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Ein intelligentes Abwasser-Recycling Konzept

Der EMA Euro-Mediterran-Arabischer Länderverein gibt regelmäßig die Zeitschrift Mediterranes heraus. In der neuesten Ausgabe 2/2015 ist ein redaktioneller Beitrag von TIA veröffentlicht.

Insbesondere in Regionen mit knappen Süßwasser-Ressourcen wird die Handhabung und Aufbereitung von Abwasser mehr und mehr zu einer ökologischen und ökonomischen Notwendigkeit. Wenn Abwasser so aufbereitet wird, dass es ohne Bedenken wieder genutzt werden kann, und die Aufbereitung zusätzlich geringere Kosten verursacht als die Gewinnung von Süßwasser (etwa durch Entsalzung), dann ist dies sowohl für öffentliche als auch private Institutionen eine Option.

Die Reinigung von Nutzwasser zu anderen Zwecken als die reine Entsorgung setzt technische Einrichtungen voraus, die nicht nur, aber auch Kosten-Nutzen-Kriterien erfüllen müssen. Für die Aufbereitung von Abwasser, das ohnehin in ein Gewässer eingeleitet, oder zur Bewässerung mit niedrigen Qualitätsanforderungen verwendet würde, kann eine Aufbereitungsanlage konzipiert werden, die wegen kleiner technischer Unzulänglichkeiten oder Spitzen im Zufluss geringe Abweichungen von der normalen Reinigungsqualität aufweist. Für den Bedarf nach hoher Aufbereitungsqualität – wie etwa zur Bewässerung von Bereichen, die im unmittelbaren Kontakt mit Menschen stehen, darunter Golfplätze, Sonnenwiesen in Hotels, Wäschereien, Reinigung, Landwirtschaft und vieles mehr – ist hingegen zu jeder Zeit ein höherer Wasserqualitätsstandard erforderlich. Im Folgenden wird nachzulesen sein, dass eine solche Abwasseraufbereitungsanlage bereits entwickelt wurde und in Kürze in einem Hotelkomplex am Roten Meer in Ägypten in Betrieb geht. Mit diesem vollständig neuen Prozessdesign werden alle Anforderungen an eine sichere Abwasser-Recycling-Anlage zu geringen Kosten erfüllt.

Abgesehen von diesem Projekt ist die gesamte EMA-Region auf Grund der niedrigen Süßwasserverfügbarkeit ein wichtiger Markt für Abwasser-Recycling-Technologien. Das nebenstehende Foto zeigt eine solche Anlage, die für ein Krankenhaus in Syrien konzipiert und gebaut wurde.

Konzeptbeschreibung einer Abwasserbehandlungs- und -aufbereitungsanlage

Ein Konzept für die Aufbereitung von Abwasser, das wieder genutzt (recycelt) werden soll, beinhaltet je nach spezifischen Anforderungen mehrere Aufbereitungsschritte. Das abgebildete Diagramm zeigt die notwendigen Schritte zum Erreichen von drei beziehungsweise vier Qualitätsstufen

A: Vorbehandlung

In der Vorbehandlung werden Fett, Öl, Sand und grobe Feststoffe abgetrennt. Obwohl bei diesem Schritt nicht viel Energie verbraucht wird, fallen dennoch Stoffe an, die entsorgt werden müssen. Dies muss in der Kostenkalkulation berücksichtigt werden. Ein Ausgleichsbecken nach der Vorbehandlung trägt zur Stabilisierung des Prozesses bei, ist aber nicht zwingend erforderlich.

B: Biologische Reinigung

In der biologischen Reinigungsstufe werden die gelösten organischen Schmutzstoffe von Mikroorganismen zersetzt. Hierfür benötigen sie gelösten Sauerstoff, der durch Einblasen von Luft in das Becken zur Verfügung gestellt wird. Dieses sollte so effizient wie möglich gestaltet werden. So genannte Belebtschlamm- oder Biofilm-Reaktoren, oder eine Kombination aus beiden, erfüllen die Voraussetzungen für eine stabile Beseitigung von Schmutzstoffen. Schwebebettreaktoren benötigen wesentlich mehr Energie, um das Biofilmträgermaterial in Schwebe zu halten. Mikroorganismen in Belebtschlammreaktoren sollten ein Schlammalter von mehr als zwanzig Tagen haben, um im Betrieb stabil und geruchsfrei zu sein (in normalen Anlagen: weniger als zehn Tage). Wenn Abwasser biologisch aufbereitet wird, wird so genannter Überschussschlamm (Biomasse) erzeugt, der entfernt und entsorgt werden muss.

