Als ich in der Fachzeitschrift Galvanotechnik [1] über „Stoffverlustminimierung in der Oberflächenveredlung – verallgemeinerte Ergebnisse einer langjährigen Forschungsförderung“ berichtet habe, spielte selbstverständlich auch Wasser eine große Rolle. Wasser muss bekannterweise zum Ansetzen von Prozesslösungen und zum Spülen behandelter Werkstücke bestimmte Qualitätskriterien erfüllen. Der Wasserbedarf ist durch mehrstufige Spültechnik und Wasserkreislaufführung zu minimieren, um Kosten zu senken und den Einsatz von Trinkwasser zu verringern oder sogar zu vermeiden. Aber auch, um durch Aufkonzentrierung interne Stoffkreisläufe sowie eine umweltverträgliche Abwasserendbehandlung mit Wertstoffrückgewinnung zu ermöglichen. Und das mit der Option, gegebenenfalls kein Abwasser in die Kanalisation oder direkt in das Gewässer ableiten zu müssen. Die dazu an Praxisbeispielen erarbeiteten Grundsätze können weitgehend verallgemeinert werden. Das heißt, es besteht unter bestimmten Randbedingungen die Möglichkeit der Übertragbarkeit in andere Branchen.
Wasser bedeutet jedoch viel mehr, stellt als unverzichtbare Ressource, aber insbesondere auch auf Grund seiner besonderen physiko-chemischen Eigenschaften, die zahlreiche Phänomene begründen, eine wesentlich größere Dimension dar.
Wasser ist allgegenwärtig. Schließlich begegnet es uns in großer Vielfalt als Meer-, Regen-, Quell-, Oberflächen-, Talsperren-, Grund-, Süß-, Roh-, Sol-, Brack-, Trink-, Mineral-, Prozess- und Abwasser, aber auch als Bodenfeuchte, enthärtetes, entsalztes, altes, fossiles, juveniles, unterkühltes, trockenes, schweres, kritisches und virtuelles Wasser sowie als Eis, Dampf, Kristallwasser und als Zellflüssigkeit in Biosystemen. Teilweise überschneiden sich diese Bezeichnungen. Aber die Vielfalt unterstreicht die Bedeutung des Wassers und kann als Anregung für fachliche Vertiefung dienen, da im vorliegenden Beitrag nur eine exemplarische Betrachtungsweise möglich ist. Bedeutsam ist auch, dass Wasser in der Natur in allen Zustandsformen (gasförmig, flüssig, fest) gleichzeitig vorkommt und in allen Sphären (Hydro-, Geo-, Atmo- und Biosphäre) eine wichtige Rolle spielt.
Wasser ist Leben
Das zeigt schon die Photosynthese, ein durch Sonnenenergie angetriebener Stoffwandlungsprozess zur Bildung von pflanzlicher Biomasse und Sauerstoff aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Trinkwasser ist als Lebensmittel alternativlos. Flüssigkeitsdefizite von wenigen Prozent können im Biosystem Mensch erhebliche Dysfunktionen auslösen, bis hin zum Exitus. Aber auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Stoffes Wasser haben auf Grund der besonderen Struktur des Wassermoleküls große Bedeutung für das Leben und sind Ausgangspunkt für zahlreiche Phänomene und Anomalien des Wassers. Allerdings werden die besonderen Eigenschaften des Stoffes Wasser in ihren Wirkungen oft überhöht dargestellt und in vielen Fällen auch fragwürdig vermarktet. Dazu im Detail und anhand von Beispielen im Laufe des Beitrages mehr. Zur esoterischen Richtung erfolgt aus der Sicht des Wasserchemikers ein kritischer Kommentar. Vorher noch einige Ausführungen zum Wasser als lebensnotwendige Ressource.
Spricht man über Wasser im allgemeinen und Trinkwasser im besonderen, ist eine quantitative und qualitative Dimension zu berücksichtigen. Quantitativ spielen die Wasservorräte und die Wassermengenverteilung im Rahmen des natürlichen Wasserkreislaufes eine entscheidende Rolle, wenn es um die Rohwasserverfügbarkeit für unterschiedliche Nutzungsformen, insbesondere aber für die Trinkwassergewinnung geht. Global gesehen könnten die Wasservorräte von ca.1,4 Milliarden km3 optimistisch stimmen. Aber der größte Teil davon ist salziges Meerwasser, nur ca. 0,6 % sind Süßwasser, das als Grund- und Oberflächenwasser den Rohwasservorrat für Land- und Viehwirtschaft, Industrie und Gewerbe sowie private Haushalte bildet. Dieser geringe Anteil ist global und regional gesehen höchst ungleich verteilt, wobei sich diese Situation infolge des Klimawandels und der damit verbundenen Veränderungen des natürlichen Wasserkreislaufs noch deutlich verschärfen wird. Regionale Extrem- wetterereignisse, das heißt starke Niederschläge mit Hochwasser und Überschwemmungen, dagegen lange Hitzeperioden mit Wassermangel infolge starker Verdunstung und Grundwasserabsenkung verdeutlichen diese Mengenproblematik.
