Weltwassertag 2020 – Die Zukunft ist blau: Abwasser als Ressource

Wenn Wasser genutzt wird, entsteht Abwasser und damit die Fragen nach dem Wie

  1. Wie ? -wie mit welchen Methoden lässt sich Wasser wieder reinigen;
  2. Wie? – wie schnell und Wie ? –
  3. Wie? – wie effizient kann man aus dem verschmutzen Abwasser wieder nutzbares Wasser machen?

Bei Wasser 3.0 interessieren uns die Antworten auf die oben genannten Wie-Fragen genauso wie die angrenzende Frage:

Kann man die Verschmutzungen des Abwassers als Ressource sehen und wieder in den Kreislauf zurückführen? Also genau genommen: Wie wird Abwasser zur Ressource?

Abwasserbehandlung ist mehr, als nur reine Wasserreinigung.

Obwohl das ursprüngliche Ziel der Abwasserbehandlung der Schutz der Wasserqualität war, führen die Ressourcenknappheit und Nachhaltigkeit heute zu großen globalen Veränderungen.

Die Abwasserbehandlung verbraucht viel Energie und Material, um den Einleitungsnormen zu entsprechen. Gleichzeitig enthält das Abwasser Ressourcen, die bei ordnungsgemäßer Behandlung für sekundäre Zwecke zurückgewonnen werden können.

Seit einigen Jahren wird sich mehr und mehr auf das N-E-W-Paradigma konzentriert, welches die Rückgewinnung von Ressourcen wie Nährstoffen, Energie und Wasser beleuchtet.

Das Konzept der Einleitung oder Entsorgung ist weg, ebenso wie die Beschreibung von Bestandteilen im Abwasser als Schadstoffe oder Verunreinigungen. Die vorteilhafte Nutzung und die Rückgewinnung von Ressourcen stehen im Mittelpunkt der Nutzung von WRRFs (Water Resource Recovery Facilities).

Abwasser in Deutschland und die Frage – wie funktioniert eine Kläranlage?

Im Jahr 2017 verbrauchte ein Einwohner in Deutschland durchschnittlich 123 Liter Wasser am Tag. Die Angaben beziehen sich auf Haushalte und Kleingewerbe. Jede Menge Abwasser spülen wir deutschlandweit pro Kopf und Tag in die Kanalisation. Verschmutzt mit Klopapier, Fäkalien, Duschgel, aber auch mit Pharmazeutika oder mit Haushaltschemikalien. Drinbleiben soll der Dreck im Wasser auf keinen Fall. Doch wie kriegt man ihn wieder heraus?

Im Prinzip arbeiten Kläranlagen nicht anders als die Natur selbst: Auch bewachsener Boden filtert das Wasser, das ihn durchsickert, und reinigt es mithilfe von Kleinstlebewesen von Giftstoffen. Dadurch ist unser Grundwasser so sauber. Kleine, “naturnahe” Kläranlagen arbeiten nach dem gleichen Prinzip: In Pflanzenkläranlagen filtern Sumpfpflanzen das Abwasser und bieten mit ihren Wurzeln einen Lebensraum für die Bakterienkolonien, die sich auf die mikrobiologische Abwasserreinigung stürzen.

Mit der Menge an verschmutztem Wasser, die wir produzieren, wäre die Natur allerdings völlig überfordert. Und auch mit dem, was inzwischen in unserem Abwasser landet. Selbst Kläranlagen stoßen da an ihre Grenze.

Abwasser als Ressource – Der Weg durch eine kommunale Kläranlage: hier Kläranlage der EW Landau

Oft noch ungeklärt und nicht im Kreislauf integriert: Medikamente, PFCs, organische Phosphor-Verbindungen und Pestizide

Bei Stoffen, die noch kleiner sind, nützen allerdings auch Hohlfasermembranen nichts. Und gerade solche Mikrostoffe finden sich immer häufiger im Abwasser: Medikamentenrückstände, Nanopartikel und andere vom Menschen hergestellte Stoffe. Bislang scheitern Kläranlagen hier. Neue Technologien müssen erst noch entwickelt und erprobt werden, etwa die Behandlung des Wassers mit Aktivkohlefiltern (Übersichtsartikel von: Rudloff, Maik, Herbort, Adrian Frank, Bimmler, Philipp, Strozynska, Monika, Hiller, Carolin, Ney, Benedikt, Poppelreiter, Nils, Schuhen, Katrin, Quo vadis Aktivkohle? Wie muss eine vierte Reinigungsstufe beschaffen sein, um allen Verschmutzungen „Herr“ werden zu können? 3-teilige Serie erschienen bei Laborpraxis Vogel, 2018).

