Innovation und Kreislaufwirtschaft in Kläranlagen: Herausforderungen und Hindernisse

Das Wassersystem ist Teil von Umwelt-, Landwirtschafts-, Industrie- und Gemeindesystemen. Zu wissen, wie diese Systeme miteinander verbunden sind, ist entscheidend für die Identifizierung von Möglichkeiten der Kreislaufwirtschaft, die innerhalb des Wassersystems und anderer damit verbundener Systeme bestehen.

Kläranlagen können aufgrund der Integration von Energieerzeugung und Ressourcenrückgewinnung bei der Produktion von sauberem Wasser ein wichtiger Bestandteil der Kreislaufwirtschaft sein [2, 3]. In naher Zukunft werden Kläranlagen zu „ökologisch nachhaltigen“ technologischen Systemen werden. Derzeit bestimmen der globale Nährstoffbedarf und die Rückgewinnung von Wasser und Energie aus Abwasser die Entwicklung der Abwasserindustrie [4-6]. Diese Abbildung von Cerahelix.com zeigt den Wasserkreislauf in einem Kreislaufwirtschaftsmodell:

Quelle: https://www.cerahelix.com/news/treat-reuse-extract-create-and-repeat-the-circular-economy-explained-using-the-water-cycle-as-an-example/

Legende:

Wastewater = Abwasser

Enabling Technolog = Grundlagentechnologie

Clean Water = Sauberes Wasser

Nutrients, valuable byproducts = Nährstoffe, wertvolle Nebenerzeugnisse

Clean Energy = Saubere Energie

Um der Herausforderung zu begegnen, die Abwasserverschmutzung angesichts des Bevölkerungswachstums, der Veränderungen bei den industriellen Verfahren und der technologischen Entwicklungen zu verringern, hat die US-Umweltschutzbehörde (US EPA) ein Dokument erstellt, das Informationen über die jüngsten Fortschritte und innovativen Techniken für jedermann zugänglich macht [7]. Das Ziel des Dokuments ist einfach: ein Leitfaden für Personen, die Informationen über innovative und neue Abwasserreinigungstechnologien suchen. Der Leitfaden listet neue Technologien auf, bewertet ihre Vorzüge und Kosten und nennt Quellen für weitere technologische Untersuchungen. Dieses Dokument soll als Leitfaden für EigentümerInnen/ EntsorgerInnen, BetreiberInnen, PlanerInnen und BeraterInnen dienen.

In den nächsten Abschnitten stellen wir die wichtigsten Ressourcen vor, die aus Kläranlagen gewonnen werden können, und zeigen die Möglichkeiten für UnternehmerInnen auf, während wir die Stärken und Schwächen dieser Verfahren aufzeigen.

3.1 Ausbringung von Klärschlamm

Biofeststoffe (Klärschlämme) bestehen aus für die Landwirtschaft wertvollen Bestandteilen (organische Stoffe, Stickstoff, Phosphor, Kalium und Mikronährstoffe wie Kalzium, Schwefel und Magnesium) sowie aus Schadstoffen wie Schwermetallen, organischen Verbindungen und Krankheitserregern. Obwohl sie eine wertvolle Ressource sein können, müssen sie mit Vorsicht verwendet werden. Sie enthalten oft Mikroorganismen, die Krankheiten, chemische Verunreinigungen oder andere instabile Stoffe übertragen können.

Klärschlämme können den Boden anreichern und Handelsdünger ergänzen oder ersetzen. Klärschlamm wird an verschiedenen Orten ausgebracht, z. B. auf landwirtschaftlichen Flächen, in Wäldern, bei der Sanierung von Bergwerken und auf anderen Flächen, in Parks und auf Golfplätzen. Die Ausbringung von Klärschlamm hat deutlich positive Auswirkungen auf die Bodenfruchtbarkeit und gewährleistet eine nachhaltigere Nutzung. Neben dem hohen Nährwert verbessern Klärschlämme die Bodeneigenschaften (Bodenverbesserung), indem sie die organische Substanz des Bodens, die Aggregation der Bodenpartikel, die Bodenstruktur und die Porosität erhöhen und die Schüttdichte verringern.

