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Fachartikel
11. Februar 2020

Ressourcenorientiertes Sanitärsystem

Water Hub im NEST-Gebäude

Mit innovativen Technologien werden im Water Hub unter realen Bedingungen Ressourcen aus dem Abwasser gewonnen und Kreisläufe geschlossen. Die Forschung in diesem Living Lab erlaubt es, praxisnahe Erfahrungen zu machen, Schwachstellen schnell zu identifizieren und das System zu optimieren. Bei der Implementierung dieser dezentralen Technologien spielen die lokalen Herausforderungen und Begebenheiten stets eine wichtige Rolle.
Carina  Doll, Tove A. Larsen, Linda Strande, Kai M. Udert, Eberhard Morgenroth 

Der Klimawandel macht vor dem Wasserschloss Schweiz nicht halt. So werden auch hier die Sommer immer wärmer und trockener [1]. Die Biodiversität geht zurück und die Eutrophierung nimmt weltweit zu [2]. Zudem lässt die Urbanisierung die Zuwachsrate der Bevölkerung in städtischen Gebieten weiter ansteigen [3], was zu höherer Abwasserproduktion in den Städten führt. Hinzu kommt, dass die Infrastruktur der Siedlungswasserwirtschaft erneuert werden muss, was mit hohen Kosten verbunden ist [4]. Kurzum: Auch in der Schweiz wird ein sparsamer Umgang mit den Ressourcen immer wichtiger.
Bereits seit mehreren Jahren forscht die Eawag an Lösungen, um Ressourcen aus dem Abwasser rückzugewinnen und Kreisläufe zu schliessen. Hierbei wird die Ressourcenrückgewinnung sowohl aus gemischtem als auch aus an der Quelle getrenntem Abwasser erforscht. Bei Letzterem werden die einzelnen Abwasserströme direkt an der Quelle anhand ihres Verschmutzungsgrads getrennt und können dann einzeln aufbereitet werden. Das Potenzial neuartiger Sanitärsysteme wurde bereits beschrieben [5, 6], auch der Bedarf nach Forschung und Entwicklung im Bereich dieser Systeme wurde schon mehrfach geäussert [7, 8]. Neben Forschung und Entwicklung im Labor ist es notwendig, auch Erfahrungen unter praxisnahen Bedingungen zu sammeln und die Systeme in einem realitätsnahen Umfeld zu testen. Auf diese Schnittstelle fokussiert sich der Water Hub.
Der Water Hub ist in einem Raum im Keller des NEST-Gebäudes der Empa und Eawag untergebracht, der eine Plattform für die Entwicklung und Evaluation von dezentralen Verfahren für die Abwasserbehandlung bietet. Diese Plattform ist offen für eine Zusammenarbeit mit externen Industriepartnern und Forschenden, die in einem echten Gebäude realitätsnahe Forschung betreiben wollen. Denn das Abwasser, das im Water Hub behandelt wird, stammt ausschliesslich aus dem NEST und wird täglich von den Bewohnern/innen und Mitarbeitenden in den Wohnungen, Büroräumlichkeiten und der hauseigenen Fitness- und Wellnessanlage produziert. Neben Abwasserforschung wird im NEST auch Material-, Energie- und Bauforschung unter reellen Bedingungen betrieben. Das modulare Gebäude setzt sich aus einzelnen Einheiten (Units) zusammen, wobei jede dieser Units einen spezifischen Forschungsfokus hat. Beispiele solcher Units sind Vision Wood, in der der innovative Umgang mit Holz untersucht wird, das DFAB House, das sich auf das digitale Planen und Bauen von Gebäuden konzentriert, und in SolAce kommen multifunktionale Fassadentechnologien zum Einsatz.
Das übergeordnete Ziel des NEST-Gebäudes ist es, ressourcenschonende und innovative Technologien schneller auf den Markt zu bringen. Die praktische Umsetzung und Erprobung kann helfen, «Kinderkrankheiten» schnell zu erkennen und zu lösen. Mit diesem beschleunigten Innovationsprozess kann man schneller auf sich ändernde Bedingungen reagieren, wie sie beispielsweise durch den Klimawandel hervorgerufen werden.
Als Grundlage für eine dezentrale Aufbereitung von unterschiedlichen Stoffströmen aus dem Abwasser wurden im NEST parallel geführte Abwasserleitungen im Kern des Gebäudes eingebaut. Urin, Schwarzwasser, leichtes und schweres Grauwasser sowie Restwasser werden in separaten Leitungen in den Water Hub im Keller des NEST-Gebäudes geleitet. Neben den Abwasserleitungen sind auch Leitungen für eine zukünftige Wiederverwendung von aufbereitetem Grauwasser im Gebäude verfügbar.

