Wassersparen und Bevölkerungsrückgang bereiten den Abwassernetzen Probleme. Deutsche Forscher machen aus den stinkenden Fäkalien jetzt wertvolle Energieträger.
Wasserlose Urinale, Spülkästen mit Stopptaste, Spar-Duschköpfe: die Deutschen sparen mit Leidenschaft Wasser. Verbrauchte der Durchschnittsdeutsche vor 20 Jahren noch 147 Liter am Tag, waren es 2008 nur noch 123. Doch was den Geldbeutel schont, hebelt das Funktionsprinzip des deutschen Kanalnetzes aus. Denn dieses Netz benutzt Wasser als Transportmittel für Urin und Kot – und Wassersparen vermindert seine Transportkapazität. Fäkalien fließen nur langsam ab oder bleiben in den Kanalrohren liegen, bis der nächste starke Regenguss sie in die Kläranlage spült. Die Folge sind Gerüche, die an Stinkbombenangriffe aus der Jugendzeit erinnern, und die langsame Zersetzung der Beton-Kanalrohre.
In schrumpfenden Städten wie Cottbus lässt der Einwohnerschwund die Abwassermengen zusätzlich sinken. In der brandenburgischen Stadt gibt es Ecken, an denen es bei kritischen Wetterlagen nach Fäkalien und faulen Eiern stinkt. An diesen Stellen spült die Stadt mithilfe eines Saug- und Spülwagens die Kanalrohre wöchentlich durch. Mit Wasserdüsen werden sie zudem von Ablagerungen befreit, die sich anschließend absaugen lassen. Auch andere deutsche Kommunen greifen zu solchen Mitteln. Das Problem besteht nicht nur im Osten der Republik. Für weite Teile der westlichen Bundesländer erwarten Demoskopen in den nächsten Jahrzehnten ebenfalls einen Bevölkerungsrückgang.
Wasser im Überfluss
Ein Aufruf an die Deutschen, Trinkwasser wieder zu vergeuden wie in alten Zeiten, wäre sicher keine Lösung. Zwar sind in Deutschland über vier Fünftel des natürlichen Wasserkreislaufs ungenutzt, was Sparsamkeit beim Waschen und Spülen unnötig erscheinen lässt. Doch Wassersparen heißt auch Energiesparen: Wer beim Duschen nur die Hälfte an Wasser verbraucht, muss auch nur halb so viel Wasser erhitzen. Die Deutschen werden es sich also kaum nehmen lassen, den Wasserverbrauch weiter zu drosseln.
Doch es gibt einen Ausweg. Aus der Wassernot im Kanalnetz lässt sich Nutzen ziehen, sagt Jörg Londong. Denn Abwässer, die Fäkalien in hoher Konzentration enthalten, eignen sich für die Produktion von Biogas, erklärt der Professor für Siedlungswasserwirtschaft an der Bauhaus-Universität Weimar. „Je mehr Biomasse in einem Liter Wasser ist, desto effizienter wandeln Bakterien sie in Biogas um”, sagt Londong. Die Umwidmung eines Abfallstoffs zu einem Energieträger würde aus einem der größten Energieverbraucher von Kommunen – die Abwasserentsorgung verbraucht rund 60 Kilowattstunden Strom pro Einwohner und Jahr – einen Energieproduzenten machen.
