Trinkwasser

Wozu wird Trinkwasser verwendet?

Neben den oben erwähnten Verwendungen, fallen auch folgende  Nutzungen unter die Trinkwasseranwendung:

1. Körperpflege/Körperreinigung
2. Reinigung von Gegenständen, die bestimmungsgemäß mit Lebensmitteln in Berührung kommen
3. Reinigung von Gegenständen, die bestimmungsgemäß nicht nur vorübergehend mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen
4. Alles Wasser, das in einem Lebensmittelbetrieb verwendet wird für die Herstellung, Behandlung, Konservierung oder zum Inverkehrbringen von Erzeugnissen oder Substanzen, die für den menschlichen Gebrauch bestimmt sind

Gemäß der TrinkwV fallen nicht unter Trinkwasser:

1. natürliches Mineralwasser im Sinne des § 2 der Mineral  und Tafelwasser-Verordnung
2. Heilwasser im Sinne des § 2 Absatz 1 des Arzneimittelgesetzes
3. Schwimm- und Badebeckenwasser
   1. Wasser, das
      a. sich in einem weiterführenden Apparat befindet, der
         aa. zwar an die Trinkwasser-Installation angeschlossen ist, aber entsprechend den allgemein anerkannten Regeln der Technik nicht Teil der Trinkwasser-Installation ist und
         bb. mit einer den allgemein anerkannten Regeln der Technik entsprechenden Sicherungseinrichtung ausgestattet ist und
      b. sich in Fließrichtung hinter der Sicherungseinrichtung nach Buchstabe a Doppelbuchstabe bb befindet

5. Trinkwasser im Sinne des § 3 Nummer 1 Buchstabe b, sofern die zuständige Behörde, die auch für Überwachungsmaßnahmen nach dem Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuches zuständig ist, festgestellt hat, dass die Qualität des verwendeten Wassers die Genusstauglichkeit des Enderzeugnisses nicht beeinträchtigen kann.

Wo liegen die Grenzwerte für Trinkwasser?

Grenzwerte wurden für eine Fülle von Parametern festgelegt. Sie werden in mikrobiologische, chemische, Indikator- und radioaktive Parameter unterteilt. Zu den im Alltag wohl bekanntesten Größen zählen Legionellen, Nitrat und die Trübung. Die dazugehörigen Grenzwerte liegen laut TrinkwV bei jeweils 100/100 ml, 50 mg/l und 1,0 NTU. Die vollständige Liste finden Sie unter diesem Link (Anlagen 1 bis 3).

Sofern Grenzwerte nicht eingehalten werden, darf das Wasser nicht als Trinkwasser abgegeben bzw. zur Verfügung gestellt werden. Es liegt dann in der Zuständigkeit der jeweiligen Überwachungsbehörden über Ausnahmegenehmigung, Entsorgung oder das Ergreifen notwendiger Maßnahmen (z. B.: technische Nachrüstung) zu entscheiden.

Woher kommt das Trinkwasser?

Je nach geografischer Lage und klimatischen Bedingungen sind die Hauptquellen für Trinkwasser Grundwasser (Brunnen), Oberflächenwasser (Seen/Flüsse) und Meerwasser (Ozeane).

Grundwasser

Grundwasser entsteht, wenn Regenwasser durch den Boden sickert und sich in unterirdischen Reservoirs, sogenannten Grundwasserleitern, sammelt. Grundwasser gilt oft als relativ sauber, da es auf natürliche Weise durch Erd- und Gesteinsschichten gefiltert wird. Dennoch kann eine Aufbereitung erforderlich sein:

• Belüftung: Zur Oxidation von im Wasser vorhandenem Eisen oder Mangan.
• Filtration: Entfernung von Partikeln, gelösten Stoffen und manchmal auch Mikroorganismen.
• Desinfektion: In der Regel durch Chlorierung oder UV-Behandlung, um Bakterien oder Viren abzutöten.