Die Ausbringung von Klärschlamm ist in Europa und anderen Ländern weit verbreitet [8]. Das mit der Ausbringung von Klärschlamm verbundene Risiko hängt von der Herkunft der Schadstoffbelastung ab, die in die Kläranlagen gelangt (kommunale oder industrielle Belastung). Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Entsorgung von Klärschlamm sind Gesundheits- und Sicherheitsfragen, Geruchsbelästigung und andere Bedenken der Öffentlichkeit. Darüber hinaus kann sich eine übermäßige Ausbringung auf dem Land durch die Auswaschung von Nährstoffen negativ auf die Grundwasserqualität auswirken. Aus diesem Grund hat das amerikanische Umweltbundesamt (EPA) auf der Grundlage der Bundesnormen für die Verwendung oder Entsorgung von Klärschlamm einen Leitfaden für die Ausbringung von Klärschlamm entwickelt. Mit diesem Bundesprogramm soll sichergestellt werden, dass Klärschlamm auf eine Weise verwendet oder entsorgt wird, die sowohl die menschliche Gesundheit als auch die Umwelt schützt. Teil 503, Standards for the Use or Disposal of Sewage Sludge (Normen für die Verwendung oder Entsorgung von Klärschlamm) legt die allgemeinen Anforderungen, Schadstoffgrenzwerte, Betriebsnormen und Bewirtschaftungspraktiken sowie die Häufigkeit der Überwachung, Aufzeichnungen und Berichterstattungspflichten für Klärschlamm fest, der auf dem Land ausgebracht, auf einer oberirdischen Deponie gelagert oder in einer Klärschlammverbrennungsanlage verbrannt wird [9].

Notwendige Maßnahmen vor der Ausbringung von Klärschlamm

Um die in der Gesetzgebung vorgeschlagenen Vorschriften zu erfüllen, muss Klärschlamm in den Kläranlagen behandelt (entwässert und stabilisiert) werden, bevor er entweder zur Bodendüngung oder zur Landgewinnung aufgebracht wird. Die Verfahren zur Behandlung von Klärschlämmen vor ihrer Ausbringung auf den Boden sind anaerobe oder aerobe Faulung, Kompostierung, Trocknung und chemische Behandlung (meist alkalische Behandlung).

• Die anaerobe Vergärung (im Allgemeinen) ist ein natürlich vorkommender biologischer Prozess, bei dem eine große Anzahl anaerober Bakterien organische Stoffe in Methan und Kohlendioxid (ein als Biogas bezeichnetes Gemisch) umwandelt. Dieser Prozess stabilisiert die organische Substanz in den Abwasserfeststoffen, reduziert Krankheitserreger und Gerüche und verringert die Gesamtmenge an Feststoffen/Schlamm, indem ein Teil der flüchtigen Feststoffe (VS) in Biogas umgewandelt wird.
• Anaerobe Vergärung. Der Prozess kann in drei separate Schritte unterteilt werden, die jeweils von einer anderen Gruppe von Mikroorganismen durchgeführt werden:
  • Hydrolyse, bei der Proteine, Zellulose, Lipide und andere komplexe organische Stoffe in kleinere Moleküle aufgespalten und durch die Nutzung von Wasser zur Aufspaltung der chemischen Bindungen der Stoffe löslich gemacht werden
  • Fermentation flüchtiger Säuren, bei der die Hydrolyseprodukte in organische Säuren umgewandelt werden, und zwar durch die biochemischen Prozesse der Acidogenese (bei der Monomere in Fettsäuren umgewandelt werden) und der Acetogenese (die Fettsäuren werden in Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt)
  • Methanformation, bei der die während der Gärung entstandenen organischen Säuren in Methan und Kohlendioxid umgewandelt werden.
• Die Kompostierung von Abwasserrückständen ist ein bio-thermischer aerober Prozess, bei dem der organische Anteil der Rückstände um etwa 25 Prozent abgebaut wird. Vor der Kompostierung ist eine Entwässerung der Rückstände erforderlich. Durch die Entwässerung wird nicht nur das Volumen des Überschusses verringert, sondern auch die Menge an Feuchtigkeit, die durch die bei der Zersetzung des organischen Anteils des Rückstands entstehende Wärme verdunstet. Das Problem bei der Kompostierung von Rohrückständen ist der stärkere Geruch der Rückstände mit einem höheren Anteil an organischem Material. Zur Geruchskontrolle können verschiedene Methoden eingesetzt werden. Im Allgemeinen wird der Geruch durch Zugabe von Branntkalk (CaO) kontrolliert, um den pH-Wert der Rückstände zu verändern. Wenn der Geruch weiterhin ein Problem darstellt, kann das einfache Verfahren, Luft durch den Komposthaufen zu saugen und die Luft in einen Biofilter zu leiten, den Geruch weiter reduzieren.

