Abwasser als Ressource

Alles vertrocknet und braun, was eigentlich grün sein sollte!“ – Der Astronaut Alexander Gerst war schockiert, als er im Supersommer 2018 die Trockenheit in Deutschland sah. Das Kompetenzzentrum Wasser Berlin arbeitet an lokalen Lösungen für ein globales Problem.

Mit 19,2 Grad Celsius lag die Temperatur in Deutschland laut dem Deutschen Wetterdienst um rund fast drei Grad Celsius über dem Wert der Jahre von 1961 bis 1990. Damit war der Sommer 2019 nach 2018 der drittheißeste seit Beginn regelmäßiger Messungen im Jahre 1881 – und auch der drittrockenste.

Was man bislang in der Bundesrepublik als Extremsommer wertet, wird der Klimawandel künftig wohl häufiger bescheren. Eine Folge davon ist „Wasserstress“: Davon sprechen internationale Vergleiche, wenn 20 oder mehr Prozent der verfügbaren Wasserressourcen genutzt werden. Ab dieser Größenordnung steigen die Umweltrisiken und wirtschaftlichen Schwierigkeiten deutlich an. Das Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB) arbeitet mit einer Reihe von Projekten daran, diesem Wasserstress vorzubeugen. Eine wichtige Rolle spielt dabei Abwasser. Es ist selbst eine wiederverwendbare Ressource, aus der auch noch weitere Wertstoffe gewonnen werden können. Auf der Basis neuer Forschungsergebnisse lassen sich damit regionale Wasserkreisläufe schaffen, die das Leben vor Ort verbessern und dazu beitragen, den Klimawandel abzufedern.

Am meisten (ver-)braucht die Landwirtschaft

Begutachtung einer naturnahen Abwasserbehandlungsanlage zur Wasserwiederverwendung, Projekt AquaNES; Antiparos, Griechenland

Der größte Verbrauch unserer globalen Süßwasserressourcen geht auf das Konto der Landwirtschaft. Außerdem wird mehr als ein Viertel der Energie weltweit für die Produktion und Versorgung mit Lebensmitteln genutzt. „Die kritischen Bereiche Wasser, Landwirtschaft und konventionelle Energieerzeugung sind untrennbar miteinander verbunden“, stellt Dr.-Ing. Ulf Miehe fest, „Das berücksichtigen wir bei unserer Arbeit und kommen so zu neuen, integrierten Lösungen.“ Die EU-Kommission hat 2018 neue Regeln vorgeschlagen, um die Wiederverwendung von Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung zu erleichtern. Sie sollen den Landwirten helfen, gereinigtes Abwasser optimal zu nutzen, um die Wasserknappheit zu verringern und gleichzeitig Umwelt wie Verbraucher zu schützen. „Die von der EU formulierten Mindestanforderungen können die Wasserwiederverwendung in der Landwirtschaft voranbringen, auch wenn es in einigen Mitgliedstaaten derzeit noch Vorbehalte gibt“, sagt der KWB-Bereichsleiter für Prozessinnovation. „Unsere Forschungsprojekte liefern wiederum mit unterschiedlichen Ansätzen das Know-how, bislang ungenutzte Potenziale künftig freizusetzen.

“Das in diesem Jahr abgeschlossene Projekt AquaNES hat an weltweit 13 Versuchsstandorten die Vorteile einer Kombination von naturnahen und technischen Wasseraufbereitungsverfahren im realen Betrieb demonstriert. Bei den naturnahen Systemen handelt es sich um Uferfiltration, Grundwasseranreicherung und Pflanzenkläranlagen, die mit unterschiedlichen technischen Vor- oder Nachbehandlungsverfahren kombiniert werden. Am Projekt waren 30 Partner aus Europa, Israel und Indien beteiligt. „Wir bringen in Berlin verschiedene Methoden zusammen“, erläutert Miehe: „Einerseits Ozonung mit einer naturnahen Nachbehandlung für die Spurenstoffelimination am Standort Schönerlinde. Andererseits untersuchen wir am Standort des Wasserwerks Tiefwerder die Kombination aus Uferfiltration mit Nanofiltration für die Sulfat- und Spurenstoffentfernung.“ Neben den Arbeiten in Berlin hat das KWB ein Arbeitspaket zu Kombinationen aus Pflanzenkläranlagen oder Retentionsbodenfiltern mit verschiedenen technischen Systemen koordiniert. Die Versuchsstandorte waren in Deutschland, Großbritannien und Griechenland. „Hierbei haben wir mit Blick auf Praxistauglichkeit getestet“, so Miehe, „inwiefern solche Anlagen die unterschiedlichen Grenzwerte in den EU-Mitgliedsstaaten einhalten können.“ Die Ergebnisse des 2019 geendeten Projekts fließen bereits in die Planung der großtechnischen Ozonungsanlage auf dem Kläranwerk Schönerlinde ein.