In einigen Fällen kann Grundwasser durch landwirtschaftliche Abwässer oder industrielle Schadstoffe verunreinigt werden. In diesen Fällen können weitergehende Aufbereitungsverfahren wie Aktivkohlefilter oder Umkehrosmose erforderlich sein.

Oberflächenwasser

Oberflächenwasser wird aus Seen, Flüssen und Stauseen gewonnen und ist in Gebieten mit ergiebigen Niederschlägen und zugänglichen Gewässern eine primäre Trinkwasserquelle. Oberflächenwasser ist oft stärker mit organischen Stoffen, Sedimenten und Mikroorganismen belastet, was eine intensivere Aufbereitung erforderlich macht:

• Vorbehandlung: Große Ablagerungen wie Äste, Blätter und Sedimente werden durch Siebe und Sedimentationstanks entfernt.
• Koagulation und Flockung: Chemikalien werden hinzugefügt, um kleinere Partikel zu größeren Klumpen (Flocken) zu verbinden, die sich leichter entfernen lassen.
• Filtration: Sand- oder Membranfilter werden häufig verwendet, um verbleibende Partikel und Mikroorganismen zu entfernen.
• Desinfektion: Ähnlich wie beim Grundwasser erfolgt die abschließende Desinfektion durch Chlorierung oder UV-Licht.

In Regionen mit höheren Schadstoffkonzentrationen können zusätzliche Verfahren wie Ozonierung oder Aktivkohlebehandlung erforderlich sein, um Pestizide, Hormone oder Schwermetalle zu entfernen.

Meerwasser

Meerwasser ist die am häufigsten vorkommende Wasserquelle auf der Erde, aber aufgrund seines hohen Salzgehalts ist es ohne Entsalzung nicht als Trinkwasser geeignet. In wasserarmen Regionen wie dem Nahen Osten, Teilen Afrikas und Küstengebieten wird zunehmend auf Entsalzung zurückgegriffen, um den Wasserbedarf zu decken. Meerwasser muss entsalzt werden, um das Salz zu entfernen, bevor es als Trinkwasser verwendet werden kann. Die beiden gängigsten Methoden sind:

• Destillation: Meerwasser wird erhitzt, bis es verdampft und das Salz zurückbleibt. Der Wasserdampf wird dann wieder zu Flüssigkeit kondensiert. Dieser Prozess ist energieintensiv und wird in der Regel in Regionen mit reichlich vorhandener, günstiger Energie eingesetzt.
• Umkehrosmose: Meerwasser wird durch eine halbdurchlässige Membran gepresst, die Salze und andere Verunreinigungen zurückhält. Diese Methode ist weit verbreitet und in der Regel energieeffizienter als die Destillation.

Nach der Entsalzung wird das Wasser oft remineralisiert, um wichtige Mineralien hinzuzufügen, die während des Prozesses entfernt wurden, gefolgt von einer abschließenden Desinfektion.

Vorbehandlung, Koagulation und Flockung 

Große Schmutzpartikel wie Äste, Blätter und Sedimente werden durch Siebe und Sedimentationstanks entfernt. Zur Ergänzung der Sedimentation werden Koagulantien (Fe- oder Al-Salze) und Flockungsmittel (Polymere) hinzugefügt. Diese beiden dienen dazu, kleinere Partikel zu binden, um Mikro- oder Makroflocken zu bilden und die anschließende Sedimentation zu beschleunigen. Typische Messparameter sind (Messverfahren siehe unten):

• Salz- oder Polymerkonzentration
• Füllstand
• Trübung
• SAK
• Schlammspiegel

Belüftung 

Grundwasser, das von der Atmosphäre isoliert ist, kann verschiedene gelöste Gase wie Kohlendioxid (CO₂), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Methan (CH₄) ansammeln. Diese Gase können die Wasserqualität beeinträchtigen, indem sie den Geschmack, den Geruch und die Korrosivität des Wassers verändern. Durch die Belüftung wird Sauerstoff in das Wasser eingebracht, wodurch diese Gase in die Luft entweichen können.