Trocknung. Die Art und Population der Mikroorganismen variiert während des Kompostierungsprozesses. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Kompostierungsumgebung so zu steuern, dass die Mikroorganismen gedeihen können. Zu den Parametern der Kompostierungsumgebung gehören die Temperatur des Komposthaufens, der Feuchtigkeitsgehalt des Komposts, der Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalt im Komposthaufen und die Verfügbarkeit von Nährstoffen wie Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Kalium für die Mikroorganismen. Diese Parameter müssen überwacht werden, da sie die Vitalität der Mikroorganismen beeinflussen. Sauerstoff wird dem Komposthaufen durch Luftzufuhr zugeführt. Die Menge der zugeführten Luft hängt vom Feuchtigkeitsgehalt des Komposthaufens ab. Je höher der Feuchtigkeitsgehalt ist, desto mehr Luft wird benötigt. Ein Mindestgehalt an Sauerstoff muss eingehalten werden, während der Kohlendioxidgehalt einen Höchstwert nicht überschreiten darf.

Quelle: https://pixabay.com/images/search/sewage%20sludge%20composting/

3.2 Nährstoffrückgewinnung

Bei der Nährstoffrückgewinnung werden Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor aus verbrauchten Wasserströmen zurückgewonnen, die andernfalls entsorgt würden, und in einen umweltfreundlichen Dünger für ökologische und landwirtschaftliche Zwecke umgewandelt. Dieses Verfahren trägt zur Reinigung des Abwassers bei, indem es diese Nährstoffe entfernt und sie schließlich in ein effizientes, wiederverwendbares Ausgangsmaterial umwandelt. Mit diesen Zielen vor Augen wurden in der Abwasserindustrie verschiedene Verfahren entwickelt, um diese Nährstoffe optimal zurückzugewinnen.

Die Rückgewinnung von Nährstoffen bietet Kommunen die Möglichkeit, Einnahmen zu erzielen und gleichzeitig landwirtschaftliche Betriebe mit veredeltem, verwertbarem Phosphor zu versorgen – einer zunehmend knappen natürlichen Ressource. Darüber hinaus ermöglicht es den Abwasserbetrieben, nicht nur als Kläranlage zu fungieren, sondern letztlich als Mittel zur Ressourcenrückgewinnung, wodurch sich die Wahrnehmung der traditionellen Abwasserbehandlung ändert. Das Nährstoffrecycling aus Kläranlagen wirkt sich positiv auf die Umwelt aus, da es den Bedarf an konventionellen Düngemitteln auf fossiler Basis und damit auch den Wasser- und Energieverbrauch reduziert.

Die Rückgewinnung von Nährstoffen aus dem Abwasser kann aus Rohabwasser, vorbehandelten Abwasserströmen und Klärschlamm (Biosolids) erfolgen [10].

Derzeit wird Phosphor (P) in Kläranlagen hauptsächlich durch chemische Verfahren wie die Struvit-Kristallisation zurückgewonnen, z. B. durch die Technologien Pearl, NuReSys und AirPrex, die in großem Maßstab eingesetzt werden [11]. Gegenwärtig werden in Europa mehr als 2000 Mg P/Jahr technisch zurückgewonnen [12]. Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der Struvitkristallisation sind die hohen Chemikalienkosten und die ungewollte Struvitbildung, die Ventile, Rohre, Pumpen usw. verstopft. Auch wenn die hohen Betriebskosten die wirtschaftliche Durchführbarkeit der Nährstoffrückgewinnung einschränken, könnte das System eine breite Palette anderer Vorteile bieten. So könnte die Nährstoffrückgewinnung aus dem Abwasser die Produktion von Schlamm und unerwünschten Ausfällungen erheblich reduzieren, so dass die mit den unerwarteten Substanzen verbundenen Entsorgungskosten besser kontrolliert oder sogar gesenkt werden könnten. Außerdem könnte die Nährstoffrückgewinnung aus dem Abwasser die Entwässerung des behandelten Schlamms verbessern und die Ablagerungsgeschwindigkeit verringern, was beides zu einer Verbesserung des Abwassermanagements führt [14]. Die Nährstoffrückgewinnung könnte auch die Ammonium- und Phosphatkonzentration im Abwasser einer Kläranlage verringern und damit die Eutrophierung der Gewässer verhindern. Allerdings würden sowohl die Vorteile für die Umwelt als auch die staatlichen Vorschriften nicht dazu dienen, die Nährstoffrückgewinnung auszulösen, wenn es keine ausreichenden wirtschaftlichen Anreize gibt.

