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Technologie

2.1.08 Semi-dezentrales Konzept für ein Neubaugebiet – Das Wasserhaus Knittlingen

Beim Anschluss von Neubaugebieten an die Wasserver- und -entsorgung stehen Kommunen vor der Wahl: Sollen sie das bereits bestehende Kanalsystem erweitern oder eine dezentrale Lösung umsetzen? In einem Modellprojekt in Knittlingen bei Pforzheim zeigt das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, welche Vorteile ein semidezentrales Konzept bietet: Weil es Regenwasser nutzt, senkt es den Frischwasserverbrauch. Außerdem erzeugt es Dünger für Landwirte und ist energieautark zu betreiben.

Industriestaaten setzen bei der Abwasserentsorgung in der Regel auf das Prinzip der Schwemmkanalisation: Regenwasser verdünnt das Abwasser, bevor es zur zentralen Kläranlage gelangt. Dieses Verfahren ist kontraproduktiv, denn die Kläranlage muss die Inhaltsstoffe dem Wasser mit hohem Aufwand entziehen. Eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Alternative können kreislauforientierte semi-dezentrale Systeme für die Wasserver- und Abwasserentsorgung sein – auch in Schwellen und Entwicklungsländern.

In dem Projekt „Dezentrales Urbanes Infrastruktursystem 21“ (DEUS 21) hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) ein solches Konzept für ein 2005 erschlossenes Neubaugebiet mit 100 Grundstücken in Knittlingen bei Pforzheim umgesetzt. Projektbegleitend vergleicht das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) die ökologischen und ökonomischen Aspekte der Anlage mit herkömmlichen Verfahren.

Aufbereitetes Regenwasser

Herzstück der Anlage ist das „Wasserhaus“ am Rande des DEUS 21-Wohngebiets. Es ist sowohl technisches Betriebsgebäude als auch Informationszentrum für Anwohner und Besucher. Das von den Dächern und Straßen abfließende Regenwasser wird in unterirdischen Zisternen gespeichert und im Wasserhaus aufbereitet. Ziel ist es, das Regenwasser so aufzubereiten, dass es Trinkwasserqualität erreicht, um es in einem separaten Netz in die Wohnhäuser leiten zu können: für die Toilettenspülung und Gartenbewässerung, Wasch- und Spülmaschinen sowie zum Waschen und Duschen. Zunächst wird das aufbereitete Regenwasser noch über einen längeren Zeitraum untersucht; in dieser Testphase erhalten die Anwohner über eine zweite Leitung Trinkwasser der Stadt Knittlingen.

Das Wasserhaus in Knittlingen

Das Wasserhaus in Knittlingen
Das Wasserhaus in Knittlingen
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Ein Vakuumkanalsystem saugt das Abwasser der Haushalte aus Übergabeschächten vor den Häusern ab, im Wasserhaus wird es in einem anaeroben Reinigungsreaktor mit integrierter Membrantechnik aufbereitet. Den nötigen Unterdruck erzeugt die eingebaute, 2005 in Betrieb genommene zentrale Vakuumstation. Die Bauherren können auch eine Vakuumleitung in ihr Haus verlegen lassen und somit eine wassersparende Vakuumtoilette und einen Shredder für Küchenabfälle installieren.

Abgetrennte Feststoffe

Vorversuche hatten gezeigt, dass die Abwasserreinigung besser funktioniert, wenn die Feststoffe vorher abgetrennt werden. Die abgesetzten Feststoffe werden deshalb separat bei 37 Grad Celsius nach dem am Fraunhofer IGB entwickelten Verfahren der Hochlastfaulung mit integrierter Mikrofiltration behandelt. Täglich entstehen aus der Vergärung der Feststoffe bis zu 5.000 Liter Biogas. Die hydraulische Verweilzeit im Reaktor beträgt etwa zehn Tage, die Verweilzeit der Feststoffe ist in gewissem Umfang frei einstellbar, liegt jedoch deutlich höher. Ein unbeheizter, voll durchmischter Bioreaktor mit einem Volumen von zehn Kubikmetern behandelt den Überlauf des Absetzbehälters (circa 99 Prozent des Zulaufs); der Ablauf erfolgt über vier parallele Rotationsscheibenfilter (Porendurchmesser: 0,2 μm).