Regen verdirbt den Rohstoff
Es gibt allerdings einen Haken: Um Biogas effizient aus Abwasser herzustellen, müsste eine grundsätzlich neue Abwasser-Infrastruktur her. Denn durch den Kanal abfließendes Regenwasser verdünnt das Abwasser, was es als Rohstoff für die Biogaserzeugung untauglich macht. Zweitens verläuft die Zersetzung von organischen Substanzen wie Kot und Urin zu Biogas umso effizienter, je wärmer sie sind. Doch wenn das zunächst warme Abwasser durch ein langes Kanalnetz fließt, kühlt es sich ab. Demnach müsste das neue System Regenwasser und Schmutzwasser getrennt führen, und der Weg vom Verbraucher zum Klärwerk sollte möglichst kurz sein. Weil die Kanalrohre nicht allzu lang sein sollten, plädieren Experten wie Londong für ein dezentralisiertes Abwasser-Entsorgungssystem, eine Art Nachbarschafts-Kanalnetz. Statt eines flächendeckenden Rohrnetzes, das alle Abwässer einsammelt und zu einer, meist am Stadtrand gelegenen, zentralen Kläranlage leitet, würden die Städte in Einheiten von jeweils rund 10 000 Einwohnern aufgeteilt, die alle über ein eigenes Kanalnetz mit Biogasanlage verfügen. Ein weiterer Vorteil dabei: „ Das Biogas kann vor Ort in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt werden”, sagt Londong. Dadurch entstünde die Wärme dort, wo sie verbraucht wird: bei den Wohnhäusern. Verluste durch den Transport der Wärme würden minimiert.
In Hamburg soll 2011 der Startschuss für den ersten Test dieses Konzepts in einer deutschen Großstadt fallen. Im Stadtteil Wandsbek beginnen dann die Bauarbeiten für ein Neubauviertel, dessen rund 700 Wohneinheiten an ein dezentrales Abwassernetz angeschlossen werden sollen. Das besteht, laut Plan, aus drei verschiedenen Abwasserströmen: Das Regenwasser fließt durch offene Mulden in einen fußballfeldgroßen Teich. Das fäkalienfreie Haushaltsabwasser wie Dusch- und Spülwasser – die Experten sprechen von „Grauwasser” – gelangt durch ein separates Rohrsystem zur siedlungseigenen Kläranlage, wo es gereinigt und anschließend dem Bächlein Rahlau zugeleitet wird.
Toiletten wie im Flugzeug
Biogas soll aus dem Toilettenabwasser, dem sogenannten Schwarzwasser, entstehen. Um das Schwarzwasser möglichst wenig zu verdünnen, erhalten die Wohnungen Vakuumtoiletten, ähnlich jenen in Flugzeugen. Sie verbrauchen pro Spülung kaum einen Liter Wasser, nur rund 10 bis 15 Prozent so viel wie eine herkömmliche Klospülung. Eine Vakuumpumpe befördert die Luft aus dem Schwarzwasser-Kanalnetz in den luftdichten Reaktor einer Biogasanlage. „Die Kosten für die Vakuumpumpe werden nach bisherigen Berechnungen weitgehend durch die normale Abwassergebühr gedeckt”, sagt Kim Augustin vom Unternehmen Hamburg Wasser, der für das Projekt verantwortlich ist. „Bei der Vergärung entsteht Biogas mit einem hohen Anteil an brennbarem Methan”, erklärt Augustin. Übrig bleibt ein Gärrest, der die Düngerstoffe Phosphor und Stickstoff enthält und auf Feldern landen soll.
Das Wasser, das aus der Anlage kommt, wird allerdings nicht sauber genug sein, um es in die Natur zu entlassen. Es enthält noch organische Stoffe und Reste von Stickstoff und Phosphor, die Algen wachsen lassen. Das Abwasser wird deshalb in die Hamburger Kanalisation geführt. „Aber es könnte auch eine biologische Klärstufe an die Biogasanlage angeschlossen werden, die die restlichen Stoffe entfernt und nur wenige Prozent der erzeugten Energie verbrauchen würde”, sagt Augustin. Das Biogas wollen die Hamburger in ein Blockheizkraftwerk leiten, das Warmwasser bereitet und einen Teil der Wohnungen in der Neubausiedlung beheizt. Der Strom aus dem BHKW soll außerdem Wärmepumpen betreiben. Dadurch soll sich der gesamte Wärmebedarf der Siedlung autark decken lassen.