Neue Technologien zur Nährstoffrückgewinnung

Ye et al. 2020 wiesen darauf hin, dass mikrobielle Brennstoffzellen (MFC) als fortschrittliche Technologie für die Nährstoffrückgewinnung Strom erzeugen und einen hohen pH-Bereich für die chemische Abscheidung bieten könnten [15]. Die Technologie ist sehr vielversprechend für die Rückgewinnung von Nährstoffen. Daher sollten die MFC und ihre Modifikationen für die Rückgewinnung von Nährstoffen in der Abwasserbehandlung umfassend erforscht werden.

In diesem Szenario sind die Vorwärtsosmose (FO), die Membrandestillation (MD) und die Elektrodialyse (ED) die drei wichtigsten Membrantechnologien, die für die Nährstoffrückgewinnung eingesetzt werden. MD- und ED-Verfahren sind mit MFCs kompatibel, während MFCs zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus verdünntem Abwasser eingesetzt werden. Eine solche Integration könnte zweifellos die Qualität und Quantität der zurückgewonnenen Nährstoffe erhöhen und ist in der Zukunft realisierbar. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Erhöhung der anaeroben Freisetzung von Phosphat in den vorhandenen Tanks in ausreichender Menge [16]. Darüber hinaus können die Eigenschaften der Feed-Lösung die Leistung des Membranbioreaktors bestimmen, da sie sich direkt auf die Schlammeigenschaften, das Fouling der Membran und den Permeatfluss auswirken [17]. Die Rolle der Feed-Lösung in OMBR-Systemen ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden. Es ist notwendig, weitere Studien durchzuführen, um die Durchführbarkeit verschiedener Abwasserquellen in Bezug auf die Nährstoffrückgewinnung zu bewerten und gegebenenfalls eine geeignete Vorbehandlung für die Zulauflösung vorzuschlagen. In diesem Fall können sowohl die technische Durchführbarkeit des Nährstoffrückgewinnungssystems als auch seine Leistung verbessert werden.

Für die Zukunft ist zu erwarten, dass neue Forschungsarbeiten zur Weiterentwicklung wirtschaftlicher Abwasserbehandlungssysteme führen, insbesondere zu Hybridsystemen auf der Grundlage osmotischer Membranbioreaktoren (OMBR) und bioelektrochemischer Systeme (BES).

Dies kann neue Möglichkeiten für UnternehmerInnen und ExistenzgründerInnen schaffen.

3.3 Rückgewonnenes Wasser

Warum gereinigtes Abwasser wiederverwenden?

Nur 2,5 % des auf unserem Planeten verfügbaren Wassers ist Süßwasser. Mit dem raschen Anstieg der Weltbevölkerung, der Beschleunigung der Urbanisierung und der globalen Erwärmung wird diese Ressource immer knapper. Die übermäßige Entnahme von Wasser ist eine der Hauptursachen für die Wasserknappheit. Die Hauptbelastung durch den Wasserverbrauch konzentriert sich auf die Bewässerung und den Bedarf der Haushalte, einschließlich des Tourismus. Die Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser als alternative Quelle für die Wasserversorgung wird inzwischen von internationalen, europäischen und nationalen Nachhaltigkeitsstrategien anerkannt. Das UN-Ziel für eine nachhaltige Entwicklung im Bereich Wasser (SDG 6) sieht eine deutliche Steigerung des Recyclings und der sicheren Wiederverwendung bis 2030 vor. Die Wiederverwendung von Wasser ist eine der obersten Prioritäten im strategischen Umsetzungsplan der Europäischen Innovationspartnerschaft für Wasser, und die Maximierung der Wiederverwendung von Wasser ist ein spezifisches Ziel in der Mitteilung „Blueprint to safeguard Europe’s water resources“. Die Wiederverwendung von behandeltem Abwasser kann erhebliche ökologische, soziale und wirtschaftliche Vorteile bringen. Dem Blueprint zufolge kann die Wiederverwendung von Wasser den Zustand der Umwelt sowohl in quantitativer als auch in qualitativer Hinsicht verbessern und den Druck durch den Ersatz von Wasserentnahmen verringern. Im Vergleich zu alternativen Quellen der Wasserversorgung wie Entsalzung oder Wassertransfer erfordert die Wiederverwendung von Wasser häufig geringere Investitionskosten und Energie, wodurch die Treibhausgasemissionen reduziert werden.