C: Biomasse-Abtrennung

Für die Funktion der biologischen Reinigung und als Vorbereitung für das Recycling von Wasser ist es wichtig, Biomasse (Belebtschlamm) vom Wasser zu trennen und zurückzuhalten. Unter Berücksichtigung der Kosteneffizienz zeigen Sedimentationsprozesse die besten Ergebnisse. Lamellen-Schrägklärer verbessern die Abtrennleistung. Die Verwendung von Membranen für die Biomasse-Trennung erfordert einen erhöhten Energierverbrauch und den Einsatz von Chemikalien, sowie Kosten für die Membran-Erneuerung. Nach der Sedimentation erreicht das Wasser die erste Wiederverwendungsstufe: biologisch gereinigtes Wasser.

Am Ende der ersten Wiederverwendungsstufe liegen geruchsfreier Schlamm sowie Wasser mit einem niedrigen Feststoffanteil und höchstens wenigen Keimen vor. Das Wasser kann zur Bewässerung eingesetzt werden, wenn der Kontakt mit Menschen eingeschränkt ist.

D: Desinfizierung und Filtration

Desinfizierung und Filtration sind notwendig, um krankheitserregende Keime und frei- schwebende Feststoffe weiter zu entfernen. Das Wasser kann auf zwei Arten desinfiziert werden: durch eine Chlordosierung – billig, aber unter Einsatz von Chemikalien – oder UV. In diesem Stadium sollte die Filtration vorzugsweise mittels Sand durchgeführt werden, da diese leicht zu handhaben und somit kosteneffizient ist. Das Rückspülwasser der Filtereinheit wird zurück in die biologische Reinigungsstufe geleitet.

Am Ende der zweiten Wiederverwendungsstufe liegen geruchsfreier Schlamm sowie feststofffreies Abwasser mit weiter reduziertem Keimgehalt vor. Es kann für die Bewässerung von Flächen mit stärkerem menschlichem Kontakt wie z.B. Rasen, Golfplätze und Ackerland, in Autowaschanlagen, zur Bodenreinigung und dergleichen mehr genutzt werden.

E: Ultrafiltration

Die weitere Membran-Aufbereitung mit UF (Ultrafiltration) kann sicherstellen, dass die Qualität des wiedergenutzten Wassers konstant hoch bleibt. Selbst im Fall, dass ein vorgelagerter Aufbereitungsschritt fehlschlägt, werden Keime und Feststoffe nicht durch die Membran gelangen. Energie und Chemikalien müssen eingesetzt werden; die Kosten für Austausch und Ersatz dürfen ebenfalls nicht übergangen werden.

Am Ende der dritten Wiederverwendungsstufe liegen geruchsfreier Schlamm sowie feststoff- und keimfreies Abwasser vor. Es kann zur Bewässerung von Rasen, Golfplätzen und Ackerland, in Autowaschanlagen, zur Bodenreinigung, in Wäschereien usw. eingesetzt werden.

F: Umkehrosmose

Theoretisch könnte eine vierte Wiederverwendungsstufe erreicht werden, indem Salz in einer Umkehrosmoseanlage entfernt wird. Mit den vorigen Reinigungsstufen kann dies nicht erreicht werden. Aber abgesehen von den Energie- und anderen Betriebskosten wird die Praktikabilität in den meisten Fällen vom Retentat eingeschränkt: fünf bis zehn Prozent Salzlake bleiben übrig, die entsorgt werden müssen. Am Ende dieser vierten Wiederverwendungsstufe liegt entsalztes Trinkwasser vor.