Biogas aus Kot und Kopfsalat
Dass sich aus Abwässern effizient Energie gewinnen lässt, beweist das semi-dezentrale Abwasser-Entsorgungssystem einer Siedlung mit rund 100 Gebäuden in der baden-württembergischen Kleinstadt Knittlingen. Ein Vakuumrohrsystem leitet das vom Regenwasser getrennte Abwasser sowie zerkleinerte Küchenabfälle zu einer Biogasanlage mit integrierter Mikrofiltration. „Sie erzeugt derzeit eine Gasmenge, die 100 Kilowattstunden pro Einwohner und Jahr entspricht”, erklärt Projektleiter Walter Trösch vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik in Stuttgart.
Die Anlage ist so konzipiert, dass kaum Klärschlamm anfällt. Das Abwasser kann nach der Reinigung versickert oder eingeleitet werden, da Phosphor- und Stickstoff-Bestandteile als Salze zurückgewonnen werden und als hochwertiger Dünger verwertbar sind. Hamburg hat einen deutlich größeren Versuch geplant: „Wir wollen zeigen, dass neue Abwasser-Entsorgungssysteme auch in relativ großem Maßstab in einer Großstadt funktionieren”, sagt Augustin. In 50 Jahren werde Deutschland neue Abwassersysteme brauchen. „Deshalb müssen wir heute anfangen, die Optionen zu testen”, meint Augustin. Die derzeitige Schwemmkanalisation mit einer Kläranlage an ihrem Ende komme nicht nur in die Jahre – mehr als ein Fünftel des deutschen Kanalnetzes ist bereits über 50 Jahre alt. Es genüge auch immer weniger den neuen Anforderungen.
Diese Anforderungen gehen laut Augustin weit über die Geruchs- und Korrosionsproblematik hinaus. So biete das bestehende System keine Lösung für die Belastung des Abwassers mit Arzneimittelrückständen, Hormonen und Pflanzenschutzmitteln. In einigen Bundesländern darf der schadstoffbelastete Klärschlamm nicht mehr als Dünger auf die Felder ausgebracht werden. Er wird stattdessen verbrannt. Das ist ein Problem, weil dadurch der natürliche Kreislauf von Phosphor unterbrochen wird. Da man den Stoff als Pflanzendünger braucht, muss er importiert werden. Manche Rohstoff-Experten warnen indessen, dass Phosphor, der in Minen gewonnen wird, in 10 oder 20 Jahren unbezahlbar sein könnte. Denn die Lagerstätten mit hoher Phosphor-Konzentration werden immer knapper, sodass auch solche mit fein verteiltem Phosphor ausgebeutet werden müssen, was teuer ist. Gleichzeitig wächst die Nachfrage nach dem Düngemittel, da in Schwellenländern wie China der Fleischkonsum und damit die intensive Landwirtschaft zunimmt.
Düngemittel aus der Kläranlage
Aus konzentrierten Abwässern lässt sich Phosphor mit weniger Aufwand rückgewinnen als aus herkömmlichen, sagt Augustin. Auch die Schadstoffe könnten leichter entfernt werden, da sie wie die Wertstoffe konzentriert im Wasser vorliegen. „Aufgrund der vergleichsweise geringen Abwassermengen können auch aufwendigere Verfahren eingesetzt werden, als im konventionellen Betrieb sinnvoll wäre”, erklärt der Hamburger Ingenieur. Ein Beispiel dafür ist die hydrothermale Karbonisierung. Bei dem Verfahren werden aus organischen Verbindungen kohleähnliche Stoffe hergestellt, die sich gut zur Verwertung in der Landwirtschaft eignen. „Bei herkömmlichem Abwasser müsste etwa 20 Mal so viel Wasser behandelt werden, um die Stoffe zu entfernen, was viel teurer wäre”, sagt Augustin. Das Phosphor-Recycling haben die Forscher in Knittlingen bereits demonstriert. Mit einem elektrochemischen Prozess wurden Phosphat und Ammonium ausgefällt: als Struvit – ein Dünger, der Phosphor und Stickstoff enthält.