FORSCHUNGSFRAGEN UND ANWENDUNGSBEISPIELE

Einfache Technologie für die Abtrennung von Urin an der Quelle 

Eine separate Aufbereitung von Urin in Gebäuden war lange nicht möglich, da es keine robusten und benutzerfreundlichen Trenntoiletten gab. Die ersten Prototypen basierten auf einer einfachen physischen Abtrennung mit zwei Abläufen: einer für Urin, einer für das Restabwasser [9]. Bei diesen Toilettentyp gelangte sehr viel Spülwasser in die Urinleitung. Die zweite Generation hatte einen mechanischen Verschluss, um Spülwasser vom Urin abzutrennen [10]. Nun wurde eine Toilette entwickelt, bei der Spülwasser ohne mechanische Teile abgetrennt werden kann. Der Trennmechanismus ist auf den ersten Blick nicht sichtbar. Diese revolutionäre Toilette ist somit robuster, sieht aus wie eine gewöhnliche Toilette und erfordert keine Verhaltensänderung bei den Benutzern/innen. Der Trennmechanismus basiert auf dem sogenannten Teekanneneffekt, wobei der langsamer fliessende Urin entlang der Keramik in die Urinöffnung fliesst und das Spülwasser die Kante mit höherer Geschwindigkeit überschiesst [11]. Dieser Trennmechanismus, die sogenannte «Urine trap», wurde vom österreichischen Designbüro EOOS entwickelt und wird nun von Laufen Keramik produziert. Im NEST werden erste Exemplare dieser neuen Toilette installiert und dann vor Ort getestet.

Produktion von Dünger aus Urin 

Nach der Abtrennung in der Toilette fliesst der Urin in einer separaten Leitung in den Water Hub. Mit dem Ziel, Nährstoffe aus dem Urin rückzugewinnen, wird der Recycling-Dünger Aurin produziert. In Zusammenarbeit mit dem Eawag-Spin-off Vuna erforscht Kai Udert mit seinem Team unterschiedliche Prozesse zur Urinaufbereitung. Im Water Hub wird der Urin zuerst nitrifiziert und in einem nachfolgenden Aktivkohlefilter werden die Mikroverunreinigungen herausgefiltert. In einem letzten Prozessschritt wird der stabilisierte Urin eingedampft, um das Volumen zu verringern [12]. Aus diesem Verfahren, dem Vuna-Prozess, resultiert der Pflanzendünger Aurin, der vom Bundesamt für Landwirtschaft für essbare Pflanzen freigegeben wurde und von Vuna produziert und vertrieben wird.

Energie aus Schwarzwasser 

Für das Schwarzwasser, das im hinteren Teil der Toilette anfällt, gibt es ebenfalls eine separate Leitung, die in den Water Hub führt. Die Forschenden in der Gruppe von Linda Strande betreiben Grundlagenforschung, um die Prozesse der Fäkalschlammentwässerung besser zu verstehen und zu optimieren [13]. Das Ziel ist eine effektvolle Behandlung, um den Schutz der Öffentlichkeit und die Umwelthygiene sicherzustellen. Des Weiteren soll so die Ressourcenrückgewinnung ermöglicht werden. Ein Beispiel ist das Pelletieren für die Energie- und Wärmerückgewinnung [14]. Das Pelletieren des Fäkalschlamms wurde erfolgreich in Pilotstudien getestet.
In der Schweiz ist diese Form der Aufbereitung der Fäkalien nicht verbreitet. Es gibt jedoch mehrere Projekte, die Kompostierung oder Trocknung als Aufbereitungsform der Fäkalien anwendet (z.B. Green Offices, Kompotoi).