Die Wiederverwendung von Wasser kommt dem Wassersektor im weiteren Sinne zugute, der eine Schlüsselkomponente der ökoindustriellen Landschaft der EU ist. Die Wiederverwendung von Wasser birgt ein erhebliches Potenzial für die Schaffung von grünen Arbeitsplätzen in der Wasserindustrie. Schätzungen zufolge könnten bei einer Steigerung der Wachstumsrate in der EU-Wasserindustrie um 1 % bis zu 20 000 neue Arbeitsplätze entstehen [18]. Derzeit macht die Menge des jährlich wiederverwendeten behandelten kommunalen Abwassers etwa 2,4 % der behandelten kommunalen Abwässer und weniger als 0,5 % der jährlichen Süßwasserentnahme in der EU aus. Das Potenzial in der EU ist jedoch viel höher und wird auf das Sechsfache der derzeitigen Menge geschätzt. Sowohl in den südlichen Mitgliedstaaten wie Spanien, Italien, Griechenland, Malta und Zypern als auch in den nördlichen Mitgliedstaaten wie Belgien und Deutschland gibt es bereits zahlreiche Initiativen zur Wiederverwendung von Wasser für Bewässerung, industrielle Zwecke und zur Anreicherung von Grundwasser. Zypern und Malta verwenden bereits mehr als 90 % bzw. 60 % ihrer Abwässer wieder, während Griechenland, Italien und Spanien zwischen 5 und 12 % ihrer Abwässer wiederverwenden, was eindeutig auf ein Potenzial für eine weitere Verbreitung hinweist.

Die Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser aus Kläranlagen für die Landwirtschaft und die Bewässerung von Grundstücken, für industrielle Zwecke, für die Toilettenspülung und die Auffüllung des Grundwassers ist ein Schlüsselelement der derzeit umgesetzten Strategie, die auf die Freigabe von Süßwasser für den häuslichen Gebrauch, die Verbesserung der Abwasserqualität der Kläranlagen und folglich auf eine bessere Qualität des Flusswassers für die Trinkwasserentnahme abzielt [19]. Die Verwendung von gereinigtem Abwasser zur Bewässerung in der Landwirtschaft ist seit vielen Jahren bekannt und kann die Wasserversorgung sicherstellen, um damit Bedarf der Landwirtschaft zu decken und den lokalen Wasserbedarf zu verringern. Darüber hinaus verringern die im Abwasser enthaltenen Nährstoffe den Bedarf an Handelsdünger. Es wird empfohlen, Abwässer aus der Zweitbehandlung für die Bewässerung von Non-Food-Kulturen zu verwenden, während Abwässer aus der Drittbehandlung für die Bewässerung von Nahrungsmittelkulturen eingesetzt werden.

Die Wiederverwendung von kommunalem Abwasser kann geplant (direkt oder indirekt) oder ungeplant erfolgen, was meist mit nicht trinkbaren Verwendungen zusammenhängt. Es gibt jedoch auch Fälle von ungeplanter Wiederverwendung für trinkbare Zwecke. Die Wiederverwendung von kommunalem Wasser betrifft hauptsächlich die Bewässerung von Haushalten und die gewerbliche Nutzung für Brandschutz, Autowäsche, Toilettenspülung usw. Die Hauptprobleme im Zusammenhang mit der städtischen Wiederverwendung sind: Risiken für die menschliche Gesundheit und hohe Kosten für duale Systeme für die Bereitstellung von aufbereitetem Wasser [20]. Bei der indirekten Trinkwassernutzung wird hochwertiges Kläranlagenabwasser direkt in das Grundwasser oder in Oberflächengewässer eingeleitet, um die Trinkwasserversorgung zu verbessern. Eine andere Lösung ist die direkte Trinkwassernutzung (pipe to pipe), bei der das gereinigte Abwasser direkt in ein Wasserverteilungssystem eingeleitet wird [21].

Die direkte Trinkwassernutzung erhöht jedoch die Betriebskosten aufgrund der sehr hohen Anforderungen an die Abwasserqualität erheblich. Auch die fehlende soziale Akzeptanz spielt eine wichtige Rolle.

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Aufbereitetes Wasser für industrielle Prozesse

Je nach den Anforderungen an die Wasserqualität, den Platzverhältnissen und den finanziellen Erwägungen gibt es verschiedene Methoden für das Recycling oder die Wiederverwendung von industriellem Wasser. Zu den Vorteilen gehören die Verringerung der Frischwasserkosten, der Abwasserströme und der Größe des Wasser-Fußabdrucks. Zusammen mit der verbesserten Produktionskapazität aufgrund der höheren Verfügbarkeit von sauberem Wasser können auch die betriebliche Effizienz und Nachhaltigkeit gesteigert werden.