Technische und verfahrenstechnische Wartung 

Hohe technische und verfahrenstechnische Stabilität bei geringen Betriebsausgaben kennzeichnen die gesamte Anlage. Sie wurde unter sehr warmen Bedingungen getestet, und selbst bei vorübergehenden Betriebsunterbrechungen, wie sie beispielsweise bei einem Stromausfall auftreten können. Nur für die Chlorung und Ultrafiltrierung ist der Einsatz von Chemikalien notwendig. Ein Schwerpunkt liegt auf der Verwendung allein hochwertiger Technologien made in Germany sowie darauf, wartungsintensive und risikobehaftete Teile zu vermeiden, wie zum Beispiel bewegliche Teile unter Wasser. Ziel ist es, eine technologisch stabile und hochentwickelte Anlage mit niedrigen Anforderungen an technische und verfahrenstechnische Wartung zu errichten.

Anforderungen an den Betreiber

Betrieb, Kontroll- und Wartungsarbeiten sind nicht aufwändig und können leicht von örtlichem Personal ohne abwasserspezifische Ausbildung durchgeführt werden. Die notwendige Dauer für den Betrieb der Anlage erhöht sich im Einklang mit den erforderlichen Abwasserqualitäten (Aufbereitungsstufen). Wenn das Abwasser beispielsweise biologisch aufbereitet wird (erste Stufe), dann ist es für gewöhnlich nicht notwendig, die Anlage mehr als einmal wöchentlich zu prüfen.

Es ist sehr wahrscheinlich und vernünftig, dass das Abwasser aus der Anlage von Behörden oder Stadtwerken ebenfalls kontrolliert wird. Dies muss nicht notwendigerweise negativ sein – vorausgesetzt die Anlage ist gut geplant.

Der Kunde beziehungsweise Besitzer trägt neben der Verantwortung für Betrieb und Wartung auch die Verantwortung für die Erd- und Betonarbeiten. Becken und Gebäude können in einem architektonisch einfachen oder aufwändigen Design errichtet werden, letzteres etwa so, dass sie dem Stil des Hotelgebäudes angepasst sind. Im besten Fall werden diese Investitionen zwanzig Prozent des Ausrüstungspreises betragen.

Im Vergleich mit den Kosten für die Entsalzung von Meerwasser (1 bis 1,50 Euro pro m³) liegen die Kosten selbst bei einer Wiedernutzung in hoher Qualität ungefähr 80 Prozent niedriger. Mit hohen Kosten verbundene Reinigungstechnologien wie Entsalzung sind in der EMA-Region sehr gängig. Je höher die Kosten für Süßwasser steigen, desto einträglicher wird die mehrmalige Verwendung von Wasser.

Der Kunde sollte die Qualitätsstufe bestimmen. Er kann sich sicher sein, dass sie garantiert wird. Natürlich ist es auch möglich, Trinkwasserqualität zu erzeugen, aber wozu? Abgesehen von Astronauten würde niemand direkt aufbereitetes Abwasser trinken, selbst wenn dessen Qualität sehr hoch wäre. Um das damit verbundene Ekelgefühl zu vermeiden, müsste eine künstliche Bodenpassage, wie sie bei Grundwasser in der Natur vorkommt, erst noch entwickelt werden.

Entsorgung

Selbstverständlich ist es notwendig, die abgetrennten Abfallprodukte wie Fett, Sand, Siebrückstände und einen Teil des Belebtschlamms, der während der biologischen Aufbereitung erzeugt wird, zu entsorgen. Wenn die Infrastruktur gut entwickelt ist, ist es auf jeden Fall sinnvoll, die unterschiedlichen Abfälle getrennt zu entsorgen. Zum Teil können sie sogar als wertvolle Stoffe (Dünger, Energiequelle für Biogasanlagen usw.) weiter verwendet werden.

Wo die Infrastruktur nicht so gut entwickelt ist, kann der Abfall gemeinsam gelagert und dann in einer Mülldeponie oder dergleichen entsorgt werden. In jedem Fall ist die Anlage so konzipiert, dass die Entsorgung nicht öfter als alle zwei Wochen durchgeführt werden muss – eher alle vier bis acht Wochen.