Brauchwasser aus aufbereitetem Grauwasser 

Grauwasser aus Duschen und Lavabos wird separat gesammelt und aufbereitet. Je nach Anwendungsgebiet müssen unterschiedliche Qualitäten erreicht werden, gesetzliche Grundlagen hierfür gibt es in der Schweiz jedoch noch nicht. Die Produktion von Brauchwasser aus Grauwasser wird in vielen Ländern mit Wasserknappheit praktiziert (z. B. Israel, USA, Australien). Das Team rund um Eberhard Morgenroth erforscht die Aufbereitung des Grauwassers, sodass es nicht bloss für die Toilettenspülung, sondern auch zum Duschen und Kleiderwaschen verwendet werden könnte. Hierbei hat die Hygiene oberste Priorität. Ein Membranbioreaktor dient als erste Stufe der Grauwasseraufbereitung. In einem zweiten Schritt wird ein Aktivkohlefilter eingesetzt, um restliche organische Stoffe zu entfernen. Die nachfolgende Speicherung und Verteilung des aufbereiteten Grauwassers im Gebäude wird von den Mikrobiologen/innen rund um Tim Julian und Frederik Hammes erforscht. Wobei nicht nur die Stabilität des Wassers untersucht wird, sondern auch die Identifikation von Qualitätseinbrüchen aufgrund unerwarteter Ereignisse. Hierfür werden zwischen allen Prozessschritten OnlineSensoren eingesetzt, die Aufschluss über die Wasserqualität geben. Die Anwendungsgebiete des aufbereiteten Grauwassers können je nach lokalen Bedürfnissen stark variieren.

Wärme im Gebäude aus Grauwasser 

Nicht bloss die Ressource Wasser, sondern auch Energie steckt im Grauwasser. Diese wird im NEST durch Recyclingduschen bereits in den Wohneinheiten wiederverwendet. Die Abwärme des Abwassers aus der Dusche erwärmt dort das Frischwasser für das Warmwasser der Dusche. Zusätzlich werden, durch ein innovatives Warmwasserverteilungssystem, die Wärmeverluste in der Leitung vermindert. Der Wasser-Energie-Nexus im NEST wird in der Gruppe von Tove Larsen untersucht. Die Systemintegration von energiesparenden Technologien muss genau angeschaut werden, denn zum einen kann Konkurrenz zwischen verschiedenen Wärmerückgewinnungsstrategien im Haus und in der Kanalisation entstehen, zum anderen können Synergien zwischen den Technologien zu unserem Vorteil genutzt werden.

Rezyklieren von Baumaterialien

Ein Beispiel für eine Unit, die sich ebenfalls mit dem Schliessen der Kreisläufe auseinandersetzt, ist die Wohneinheit Urban Mining and Recycling (UMAR). Sie fokussiert sich auf Kreislaufwirtschaft in der Baubranche. UMAR ist ein Projekt, das die Empa zusammen mit Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie, der Werner Sobek Group und weiteren Partnern aus der Industrie und Wissenschaft realisiert hat. Die Wohneinheit wurde so gebaut, dass die verwendeten Baumaterialien für eine bestimmte Zeit «ausgeliehen» werden und nach dem Rückbau wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden können. Es wurden nachhaltige und rezyklierte Materialien verwendet, und auf das Verkleben wurde verzichtet, denn so ist es möglich, die einzelnen Komponenten und Materialien zu einem späteren Zeitpunkt wieder zu verwenden. Diese Einheit ist bewohnt und wurde, wie die anderen Units, als Partnerschaftsprojekt zwischen Forschung und Industrie gebaut.

ERFAHRUNGEN AUS DEM PRAK­TISCHEN BETRIEB IM NEST

Die Trennung der Abwasserströme an der Quelle ist eine Chance, da die einzelnen Stoffströme in höheren Konzentrationen vorliegen und lediglich gering vermischt werden. Es birgt jedoch auch Herausforderungen. Dezentrale Systeme müssen mit einer grossen Dynamik und geringen Verdünnung umgehen können. Die Prozesse der Aufbereitung müssen sich somit dynamisch anpassen können. Hierzu zwei Beispiele aus dem NEST:

Beispiel 1

Das Grauwasser, das im Water Hub aufbereitet wird, zeigt sowohl saisonale (sehr wenig oder kein Wasser über die Ferien oder Feiertage) als auch wöchentliche (weniger Wasser am Wochenende) Variabilität. Die Anlage muss trotz dieser hohen Variabilität stabil betrieben werden und auch das Verfahren und Design müssen darauf ausgelegt sein. Die hydraulische Kapazität des Membranbioreaktors muss die maximale Grauwassermenge auffangen können, und die nachfolgenden Prozessschritte des biologischen Abbaus und der Sorption im granulierten Aktivkohlefilter müssen robust genug sein, um damit umgehen zu können. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass biologische Prozesse und Sorption trotz Schwankungen im Zulauf stabil funktionieren.