Technologien

Bei der Abwasseraufbereitung sind Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) die in der Industrie am häufigsten angewandten Membrantrennverfahren. Auch die Vorwärtsosmose (FO) wurde kürzlich als fortschrittliche Membrantechnik für die Abwasseraufbereitung eingeführt. Eine Reihe anderer fortschrittlicher Wasserreinigungstechnologien wie Aktivkohle, Ionenaustausch, Deionisierung, Elektrodeionisierung, UV (Ultraviolett), Ozondesinfektion und Chemikaliendosierung werden für industrielle Anwendungen eingesetzt.

In der Abwasserbehandlung hat sich die Membrantechnologie als Schlüsseltechnologie für die Abtrennung von Schadstoffen aus verschmutzten Quellen erwiesen [22]. Membranen sind selektive Barrieren, die zwei unterschiedliche Phasen voneinander trennen und den Durchgang bestimmter Komponenten ermöglichen, während andere zurückgehalten werden. Das Mittel, das Membranprozesse in Gang setzt, kann ein Druckgefälle und ein chemisches oder elektrisches Potenzial über der Membran sein. Membranverfahren beruhen auf einer physikalischen Trennung, in der Regel ohne Phasenwechsel und ohne Zugabe von Chemikalien in den Zufuhrstrom, und stellen somit eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren der Abwasserbehandlung dar (d. h. Destillation, Fällung, Koagulation/Flockung, Adsorption durch Aktivkohle, Ionenaustausch, biologische Behandlung usw.) [22, 23]. Der geringe Energieverbrauch, die Verringerung der Anzahl der Verfahrensschritte, die größere Trennleistung und die höhere Qualität des Endprodukts sind die Hauptvorteile dieser Verfahren [22-24]. Allerdings schränkt die begrenzte chemische, mechanische und thermische Beständigkeit der Membranen ihre Anwendung ein. Es wurden große Anstrengungen unternommen, um sowohl den Durchfluss als auch die Selektivität der Membranen zu verbessern. Darüber hinaus haben sich einige ForscherInnen auf die Kontrolle der Membranverschmutzung konzentriert, welches das Hauptproblem bei der Anwendung von Membranen in der Abwasseraufbereitung darstellt. Infolgedessen hat sich die Leistung erheblich verbessert, und die kommerziellen Märkte für Membranen sind in den letzten Jahren gewachsen.

Der Erfolg von Membranverfahren in der Abwasserbehandlung ist auf die Kompatibilität zwischen verschiedenen Verfahren in integrierten Systemen zurückzuführen. Die Abwasserbehandlung durch integrierte Systeme bietet heutzutage die Möglichkeit, umweltschädliche Auswirkungen zu reduzieren, den Grundwasser- und Energieverbrauch zu senken und wertvolle Verbindungen als Nebenprodukt zurückzugewinnen. Der Membranbioreaktor (MBR), der Membranfiltration mit biologischer Behandlung kombiniert, gilt als eines der erfolgreichsten hybriden Membransysteme in der Abwasserbehandlung.

Druckbetriebene Membranverfahren, MBRs sowie eine Kombination von Membranverfahren in Hybridsystemen zur Abwasserbehandlung werden in verschiedenen Branchen eingesetzt.

 

Rückgewonnenes Wasser für die Bewässerung

Die Landwirtschaft ist bei weitem der größte Wasserverbraucher weltweit. Auf die Bewässerung von landwirtschaftlichen Flächen entfallen 70 % des weltweit verbrauchten Wassers. In mehreren Entwicklungsländern macht die Bewässerung bis zu 95 % des gesamten Wasserverbrauchs aus und spielt eine wichtige Rolle für die Nahrungsmittelproduktion und die Ernährungssicherheit. Die zukünftigen landwirtschaftlichen Entwicklungsstrategien der meisten dieser Länder hängen von der Möglichkeit ab, die Bewässerungslandwirtschaft zu erhalten, zu verbessern und auszuweiten.

Die Wiederverwendung von Wasser wird in mehreren EU-Mitgliedstaaten, aber auch in Israel, Kalifornien, Australien und Singapur erfolgreich praktiziert. Allerdings wird diese Praxis in der EU bisher unter ihrem Potenzial eingesetzt. Das begrenzte Bewusstsein für die potenziellen Vorteile bei den Interessengruppen und der breiten Öffentlichkeit sowie das Fehlen eines unterstützenden und kohärenten Rahmens für die Wasserwiederverwendung wurden als zwei der Haupthindernisse für eine weitere Verbreitung dieser Praxis in der EU ermittelt. Aus diesen Gründen hat die Kommission 2018 eine Verordnung vorgeschlagen, um die Wiederverwendung von Wasser zu fördern, wenn sie kosteneffizient und sicher für Gesundheit und Umwelt ist.

