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Entsalztes Wasser. Zu berücksichtigende Aspekte

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Javier Méndez Lorente
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Das Inhaltsverzeichnis: Entsalztes Wasser. Zu berücksichtigende Aspekte

Die Bedeutung der landwirtschaftlichen Wassernutzung auf globaler Ebene liegt bei 70%, während in ariden und semiariden Regionen mit hoch technisierter Landwirtschaft Zahlen von über 85% erreicht werden, wie es in Südostspanien der Fall ist (PHDS, 2022). Die Verschärfung der Wasserknappheit stellt ein Risiko für die mittel- und langfristige Rolle der Bewässerungslandwirtschaft für die globale Ernährungssicherheit dar, da der Bedarf an Bewässerungswasser in Zukunft nicht mehr mit herkömmlichen Wasserressourcen gedeckt werden kann. Daher sind neue Lösungen erforderlich, um eine nachhaltige landwirtschaftliche Produktion aufrechtzuerhalten oder zu verbessern, einschließlich neuer oder alternativer Wasserquellen, innovativer Strategien zur Wassereinsparung oder effizienterer und produktiverer Bewässerungssysteme im Einklang mit den Leitlinien des Europäischen Grünen Pakts. 

Geplante Entsalzungsanlage in Taweelah, Abu Dhabi. Versorgt mit Solarenergie.

Mögliche Vor- und Nachteile von entsalztem Meerwasser  

Der Hauptvorteil von AMD liegt im Allgemeinen darin, dass es sich um eine unerschöpfliche Wasserressource handelt, die keinen klimatischen Schwankungen unterliegt, sowie in seinem geringen Salzgehalt mit einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 0,5 dS m-1, wodurch es den hohen Salzgehalt anderer Wasserquellen ausgleichen kann. Die Verwendung und Akzeptanz von AMD für die landwirtschaftliche Bewässerung wird jedoch hauptsächlich durch die Produktionskosten und die einzigartige physikalisch-chemische Zusammensetzung eingeschränkt. Die landwirtschaftliche Anwendung von AMD ist aufgrund des hohen Wasserpreises im Vergleich zu konventionellen Quellen kostspieliger und erfordert speziellere Bewässerungsprogramme und das Management spezifischer agronomischer Risiken, wie z. B. die Phytotoxizität von Bor oder die Alkalisierung des Bodens. Die wichtigsten Vor- und Nachteile der Verwendung von AMD für die Bewässerung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. 

Tabelle 1. Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der AMD.

Vorteile  Benachteiligungen  
Unerschöpfliche Wasserressourcen  Hoher Energieverbrauch und CO2-Emissionen  
Niedriger Salzgehalt des Wassers, mit Werten von typischerweise etwa 0,5 dS/m ((Martinez-Alvarez et al. 2017).  Mangel an Nährstoffen und Düngebedarf. 
Wert der Dürrerisikominderung und Verringerung der Unsicherheit für Bewässerungsunternehmen Saure Wässer mit hoher Korrosionswirkung  
AMD erhöht Qualität und Quantität der Ernteerträge Die WASSERQUALITÄT para el riego no está regulada  
AMD trägt zum Schutz von Böden und Grundwasserleitern bei Agronomische Risiken wie Pflanzentoxizität und Alkalisierung des Bodens. 
Umkehrung problematischer Trends bei der Bodenversalzung Einhaltung der strengen B3+, Na+ und Cl- Normen für die landwirtschaftliche Bewässerung 

Phytotoxizitätsprobleme und Gefahr der Bodenalkalisierung

Dies liegt daran, dass etwa 55% und 31% des gelösten Salzgehalts im Meerwasser auf diese Ionen zurückzuführen sind, die auch nach dem Umkehrosmoseverfahren anteilsmäßig überwiegen. Darüber hinaus ist die B-Konzentration in der AMD sehr hoch, was auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: die hohe Konzentration dieses Elements im Meerwasser (4,5 - 6 mg/L) im Vergleich zu konventionellem Wasser (im Allgemeinen nahe 0 mg/L in Oberflächenwasser und bis zu 1,5 mg/L in Grundwasser) und die hohe Durchlässigkeit von RO-Membranen für den Durchgang von B in neutralen und sauren Medien (Yermiyahu et al, 2007; Raveh und Ben-Gal, 2016) im Vergleich zu allen anderen Ionen. Während die einstufige Trennungseffizienz von Umkehrosmose-Membranen für Na-, Mg-, Ca-, K-, Cl- und SO4-Ionen über 98% liegt, beträgt die Effizienz für B nur 71% (Martinez, 2009).  

Bild 2: Wasserentsalzungsanlage in Carboneras, Almería.