Beispiel 2

Es kann immer vorkommen, dass Bewohner/innen oder Personal Problemstoffe in sehr hohen Konzentrationen ins Abwasser geben. Das ist bei der Behandlung von Stoffströmen direkt an der Quelle problematisch, da diese Stoffe nicht in einem grossen System, wie dem Kanalnetz, verdünnt werden. In den zwei Betriebsjahren der Urinaufbereitung im Water Hub kam es einmal vor, dass starke Reinigungsmittel die biologische Aufbereitung signifikant gehemmt haben. Wie soll man mit solchen Störfällen umgehen? Durch Schulung des Personals konnten weitere Zwischenfälle dieser Art vermieden werden. Zusätzlich muss das System so betrieben werden, dass diese Ereignisse von intelligenten Sensoren und Management erkannt werden. Wird ein Vorfall erkannt, muss der unzureichend behandelte Abwasserstrom entsorgt werden. Bei einem Störfall in der Grauwasseraufbereitung muss sichergestellt werden, dass das ungenügend aufbereitete Grauwasser nicht verwendet wird und der Kontakt mit Menschen unterbunden wird.

ERFAHRUNGEN AUS ANDEREN PROJEKTEN

Wer momentan in der Schweiz ein dezentrales und ressourcenorientiertes Sanitärsystem implementieren möchte, stösst auf einige Hindernisse. Neben den technischen Herausforderungen gibt es weitere Barrieren, die die Implementierung hemmen. So fehlen gesetzliche Grundlagen für solche neuartigen Systeme, zum Beispiel bei der Wiederverwendung von Grauwasser. Je nach Kontext muss auch mit deutlich höheren Kosten gerechnet werden. Wenn ein Projekt das anfallende Abwasser komplett verwerten kann, sei dies beispielsweise durch den Einsatz eines Pflanzenfilters, wird die Infrastruktur der Siedlungswasserwirtschaft nicht mehr gebraucht, die Anschlusspflicht bleibt jedoch bestehen. Die Kosteneffizienz innovativer Systeme muss sich zuerst etablieren. Ein weiterer wichtiger Faktor sind Referenzprojekte. Sie sind relevant im Hinblick auf die Implementierung, da so aufgezeigt werden kann, was bereits in der Praxis funktioniert und wie Herausforderungen angegangen werden können. Häufig kennt man die wenigen Projekte, die bereits realisiert wurden, gar nicht.
Durch den Austausch mit Akteuren aus der Praxis und dem Aufbau eines Netzwerkes können Bedürfnisse aus der Praxis abgeholt werden. Des Weiteren kann aus den Erfahrungen gelernt, gemachte Fehler vermieden und Projekte schneller realisiert werden. Diese Erkenntnisse sollten dazu beitragen, technische und gesetzliche Barrieren aufzuzeigen, um diese gezielt mit Akteuren aus der Praxis anzugehen. Dabei ist der Water Hub Teil eines übergeordneten transdisziplinären Forschungsprojekts, das diesen Diskurs auf nationaler und internationaler Ebene untersucht und fördert.

Anwendung von dezentraler Aufbereitung hängt vom Kontext ab

Die Entscheidung, welche Technologie für die Rückgewinnung der Ressourcen zum Einsatz kommen soll, ist stark von den lokalen Begebenheiten und Herausforderungen abhängig. Für Gebiete mit Wasserknappheit ist die Wiederverwendung von Wasser auf Gebäudeebene eine Chance, besser mit den reduzierten Ressourcen umzugehen. Grauwasser ist eine ganzjährig verfügbare Wasserressource, die je nach Wasserqualität vielseitig eingesetzt werden kann, zum Beispiel zum Bewässern der Pflanzen, zum Spülen der Toiletten, zum Waschen der Kleider oder zum Duschen. In der Schweiz ist der durchschnittliche Wasserverbrauch im Haushalt wie folgt aufgeteilt: 28,9% Toilettenspülung, 12% Waschmaschine und 25,3% Duschen [15]. Somit kann, durch eine Wiederverwendung des Grauwassers in diesen Anwendungsbereichen, der Frischwasserverbrauch um mehr als 50% gesenkt werden. Des Weiteren kann Grauwasser in hitzegeplagten Städten zum Kühlen eingesetzt werden, indem damit grüne Infrastruktur bewässert wird.
In Regionen mit überlasteten Kläranlagen oder solchen mit zu hohen Nährstoffeinträgen in die Gewässer ist die Urinaufbereitung eine Chance, diese Probleme anzugehen. Würde in diesen Regionen der Urin komplett separat aufbereitet, wären die Kläranlagen nicht mehr auf die Nitrifikation angewiesen, wodurch Platz eingespart werden könnte. Dies hätte auch einen positiven Einfluss auf die Nährstoff­einträge in die Gewässer.
In Gebieten mit sanierungsbedürftigen Kanalnetzen können dezentrale Technologien eine Alternative zum herkömmlichen Kanalsystem sein. Fragen zur Notwendigkeit der Kanalnetze, zur Logistik dezentraler Systeme und zur Entsorgung der Nebenprodukte können momentan noch nicht beantwortet werden. Die grundsätzlichen Möglichkeiten ressourcenorientierter Sanitärsysteme und wie man mit zukünftigen Problemen umgehen könnte, kann man jedoch aufzeigen. Hierbei ist es wichtig, dass stets auf die Bedürfnisse und Herausforderungen der jeweiligen Region, Stadt oder eines Haushalts eingegangen wird.