Die neue Verordnung über Mindestanforderungen an die Wiederverwendung von Wasser für die landwirtschaftliche Bewässerung ist kürzlich in Kraft getreten und soll die Wiederverwendung von Wasser in der EU fördern und erleichtern [25]. Die Kommission hat auch verschiedene Schlüsseldokumente erstellt, die unter ec.Europa.eu [18] zu finden sind.

Potenzielle Krankheitserreger müssen aus dem Abwasser entfernt werden. Wenn die pathogenen Organismen bei der Behandlung nicht spezifisch verarbeitet werden, sollte die Verwendung des behandelten Abwassers sorgfältig geprüft werden. Verschiedene Parameter beeinflussen die effiziente Entfernung von pathogenen und Indikator-Mikroorganismen [26]. Die Bewertung von Technologien zur Entfernung von Krankheitserregern basiert meist auf Indikatoren für fäkale Verunreinigungen, wie z. B. Gesamtcoliforme, thermotolerante Coliforme oder Escherichia coli. Chlor, Ultraviolett (UV), Ozon, Reifungsteiche, CW, Membranfiltration, Tiefbettfiltration und elektrochemische Verfahren sind Techniken, die zur Desinfektion eingesetzt werden [26]. Was den Einsatz von Oxidationsmitteln zur Desinfektion, Natriumhypochlorit (NaClO) und Ozon betrifft, so finden sich in der Literatur mehrere Praxisbeispiele, die sich auf Rückgewinnungssysteme für die Bewässerung beziehen. Die Ultraviolettbehandlung wird in mehreren Leitlinien als die beste verfügbare Technologie zur Desinfektion von aufbereitetem Wasser empfohlen, die nicht mit übermäßigen Kosten verbunden ist, insbesondere bei Anwendungen mit hohem bis mittlerem Kontakt zur Wiederverwendung [26]. Was die biologische Behandlung anbelangt, so werden Reifeteiche in mehreren Leitlinien, darunter auch von der WHO, als die beste Praxis angesehen [27]. Diese Methode hat einige Vor- und Nachteile. Weitere Informationen finden Sie unter TheWaterTreatments.com [28].

Als Alternative zu Bettfiltration und chemischer Behandlung ist die Membranfiltration eine Technologie, die häufig als wirksam für die Entfernung von Krankheitserregern aus Abwasser für die Bewässerung angesehen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass eine vollständige Reduzierung von Viren mit einer Ultrafiltrationsmembran (UF) möglich ist, was bedeutet, dass auf ein chemisches Desinfektionsverfahren verzichtet werden könnte [27].

Endokrin wirksame Chemikalien (EWCs) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer schädlichen Auswirkungen auf Mensch und Tier zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. Das Vorhandensein von EWCs in Bewässerungswasser und landwirtschaftlichen Böden kann zu einer Verunreinigung von landwirtschaftlichen Erzeugnissen führen und ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen. Neue Technologien zur Entfernung von EWCs aus Abwässern bieten neue Möglichkeiten für Unternehmer und Start-ups.

Quelle: https://pixabay.com/images/search/agriculture%20water/?pagi=2

3.4 Energierückgewinnung

Die Energierückgewinnung in Kläranlagen ist ein wichtiger politischer Hebel für die Nachhaltigkeit, da sie den Kohlenstoff-Fußabdruck der Abwasserbehandlung erheblich verringern kann. Die Abwasserbehandlung erfordert einen erheblichen Energieverbrauch. Eine Analyse der im Abwasser enthaltenen chemischen und thermischen Energie zeigt, dass bis zu 14 Mal mehr Energie vorhanden ist, als für die Behandlung benötigt wird. Obwohl es sich dabei größtenteils um minderwertige Wärme handelt, sollte es theoretisch immer noch möglich sein, in Kläranlagen eine positive Energiebilanz zu erzielen.