Einsatz von Aktivkohle und Ozonierung birgt Limitationen

Kombinationen aus Aktivkohlebehandlung sowie der Ozonierung und verschiedener Filtrationstechniken wie Tuch- oder Membranfilter stellen den aktuellen Stand der Technik im Bereich der 4. Reinigungsstufe von Abwasserreinigungsanlagen dar. Desorptionsrisiko bei der Aktivkohle, Nebenreaktionen mit teilweise toxischen Nebenprodukten bei der Ozonierung, baulicher Aufwand sowie Wartungs- und Investitionskosten bei Filtrationsverfahren sind die Kehrseite dieser Aufbereitungsmaßnahmen.

Die oben genannten Verfahren haben sich bisher als Methoden zur 4. Reinigungsstufe durchgesetzt und sind in Deutschland, der Schweiz und Österreich bereits über die Erprobungsphase hinaus. Um im Zuge der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie die Einhaltung der Grenzwerte für prioritäre Stoffe gewährleisten zu können, wird eine 4. Reinigungsstufe für kommunale Kläranlagen in den kommenden Jahren gesetzlich bindend. Die nachfolgend beschriebene Technik wird als vollständig neue, innovative und ganzheitliche Lösung zur Spurenstoffelimination eine gefragte Lösung für Kommunen und Verbände sein.

Betrachtet man die Adsorptionsraten reaktiver organisch-chemischer Verbindungen wie Organofluor- und Organophosphorverbindungen, so zeigt Aktivkohle ebenfalls Limitationen in der Aufnahmekapazität. (Schuhen, K., Rudloff, M., Hiller, C. und Duchscherer, M.: Per- und polyfluorierte Chemikalien – Eintragspfade, Akkumulationsfaktoren, Abbauwege und Ansätze zur Entfernung dieser Verbindungen aus Prozessen und dem Ökosystem. gwf Wasser|Abwasser. 1 (2017) S. 55-67).

Die auch als poly- und perfluorierte Verbindungen bezeichnete Stoffklasse umfasst aktuell ca. 3000 synthetischen Organofluorverbindungen, deren Kohlenstoffketten teilweise oder komplett fluoriert sind. Sie sind als persistente, bioakkumulative und toxische Stoffe (PBT) deklariert und sie gelten als reproduktionstoxisch und fördern die Bildung von u. a. Leber- und Bauchspeicheldrüsentumoren (mehr Informationen).

PFC können durch ihren anthropogenen Ursprung aufgrund fehlender biologischer Mechanismen in der Natur nicht abgebaut, sondern nur in andere PFC transformiert werden. Obwohl bereits 2006 auf die Ineffizienzen und mangelnde Reduktionsleistungen von Aktivkohlefiltern gegenüber PFC in der Wasseraufbereitung hingewiesen wurde, wird nach wie vor bei der Behandlung von PFC-kontaminierten Sicker- und Brunnenwasser Aktivkohle eingesetzt (Schäfer, A.: Perfluorinated surfactants contaminate German waters. Environ. Sci. Technol. 40 (2006) Nr. 23, S. 7108-7109)

In der Stoffklasse der organisch-chemischen Phosphorverbindungen werden Phosphinate, Phosphonate und Phosphatester zusammengefasst. Steigende Produktion und Anwendung von Pestiziden (u. a. Thiophosphate und Monophosphonate), Komplexbildnern (Polyphosphonate), Weichmachern und Flammschutzmitteln (Triphosphatester) führen zu teils ubiquitärer Präsenz in der Umwelt. Sie sind sowohl in natürlichen Gewässern, als auch in Abwasserströmen nachgewiesen worden. Direkte und indirekte ökotoxikologische Risiken für die aquatische Flora und Fauna sind vor allem in den Bereichen stromabwärts der Vorfluter zu erwarten, da hier die Exposition am höchsten ist. Bekanntester Vertreter der organischen Phosphorverbindungen ist Glyphosat (Schuhen, Katrin; Bimmler Philipp, Antiscalante in der Abwasserbehandlung, wwt wasserwirtschaft-wassertechnik 2016, Ausgabe 9 – 16, S. 37 – 40; Bimmler, Philipp; Schell, Michael; Schuhen, Katrin, Fluch und Segen: Die ökologische Chemie der anorganischen und organischen Phosphorverbindungen im Wasser. GWF Wasser/Abwasser 07_08/2017, S. 54 – 62.).