Doch semi-dezentrale Systeme haben noch Optimierungspotenzial. So zeigt das Knittlinger Projekt, dass ein System mit Vakuumtechnik keine einfache Lösung ist. In einem Fertighaus der Modellsiedlung bildeten sich anfangs unangenehme Gerüche. „Wenn die Entlüftungsrohrleitungen des Fertighausstandards nicht auf den Saugstoß der Vakuumtoiletten abgestimmt sind, werden Syphons leer gesaugt, und Gerüche aus dem Hausnetz können in die Räume gelangen”, sagt Trösch. Haustechnik und Abwasserentsorgung müssen daher aneinander angepasst werden.
zu klein für den Routinebetrieb
Und es gibt noch eine andere wichtige ungeklärte Frage: Wie groß muss ein dezentrales Abwasser-Entsorgungsnetz sein, damit es wirtschaftlich arbeitet? Die Anlage in Knittlingen hat als Forschungsprojekt die Praxistauglichkeit der Technik gezeigt, ist aber zu klein für den Routinebetrieb. „Die Mengen an Phosphor und Stickstoff, die wir recyceln, lohnen kaum den Aufwand”, räumt Walter Trösch ein. Er schätzt die optimale Siedlungsgröße auf 3000 bis 10 000 Einwohner.
Die Expertendebatte dreht sich nicht nur um die optimale Größe, sondern auch um die Realisierbarkeit. Die sei vielerorts noch lange nicht gegeben, meint Johannes Pinnekamp, Leiter des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Denn das deutsche Kanalsystem hat viel Geld gekostet – 80 Prozent der Investitionskosten der Abwasserentsorgung fließen in das Rohrnetz. Und es reagiert träge auf Veränderungen. „Es dauert 80 Jahre, bis ein Kanalnetz abgeschrieben ist”, betont Pinnekamp. „ Vorher kann man es nicht aufgeben, weil es nicht bezahlt ist.” Gerade in Ostdeutschland sind viele Kanalrohre erst 10 bis 15 Jahre alt.
Wie viel der Umbau des Kanalnetzes von einer zentralen in einer dezentrale Struktur kosten würde, lässt sich laut Kim Augustin von Hamburg Wasser wegen der Komplexität der Aufgabe nicht beantworten. „Man kann nicht von einem Tag auf den anderen von einem System zum anderen umschalten”, sagt er. „Daher wird es eine Phase des Nebeneinanders geben müssen, wobei man sich nach den Bedingungen und Anforderungen verschiedener Stadtviertel richten muss.” Diese Anforderungen können je nachdem, ob man sich am Stadtrand oder im Stadtzentrum befindet, sehr unterschiedlich sein.
In Asien oder Lateinamerika sieht es anders aus. Manche Städte Chinas wachsen um 500 000 Einwohner pro Jahr. Zentral angelegte Kanalnetze können keine Kapazität für ein so gewaltiges Wachstum vorhalten. Daher bleiben Abwässer von neuen Siedlungen oft ungeklärt und verunreinigen die Wasserreservoire. Die dezentrale Abwasserentsorgung lockt mit einem Vorteil, der für deutsche Verhältnisse irrelevant ist: die Möglichkeit, Abwasser zu recyceln und somit die Wasserknappheit zu mildern. Bei einem zentralen System müsste gereinigtes Abwasser kilometerweit zum Verbraucher zurücktransportiert werden, beim dezentralen dagegen nur über kurze Strecken. An der Technischen Universität Darmstadt testen Forscher um Susanne Bieker vom Fachbereich Abwassertechnik zurzeit eine Anlage, die in Hanoi eingesetzt werden soll. Sie soll alle Bioabfälle, die in einem Stadtteil der vietnamesischen Hauptstadt anfallen – Klärschlämme aus Faulgruben, Abwässer und Küchenabfälle – in Biogas, Brauchwasser und Dünger umwandeln. Solche Anlagen wollen die Darmstädter Forscher in Neubauvierteln chinesischer Großstädte mit Zehntausenden von Einwohnern einsetzen. ■
bdw-Autor Christian Meier schwimmt liebend gern in Badeseen. Die sollen natürlich abwasserfrei sein.