In Kläranlagen kann die Energierückgewinnung durch [29-30] Folgendes erfolgen:

• Erzeugung von Biogas. In einem Fermenter wird durch anaerobe Vergärung (AD) Biogas erzeugt, das die Hauptenergiequelle in Kläranlagen darstellt. Das Biogas kann zum Heizen und/oder zur Stromerzeugung verwendet werden. Die Steigerung der Effizienz der anaeroben Vergärung ist eine gängige Praxis, um die Energieautarkie von Kläranlagen zu erhöhen.
• Wärmepumpen in Kläranlagenabwässern, und
• Energierückgewinnung aus verschiedenen Hochtemperaturströmen durch Wärmetauscher

Zu der Optimierung von anaeroben Vergärung gehören verschiedene Vorbehandlungsmethoden für Klärschlamm, die auf eine höhere biologische Abbaubarkeit des Schlamms abzielen. Die derzeit gängigsten auf dem Markt erhältlichen Technologien sind mechanische und thermische Vorbehandlungsverfahren. Thermische Hydrolyse (THP)-Technologien wie Cambi, Biothelys, Exelys sind die am häufigsten eingesetzten Technologien zur Verbesserung der anaeroben Faulung in Kläranlagen. Die erste Kläranlage in Nordamerika (Washington, DC, USA), die die Cambi-Technologie einsetzte, verzeichnete eine 50%ige Steigerung der Biogasproduktion. Die Co-Vergärung von Klärschlamm mit anderen biologisch abbaubaren Abfällen ist eine weitere Option, die eine Reihe von wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen bietet. Die Co-Vergärung von organischen Abfällen in Kombination mit Klärschlamm ermöglicht es den Kläranlagen nicht nur, energieneutral zu arbeiten, sondern auch die Kosten für die kommunale und industrielle Bewirtschaftung organischer Abfälle zu senken. So wird beispielsweise in Mossberg (Deutschland) seit 10 Jahren eine Co-Vergärung von Klärschlamm mit sechs verschiedenen Co-Substraten durchgeführt. Die Wärme- und Energieproduktion in der Kläranlage von Mossberg ist deutlich höher als der interne Bedarf der Kläranlage. Die überschüssige Energie wird in das Netz eingespeist, während die überschüssige Wärme zur Trocknung von entwässertem Klärschlamm aus anderen Kläranlagen verwendet wird.

Die von den bestehenden autarken Kläranlagen am häufigsten genutzten Technologien sind die „Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)“, die gleichzeitig Strom und Wärme aus Biogas erzeugt. Zuverlässige und wirtschaftliche Wärmequellen für den Einsatz in Wärmepumpen sind die Abwässer aus kommunalen Kläranlagen [31]. Die Wärme aus Kläranlagen kann zum Heizen und Kühlen von Wohn, Sozial- und Verwaltungsgebäuden der Anlage und/oder benachbarter Infrastruktur genutzt werden.

In der dänischen Stadt Odense liefert eine Kläranlage Wärme und elektrische Energie für eine Bevölkerung von fast 400.000 EinwohnerInnen und hat eine 150-prozentige Energiepositivität erreicht, wodurch sie Strom und Wärme für das lokale Netz erzeugt. Ermöglicht wurde die Umstellung durch eine sorgfältige Analyse historischer Betriebsdaten, die eine Reihe von Energieoptimierungsoptionen aufzeigte, von denen viele eher durch Änderungen der Betriebsstrategien als durch umfangreiche Anlagenerneuerungen umgesetzt wurden. Seit den ersten Änderungen wurde eine Reihe von Verbesserungen an der Anlage vorgenommen, so dass eine Energiebilanz von 200 % erreicht werden konnte. Die technischen Maßnahmen basierten auf einer sehr klaren Einstellung zur „Kohlenstoffneutralität“ im gesamten Unternehmen, was wiederum zur Entwicklung und Festlegung eines sehr ehrgeizigen Umweltziels des Unternehmens führte [32].

Quelle: https://www.billundbiorefinery.com/

Legende:

Wasterwater Treatment Plant = Abwasserbehandlungsanlage

Wastewater = Abwasser

Sludge = Klärschlamm

Organic waste from Households = Organische Abfälle von Haushalten

Organic Waste from Industry = Organische Abfälle von der Industrie

Manure and organic waste from Agriculture = Gülle und organische Abfälle aus der Landwirtschaft

Biogas = Biogas

Electricity = Elektrizität

Heat = Hitze

Energy Factory Thermal Hydrolysis = Energiefabrik – thermische Hydrolyse

Bioplastic = Bioplastik

Phosphorus (Fertiliser) = Phosphorus (Düngemittel)

Organic Fertiliser = Organisches Düngemittel

Clean Water Improved Quality = Klares Wasser/ verbesserte Qualität