Insgesamt sind die Rahmenbedingungen in Südafrika für die Verstromung von Klärgas eher schwierig. Die Vergütung der Einspeisung aus Erneuerbaren Energien wird dort auf Versteigerungen festgelegt. Dieses Vorgehen bevorzugt skalierbare Technologien, wie zum Beispiel Photovoltaik. Biogas dagegen ist beschränkt durch die Verfügbarkeit von Rohstoffen. Diese Einschränkung trifft insbesondere auf die Verstromung von Klär- und Deponiegasen zu. Auch das Alleinstellungsmerkmal von Biogas, nämlich die einfache Speicherfähigkeit des Brennstoffes und die von der Produktion unabhängige Stromerzeugung zu Spitzenzeiten, wird durch dieses Vergabeverfahren nicht gewürdigt.
Ökonomisch entscheidend sind auf dem südafrikanischen Energiemarkt allein die Ersparnisse des Eigenstromverbrauchs. Dabei sind die aktuellen Strompreise von rund 1,20 Rand/kWh (rund 0,08 €/kWh) für deutsche Verhältnisse niedrig. Allerdings hat sich der Strompreis seit 2007 vervielfacht: seinerzeit lag er bei 0,013 €/kWh. Darüber hinaus sind jährliche Preissteigerungen von 10% angekündigt.
In diesem Spannungsfeld wurde AKUT durch die Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH beauftragt, zwei Studien zur Nutzung von Klärgas für die beiden Kläranlagen Kingstonvalle und Zeekoegat zu erstellen.

Ökonomischer und ökologischer Gewinn

Vor dem aktuellen Hintergrund der Wasserknappheit in Kapstadt wird die Relevanz und Brisanz des Themas sehr deutlich. Der Mangel an Niederschlägen wird vorrangig auf den Klimawandel zurückgeführt. In den Studien werden deshalb neben ökonomischen Vorteilen auch Emissionsminderungen, hier Minderungen von Methanemissionen, als wesentlicher Vorteil identifiziert. Zurzeit wird das bei der Klärschlammfaulung entstehende Gas ohne weitere Maßnahmen in die Atmosphäre entlassen. Dies soll nun dahingehend geändert werden, dass das Gas gefasst, aufbereitet und zur Stromerzeugung genutzt wird.
In der Untersuchung wurden detaillierte Vergleiche verschiedener technischer Komponenten, Betriebsmodelle und Organisationsformen angestellt. Diese zeigen:
In beiden Klärwerken kann der ökonomische Gewinn durch die optimierte Auslastung der bereits vorhandenen Faultürme maximiert werden. Die Auslastung der Faulung soll gesteigert werden durch die Zugabe von sogenannten Co-Substraten. Dazu eignen sich entweder Faulschlämme benachbarter Klärwerke oder Abfälle aus der Agroindustrie. Letztere wurden durch die lokalen Mitarbeiter von AKUT identifiziert, so dass spezifische Modellrechnungen durchgeführt werden konnten. Dabei wurden sowohl das Biogaspotential als auch die Transportkosten berücksichtigt.
Ökonomisch sinnvoll sind demnach bereits die Varianten mit einer ausschließlichen Behandlung der klärwerkseigenen Klärschlämme. Zwar verringern sich dadurch die Investitionskosten aber aufgrund der geringeren Gasproduktion reduziert sich auch die Rentabilität.
Neben den technischen Komponenten und den verschiedenen Betriebsführungen wurden auch Betreibermodelle, vom Eigenbetrieb bis zu BOT Modellen, untersucht. Aus sechs verschiedenen Betreibermodellen wurden jeweils zwei Vorzugsvarianten ermittelt.
Die Entscheidung liegt nun im Feld der Politik. Sollen die Maßnahmen umgesetzt werden? Welche der Vorzugsvarianten erhält den Vorzug? GIZ und AKUT sind bereit, die Kommunen City of Tshwane und Mbombela weiter zu unterstützen – sowohl in der Entscheidungsfindung als auch in der technischen Umsetzung.

Vom 22. bis zum 26. Oktober fand in Frankreich die gemeinsame Konferenz „s2small 2017“ der IWA Arbeitsgruppen Kleine Kläranlagen, EcoSan und Dezentrale Kläranlagen statt. Florent Chazarenc von der IMT Atlantique und Organisator der Konferenz betonte, dass kleine Systeme ein entscheidender Teil der Lösung für die humanitären Probleme der Welt sind: „Small is beautiful, efficient and affordable – small is the future“. Mehr als 200 Teilnehmer folgten dem Aufruf und diskutierten ihre Lösungsvorschläge aus den Bereichen Ressourcenorientierte Abwassersysteme, Abwasserbehandlung- und Verwertung.