Biologische Pilot-Anlage in Deutschland

Eine Pilot-Anlage der ersten Wiederverwendungsstufe für ungefähr 500 Personen wurde 2013 in Deutschland errichtet und ist seither erfolgreich in Betrieb. Die Anlage dient zwei Zwecken: einer einfachen und geradlinigen Struktur der Abwasseraufbereitung und einer hohen Betriebssicherheit in der biologischen Stufe mit einem Schlammalter über zwanzig Tagen. Beides wurde von Anfang an vollständig erreicht.

Gegenwärtiges Projekt

Derzeit wird eine Pilot-Anlage ähnlicher Größe mit allen Aufbereitungsqualitäten für einen Hotelkomplex am Roten Meer in Ägypten gebaut. Sie firmiert als Projekt der Deutschen Entwicklungsgesellschaft (DEG) in Zusammenarbeit mit der Universität Rostock und der TU Berlin, Campus El Gouna. Die Anlage soll im Juni 2015 in Betrieb genommen werden.

Eine neu gestaltete Prozesskombination wird eingesetzt werden: ein hybrides biologisches System mit einem so genannten ARS-Reaktor, komplettiert durch eine Membran-Filtrationseinheit, das mehrere Schritte zulässt (siehe Konzeptbeschreibung). Der ARS-Reaktor ist eine Entwicklung von TIA in Zusammenarbeit mit der TU Hamburg Harburg (TUHH). Er stellt einen geruchsfreien und sicheren Betrieb biologischer Abwasserbehandlungsanlagen in der Praxis sicher. 

Die Prozessstabilität unter minimierten Betriebsanforderungen wird ebenso demonstriert und nachgewiesen wie die Wartung und Entsorgungslogistik vor Ort.

Die Abwasseraufbereitungsstufe wird intelligent an die spezifischen Wasseranforderungen angepasst; die Kosten werden diejenigen für entsalztes Wasser unterschreiten, was wiederum zusätzlich zu den ökologischen Vorteilen die finanziellen Anreize veranschaulicht. Das aufbereitete Wasser wird für verschiedene Zwecke genutzt, die innerhalb des Projektes zu bestimmen sind, wie etwa zur Bewässerung eines Golfplatzes, in der Wäscherei oder ähnliches. Mit anderen Worten: Kosteneffizienz einerseits und Betriebssicherheit sowie Abwasserqualität andererseits werden nachgewiesen.

Ziel des Projekts am Roten Meer ist es, unterschiedliche Qualitäten von aufbereitetem Abwasser je nach Zweck der Wiedernutzung zu erzielen, sodass weniger Süßwasser für den täglichen Betrieb des Hotels zu niedrigeren Kosten benötigt wird. Die dezentralisierte Aufbereitung von Abwasser könnte eine wertvolle Option für viele Hotels und Hotelkomplexe insbesondere in der EMA-Region sein. Der stabile und zuverlässige Betrieb der Anlagen ist daher stets von großer Bedeutung.

Offene Fragen bestehen noch in der Entsorgung oder gar der Nutzung der unterschiedlichen Abfallstoffe, die im Verlauf des Prozesses entstehen. Betrieb und Wartung werden vor Ort durchgeführt.

Zusammenfassung

Die Wiedernutzung von aufbereitetem Abwasser ist möglich und kann bei hoher Kosteneffizienz erreicht werden. Die Betriebsstabilität wird im Rahmen eines Pilotprojekts in der Größenordnung von 200 m³ pro Tag demonstriert. Grundlage sind die richtige technische Gestaltung sowie niedrige Betriebs- und Wartungsanforderungen. Dies betrifft hauptsächlich die Vorbehandlungssicherheit, die ausreichende Kapazität des biologischen Systems, die Zurückbehaltung von Biomasse unter spezifischen Umweltbedingungen und ein vernünftiges Maß der Automatisierung für die gesamte Anlage. Wenn die örtliche Infrastruktur Möglichkeiten für die weitere Nutzung der Abfallstoffe bietet, kann die Kosteneffizienz sogar noch erhöht werden.

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