von Christian Meier
Wasser auf Abwegen
Rund vier Fünftel des Trinkwassers, das in Deutschland durch das öffentliche Leitungsnetz strömt, wird in privaten Haushalten verbraucht: pro Kopf und Jahr rund 123 Liter. Davon dient der größte Teil zum Spülen der Toilette. Ähnlich viel Wasser – rund ein Drittel des privaten Bedarfs – fließt aus den Wasserhähnen von Dusche und Badewanne. Auf Platz drei der Wasserverbraucher in Privathaushalten steht die Waschmaschine. Zum Kochen und Trinken nutzt die deutsche Bevölkerung dagegen nur zwei Prozent des Trinkwassers. In der Industrie sind Unternehmen aus der Chemiebranche die mit Abstand eifrigsten Wassernutzer, gefolgt von Betrieben aus den Bereichen Bergbau, Steine und Erden sowie der Metallindustrie. Der Wasserbedarf von großen Kraftwerken, die teils riesige Mengen an Kühlwasser aus Flüssen entnehmen, ist in dieser Statistik nicht berücksichtigt.
„Die Kosten sinken”
Welche Ansätze verfolgen Sie, Herr Professor Trösch?
Zum einen sammeln wir das Regenwasser von Dächern und Nebenstraßen und bereiten es auf. Danach wird es in Trinkwasserqualität an die Haushalte verteilt. Alle Häuser der Siedlung haben dazu einen zweiten Wasseranschluss. Der zweite Ansatz greift bei den Kläranlagen an. Sie sind die größten Stromverbraucher der Kommunen. Wir wollen die Betriebskosten bei der Abwasserreinigung senken. Dazu haben wir auf eine anaerobe, also sauerstofffreie Reinigung umgestellt. In Knittlingen haben wir erstmals gezeigt, dass das funktioniert – auch bei tiefen Temperaturen.
Wie gelingt es, die Kosten der Abwasserreinigung zu senken?
Wir machen den Schmutz zum Energieträger, indem wir ihn in Biogas verwandeln, das über Kraft-Wärme-Kopplung verwertet wird. Dabei entstehen Wärme und elektrischer Strom. Wir gewinnen damit so viel Energie, wie für den Betrieb der Anlage erforderlich ist.
Was bleibt am Ende übrig?
Zum Beispiel holzige Pflanzenteile. Gegenüber der aeroben biologischen Abwasserreinigung, die normale Kläranlagen anwenden, fallen bei unserem System aber nur ein Zehntel der Reststoffe an. Damit haben wir das Abfallproblem zu 90 Prozent gelöst. Bislang werden die Reststoffe in Baden-Württemberg verbrannt. Künftig wollen wir die Anlage durch eine hydrothermale Vergasung erweitern, die auch die Reststoffe in energetisch nutzbares Biogas verwandelt.
Welchen Vorteil bringt die Technologie den Anwohnern?
Die Abwasserreinigung wird billiger. Zwar kann diese kleine Pilotanlage die Kosten noch nicht deutlich senken. Doch die Anwohner verbrauchen schon jetzt deutlich weniger Wasser. Der Grund ist die Vakuumkanalisation, die zum Spülen der Toilette erheblich weniger Wasser benötigt. Durch den geringeren Wasserdurchsatz können die Abwassergebühren sinken. Und: Die Qualität des Trinkwassers steigt.
Wie viel müssen die Anwohner zunächst investieren?
