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Technik+Digitales

So funktionieren komplexe Abwassersysteme

Abwasser
Bei einem Ultraschallverfahren bilden sich Blasen im Klärschlamm, die implodieren und durch Wertstofffraktionen die Wertstoffgewinnung ermöglichen. (Bild: Pixabay.com, PellissierJP (CC0))
Komplexe Abwassersysteme dienen dem Ziel, die umweltfreundlichen Potenziale bei der Abwasseraufbereitung zu nutzen. Zudem sollen antibiotikaresistente Keime effektiver eliminiert werden. Ein zukunftsweisendes Gebiet im Zusammenhang mit Abwassersystemen ist die Gewinnung von Energie aus Abwasser und Klärschlamm, woraufhin eine Vernetzung mit anderen erneuerbaren Energien erfolgt.

Umweltfreundliches Potenzial

Abwassersysteme weisen ein umweltfreundliches Potenzial auf, weswegen sie seit dem Jahre 2018 vom Bundesumweltministerium (BMU) unter dem Förderungsschwerpunkt „Innovative Abwassertechnik“ gefördert werden. Dieser Schwerpunkt umfasst drei Kategorien:

  • Wertstoffrückgewinnung und -bereitstellung
  • Weitergehende Abwasserbehandlung
  • Energie speichern, regeln und vernetzen

Die erste Kategorie zielt darauf ab, Wertstoffe, die bis jetzt mit dem Abwasser sowie Klärschlamm entsorgt werden, zurückzuführen. Gelingt dies, können Phosphor, Stickstoff und andere Wertstoffe in den ökonomischen Kreislauf gegeben werden, indem sie entweder als Ausgangsmaterialien für neue Produkte oder selbst als neue Produkte verwendet werden.

Im Rahmen der weitergehenden Abwasserbehandlung als zweiter Förderungskategorie sollen innovative Techniken genutzt werden, um Mikroverunreinigungen – also kleinste und bis dato nicht entfernbare Verunreinigungen – aus dem Abwasser und Klärschlamm zu beseitigen. Als positive Folge würde sich eine geringere Umweltverschmutzung und ein Rückgang der Gesundheitsrisiken in Einrichtungen sowie der Öffentlichkeit ergeben.

In der dritten Kategorie wird die Energie ganzheitlich betrachtet. Ziel ist die Schaffung von Möglichkeiten, um die Energieversorgung und -gewinnung effizienter zu gestalten. Durch eine eventuelle Vernetzung ist eine automatisierte und datenbasierte Energieversorgung möglich.

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Den Innovationen zum Trotz ist davon auszugehen, dass einige Gebiete im Zusammenhang mit Abwassersystemen unverändert bleiben. Dies trifft beispielsweise auf die professionelle Rohrreinigung und den damit einhergehenden Beruf des Rohrreinigers zu.

Wertstoffrückgewinnung und -bereitstellung

Die Aquattro GmbH erarbeitet in Zusammenarbeit mit Fraunhofer Umsicht und der Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft (WiW) im Rahmen des Projekts „UltraSep“ ein Ultraschallverfahren, das eine optimierte Wertstoffrückgewinnung aus Klärschlamm zur Folge hat. Hierfür wird eine innovative und patentierte Ultraschall-Kavitations-Einheit verwendet.

Innerhalb dieser Einheit sorgt ein Ultraschallgeber durch Druckwechsel im Klärschlamm für die Bildung von Blasen. Diese sind mit Wasserdampf und anderen Gasen gefüllt. Im Zuge des Vorgangs wachsen sie im Bruchteil einer Sekunde um ihr Vielfaches an und implodieren. Dadurch werden physikalische und chemische Effekte verursacht, die den Klärschlamm aufschließen. Darauf folgend lässt sich der Klärschlamm in Wertstofffraktionen abtrennen. Das Resultat dieses Verfahrens ist die Entstehung cellulosereicher Fasern, nährstoffreichen Gels und leicht vergärbarer Flüssigkeit. Diese Endstoffe sind zu verschiedenen Zwecken nutzbar.

Weniger innovativ als das beschriebene Ultraschallverfahren beim Projekt „UltraSep“ sind etablierte Verfahren, denen u.a. Fällung, Neutralisation, Sedimentation und Filtration angehören. Bei speziellen Industrieabwässern kommen weniger bekannte und komplexe Verfahren zum Einsatz, wie beispielsweise das Elektroosmose-Verfahren. Hierbei werden Elektrolyt-Lösungen mittels eines elektrischen Feldes durch ein Diaphragma bewegt. Herauszulösende Wertstoffe wandern entweder zum Kathoden- oder Anoden-Raum und werden im Sinne der Wertstoffrückgewinnung sowie -bereitstellung getrennt, um genutzt zu werden.