Für die Wassermengenbilanzierung, bezogen auf eine bestimmte Fläche und ein bestimmtes Zeitintervall, dient die Wasserhaushaltgleichung [2, 3].
∆R = N - V - A<1>
∆R: Volumenänderung (Speicherung/Bevorratung)
N: Niederschlag (Festland)
V: Verdunstung (Festland)
A: Abfluss zum Meer (als Grund- und Oberflächenwasser)
Global gesehen, galten bislang für N=111, V=71 und A=40 (jeweils 103 km3/a). Im Zusammenhang mit Niederschlag und Verdunstung über den Weltmeeren werden infolge der globalen Erwärmung für N, V und A deutliche Veränderungen erwartet, die sich aber regional extrem unterschiedlich auswirken können.
Schätzungen des World Water Council zufolge werden von A ca. 3600 km3/a zeitweilig für menschliche Aktivitäten (70 % künstliche Bewässerung in der Landwirtschaft, 22 % Industrie, 8 % Privathaushalte) abgezweigt [4]. Berücksichtigt man ca. 7 Milliarden Menschen auf der Erde, entsprechen 3600 km3/a einer durchschnittlichen Pro Kopf-Verfügbarkeit an Süßwasser von reichlich 500 m3/a. Gemäß Wassermangelindex besteht aber bei weniger als 500 m3/a bereits Wassermangel. Anlass genug, alles zu tun, um die Verfügbarkeit an Süßwasser deutlich zu erhöhen.
Extremer Wassermangel herrscht z.B. in Kuwait (Pro Kopf-Verfügbarkeit 10 m3/a, V.A.E (61 m3/a), Libyen (107 m3/a), Saudi Arabien (111 m3/a), Jordanien (132 m3/a) u.a.. Kanada ist dagegen mit einer Verfügbarkeit von 93280 m3/a überversorgt, so dass bereits von Wasserexport gesprochen wird. Insgesamt ist aber festzustellen, dass derzeit 1/4 der Weltbevölkerung mit weniger als 500 m3/a auskommen muss [4].
Problematisch ist in diesem Zusammenhang auch virtuelles Wasser, das industriellen und landwirtschaftlichen Produkten zugeordnet werden muss (z.B. ca.15 m3/kg Rindfleisch) [25]. Dadurch ergeben sich in vielen, insbesondere in wasserarmen Regionen der Erde zusätzliche Risiken für die Süßwasserverfügbarkeit und somit auch für die Rohwasserbereitstellung zur Trinkwassergewinnung. Ein Beispiel dafür ist die fortschreitende Regenwaldvernichtung zwecks Erweiterung der Landwirtschaft mit der Folge einer deutlichen Grundwasserabsenkung, die wiederum durch die zusätzliche Nutzung des Grundwassers für die Bewässerung der sich ständig vergrößernden landwirtschaftlichen Flächen verstärkt wird. Wasserintensive und exportorientierte Agrarnutzung in Trockenregionen der Erde ist deshalb ökologisch unsinnig, aber auch wirtschaftlich nicht vertretbar. In Trockenregionen sollten eigene Wasserressourcen durch Import wasserintensiver Produkte geschont werden.
Besorgniserregend ist die Information, dass bereits jetzt ca.1,5 Milliarden Menschen keinen Zugang zu qualitätsgerechtem Trinkwasser haben. Die Zunahme von Konflikten um Wasser als Lebensgrundlage ist demzufolge vorprogrammiert, wenn nicht drastisch gegengesteuert wird. Aktuelles Beispiel für Konfliktsituationen: Blauer Nil – Stausee und Wasserkraftwerk in Äthiopien zur Sicherung der Energieversorgung, dafür lebensbedrohlicher Wassermangel im Sudan und in Ägypten. Konfliktpotential besteht auch zwischen Jordanien und Israel im historisch zu nennenden Kampf um die äußerst geringen Süßwasservorräte (See Genezareth, Jordan-Quellflüsse, Grundwasser), die aber einvernehmlich gemeinsam genutzt werden müssen – Ausgang ungewiss [16]. Entwickelte und territorial günstig gelegene Länder, wie Israel, können Wassermangelsituationen durch technische Lösungen, z.B. Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose oder andere Verfahren, teilweise ausgleichen.