FAZIT

– Im Water Hub im NEST testet die Eawag neue Technologien für dezentrale Behandlung von Grauwasser, Urin und Fäkalien. Testen und Entwicklung von Technologien unter realen Bedingungen in einem Gebäude hilft, Schwachstellen zu identifizieren und die Entwicklung von innovativen Systemen und deren Betrieb schneller voranzutreiben. Der Water Hub im NEST ist eine Plattform, die offen ist für eine Zusammenarbeit mit Industriepartnern und Forschenden.
– Ressourcenorientierte Abwassersysteme sind relevant unter dem sich ändernden Klima, den anstehenden Infrastruktursanierungen und der laufenden Urbanisierung. Eine lokale Aufbereitung von Urin, Grau- oder Schwarzwasser könnte dazu beitragen, Städte zu kühlen, urban-rurale Kreisläufe zu schliessen, bestehende Infrastrukturen zu entlasten und Energie zu sparen.

Bibliographie

[1] Meteo Schweiz (2015): Klimazukunft Schweiz. Abgerufen am 21.11.2019

[2] Steffen, W. et al. (2015): Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science 347(6223). https://doi.org/10.1126/science.1259855
[3] Bundesamt für Raumentwicklung ARE (2009): Monitoring urbaner Raum Schweiz – Analysen zu Städten und Agglomerationen. BBL, Vertrieb Publikationen, 3003 Bern. Art. Nr. 812.071 d
[4] Hauser, M.; Tenger, D. (2013): Aufbruch im Untergrund – Szenarien erfolgreicher Zusammenarbeit im Tiefbau. GDI Gottlieb Duttweiler Institute, Zürich. Abgerufen am 12.12.2019 
[5] DWA (2008): DWA-Themenband «Neuartige Sanitärsysteme». DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Hennef
[6] Larsen, T. A.; Udert, K. M.; Lienert, J. (Eds.). (2013): Source separation and decentraliza­tion for wastewater management. https://doi.org/10.2166/9781780401072
[7] Dockhorn, T. et al. (2011): Bedarf für Forschung und Entwicklung im Bereich neuartiger Sanitärsysteme (NASS) – Arbeitsbericht der DWA-Arbeitsgruppe KA-1.8 «F+E-Bedarf» im Fachausschuss «Neuartige Sanitärsysteme». KA: Korrespondenz Abwasser Abfall, 58(6), 646–655. https://doi.org/10.3242/kae2011.07.002
[8] Larsen, T. A. (2016): Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world. Science, 352(6288), 928–933. https://doi.org/10.1126/science.aad8641
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[11] EOOS (2018): Urine trap. Abgerufen am 22.11.2019
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[13] Ward, B. J. et al. (2019): Evaluation of conceptual model and predictors of faecal sludge dewatering performance in Senegal and Tanzania. Water Research, 167, 115101 (13 pp.). https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115101
[14] Andriessen, N.; Ward, B. J.; Strande, L. (2019): To char or not to char? Review of technologies to produce solid fuels for resource recovery from faecal sludge. Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Development, 9 (2): 210–224. https://doi.org/10.2166/washdev.2019.18
[15] SVGW (2018): Haushaltsverbrauch in der Schweiz. Abgerufen am 27.11.2019 

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