Las concentraciones de Na en las IDAMs del sureste español varían entre los 76 y 115 mg/L, por tanto, estos valores en AMD no deberían conllevar apenas problemas de fitotoxicidad en los cultivos. No obstante, unas altas concentraciones de Na pueden dañar algunas propiedades físicas del suelo por la dispersión de las arcillas que pueden conducir a: (i) colapso estructural de los microagregados del suelo, (ii) disminución de la permeabilidad y hydraulische Leitfähigkeit del suelo, (iii) más facilidad de erosión, (iv) Bodenverdichtung, y (v) disminución de oxígeno en el suelo por disminución de la aireación (Mandal et al., 2008; Muyen et al., 2011). 

Um die Sodizität des Bodens bei der Bewässerung zu verringern, ist es wichtig, dass die zweiwertigen Kationen Ca und Mg in angemessenen Konzentrationen im Wasser vorhanden sind. Daher muss die RAS, die das Gleichgewicht in der Konzentration von Na zu Ca und Mg betrifft, im Bewässerungswasser bewertet werden, um die Risiken der Sodizität mittel- und langfristig zu kennen. 

Bor in AMD 

Bei natürlicher Anwesenheit von Bor in Wasser bildet sich ein Gleichgewicht zwischen Borsäure [B(OH)3] und Borat-Ionen [B(OH)4-], wobei die Borsäureform überwiegt. Der Grund dafür ist, dass die Dissoziationskonstante von Bor pKa= 9,15 beträgt, was es zu einer sehr schwachen Säure macht. Bei höheren pH-Werten, ab pH 10, wird das Metaborat-Anion [B(OH)4-] zur dominierenden Spezies.  

Die Borkonzentration im Meerwasser beträgt etwa 4 mg/L. Wenn dieses Wasser durch Umkehrosmose entsalzt wird, sinkt die Borkonzentration auf 0,8 mg/L - 1,5 mg/L, je nach den Bedingungen und Methoden der Entsalzung. Damit das Bor in den Membranen wirksam zurückgehalten werden kann, muss Bor in Form von Borsäure vermieden werden, da es aufgrund der fehlenden Ladung und der sauren Wasserstoffatome in der Lage ist, Wasserstoffbrückenbindungen mit den aktiven Gruppen der Membranen zu bilden (María Fernanda Chillón Arias, 2009) 

Im Allgemeinen gibt es eine enge Spanne zwischen Bormangelkonzentrationen 0,5 mg/L bei holzigen Pflanzen wie Zitrusfrüchten und (1-4 mg/L) bei Gartenbaukulturen verursachen können.  

Oberflächenwasser für die Bewässerung weist in der Regel Borkonzentrationen von weniger als 0,1 mg/l auf, was bedeutet, dass häufig zusätzliche Düngemittel (über Mikronährstoffkomplexe) eingesetzt werden müssen, um eine optimale Entwicklung der Pflanzen zu gewährleisten. Nicht-konventionelle Wasserressourcen wie aufbereitetes Wasser und entsalztes Meerwasser zeichnen sich jedoch durch wesentlich höhere Borkonzentrationen als Oberflächenwasser aus. Die B-Konzentration des in den IDAMs im Südosten Spaniens anfallenden Abwassers schwankt zwischen 0,56 mg/L und 0,92 mg/L, Werte, die über den für holzige Pflanzen wie Zitrusfrüchte angegebenen Höchstwerten liegen und daher zu Toxizitätsproblemen und Ertragsminderungen führen könnten.  

Bild 3: Entsalzungsanlage in Palmachim, Israel.

Wenn die Endverwendung von AMD die landwirtschaftliche Bewässerung ist, kann die Kontrolle der Borkonzentration im Produktwasser auch Gegenstand einer speziellen Nachbehandlung sein. B im Bewässerungswasser kann durch Umkehrosmose und Kationenaustauscherharze auf ein Niveau unterhalb der Toxizitätsschwelle empfindlicher Pflanzen gesenkt werden, um Bor aus AMD im Parzellenmaßstab zu entfernen (Imbernon-Mulero et al., 2022).  

Die B-Konzentration in entsalztem Meerwasser, das in Spanien produziert wird, war traditionell auf 1 mg/L begrenzt, was der Höchstwert war, der im Königlichen Dekret 140/2003 festgelegt wurde, in dem die Gesundheitskriterien für die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch festgelegt wurden. Dieser Wert wurde kürzlich im Königlichen Erlass 3/2023 auf 1,5 mg/L angehoben, es sei denn, das Wasser stammt insgesamt aus Übergangs- oder Küstengewässern und die Trinkwasseraufbereitung erfolgt durch Entsalzung; in diesem Fall gilt ein Höchstwert von 2,4 mg/L.  