Als deutschen Beitrag zur Verbesserung von kleinen Kläranlagen stellte Heribert Rustige, AKUT Partner aus Berlin, das neue Arbeitsblatt DWA-A 262 zum Thema Pflanzenkläranlagen vor. Dieses erscheint voraussichtlich im November 2017 und ersetzt das bisherige mit Datum von 2006. Im Unterschied dazu wurden zahlreiche neue Lösungen bzw. Systemvarianten in das neue Arbeitsblatt aufgenommen. Dazu zählt das sogenannte Französische System, das aus einer Kombination mit Rohwasservorbehandlung in einem bepflanzten Kiesfilter und einer Nachbehandlung in einem bepflanzten Sandfilter besteht (z.B. Phragmifiltre). Besonders innovativ ist auch das neu beschriebene Bodenfilterverfahren mit aktiver Belüftung. Dieses wurde von Scott Wallace in den USA entwickelt und mehrere Jahre in Deutschland intensiv vom UFZ Leipzig getestet.

Internationales Interesse an Deutscher  Pflanzenkläranlagenrichtlinie

In der Vergangenheit hatte das A 262 bereits Interesse aus anderen Ländern auf sich gezogen. Zuletzt war es ins Russische übersetzt worden. Auch auf die Veröffentlichung der aktuellen Fassung warten bereits viele Anwender. Die englische Übersetzung wird im nächsten Jahr ebenfalls über die DWA in Hennef zu beziehen sein.

Der Vorteil eines solchen, detaillierten Regelwerks besteht in der erhöhten Sicherheit für Planer und Betreiber. Das Arbeitsblatt nennt minimale Anforderungen an die Dimensionierung von Bodenfiltern und beruft sich auf Werte, die aus der Praxis stammen.  Der Anwender muss jeweils prüfen, ob die Randbedingungen in seinem Anwendungsfall zutreffend sind. Dabei hebt das Regelwerk auf die Behandlung von häuslichem und kommunalem Schmutzwasser, einschließlich Mischkanalisation ab. Darüber hinaus wird auch die Behandlung von Grauwasser in Bodenfiltern berücksichtigt.

Hilfreich sind die Tabellen, die zum Beispiel die verschiedenen Abwasserzusammensetzungen oder spezifische Bemessungswerte berücksichtigen. Verschiedene sinnvolle Verfahrenskombinationen werden aufgezeigt. Rustige betonte allerdings in seinem Vortrag, dass sich die Richtlinie nicht als eine einfache Bauanleitung versteht, denn es werden Fachkenntnisse vorausgesetzt. Auch werden keine Bemessungsformeln oder Modellierungsansätze aufgezeigt, weil sich diese in der Praxis noch nicht bewährt haben. Interessanter ist vielmehr die Darstellung von Mindestanforderungen, mit denen sich bestimmte Ablaufwerte bzw. Reinigungsgrade erzielen lassen. Bei der theoretischen Modellierung der Reinigungsgrade werde leider häufig nicht berücksichtigt, dass die Hydraulik oder der Sauerstoffübergang entscheidende limitierende Faktoren sein können, die im schlimmsten Falle zu einem totalen Versagen des Bodenfilters durch Kolmation führen. Besser ist es da, sich an den aus der Praxis hergeleiteten statistisch relevanten Ergebnissen zu orientieren, wie sie im A 262 verwendet werden.

Ausgezeichnet mit dem Abwasser-Innovationspreis 2016 der bayrischen Staatsregierung wurde das von AKUT für die Gemeinde Theres entwickelte, wegweisende Konzept für die Sanierung von Teichkläranlagen unter Beibehaltung einer naturnahen und kostengünstigen Betriebsweise. Die unterfränkische Gemeinde Theres teilt sich den ersten Preis mit der Stadt Neuburg an der Donau.

Konkret legte die Gemeinde Theres der Jury die Planungsunterlagen des Ingenieurbüros AKUT für eine innovative Pflanzenkläranlage zur Mischwasserbehandlung vor. Diese besteht aus einem Rohabwasserfilter, einer zweiten Stufe zur weitergehenden Nitrifikation und einer selbsttätigen stromlosen Beschickung. In ihrer Laudatio hob die bayrische Umweltministerin Ulrike Scharf hervor, dass hier „erstmals ein neuartiges naturnahes Verfahren großtechnisch“ umgesetzt werde und dieses „kostengünstige Projekt (…) Pilotcharakter für den ländlichen Raum“ habe. Ausschlaggebend für die Bewertung des Innovationscharakters der Anlage war, dass die Mischwasserbehandlung in diesem Verfahren vollständig ohne elektrischen Strom auskommt!

Energieeffiziente Abwassertechnik

Die wichtigste Komponente hierzu sind die stromlos betriebenen Abwasserheber, mit deren Hilfe eine sogenannte intermittierende Schwallbeschickung der beiden hintereinander geschalteten Bodenfilter erreicht wird. Die Schwallbeschickung ist notwendig, damit eine gleichmäßige Belastung der Filterfläche sowie eine optimale natürliche Belüftung des Bodens erreicht wird. Die robusten Abwasserheber garantieren dabei auch für Rohabwasser eine optimale und nachhaltige Betriebsführung. Diese beschränkt sich in der Regel auf eine wöchentliche Funktionskontrolle bzw. Wechsel der beschickten Bodenfilter und die Pflege der Grünflächen.