Die Vakuumtoiletten sind bislang teurer als normale Toiletten, da sie zurzeit nur in kleiner Stückzahl hergestellt werden. Wenn sich diese Technologie weiter verbreitet, wird der Preisunterschied schrumpfen. Längerfristig kompensiert die Einsparung durch den geringeren Wasserverbrauch die höheren Investitionskosten.
Welche Erfahrungen haben Sie bisher mit der Anlage gesammelt?
Die Identifikation der Anwohner mit der Anlage ist extrem groß. Ein Beleg dafür: Während der gesamten Betriebszeit gab es keine Havarie durch Verunreinigungen oder Gifte, die jemand ins Abwasser geschüttet hätte. Allerdings hatten wir wegen der Kleinheit der Anlage am Anfang gelegentlich Probleme mit Verstopfungen. Doch die konnten wir stets lösen. Unser Anspruch, das Wasserhaus emissionsfrei zu betreiben, ließ sich – aus baulichen Gründen – anfangs nicht immer vollständig erfüllen. Beim alltäglichen Umgang mit Wasser ändert sich für die Anwohner nichts.
Könnte man eine solche Anlage überall errichten?
Im Prinzip ja. Die ökonomischen Bedingungen sind allerdings dort besonders gut, wo es noch keine Kanalisation gibt. Ein großer Vorteil ist, dass sich die Anlage jederzeit wieder abbauen lässt – etwa wenn eine größere benötigt wird.
Wie geht es nun weiter?
In Knittlingen werden am Ende etwa 150 Anwohner an das System angeschlossen sein. Die nächste Größenordnung, die wir angehen, sind rund 5000 Anwohner. Dafür suchen wir Standorte in Brasilien, China und Ägypten. Ein weiteres Projekt ist ein Lehr- und Versuchszentrum in Rumänien. Auch in Knittlingen wird es weitergehen. So starten wir demnächst ein Projekt mit der Firma Henkel, bei dem wir untersuchen werden, wie sich Chemikalien aus Reinigungsmitteln und Kosmetikprodukten aus dem Abwasser entfernen lassen. Das System wollen wir künftig modular gestalten, um dadurch die spezifischen Investitionskosten zu reduzieren.
Welche Zukunft haben solche Anlagen in Deutschland?
Unsere Anlagentypen werden künftig vielerorts die traditionelle Kanalisation ergänzen. Diese bleibt als Regenwasserversickerungsanlage zunächst bestehen, während die Häuser nach und nach über Vakuumsysteme an das neue System angeschlossen werden – um sukzessive eine nachhaltige dezentrale Technik zu installieren. ■
Das Gespräch führte Ralf Butscher
Kompakt
· Fäkalien und Küchenabfälle werden in Biogas verwandelt, aus dem sich Strom und Wärme erzeugen lässt.
· Dafür sind dezentrale Abwasseranlagen nötig, die wenig Wasser führen.
· In einer Neubausiedlung in Knittlingen testen Forscher das neuartige Konzept.
Mehr zum Thema
Internet
Homepage des Projekts DEUS 21 („Dezentral Urbanes Infrastruktur-System”): www.deus21.de
Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik: www.igb.fraunhofer.de
Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft: www.bdew.de
Viel Wasser in der Wüste
Der durchschnittliche Wasserverbrauch pro Kopf der Bevölkerung ist weltweit sehr unterschiedlich. Während die Menschen in den Schwellenländern Asiens bislang relativ wenig Wasser verbrauchen, strömt das Nass in den – klimatisch trockenen Arabischen Emiraten sehr verschwenderisch durch die Leitungen. Die Menschen in Deutschland gehen im internationalen Vergleich sparsam mit Wasser – der Bedarf im Nachbarland Schweiz ist fast doppelt so hoch.
Wasserverbrauch in Privathaushalten pro Person und Jahr in Litern
Indien 25
China 86
Belgien 120
Deutschland 123
Frankreich 156
Österreich 162
Schweiz 237
Spanien 270
Japan 278
USA 295
Dubai 500
