit dem das Wasser zur Verfügung steht, müssen für die nachfolgende Verarbeitung geeignet sein.
3. Qualität: Die Wasserqualität sollte so nah wie möglich an die Anforderungen der nachfolgenden Prozesse angepasst sein, in denen es eingesetzt wird.