Entwicklung einer Abwasserweiche zur Energieeffizienten Selektiven Teilstrombehandlung von hochkonzentrierten Abwässern (ESTA) auf kommunalen Kläranlagen

Der Forschungsverbund ESTA ist ein Zusammenschluss von AKUT Umweltschutz Ingenieure Burkard und Partner, der Technischen Universität Berlin, FG Siedlungswasserwirtschaft sowie LAR Process Analysers AG. Ziel war die Entwicklung einer intelligenten Abwasserweiche im Zulauf kommunaler Kläranlagen zur Abtrennung von hochbelasteten Zuflüssen und energetischer Verwertung mittels anaerober Behandlung. Das Verbundprojekt „ESTA (FKZ 02WQ1382A-C)“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Förderinitiative KMU-innovativ gefördert.
Im Ergebnis konnten Zulaufspitzen identifiziert und hinsichtlich Höhe und Häufigkeit mit einer zeitlichen Auflösung von 6 Minuten ausgewertet und zur Ansteuerung der Abwasserweiche genutzt werden.
Ein erfolgreicher Betrieb der Abwasserweiche und des anaeroben Testreaktors war trotz der geringen Spitzen-Konzentrationen und der geringen Zahl der Stoßbelastungen auf der untersuchten Kläranlage in Kombination mit Überschussschlamm möglich. Die Simulation der Kläranlage ergab, dass trotz Entnahme der hochbelasteten Abwasserfraktion und Veränderung des C:N-Verhältnisses bei den hier zugrundeliegenden Voraussetzungen (insbesondere die geringen Ammoniumzulaufwerte) die gesetzlichen Überwachungswerte eingehalten werden können. Ein maximaler elektrischer Eigenversorgungsgrad von 75 % konnte erreicht werden.
Zentraler Bestandteil des Projekts war der Aufbau und Betrieb einer Versuchsanlage am Standort der Kläranlage Baruth (Brandenburg), die in Abstimmung der Projektpartner TU Berlin und AKUT geplant und installiert wurde. Für die Entwicklung einer angepassten Online-Analysetechnik war der Projektpartner LAR schwerpunktmäßig zuständig. Projektbeginn war der 01.10.2016, das Projektende der 31.03.2019.
Mit Hilfe der TOC-Online Analysetechnik wurde ein Mechanismus angesteuert, der ab einer einstellbaren Schwellenkonzentration Zulaufwasser der Kläranlage einem anaeroben Reaktor zuleitet. Sowohl die analysierten Zulaufkonzentrationen, die dem Reaktor zugeleiteten Volumenströme und Frachten als auch das im Reaktor produzierte Biogas wurden ausgewertet.
Durch die Umsetzung der TOC-Online-Analysetechnik auf einen Messanhänger steht die Messeinrichtung nunmehr auch für den mobilen Einsatz zur Verfügung. Messkampagnen auf anderen Kläranlagen und an zwei Industriestandorten belegen die Einsatzfähigkeit. Die Grundbelastung konnte eindeutig bestimmt und die Zulaufspitzen hinsichtlich Höhe und Häufigkeit ausgewertet werden.
Bei der ökonomischen Betrachtung konnten konkrete Hinweise erarbeitet werden, ab welcher Konzentration und Volumen einer Stoßbelastung es sinnvoll ist, weitergehende Schritte hinsichtlich des Konzepts einer Abwasserweiche, auch in Zusammenhang mit der generellen Umstellung des Kläranlagenprozesses auf getrennte anaerobe Schlammbehandlung, einzuleiten.
„Obwohl die untersuchte Kläranlage Baruth mit den ausgewerteten Stoßbelastungen unter den ermittelten Schwellenwerten liegt und hier eine weitergehende Untersuchung nicht sinnvoll erscheinen, zeigen die Ergebnisse der anderen untersuchten Standorte durchaus Potential“ erklärt Projektkoordinator Dipl. Ing. Thilo Burkard (AKUT).
Die beteiligten Projektpartner sind dementsprechend optimistisch, dass das neue Konzept für Neubau und Umrüstung von Kläranlagen Anwendung finden kann. Geplant ist daher eine Messkampagne mit der mobilen Messeinrichtung auf weiteren Kläranlagen.

Kontakt und Rückfragen: Thilo Burkard

Vom 16. bis 20 Juni 2019 veranstaltete die International Water Association IWA ihre „12th International Conference on Water Reclamation and Reuse“ in Berlin: Über 400 Experten aus mehr als 40 Ländern, mehr als 200 Vorträge, über 120 Poster, Ausstellungen, Workshops und technische Führungen zum Komplex „Überwinden von Wasserstress durch Wassergewinnung und -wiederverwendung“. In Zeiten des voranschreitenden ungebremsten Klimawandels kommt der Wasserwirtschaft eine steigende Bedeutung zu, wie wir in unserer täglichen Arbeit erleben.

Teil des Programms war die Besichtigung der ehemaligen Rieselfelder in Berlin Hobrechtsfelde, die durch AKUT gestaltet wurde.

