Wie kann man Wasser für den häuslichen Gebrauch an abgelegenen Orten im südlichen Afrika keimfrei und trinkbar machen - und das auf nachhaltige und erschwingliche Weise?
Wie kann man Wasser für den häuslichen Gebrauch an abgelegenen Orten in Afrika keimfrei und trinkbar machen - und das auf nachhaltige und erschwingliche Weise? Darum geht es dieses Mal bei "Futuris".
Wissenschaftler aus Afrika und Europa arbeiten zusammen, um Antworten auf diese Fragen zu finden. Eine mögliche Lösung könnte diese kleine Wasseraufbereitungsanlage im Süden von Mosambik bieten, die derzeit gebaut wird.
Wasseraufbereitungsanlage der Zukunft?
Mosambik gehört zusammen mit 15 anderen Ländern zur Entwicklungsgemeinschaft des südlichen Afrika. Dort haben rund 40 Prozent der Bevölkerung haben keinen Zugang zu sauberem Wasser - das betrifft rund 130 Millionen Menschen. Diese kleine Ortschaft an der Grenze zu Südafrika zeigt, wie ernst die Situation ist.
Silvester Mario Trigo ist Techniker in der Pilotanlage, er erklärt die Situation:
"Im Moment leben 14.000 Menschen in Ressano Garcia. Nicht alle von ihnen haben Zugang zu Trinkwasser. Also gehen sie zum Fluss. Doch das Flusswasser ist nicht aufbereitet. Das heißt, das Risiko an Durchfällen oder anderen, durch Wasser übertragbaren Infektionen zu erkranken, steigt."
Verunreinigtes Wasser kann Krankheiten wie Cholera, Ruhr, Typhus oder Polio übertragen, auch wenn hier Durchfälle am häufigsten vorkommen. Das örtliche Gesundheitszentrum betreut täglich rund 500 Patienten. Etwa 10 Prozent von ihnen leiden an Durchfallerkrankungen.
"Einer der Gründe für Durchfallerkrankungen ist die Wasserqualität. Der Zusammenhang zwischen Zugang zu sauberem Wasser und besserer Gesundheit ist offensichtlich: sauberes Trinkwasser heißt eine gesündere Gesamtbevölkerung", erklärt der Direktor des örtlichen Gesundheitszentrums, Abdul Rafael Sega.
Wasseraufbereitung: Ozon als Reinigungsmittel
Die Bereitstellung von sauberem Wasser ist das Ziel dieser Pilotanlage, die auf dem Gelände der städtischen Kläranlage gebaut wird. Diese Gerätschaften wurde entwickelt, um Schadstoffe wie Pestizide abzubauen und Mikroben und Krankheitserreger zu eliminieren. Er verwendet eine Technologie namens "elektrochemische Oxidation", die Ozon im verunreinigten Wasser erzeugt. Das Ozon wirkt wie ein Reinigungsmittel.
"Die Anlage kann das Wasser durch verschieden Prozesse behandeln: Koagulation (elektrochemisches Verfahren zur Wasserbehandlung), Dekantierung (Trennen der Flüssigkeiten) und verschiedene Phasen der Filtration. Das System erzeugt Ozon im Wasser. Dieses Ozon ist ein Merkmal der guten Wasserqualität; es reinigt das Wasser sehr effizient. Unsere Studien haben gezeigt, dass dieses System es schafft, zwischen 80 und 90 Prozent der Verunreinigung des Wassers zu entfernen", erklärt Amiro Abdula Martins, Bauingenieur bei Salomon Lda.
40 Kilometer südlich von Johannesburg, in Südafrika, ist schon länger eine wesentlich größere Pilotanlage in Betrieb. Sie filtert und reinigt Wasser aus dem benachbarten Fluss und einer angrenzenden Kläranlage. Sowohl diese als auch Mosambiks kleine Aufbereitungsanlage sind Teil eines Forschungsprojekts der Europäischen Union, das die Bevölkerung in ländlichen und städtischen Regionen Afrikas auf erschwingliche Weise mit sauberem Trinkwasser versorgen will.
Zakitni Ngroba ist Wasserwissenschaftler an Pretorias Tshwane-Universität:
"Die maximale Kapazität beträgt 1.300 Liter Wasser pro Stunde. Wir versuchen, mindestens 10.000 Liter Wasser pro Tag zu reinigen, das dann trinkbar und gesundheitlich unbedenklich ist. Es kann sowohl für häusliche Zwecke, aber auch zur Bewässerung verwendet werden."
Dieses Desinfektionssystems basiert auf dem Einsatz spezieller Metallelektroden. Nach dem Filtern kommt das Wasser in Kontakt mit diesen Elektroden. Sie bilden dann das Ozon, das die Keime vernichtet.
"Zu dem Sauerstoff im Wasser kommt ein weiteres Sauerstoffmolekül, so dass wir O3 erhalten. Das ist das Ozon, das nur mit Wasser und Strom erzeugt wird. Danach reagiert es mit dem Wasser und tötet die Mikroorganismen, die Krankheitserreger, ab, wodurch das Wasser viel sauberer wird", so Mbali Ntuli, ebenfalls Wissenschaftlerin an der Tshwane-Universität.
Die Forscher wollen, dass jede Anlage eigenständig funktioniert und mit so vielen einheimischen und umweltgerechten Materialien wie möglich gebaut wird.
Wasseraufbereitung: Kein Einsatz von schwer zugänglichen Chemikalien
"Wir haben gesagt, dass wir keine Chemikalien für den Desinfektionsprozess verwenden werden. Der Grund dafür ist, dass es schwierig ist sie zu bekommen, besonders in ländlichen Gegenden, wo der Zugang zu Chemikalien sehr eingeschränkt ist", erklärt Maschinenbauer Mark David Woods von "Virtual Consulting Engineers".