Selbst bei niedrigen Temperaturen funktioniert die anerobe Kläranlage zuverlässig: Die Ablaufwerte lagen selbst bei Temperaturen im Reaktor bis 13° C unter 150 Milligramm des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) je Liter (Grenzwert für Kläranlagen für weniger als 1.000 Einwohner).

Reaktor

Die Zulaufkonzentrationen liegen zwischen 400 und 1.100 Milligramm CSB je Liter, der durchschnittliche Abbaugrad lag bei 85 Prozent. Im Reaktor zur Reinigung des Überlaufs der Vorklärung betrug die maximale Biogasproduktion zusätzlich rund 3.000 Liter täglich. Der Zuwachs der Biomasse ergibt etwa zehn Prozent der beim Belebtschlammverfahren zu erwartenden Menge von Überschussschlamm . Die Membranfiltration ist seit Inbetriebnahme im März 2009 durch automatisches Rückspülen mit Filtrat gereinigt worden, eine erste chemische Reinigung fand im April 2010 statt.

Nutzen für die Landwirtschaft

Eine Vakuumstation (links) und Bioreaktoren im Wasserhaus

Eine Vakuumstation (links) und Bioreaktoren im Wasserhaus
Eine Vakuumstation (links) und Bioreaktoren im Wasserhaus
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Der Wasserablauf der Anlage ließe sich für die Bewässerung und Düngung landwirtschaftlicher Flächen nutzen. Der Bioreaktor baut die Nährstoffe Ammonium und Phosphat kaum ab, die sich in relativ hohen Konzentrationen im Abwasser befinden. Durch die Membranfiltration ist das Wasser keimarm, somit gefahrlos als Dünger geeignet. Bei stichprobenartigen Untersuchungen wurden im Ablauf der für die Membranfiltration eingesetzten Rotationsscheibenfilter keine Escherichia coli Bakterien nachgewiesen, obwohl sie im Reaktorschlamm in Größenordnungen von einer Million pro Milliliter vorkommen.

Ist der Einsatz als Dünger nicht möglich, sind Verfahren zur Rückgewinnung des Ammoniums und Phosphats eine Alternative: Ein elektrochemischer Prozess fällt die Nährstoffe als Struvit aus (MAP, Magnesiumammoniumphosphat). Überschüssiges Ammonium wird durch einen Ionenaustauschprozess an Zeolith gebunden und durch Luftstrippung als Ammoniumsulfat zurückgewonnen.

Energieautarker Betrieb

Die rein anaerobe Verfahrenstechnik kann die organischen Inhaltsstoffe des Abwassers zum größten Teil zu Biogas umsetzen: Täglich sind es 40 bis 60 Liter je Einwohner – eine herkömmliche Abwasserreinigung durch Schlammfaulung erzielt hingegen lediglich 25 Liter. Der Energiegehalt des durch anaerobe Abwasserreinigung produzierten Biogases beträgt mehr als 100 Kilowattstunden je Einwohner im Jahr. Große Kläranlagen verbrauchen jährlich etwa 30 Kilowattstunden elektrische Energie pro Einwohner (zudem etwa 30 kWh thermisch): Im Vergleich dazu ist eine mindestens energieautarke Abwasserreinigung unter anaeroben Bedingungen möglich.

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik (IGB)

Prof. Dr. Walter Trösch
Dipl.-Ing. Marius Mohr
Nobelstraße 12
70569 Stuttgart
Tel.: 07 11/9 70-42 20
Fax: 07 11/9 70-42 00
E-Mail: walter.troesch@igb.fraunhofer.de
marius.mohr@igb.fraunhofer.dee
Internet: www.igb.fraunhofer.de
Förderkennzeichen: 02WD0457
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