Diese Konzentrationen decken weitgehend den Bedarf der Pflanzen, können aber Phytotoxizität hervorrufen, insbesondere bei anfälligeren Pflanzen wie Zitrusfrüchten. Die häufigsten Symptome der B-Toxizität sind verbrannte Ränder an älteren Blättern, Vergilbung der Blattspitzen und beschleunigter Verfall, der sogar zum Absterben der Pflanzen führen kann (Martinez-Alvarez et al., 2017).  

Die ersten Stadien der Bortoxizität zeigen sich in der Regel als Vergilbung oder Fleckenbildung der Blattspitzen. In schweren Fällen treten auf den unteren Blattoberflächen Gummiflecken auf, die zu vorzeitigem Blattfall führen. Schwere Symptome können das Absterben von Zweigen umfassen. 

Bild 4: Bortoxizität bei Zitrusfrüchten.

Die Festlegung von Toleranzgrenzen für Bor (B) im Bewässerungswasser für verschiedene Kulturpflanzen ist eine komplexe Aufgabe, die sorgfältige experimentelle Arbeit erfordert. Mehrere Faktoren wie Pflanzensorte, Bodeneigenschaften, Wasserchemie, klimatische Bedingungen und Bewässerungsmanagement beeinflussen die Reaktion der Pflanzen auf B und damit die erzielten Ergebnisse erheblich (Grattan et al., 2015). 

Tabelle 2 veranschaulicht die unterschiedliche Empfindlichkeit von Kulturpflanzen gegenüber B. Sie zeigt, dass die empfindlichsten Pflanzen verholzende Pflanzen sind, insbesondere Zitrusfrüchte und Steinobstbäume, während Pflanzen mit kurzen Wachstumszyklen, wie Gemüse und Gräser, weniger betroffen sind. 

Bei der Interpretation von Tabelle 2 ist jedoch unbedingt zu berücksichtigen, dass sich die Werte auf die maximale B-Konzentration beziehen, die im Sättigungsextrakt des Bodens toleriert wird, ohne dass es zu einer Verringerung des Ertrags oder des vegetativen Wachstums kommt. Diese Werte sind im Allgemeinen höher als die des Bewässerungswassers, die unter mäßig entwässerten Bedingungen (ca. 25%) schätzungsweise 1,4 bis 1,9 mal höher sind (Jame et al., 1982).  

Wie wir sehen, ist die gesamte Gattung der Zitrus- und Steinobstbäume besonders empfindlich und anfällig für die Bewässerung mit Wasser, das hohe Borkonzentrationen enthält, wie es bei der AMD der Fall ist.

Bortoleranz verschiedener Kulturpflanzen.

Bor-Toleranz Kultivierung Wissenschaftlicher Name 
Sehr empfindlich (<0,5 mg/l) Zitrone Zitrusfrucht Limone 
Empfindlich (0,5 - 0,75 mg/l) Avocado Persea americana 
 Grapefruit Citrus X paradisi 
 Orange Citrus sinensis 
 Aprikose Prunus armeniaca 
 Pfirsich Prunus persica 
 Kirsche Prunus avium 
 Pflaume Prunus domestica 
 Khaki Diospyros kaki 
 Abbildung Ficus carica 
 Weintrauben Vitis vinifera 
 Walnuss Juglans regia 
 Zwiebel Allium cepa 
Empfindlich (0,75 - 1,0 mg/l) Knoblauch Allium sativum 
 Weizen Triticum eastivum 
 Gerste Hordeum vulgare 
 Sonnenblume Helianthus annuus 
 Strawberry Fragaria spp. 
Mäßig empfindlich (1,0 - 2,0 mg/l) Pfeffer  Capsicum annuum 
 Erbsen Pisum sativa 
 Karotte Daucus carota 
 Kartoffel Solanum tuberosum 
 Gurke Cucumis sativus 
Mäßig tolerant (2,0 - 4,0 mg/l) Kopfsalat Lactuca sativa 
 Kraut Brassica oleracea capitata 
 Sellerie Apium graveolens 
 Mais Zea mays 
 Artischocke Cynara scolymus 
 Zucchini Cucurbita pepo 
 Melone Cucumis melo 
Tolerant (4,0 - 6,0 mg/l) Sorghum Sorghum bicolor 
 Tomate Lycopersicon lycopersicum 
 Zuckerrüben Beta vulgaris 
Sehr tolerant (6,0 - 15,0 mg/l) Baumwolle Gossypium hirsutum 
 Spargel Spargel (Asparagus officinalis) 

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