Diese Forschungsarbeit wird im Rahmen des Programms "Horizont 2020" entwickelt. Die Strategie zielt darauf ab, globale ökologische und gesellschaftliche Herausforderungen mit einem partnerschaftlichen Ansatz zwischen europäischen und lokalen Akteuren zu schaffen.
"Die Wasserqualität in Südafrika und Mosambik war viel schlechter als von den Wissenschaftlern erwartet, insbesondere wegen des massiven Auftretens von Verunreinigungen durch Fäkalien. Daher mussten die Forscher ein System entwickeln, das eine effiziente Vorbehandlung dieses Wassers gewährleistet und seine spätere Desinfektion erleichtert. Hier in Zentralspanien wurde diese Technologie entwickelt", erklärt Euronews-Reporter Julián Gómez.
Das verunreinigte Wasser musste umfassend von organischen Verbindungen gereinigt werden, bevor ein elektrochemischer Prozess zum Einsatz kommt.
"Aus technischer Sicht sind Vorbehandlungsprozesse physikalisch-chemischer Natur. Ziel ist es, das im Wasser schwebende organische Material zu entfernen, bevor das Wasser in einem Reaktor desinfiziert werden kann. Denn dort kann das Wasser wieder verschmutzt werden, was letztendlich zu ernsthaften Betriebsstörungen im gesamten Desinfektionsprozess führen kann", so Cristina Sáez Jiménez von der Universität Castilla-La Mancha.
Die Forscher entwarfen verschiedene Vorbehandlungssysteme, bis sie die richtige Lösung für die spezifische Wasserqualität und den sozioökonomischen Kontext im südlichen Afrika fanden. Dann wurde das endgültige System skaliert.
"Das Koagulationsmittel, das wir verwenden, ist eine Art Eisensalz. Das geben wir ins Wasser, das, wie Sie hier sehen, sich braun färbt. Der Prozess verwandelt die organischen Verbindungen in viel größere Bröckchen, die wir hier oben, in einem Dekanter, einfacher trennen können", wie Javier Llanos López erklärt. Manuel Andrés Rodrigo Rodrigo, ebenfalls von der Universität Castilla-LaMancha fügt hinzu:
"Wasser, das stark mit organischen Verbindungen belastet ist, durch elektrochemische Prozess zu desinfizieren, ist extrem teuer. Darum haben wir uns entschieden, einige Vorbehandlungen des Wassers durchzuführen und so die Desinfektionskosten niedrig zu halten. Zudem haben wir auch versucht, Materialien zu verwenden, die wirklich preiswert sind."
Diamantelektroden erzeugen Ozon zur Wasseraufbereitung
In diesem Forschungszentrum in Braunschweig wurde die Desinfektionstechnologie entwickelt. Sie arbeitet mithilfe ungewöhnlicher Materialien, nämlich einer Diamantenbeschichtung. Elektroden, die zur Reinigung des Wassers verwendet werden, bestehen aus einem Metall namens Niobium.
Das Metall erhält eine Diamantenbeschichtung. Ein weiteres chemisches Element, Bor, sorgt für die Leitfähigkeit - erforderlich für die gesamte Technologie. Ein komplexer chemischer Prozess, der den Einsatz von Hochleistungsöfen erfordert.
"Das ist also die Oberfläche einer Diamantelektrode, mit den Diamanten, die man hier sieht, die etwa eine Kristallitbreite von 4 μm haben, was wir hier mit dem Rasterelektronenmikroskop feststellen können, ist, welche Rauheit die Schicht hat und ob die Kristallite enstanden sind, die wir auch erwarten. Was wir hier auch noch feststellen, ist, ob in der Oberfläche irgendwelche Lücken entstanden sind oder gar die Haftung der Diamantenschicht auf der Oberfläche nicht ausreichend ist", erklärt Sven Pleger, Chemie-Ingenieur vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST).
Die dabei entstehenden Elektroden werden dann durch Strom aktiviert, um so die Keime im Wasser abzutöten. Den Wissenschaftlern zufolge ist der gesamte Prozess äußerst energiesparend.
"Das ist das, was die Diamantelektrode macht. Man kann also Spannungen anlegen, mit nahezu 100 Prozent Stromausbeute Ozon zu erzeugen. Oder diese Oxidationsmittel zu erzeugen und keine Energie verschwendet für die Bildung von Sauerstoff, O2, der einfach nur ausgasen würde und uns nichts nutzen würde. Das wäre eine Verschwendung von Strom", erklärt Lothar Schäfer vom Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)_.
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Pilotanlage als Vorbild für andere entlegene Orte in Afrika
Zurück in Mosambik. Die kleine Stadt Ressano Garcia benötigt rund 1.600 Kubikmeter Wasser pro Tag für die Grundversorgung ihrer wachsenden Bevölkerung.
Forscher sagen, dass sie die kleine Pilotanlage entwickelt haben, um diesen Bedarf zu decken - als Beispiel für andere abgelegene und isolierte Ortschaften in Afrika. Nelson Pedro Matsinhe, Bauingenieur bei Salomon Lda, führt aus:
"Die Hauptvorteile sind die Flexibilität und Mobilität dieser kleinen Einheiten. Sie können auch an abgelegenen, isolierten Orten problemlos eingesetzt werden. Unser Hauptziel ist es, Wasser bereitzustellen, das nach dem Konsum keine Probleme für die öffentliche Gesundheit bereitet, das heißt, Gesundheit der Bevölkerung zu verbessern."
Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation trinken 1,8 Milliarden Menschen weltweit Wasser aus Quellen, die mit Fäkalien verseucht sind. Diese Zahl zu verringern - das ist das erklärte Ziel der Wissenschaftler bei diesem Projekt.