Metalle wie Eisen (Fe²⁺) und Mangan (Mn²⁺) kommen im Grundwasser häufig in gelöster Form vor. Wenn das Wasser mit Luft (insbesondere Sauerstoff) in Kontakt kommt, oxidieren die Metalle. Einmal oxidiert, können diese Partikel in nachfolgenden Filtrationsschritten leicht entfernt werden.

In der Regel werden mehrere Schlüsselparameter gemessen, um sicherzustellen, dass der Prozess Gase effektiv entfernt und gelöste Metalle oxidiert:

• Gelöster Sauerstoff (DO)
• pH-Wert
• Temperatur
• Trübung
• Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP)

Filtration

Der Filtrationsprozess kann in Filtration durch eine Matrix (z. B. Sandfilter mit oder ohne Aktivkohle) und Filtration auf einer Oberfläche (z. B. Membranfiltration) unterteilt werden. Die Sandfiltration wird zur Abtrennung von Feststoffen eingesetzt, während das Rohwasser durch den Filter fließt und die Feststoffe anhaften und in der Matrix verbleiben. Da der Filter regelmäßig gespült werden muss, werden oft mehrere Filter redundant betrieben, um das Rohwasser in der Zwischenzeit auf den anderen Filtern zu beschicken. Zusätzlich baut sich auf der Filteroberfläche eine biologisch aktive Schicht auf, die regelmäßig entfernt werden muss. Ist eine Aktivkohleschicht eingelagert, werden auch gelöste organische Stoffe oder schwer abbaubare Verunreinigungen entfernt. Überwachungsparameter sind (Messtechnik siehe unten):

• Trübung
• Sauerstoff
• SAK

Die Membranfiltration kann je nach Porengröße neben Feststoffen auch gelöste Partikel entfernen und wirkt zusätzlich desinfizierend. Allerdings ist die Membranfiltration zumindest in Deutschland nicht zur Desinfektion zugelassen. Je nach Porengröße unterscheidet man zwischen Mikro- (0,1–10 µm), Ultra- (0,001–0,01 µm), Nanofiltration (0,0005–0,007 µm) und Umkehrosmose (<0,001 µm). Überwachungsparameter sind:

• Partikel/Feststoffe
• Hygienische Parameter
• Trübung

Desinfektion

Zur Desinfektion kann die Zugabe von Chlor, Chlordioxid, Ozon (chemische Desinfektion) oder eine UV-Behandlung (physikalische Desinfektion) in Betracht gezogen werden. In Deutschland ist die Ozonierung als alleinige Desinfektionsmethode nicht zulässig. Bei den chemischen Verfahren werden Mikroorganismen inaktiviert. Die Inaktivierung ist abhängig von den c*t-Werten, d. h. von der Konzentration (c), der die Mikroorganismen über eine bestimmte Zeit (t) ausgesetzt sind. Die Desinfektionsleistung wird durch die Anwesenheit von Ammonium (Bildung von Chloraminen) und bei höheren Trübungswerten (>1 NTU) eingeschränkt. Bei allen Verfahren findet auch eine chemische Oxidation von anorganischen oder organischen Bestandteilen statt. Bei der Ozonung ist dies das primäre Ziel. Die Überwachungsparameter sind (siehe unten für die Messtechnik):

• Chlor
• Chlordioxid
• O₃
• pH-Wert
• UV-Transmission
• Trübung

Die physikalische Desinfektion schädigt die DNA von Mikroorganismen und entzieht ihnen so die Fähigkeit, sich zu teilen. Die Leistung hängt hier von der UV-Dosis ab und erfordert eine geringe Trübung (<1 NTU). Die chemische Oxidation findet nur in Gegenwart von H₂O₂ statt.