Im Infozentrum „Gut Hobrechtsfelde“, dem ehemaligen Speicher, findet sich eine schön aufbereitete Ausstellung zur Geschichte der Berliner Abwasserreinigung, insbesondere der Rieselfelder. Liebevoll gestaltet, ist das dort gezeigte Modell der landwirtschaftlichen Nutzung der Rieselfelder um 1920. Nach Inbetriebnahme der Kläranlage Nord (heute: KA Schönerlinde) 1985 wurden die Hobrechtsfelder Rieselfelder außer Betrieb genommen. Im Boden verblieben dabei sowohl die Dränrohre, die das Gebiet weiterhin entwässerten, als auch Schwermetalle und Phosphate, die sich im Laufe der Jahrzehnte im Boden angereichert haben. Die Wiederbewässerung der Rieselfelder wurde ab 2004 von der Arbeitsgemeinschaft AKUT / P2M / Spiekermann GmbH geplant und umgesetzt. Ein Teil der bestehenden Entwässerungsgräben einschließlich der einleitenden Dränrohre wurde abgedichtet, wobei eine große Gesamtfließlänge angestrebt wurde. Eine gezielte Bewässerung trockengefallener Flächen wurde möglich. Dies geschieht mit bereits gereinigtem Abwasser der KA Schönerlinde, welches auf Anforderung der Unteren Wasserbehörde in sogenannten Reinigungsbiotopen weiter gereinigt und hygienisiert wird. Die Behandlung erfolgt ohne Zufuhr elektrischer Energie und mit niedrigsten Betriebskosten, da keinerlei Betriebsmittel eingesetzt werden. Für die weitergehende naturnahe Abwasserbehandlung wurde ein System aus unterschiedlichen Zonen, wie z.B. Tiefwasserzone, Flachwasserzone, bewachsene Zonen und Bodenpassagen angelegt. Da für die Wirkung der einzelnen Komponenten nur eingeschränkte Daten vorlagen, wurde von AKUT für die verschiedenen Verfahren Testbecken zur Praxiserprobung geplant. Im Rahmen der Begleitforschung wurden nicht nur Abbauraten der Nährstoffe und die Hygienisierung untersucht, sondern auch die Entfernung von Medikamentenrückständen und anderen Spurenstoffen. Nach Abschluss des Versuchsbetriebs wurde die Anlage für den Dauerbetrieb umgebaut. Gute fünfzehn Jahre nach Inbetriebnahme der Wiedervernässung haben sich neben einer Vielzahl von Vögeln sogar Biber im Teich angesiedelt. Planmäßig werden die Rieselfelder als Hutewald genutzt, indem Vieh und Pferde sich eigenständig bewegen und die Naturpflege übernehmen.

Die Konferenzteilnehmer aus aller Welt zeigten sich beeindruckt von der naturnahen Technik des 19. Jahrhundert mit den Rieselfeldern zur Behandlung und landwirtschaftlichen Nutzung von Abwässern und Nährstoffen. Aber auch im klimatisch gestressten 21. Jahrhundert mit regional zu erwartender Wasserknappheit besteht großes Interesse an naturnahen Lösungen zur Stärung des Wasserhaushaltes durch Wasserrecycling. Gleichzeitig stellt die Kohlenstoffbindung in Feuchtgebieten weltweit einen wichtigen Beitrag für den Klimaschutz dar.

Wir danken an dieser Stelle

Am 09. April 2019, von 9 bis 17 Uhr, findet die Konferenz „BLUE PLANET Berlin Water Dialogues meets AquaNES“ in Berlin statt. Die Konferenz tagt alljährlich, um die Zusammenarbeit und den Wissensaustausch branchenübergreifend zu fördern. In diesem Frühjahr werden spezifisch die Forschungsarbeiten und Innovationen des Horizon 2020-Projekts AquaNES durch Vorträge, Podiumsdiskussionen und World-Cafés vorgestellt und debattiert.

AquaNES ist ein Forschungsverbund, der durch 13 verschiedene Demonstrationsprojekte in Europa, Indien und Israel die Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung durch Kombinationen aus naturnahen und technischen Systemen untersucht und fördert. Dabei wird ein breites Spektrum von klimatischen und hydrogeologischen Faktoren abgedeckt sowie Verfahren wie Uferfiltration, Managed Aquifer Recharge, Constructed Wetlands und technische Vor- und Nachbehandlungsoptionen getestet und verbessert.

AKUT ist seit Juni 2016 am Forschungsprojekt AquaNES beteiligt. Zusammen mit Partnerunternehmen wie den Berliner Wasserbetrieben (BWB), dem Kompetenzzentrum Wasser Berlin (KWB) und dem Erftverband wird AKUT die Ergebnisse und Hürden der Kombination von naturnahen und technischen Systemen zur Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung darstellen.