Aber auch die Tatsache, dass ca. 2,6 Milliarden Menschen ohne sanitäre Grundversorgung leben müssen, stimmt äußerst bedenklich. Es ist ein Indiz dafür, dass die Verknappung der Ressource Süßwasser für den menschlichen Bedarf eng mit der Verschlechterung der Wasserqualität infolge vielfach unsachgemäßer Nutzung des Wassers (z.B. Verschmutzung durch fehlerhafte Düngung in der Landwirtschaft, Sanitärdefizite u. a.) verknüpft ist. Bevölkerungswachstum und -verdichtung spielen dabei eine wichtige Rolle.
Deutschland galt bislang hinsichtlich seiner Wasservorräte und regionalen Wassermengenverteilung als relativ unproblematisch. Im Ranking gemäß Wassermangelindex befand sich Deutschland mit einer durchschnittlichen Pro Kopf-Verfügbarkeit an Süßwasser von 2080 m3/a auf der sicheren Seite (Klassifizierung: Ausreichende Wasserversorgung) [4]. Aber auch in Deutschland zeigt sich immer deutlicher, dass Extremwetterereignisse infolge Klimawandel zunehmen und das Rohwassermanagement, insbesondere hinsichtlich einer zuverlässigen Trinkwasserversorgung nach Quantität und Qualität, vor große Herausforderungen stellen.
Ein Schwerpunkt ist das Grundwasser mit dem in einigen Regionen erkennbaren deutlichen Trend der Absenkung des Grundwasserspiegels infolge langer Dürreperioden. Es zeigt sich bereits eine Nutzungskonkurrenz zwischen Wasser- und Landwirtschaft. Ein kritischer Punkt ist dabei der nicht tolerierbare Anstieg der Nitratkonzentration im Grundwasser durch intensive landwirtschaftliche Düngung [5, 25]. Neue Regionalkonzepte zur Sicherung der Trinkwasserversorgung durch Nutzung von tiefer liegendem, sogenanntem fossilen Grundwasser, werden angedacht und mit fortschreitender Klimaveränderung sicher verstärkt zur Anwendung kommen. Kostenerhöhungen für Verbraucher sind natürlich zu erwarten.
Die hohe Oberflächenspannung des Wassers ermöglicht Kapillareffekte. So kann es in den engsten Leitungen der Pflanzen, hier eine Gerichtslinde in Oberschwaben, aus dem Erdreich nach oben steigen
Aber auch Trinkwassertalsperren reagieren auf Änderungen des Klimas. Zum Beispiel haben Forschungsergebnisse der Sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig gezeigt, dass das Phytoplanktonwachstum (Maß für den Eutrophierungsgrad eines Gewässers und somit ein Qualitätskriterium) nicht nährstofflimitiert abläuft, sondern der Einfluss der Temperatur als wesentlicher Wachstumsfaktor angesehen werden muss [6]. Als nach 1990 die Phosphateinträge um ca. 70 % gesenkt werden konnten, hätte auch ein Rückgang des Phytoplanktonwachstums (Wasserqualitätsverbesserung) zu verzeichnen sein müssen, die aber nicht eingetreten ist.