Ein weiteres Thema ist Mikroplastik und die Rolle von Kläranlagen als Emittenten von Mikroschadstoffen und Mikroplastik sowie die immer weiter ansteigende Komplexität der Wasserzusammensetzung (mehr Informationen).

Abwasser als Ressource – neue Wege zu sauberem Wasser und mehr Kreislaufwirtschaft

Schaut man sich nun mal das Management von Abwasserressourcen so sieht man recht schnell die steigende Aufmerksamkeit und das nicht nur, weil Ressourcen & Wasser ein großes Thema in einer Reihe von Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) ist.

Trotz zahlreicher Möglichkeiten ist der Übergang von Abwassersystemen von einem alleinigen Schwerpunkt auf der Schadstoffentfernung zu einem Schwerpunkt auf der Rückgewinnung von Ressourcen nicht einfach zu realisieren. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass neu entstehende Konzepte und Methoden Bestandteile eines komplexen integrierten Systems sind, das umfassendere Vorteile bieten soll, darunter Wasserwiederverwendung, Nährstoffrecycling und Energieerzeugung, während bestehende Infrastrukturparadigmen nicht für diese vielfältigen Zwecke entwickelt wurden.

Darüber hinaus funktionieren Abwasserservicesysteme oft isoliert, verlassen sich nur auf Technologie, um Probleme zu lösen, und berücksichtigen diese Faktoren nicht, die über den traditionellen technischen Bereich hinausgehen.

Derzeit hat der enorme Anstieg der Urbanisierung und der Wirtschaftstätigkeit die städtischen Gebiete gezwungen, ihre Abwasserdienstleistungen zu verbessern. Da viele Elemente der Abwasserinfrastruktur eine Lebensdauer von 50 bis 100 Jahren oder sogar länger haben, haben die heute getroffenen Entscheidungen langfristige Auswirkungen und müssen daher eher auf zukünftigen als auf aktuellen oder vergangenen Szenarien basieren.

Um das Potenzial für eine verbesserte Nachhaltigkeit auszuschöpfen, muss die Branche ihre Herangehensweisen und Annahmen zur Bewirtschaftung der Abwasserressourcen grundlegend ändern, einschließlich der Schaffung dringend benötigter neuer Abwassersysteme.

Viele Forschungsprojekte, auch bei Wasser 3.0, beschäftigen sich bereits mehr oder weniger effizient mit neuen, verfeinerten Ansatz zur Integration mehrerer Optionen zur Wiederverwendung von Schadstoffen aus gebrauchtem Wasser. Unser Ansatz – Abwasser als Ressource zu sehen – verfolgt drei Ziele:

  1. Wiederverwendung von wasserlöslichem oder natürlichem organischen Material (unter anderem organische Stoffe, Stickstoff und Phosphor), um die Kontrolle der Umweltverschmutzung, die Erfassung von Ressourcen und die Wiederverwertung der Produkte zu ermöglichen;
  2. Anwendung einer Nachhaltigkeitsphilosophie als Ersatz für die traditionelle Konstruktionsmethode, die sich nur auf den technischen Aspekt des Systemdesigns konzentriert;
  3. Berücksichtigung von Ökosystemen, um die Fähigkeiten der natürlichen Systeme auf Systemebene zu nutzen.
Abwasser als Ressource – Aus der Sicht des rethink Konzepts von Wasser 3.0

Auch wir, bei Wasser 3.0 verfolgen diese Ziele bei der Erforschung neuer Lösungen zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und Kreislaufwirtschaft. Auch wir haben die Ziele fest im Blick. Mehr zu unseren Ansätzen erfahren Sie in einer der nächsten Beiträge.

Für heute schließen wir unseren Beitrag, wünschen Ihnen nicht nur einen schönen Sonntag, sondern auch einen spannenden Weltwassertag.

In Zeiten, in denen das Händewaschen unseren Tag durchzieht, kommt es auch auf die Wasserqualität an. Machen Sie sich das bewusst, bleiben Sie neugierig und vor allem, bleiben Sie gesund.

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