In Zusammenarbeit mit den BWB und dem KWB hat AKUT am Standort Schönerlinde eine Pilotanlage entwickelt, die Spurenstoffe und Keime aus dem Ablauf der Kläranlage entfernen soll. Dazu wurden zwei unterschiedliche bepflanzte Bodenfilter mit vorgeschalteter Ozonierung gebaut und ihr Effekt zur Verbesserung der Wasserqualität untersucht. Die Ergebnisse der zwei-jährigen Pilotierung wird Regina Gnirss (BWB) in ihrem Vortrag „Ozonation combined with natural filtration processes – water quality gains“ präsentieren. Außerdem wird Andrea Brunsch (Erftverband) im Vortrag „Flexible use of modified retention soil filters to treat wastewater treatment plant effluent and combined sewer overflow” die Resultate der Pilotanlage am Standort Rheinbach vorstellen, bei der ein Retentionsbodenfilter flexibel zur Behandlung von Kläranlagenabwässern und Mischwasserüberläufen eingesetzt wird.

Im Anschluss an die Vorträge leitet AKUT zusammen mit AUTARCON die Gesprächsrunde „Solutions for rural communities, remote locations and emerging countries“ und steht für Fragen und Diskussionen zu dem Thema zur Verfügung.

Den genauen Programmablauf und weitere Informationen über „BLUE PLANET Berlin Water Dialogues meets AquaNES“ können Sie unter http://blueplanetberlin.de/next-event/ finden.

Im Rahmen des GIZ-Projektes „NEXUS – Wasser, Energie, Ernährungssicherung“ wurden im September 2018 insgesamt 36 Teilnehmer*innen in einem mehrtägigen Workshop zur Solaren Bewässerung geschult. An dem in der Universidad Católica Boliviana (La Paz) stattfindenden Workshop nahmen lokale und internationale Fachkräfte, Forschende und Studierende sowie Mitglieder bolivianischer Behörden (Bsp. Ministerium für Umwelt und Wasser) und Institutionen teil. Diese Multiplikator*innen sollen die gewonnen Kenntnisse in ihre tägliche Arbeit integrieren.

Inhaltlich umfasste der Workshop die Themenfelder erneuerbare Energien, Beschreibung typischer photovoltaischer Anwendungen mit Schwerpunkt auf Landwirtschaft, Beschreibung und Charakterisierung von solarbetriebenen Wasserpumpen, Bewässerungsbedarf und -techniken, Wasserbedarf, Planung und Auslegung solarer Bewässerungssysteme, Ökonomische Evaluierung und Finanzierung solarer Bewässerungssysteme, Beschreibung und praktische Anwendung der Tool Box „Solar powered irrigation systems“ sowie praktische Anwendungen und Aufbau solarer Pump- und Bewässerungssysteme.

Der Workshop kann als Erfolg eingestuft werden. Mehr als die Hälfte der Teilnehmer*innen gab in einer Evaluierung an, die erworbenen Kenntnisse in deren Arbeitsfeld anwenden zu können und alle zeigten sich mit den Ergebnissen des Workshops zufrieden oder sehr zufrieden. Das Potential für Solare Bewässerung in Bolivien konnte als Ergebnis der Diskussion von Mitgliedern verschiedener Institutionen als sehr hoch eingestuft werden.

Der Workshop ist eine von mehreren Schulungsmaßnahmen innerhalb des GIZ-Projektes „NEXUS – Wasser, Energie, Ernährungssicherung“. Dieses Projekt mit Laufzeit von August 2017 bis Oktober 2019 umfasst neben solcherart Workshops die Entwicklung von Managementmodellen und Finanzierungskonzepte für zwei ausgewählte Pilotprojekte mit Nexus-Charakter, bzw. Integriertem Wasserresourcen Management IWRM.

AKUT ist beauftragt, Beratung zu einem Mehrzweckstaudammprojektes (Misicuni) zu leisten. Ein Wasserverteilungsplan soll die Wassernutzung zwischen landwirtschaftlicher Nutzung (Bewässerung), Trinkwasserversorgung und in der Energieproduktion balancieren.

Unter Berücksichtigung der Anpassung an den Klimawandel (z.B. Reduzierung der verfügbaren Wassermenge, erhöhter Bewässerungsbedarf) sollen Vorschläge zum Management der begrenzten Ressource Wasser mit den verschiedenen Nutzergruppen erarbeitet werden.

Dabei soll der Aufbau eines GIS-basierten Opensource-Informationssystems erfolgen, um das Wasserdargebot und die Wasserverteilung transparent darzustellen und zu gestalten.

Ein weiteres wichtiges Ziel des Projektes ist die Armutsbekämpfung. Hierzu soll Solare Bewässerung  durch Verringerung des Wasser- und Energieverbrauchs einen Beitrag leisten. Desweiteren soll Armut dadurch reduziert werden, dass durch Aufforstung und Einführung von Agroforstsystemen die Bodennutzung im oberen Bereich von Einzugsgebieten nachhaltig verbessert wird.

 

Foto: Gruppenaufnahme zum Abschluss des Workshops

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.

Zum Nachlesen: ntv news 2023

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)

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