Kläranlagen zu Kraftwerken

Dem Aspekt Energie hat das 2018 abgeschlossene Projekt POWERSTEP sich gewidmet – und das im großen Stil. Die Ausgangslage: Europas Klärwerke verbrauchen so viel Energie, wie zwei Großkraftwerke produzieren. Dabei enthält der organische Anteil kommunaler Abwässer in Europa eine chemische Energie von insgesamt 87.5 Megawattstunden pro Jahr, was der Leistung von zwölf Großkraftwerken entspricht.

„Neuere Studien zeigen, dass Kläranlagen durch innovative Verfahren zu einer erneuerbaren Energiequelle werden können, ohne dass dies die Reinigung beeinträchtigt“, sagt Dr.-Ing. Christian Remy, wissenschaftlicher Mitarbeiter beim KWB. POWERSTEP habe solche neuartigen Konzepte für jeden wesentlichen Prozessschritt im Industriemaßstab demonstriert. „Auf dieser Basis können mit den derzeit verfügbaren Technologien Kläranlagen konzipiert werden, die sogar Energie liefern.“ Möglich wird dies unter anderem durch verbesserte Kohlenstoffextraktion, neue Verfahren beim Entfernen von Stickstoff, Power-to-Gas-Technologie in Verbindung mit einem intelligentem Stromnetz so-wie effiziente Nutzung der Abwärme.

Aktuell untersucht das KWB im Rahmen von E-VENT neue Verfahrensvarianten im laufenden Betrieb: Das Projekt optimiert die Berliner Klärwerke energetisch. Um Energie einzusparen, wurde bereits zuvor einiges getan. Zudem nutzen die Betriebe das im Klärprozess anfallende Biogas zur Strom- und Wärmeerzeugung. Selbst damit liegt der durchschnittliche jährliche Stromverbrauch aller sechs Berliner Klärwerke noch bei über 90.000 Megawattstunden, was im selben Zeitraum zu Treibhausgasemissionen in Höhe von 40.000 Tonnen führt. „Auf den Prüfstand kommen alternative Verfahren, um Stickstoff und Kohlenstoff zu entfernen, sowie zur Steigerung der Biogasausbeute in der Klärschlammbehandlung“, sagt Remy. „Für einen Teil der Optionen, die wir untersuchen, liegen bereits Daten aus früheren Projekten des KWB vor, die im nächsten Schritt auf die Prozessbedingungen der Großklärwerke übertragen werden. Zwei vielversprechende Verfahren werden von uns momentan unter Realbedingungen getestet.“

Nachhaltigkeit bedeutet, dass es rund läuft

Wärmemanagement auf einer Kläranlage in Kopenhagen

Das zentrale Thema in der Wasser- wie auch in der Landwirtschaft ist das Wirtschaften in Kreisläufen. So versucht man im ökologischen Landbau, den Verbrauch von endlichen Ressourcen zu minimieren. Nachhaltigkeit bedeutet hierbei, regionale Nährstoffkreisläufe weitgehend zu schließen, was bisher allerdings noch nicht hinreichend gelungen ist. Das trifft vor allem für den Nährstoff Phosphor zu, einem essenziellen Bestandteil vieler Düngemittel. „Mit der Rückgewinnung von Nährstoffen aus biogenen Abfällen wie Klärschlamm lassen sich hier große Fortschritte erzielen“, berichtet Remy. Im 2018 abgeschlossenen Projekt nurec4org wurde geprüft, inwieweit phosphorhaltige Produkte, die sich mit aktuell verfügbaren Recyclingverfahren erzeugen lassen, im ökologischen Landbau akzeptiert werden und zulassungsfähig sind. Dabei haben die KWB-Forscher wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen, die nun deutschen und europäischen Zulassungsgremien zugänglich gemacht werden. „Auf dieser Grundlage kann die europäische Verordnung zur Regulierung der ökologischen Landwirtschaft modifiziert werden“, so Remy. „Landwirte, Handel und Wissenschaft wurden als wichtige Akteure in die Untersuchungen einbezogen.“KWB-Forscher haben ihren Blick auch weiter in die Zukunft schweifen lassen: Das bis 2020 laufende EU-Projekt SMART-Plant erprobt auf Kläranlagen in großtechnischem Maßstab bestehende Technologieansätze zur Wertstoffrückgewinnung.

Auf fünf Kläranlagen werden europaweit sieben Pilotsysteme über einen Zeitraum von über zwei Jahren optimiert und unter Realbedingungen getestet, außerdem zwei Technologien zur Weiterverarbeitung von Wertstoffen. Dabei konnten Biopolymere (z.B. zur Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen), Cellulose, Pflanzennährstoffe und Düngemittel rückgewonnen und zu kommerziell nutzbaren Endprodukten aufbereitet werden. „Bis zum breiten Einsatz in der Praxis wird es zwar noch ein paar Jahre dauern“, sagt Remy. „Aber mit diesen nun erprobten Lösungen, die energetisch und ökologisch effizient sind, können wir die Wertschöpfungskette schließen – und erreichen damit Kreislaufführung.“