Weitergehende Abwasserbehandlung

2019 vermeldeten Experten und Forschende aus dem durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung geförderten Verbundprojekt „HyReKa“, dass Behandlungsschritte wie die Ozonung und feine Mebranfilterverfahren in der Abtötung resistenter Keime erfolgversprechend seien. Zwar werden die meisten Bakterien und Keime durch Kläranlagen eliminiert, aber ein geringer Anteil bleibt zurück. Kritisch ist dies in Bezug auf Keime, die gegen Antibiotika resistent sind und Lebewesen erhebliche Schäden zufügen können. Insbesondere Krankenhäuser und andere gesundheitliche Einrichtungen weisen in deren Abwässern einen nachweislich hohen Gehalt an antibiotikaresistenten Bakterien sowie Keimen auf.

Die Ozonung an sich ist kein innovatives oder besonders aufwendiges Verfahren. Im Gegensatz dazu ist der Vorgang zur Gewinnung von Ozon, das zur Wasseraufbereitung in Abwassersystemen eingesetzt wird, komplexerer Natur: Sauerstoff wird an Hochspannungselektroden in freie Radikale aufgespalten. Diese verbinden sich zu Ozon. Damit die Gewinnung von Ozon erhöht ist und sich die Bildung der Stickoxide verringert, wird anstelle der Luft häufig technisch reiner Sauerstoff zur Ozongewinnung eingesetzt. Die Ozonung – auch Ozonierung genannt – kommt bereits zum Einsatz, aber den Ergebnissen der Forscher zufolge ist davon auszugehen, dass sich künftig die Intensität und Häufigkeit des Einsatzes erhöhen wird.

Energie speichern, regeln und vernetzen

Abwasser ist im Zusammenhang mit der Energiegewinnung deswegen ein Thema, weil aus Kläranlagen Energie gewonnen werden kann. Hochrechnungen zufolge steckt in Kläranlagen ein Energiepotenzial, das sich dem Energie-Output von zwölf Kraftwerken annähert. Biomasse als erneuerbare Energiequelle aus Abwasser stellt demzufolge Energiegewinnung in Aussicht. Es wäre eine von mehreren erneuerbaren Energiequellen.

Insbesondere die Regelung und Vernetzung der Energieversorgung durch erneuerbare Energien ist eine essenzielle Aufgabe mit Blick auf die Zukunft. Die Energiewende, in der Deutschland nach wie vor im Vergleich mit anderen Staaten hinterherhinkt, soll geringere Kosten für Verbraucher, den Umstieg auf unerschöpfliche Ressourcen und das Ausbleiben negativer Auswirkungen auf die Umwelt bringen. Durch die Energiewende treten in der Bereitstellung der Energie Veränderungen ein. Hierzu gehört die Auflösung der zentralisierten Netzversorgung in eine Ansammlung dezentraler Energieanlagen, die in einem Energiesystem integriert werden müssen. Dies erfordert eine ausgeprägtere Regelung der Energiezufuhr, um mangelnder Stabilität und Versorgungsausfällen vorzubeugen.

Aus diesem Grund ist die Vision einer smarten Energieversorgung präsent. Die intelligente Vernetzung der dezentralen Versorgungsstellen soll auf digitalem Wege eine durchgehende und ausfallsichere Energieversorgung gewährleisten. Energieverbrauch und Gründe für die Höhe des Verbrauchs ließen sich für Verbraucher ebenfalls nachvollziehen, was zu mehr Transparenz in der privaten Kostenstruktur führen würde. Schätzungen des Fraunhofer-Instituts zufolge bergen die „Smart Grids“ als intelligente Stromnetze die Möglichkeit zu Ersparnissen in Höhe von 9 Milliarden Euro in Deutschland.

Fazit

Komplexe Abwassersysteme verbessern nicht nur die Reinigung sowie Entkeimung des Abwassers. Sie stellen unter Umständen einen Energieüberschuss zur Verfügung, der ins Energienetz eingespeist werden kann. In diesem Kontext ist ein Bogen zu anderen zeitrelevanten Themen wie der Energiewege zu spannen. Zudem lassen sich Wertstoffe gewinnen, was ökonomisch und ökologisch ein wichtiger Aspekt ist. In naher sowie ferner Zukunft ist von einer Zunahme der Ressourcengewinnung aus Abwasser und Klärschlamm zu rechnen.

20.06.2020

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