Weitere (z. B. Entkarbonisierung, Aktivkohlebehandlung)

Entkarbonisierung bezieht sich im Zusammenhang mit der Reduzierung von Calcium- und Magnesiumionen in Wasser in der Regel auf einen Prozess zur Verringerung der Wasserhärte. Hartes Wasser enthält hohe Konzentrationen an gelösten Mineralien, hauptsächlich Calcium- (Ca²⁺) und Magnesiumionen (Mg²⁺). Der Entkarbonisierungsprozess zur Reduzierung von Calcium- und Magnesiumionen wird in der Regel als Kalkenthärtung bezeichnet. Dabei wird die Karbonathärte chemisch aus dem Wasser ausgefällt. Nach den chemischen Reaktionen werden das ausgefällte Calciumcarbonat und Magnesiumhydroxid durch Sedimentation und Filtration aus dem Wasser entfernt. Typische Überwachungsparameter sind (Messtechnik siehe unten):

• pH-Wert
• Trübung
• Gesamtmenge gelöster Feststoffe (TDS)
• Leitfähigkeit

Aktivkohle entfernt gelöste organische und schwer abbaubare (Mikro-)Verunreinigungen. Darüber hinaus fördert sie auch den biologischen Abbau und bietet Schutz bei kurzzeitigen Belastungsschocks. Der Prozess kann mit einem eigenen Filterbett durchgeführt, in anderen Filtern gelagert oder mit Pulveraktivkohle in den Aufbereitungsprozess integriert werden. Je nach Rohwasser und Spülvorgängen kann es einen Monat oder ein Jahr dauern, bis die Kohle vollständig beladen ist. Danach muss die Kohle regeneriert oder verbrannt werden. Typische Überwachungsparameter sind (Messtechnik siehe unten):

• SAK vor und nach der Behandlungsstufe

Wie läuft die Trinkwasserüberwachung ab?

Häufigkeit und Umfang der Überwachung (durch den Unternehmer und durch die Aufsichtsbehörde) hängen sowohl von der Größe des Wasserversorgungsgebiets als auch vom jeweiligen Parameter ab. Grundsätzlich müssen größere Anlagen aber öfter beprobt werden. Beispielsweise muss die Leitfähigkeit bei einem Wasserversorgungsgebiet von 500 m³/Tag ein Mal im Jahr beprobt werden. Eine ausführliche Darstellung finden Sie hier (Seite 57). Unabhängig von diesen vorgeschriebenen Mindestüberwachungen werden Wasserwerke hinsichtlich der Wasserqualität oft kontinuierlich überwacht. Diese kontinuierlichen Messungen ermöglich neben der Überwachung auch die Regelung bzw. Steuerung der einzelnen Prozesse.
Die häufigsten analytischen Überwachungsparameter sind folgende (in alphabetischer Reihenfolge)

• Chlor
• Chlordioxid
• Leitfähigkeit 
• Ozon
• Partikel/Feststoffe
• pH
• Redox
• Sauerstoff
• Temperatur
• Trübung
• UV-Transmission

Die Entsalzung umfasst in der Regel mehrere Aufbereitungsschritte, um Salze, Mikroorganismen und andere Verunreinigungen zu entfernen. Die beiden gängigsten Entsalzungstechnologien sind die Umkehrosmose (RO) und die thermische Destillation. Bei beiden Verfahren wird das Meerwasser vor- und nachbehandelt.

Vorbehandlung 

Grobe Siebe werden verwendet, um zu verhindern, dass große Ablagerungen wie Seetang, Fische und schwimmende Materialien in das System gelangen. Als Nächstes werden Schwebstoffe, organische Stoffe und andere feine Partikel, die beispielsweise die Membranen im Umkehrosmoseprozess verschmutzen könnten, durch Sedimentation und anschließende Feinfiltration entfernt. Bei der Verwendung von Umkehrosmose werden Antiscalants und Antifoulants hinzugefügt, um die Umkehrosmosemembranen zu schützen.