In Deutschland wurde der selbsttätige Abwasserheber von AKUT erstmals im Mai 2016 auf der IFAT, der größten internationalen Umweltmesse in München, im Originalmaßstab vorgeführt. Zahlreiche Besucher zeigten sich beeindruckt von dem so einfachen wie genialem Prinzip, das einen Betrieb mit grob verschmutztem Rohabwasser erlaubt. Überall dort, wo ein Gefälle von 2 bis 3 Metern zur Verfügung steht, kann mindestens auf eine der sonst üblichen Pumpwerke zur Filterbeschickung verzichtet werden.

Innovatives Verfahren ersetzt Abwasserteiche – bald auch in Deutschland?

Die Mischwasserbehandlung in Pflanzenkläranlagen ist in Deutschland bislang noch Neuland. Hierbei kann insbesondere auf umfangreiche Erfahrungen aus Frankreich zurückgegriffen werden. Dort wurden bis dato geschätzte 3.000 kommunale Pflanzenkläranlagen mit Rohabwasserfiltern errichtet. Diese haben in vielen Fällen die verbreiteten Teichkläranlagen erfolgreich verdrängt. Rund 20 Prozent dieser Kläranlagen sind in Mischsystemen installiert. Dieses Verfahren, das nur noch mit einem Bruchteil der Fläche auskommt, ist häufig die kostengünstigere Variante im Vergleich zur Abwasserteich-Sanierung. Der einfache Betrieb der Bodenfilter mit integrierter Schlammbehandlung ist zukunftsweisend in Hinblick auf weitere Kostenersparnisse bei der Schlammentsorgung und hinsichtlich der Energieeffizienz. Eine von AKUT für das Preisausschreiben erstellte Kostenvergleichsrechnnung für die Sanierung/Umrüstung der Teichanlage Buch ergab eine Reduzierung der Kosten auf unter 50% gegenüber anderen Planungs-Varianten mit herkömmlicher Technologie. Eine energiesparsame Infrastruktur ist zudem ein wichtiger Baustein zur Erreichung der globalen Klimaschutzziele. Selbst Standorte, die ohne natürliches Gefälle auskommen müssen, können bei diesem Verfahren mit kleinen Pumpstationen sehr effizient und sparsam betrieben werden. Es wird schließlich im Gegensatz zu konventionellen Belebungsverfahren keine Energie zum Betrieb von Belüftern benötigt.

Der DWA Fachausschuss „Kleine Kläranlagen“ hat sich im Rahmen der Überarbeitung der 10 Jahre alten Pflanzenkläranlagenrichtlinie intensiv mit diesem Verfahren beschäftigt. Experten des französischen Großforschungsinstituts IRSTEA, die maßgeblich an der Entwicklung des Verfahrens beteiligt waren, wurden bei der Festlegung von Mindestanforderungen zu Rate gezogen. Diese unterscheiden zwischen dem Betrieb im Trenn- und Mischsystem. Die Mindestfläche beträgt demnach 2 bzw. 2,5 m² Filteroberfläche je Einwohner. Mit dem Neuentwurf des DWA-A 262 im April 2016 wurde schließlich der Weg geebnet, dieses Verfahren flächendeckend bei der Umrüstung bestehender Teichanlagen zu implementieren. Mit der Verabschiedung des Regelwerks ist Anfang 2017 nach Abschluss des öffentlichen Verfahrens zu rechnen.

Da allein in Bayern in den nächsten Jahren die Ertüchtigung zahlreicher Kleiner Kläranlagen bzw. Abwasserteiche ansteht, ist die Prämierung dieser Verfahrenskombination gleichwohl als technologische Empfehlung zu verstehen. Denn die bayrische Umweltministerin hat die Verleihung des Abwasserinnovationspreises mit dem Anliegen verknüpft, die „Entwicklung und den Einsatz innovativer Technologien“ in Bezug auf anstehende Sanierungen voranzutreiben.

Dipl.-Ing. Reinhard Müller dankte der Gemeinde Theres und allen Beteiligten, die hier den ersten Schritt gewagt hatten, ein „herausragendes Abwasserprojekt mit Pilotcharakter“ voranzutreiben. Durch die mit dem Preis verbundene Fördersumme in Höhe von 370.000 EUR hat sich die Innovation für die Gemeinde bereits jetzt ausgezahlt. Reinhard Müller zeigte sich zuversichtlich, dass das „nachahmenswerte Konzept zur Sanierung von Abwasserteichkläranlagen“ in vielen ähnlich gelagerten Fällen insbesondere in Bayern und Hessen  mit dezentraler Entsorgungsstruktur eine besonders günstige Lösung darstellt.

Foto (v.l.n.r.): Prof. Dr.-Ing. Jens Nowak (AKUT Berlin), Preisträger Matthias Schneider  (1. Bürgermeister der Gemeinde Theres), Ulrike Scharf (Umweltministerin Bayern), Dipl.-Ing. Reinhard Müller (AKUT Hessen)