Nicht nur der Klimawandel beschäftigt das Rohwassermanagement, sondern auch anthropogen bedingte Schadstoffeinträge in die Gewässer. Deutschlandweit ist festzustellen, dass eine Vielzahl bekannter, aber auch noch unbekannter Problemstoffe aus Landwirtschaft, Gewerbe, Altlasten, Krankenhäusern und Privathaushalten die Rohwassergüte verschlechtern und somit eine Gefahr für die Trinkwasserqualität darstellen können. Tendenz offensichtlich steigend. Beispiele für Mikroschadstoffe, die in kommunalen Kläranlagen nicht oder nur ungenügend eliminiert werden können, sind synthetische Östrogene und Schmerzmittel wie Diclofenac und Ibuprofen und viele andere mehr. Im allgemeinen geht es um alle Problemstoffe mit PMT-Eigenschaften (persistent, mobil, toxisch) und deren Transformationsprodukte [5]. Insgesamt soll es sich um Tausende Stoffe handeln, von denen zahlreiche durchaus auch trinkwasserrelevant sein können. Eine schwierige Aufgabe für das Integrierte Wasser-Ressourcen-Management bereits bei der Rohwassergütebewertung. Die Betonung liegt dabei auf „integriert“. Neben der Kenntnis komplexer Stoffstrukturen, problematischer Einzelstoffe, ihrer Herkunft, Konzentrationen und Transformationen, ihrer Remobilisierbarkeit und Verteilung im Gewässer, der Eliminierbarkeit bei der Rohwasseraufbereitung zu Trinkwasser sowie des Selbstreinigungspotentials der Gewässerökosysteme, geht es insbesondere um Maßnahmen, den Eintrag problematischer Stoffe in Kläranlagen und direkt in die Gewässer zu minimieren. Dadurch könnten kostenintensive Zusatzinvestitionen in den Bereichen kommunale Abwasserbehandlung (4. Reinigungsstufe) und Wasseraufbereitung vermieden werden. Die oberflächenveredelnden Branchen haben diesbezüglich mit dem unter [1] erwähnten Forschungsprojekt seinerzeit bereits einen nachhaltigen Beitrag geleistet. -wird fortgesetzt-
Literatur
[1] Fischwasser, K.: Galvanotechnik, 104, 1, 3, 6, 7, 8, 2013
[2] Hydrologie, Lehrbriefe für das Hochschulfernstudium, Teil 1 bis 3, TU Dresden, Sektion Wasserwesen (DDR)
[3] Maniak, U.: Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure, 2. Auflage, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 1992
[4] Hopp, V.: Wasser Krise? Wasser, Natur, Mensch, Technik und Wirtschaft, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Weinheim, 2004
[5] Fachbeiträge im IWW-Journal, Ausgaben 49 (Dezember 2018), 50 (Juli 2019) u. 52 (Juni 2020)
[6] Abhandlungen der Sächsischen Akademie der Wissenschaften, Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, Band 66, Heft 5 Biodiversität, Bioenergie, Wasserqualität, 2020
[7] Kümmel, R.: Wasser – Sphinx unter den Flüssigkeiten, Acta. hydrochim. hydrobiol. 18 (1985) 5, 541–548
[8] Anders, S.: Rund um das Wasser – ein physikalischer Streifzug, Kleine Naturwissenschaftliche Bibliothek, Band 54; 1. Auflage BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig, 1983
[9] Gordalla, B.C.; Müller, M.B.; Frimmel, F.H.: 1.2 Die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wassers und ihre Bedeutung für das Leben, 1. Lebenselexier Wasser – betrachtet aus der Sicht von Natur- und Gesellschaftswissenschaften. Aus: Warnsignal Klima: Genug Wasser für alle ?, 3. Auflage (2011), 31–39
[10] Meilensteine der Wissenschaft – Eine Zeitreise. Spektrum Akademischer Verlag, 1. Auflage 2005, 520
[11] RÖMPP Chemielexikon, Bd. 6, 9. Auflage, Georg Thieme Verlag Stuttgart. New York, 1995
[12] Ebeling, W.: Physikalische Prinzipien der Selbst- organisation der Materie Urania 6/83, 32–37
[13] Ebeling,W.; Feistel, R.: Chaos und Kosmos – Prinzipien der Evolution. Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford, 1994
[14] Gerstein, M.; Levitt, M.: Die Simulation von Biomolekülen in Wasser, Spektrum der Wissenschaft, Febr. 1999, 47–51
[15] Saager, N.; Weber, A.: Wunderstoff Wasser, P.M. 12/2019, 20–29
[16] Vieweger, D.: Streit um das Heilige Land, 3. überarbeitete u. aktualisierte Auflage, Gütersloher Verlagshaus, 2011
[17] Nikoles, G.; Prigogine, J.: Die Erforschung des Komplexen, R. Piper GmbH & Co. KG München, 1987
[18] Nachtigall, W.: Bionik – Grundlagen und Beispiele für Ingenieure und Naturwissenschaftler, Springer-Verlag, 2. Auflage, 2002
[19] Fischwasser, K.: Fitness – bioenergetisch betrachtet umak, Internet-Gesprächsrunde 2020, Tagungsmanuskript, Essay (in Vorb.)
[20] Briggs, J.: Peat, D.F.: Die Entdeckung des Chaos, Carl Hanser Verlag, München Wien 1990