Umkehrosmose (RO)

Bei der Umkehrosmose wird Meerwasser unter hohem Druck durch halbdurchlässige Membranen gepresst, wodurch die Salze vom Wasser getrennt werden. Das Wasser, das die Membran passiert, wird als Permeat bezeichnet. Das restliche Wasser, das eine hohe Salzkonzentration aufweist, wird als Sole bezeichnet. Sole ist in der Regel 1,5 bis 2 Mal salziger als Meerwasser und muss ordnungsgemäß wieder ins Meer eingeleitet werden, um die Umweltauswirkungen zu minimieren. Typische Überwachungsparameter sind (Messtechnik siehe unten):

• Trübung
• Salzgehalt und Leitfähigkeit
• Durchflussraten
• pH-Wert
• Chlor und Chlorrückstände

Thermische Destillation

Bei der thermischen Destillation wird Wasser unter Einsatz von Wärme und in der Regel Druck verdampft, wobei Salze und andere Verunreinigungen zurückbleiben. Anschließend wird der gereinigte Dampf zu Süßwasser kondensiert. Ähnlich wie bei der Umkehrosmose muss die verbleibende konzentrierte Salzlösung entsorgt werden. Die wichtigsten Arten der thermischen Destillation, die zur Trinkwassergewinnung eingesetzt werden, sind die Mehrstufen-Flash-Destillation (MSF), die Mehrfacheffekt-Destillation (MED) und die Dampfkompressionsdestillation (VC).

Bei der MSF-Methode wird Meerwasser bis zum Siedepunkt erhitzt (normalerweise etwa 90–120 °C). Das erhitzte Meerwasser wird dann in eine Reihe von Entspannungskammern geleitet, in denen der Druck schrittweise reduziert wird. Durch den Druckabfall „verdampft“ ein Teil des Meerwassers ohne zusätzliche Erwärmung zu Dampf. Der in jeder Kammer erzeugte Dampf steigt auf, kondensiert und wird als Frischwasser gesammelt, das für die Nachbehandlung bereit ist.

In der ersten Stufe wird bei der MED-Technik Meerwasser auf erhitzte Oberflächen gesprüht oder geleitet, wodurch es zu Dampf verdampft. Der in der ersten Stufe erzeugte Dampf wird zur Erhitzung des Meerwassers in der zweiten Stufe verwendet, wo es bei einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur erneut verdampft. Dieser Prozess wird über mehrere Stufen hinweg wiederholt, wobei jede Stufe bei einer niedrigeren Temperatur und einem niedrigeren Druck als die vorherige Stufe erfolgt. In jeder Stufe kondensiert der erzeugte Dampf auf den Wärmeübertragungsflächen und wird als Frischwasser aufgefangen.

Bei der VC wird Meerwasser erhitzt und verdampft. Der erzeugte Dampf wird mithilfe eines mechanischen Kompressors komprimiert. Durch die Kompression des Dampfes werden Druck und Temperatur erhöht, wodurch er effizienter zum Erhitzen und Verdampfen von weiterem Meerwasser wird. Der komprimierte Dampf kondensiert auf Wärmeübertragungsflächen und wird als Frischwasser aufgefangen.

Typische Überwachungsparameter bei der thermischen Destillation sind (Messtechnik siehe unten):

• Temperatur
• Durchflussraten
• Salzgehalt und Leitfähigkeit
• pH-Wert

Nachbehandlung

Eine Nachbehandlung ist notwendig, um das entsalzte Wasser zu stabilisieren und es für den menschlichen Verzehr sicher und genießbar zu machen. Zu den Prozessschritten gehören die Einstellung des pH-Werts auf einen für Trinkwasser geeigneten Wert zwischen 7,0 und 8,5, die Remineralisierung zur Verbesserung des Geschmacks, der Stabilität und der gesundheitlichen Vorteile sowie die Desinfektion mit Chlor oder UV-Licht.