Infrastrukturlösungen: Abwasser als Ressource

2,3 Milliarden Menschen leben in Ländern, in denen das Wasser knapp ist. Ihnen stehen jährlich weniger als 1 700 Kubikmeter pro Kopf zur Verfügung. Gleichzeitig fallen jedes Jahr weltweit 380 Milliarden Kubikmeter kommunale Abwässer an, Tendenz steigend – um 24 Prozent bis 2030 und um 51 Prozent bis 2050. Nun hat aber Abwasser einen schlechten Ruf. Völlig zu Unrecht.

Denn es liefert Wasser, Energie und Nährstoffe. Manche Länder haben das bereits erkannt. Seit einigen Jahren entsorgen sie Abwasser nicht mehr einfach, sondern gewinnen in den Klärwerken bereits wichtige Ressourcen zurück. Die Anlagen liefern sauberes Wasser, filtern Nährstoffe heraus und reduzieren den CO₂-Ausstoß, indem sie erneuerbare Energie erzeugen und nutzen.

Verbreitet sich die Idee, wäre das ein Paradigmenwechsel. Denn weltweit gelangen bisher über 80 Prozent aller Abwässer nahezu unbehandelt in die Umwelt. Laut der UN-Wasserorganisation werden in Ländern mit hohem Einkommen durchschnittlich 70 Prozent der Abwässer aufbereitet. In Ländern mit mittlerem Einkommen im oberen Bereich sinkt dieser Anteil auf 38 Prozent, und in Ländern mit mittlerem Einkommen im unteren Bereich sind es nur noch 28 Prozent. In einkommensschwachen Ländern werden lediglich 8 Prozent in irgendeiner Form aufbereitet.

Wir können es uns nicht leisten, die Ressourcen im Abwasser zu verschwenden. Und es gibt eine Lösung.

Wiederverwendung

Das Wichtigste, was sich aus Abwasser zurückgewinnen lässt, ist natürlich Wasser. Zwar ist die Erde zu über 70 Prozent von Wasser bedeckt, doch nur 3 Prozent sind trinkbares Süßwasser, und davon ist wiederum nur 1 Prozent leicht zugänglich. Obwohl Süßwasser knapp ist, nutzen wir nur 3 Prozent als Trinkwasser. Fast zwei Drittel werden in der Landwirtschaft verbraucht.

In Regionen mit begrenzten Süßwasserressourcen könnte aufbereitetes Wasser eine nachhaltige, effiziente Lösung sein. Dabei hängt die erforderliche Wasserqualität vom Verwendungszweck ab. Im Wesentlichen wird zwischen Brauch- und Trinkwasser unterschieden.

Erholung für die Umwelt

Die Wiederverwendung von Wasser hilft bei Wasserknappheit und extremen Klimaereignissen wie langen Dürreperioden. Aufbereitetes Wasser, das nicht als Trinkwasser vorgesehen ist, dient hauptsächlich der landwirtschaftlichen Bewässerung. Es kommt aber auch in der Industrie, für städtische Grünflächen oder bei der Straßenreinigung zum Einsatz.

In Hitze- oder Dürreperioden werden damit die Wasserpegel von Flüssen, Seen und Feuchtgebieten stabilisiert. Das erhält auch die biologische Vielfalt. Vor allem ist aufbereitetes Wasser eine zuverlässige Quelle, die auch in Trockenzeiten nicht versiegt.

Als Hilfe für die Umwelt ist nun die sogenannte künstliche Grundwasseranreicherung im Kommen. Dabei wird behandeltes Abwasser gezielt in Grundwasserleiter eingeleitet und kann später wieder entnommen werden.

Direkte und indirekte Wiederverwendung

Trinkwasser kann auf zwei Wegen wiederverwendet werden. Bei der indirekten Wiederverwendung werden die natürlichen Trinkwasserressourcen mit aufbereitetem Wasser aufgefüllt. Dabei unterscheidet man zwischen „geplant“ und „ungeplant“. Die geplante Wiederverwendung wird in Australien und den Vereinigten Staaten immer häufiger praktiziert. In der Europäischen Union gibt es bisher nur eine solche Anlage. Sie steht im nordbelgischen Torreele und liefert aufbereitetes Wasser zur künstlichen Grundwasseranreicherung im nahegelegenen Dünenbereich von Saint-André. Damit werden im Umland 60 000 Menschen versorgt.

Weltweit gelangt allerdings ein großer Teil der behandelten oder gar unbehandelten Abwässer auf ungeplantem, indirekten Weg zurück ins Trinkwasser.

Bei der direkten Wiederverwendung wird das aufbereitete Wasser sofort wieder in das Versorgungsnetz eingespeist. Diese Methode ist jedoch nicht sehr verbreitet.

Die Stadt Windhoek in Namibia nutzt sie seit 50 Jahren und versorgt ihre 400 000 Einwohnerinnen und Einwohnern auf diesem Weg zu rund 30 Prozent mit Trinkwasser. In Singapur sind es 40 Prozent. Dort wird in der Aufbereitungsanlage „NEWater“ behandeltes Abwasser zu hochreinem Wasser aufbereitet. Bis 2060 soll die Anlage bis zu 55 Prozent des Bedarfs in Singapur decken.

Der Wasserbedarf steigt und steigt. Trotzdem bleibt die Verwendung von aufbereitetem Wasser kontrovers. Der sogenannte „Igitt-Faktor“ (engl. Yuck Factor) steht für die instinktive Abneigung, Abwasser zu trinken. Obwohl das Produkt unbedenklich ist, könnte es an dieser Abneigung scheitern, aufbereitetes Wasser in die Versorgung einzubinden.

Nährstoffrückgewinnung

Klärschlamm ist ein Nebenprodukt der Abwasserbehandlung. Er enthält Metalle und Mikroplastik sowie pathogene Organismen wie Viren und Bakterien. Klärschlamm ist jedoch auch reich an Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor, die aus Fäkalien, Lebensmitteln sowie bestimmten Seifen und Waschmitteln stammen. Beide Nährstoffe sind als Bestandteile von Düngemitteln für die Landwirtschaft wichtig.

In städtischen Gebieten ohne moderne Abwasserbehandlung ist die hohe Konzentration dieser Nährstoffe schädlich. Überschüssiger Stickstoff und Phosphor gehören noch immer zu den Hauptursachen für schlechte Wasserqualität in Europa. Deshalb spricht alles dafür, sie zurückzugewinnen.

Die Phosphorkrise

Was weniger bekannt ist: Phosphor ist ein überlebenswichtiges Element. Denn Phosphor ist notwendig, damit unser Essen wächst. Als Phosphat ist er ein unverzichtbarer Zusatz von Düngemitteln. Doch Phosphor geht zur Neige. Förderbare phosphorhaltige Mineralien könnten knapp werden und in 50 oder 100 Jahren komplett erschöpft sein. Gleichzeitig kippen wir so viel davon weg, dass die Gewässer darunter leiden.

Deshalb kommt es darauf an, Phosphor zurückzugewinnen. Allein mit dem Phosphor aus häuslichem Abwasser könnten wir 22 Prozent der weltweiten Nachfrage decken. Wegen der erwarteten Engpässe ist seine Rückgewinnung zum Thema umfangreicher Forschungsarbeiten geworden. Die Technologien werden bereits an mehreren Orten eingesetzt. Die weltweit größte Anlage zur Phosphorrückgewinnung steht in der Nähe von Chicago. Sie gewinnt bei der Abwasserbehandlung mehr als 85 Prozent des Phosphors und bis zu 15 Prozent des Stickstoffs zurück.

Der Stickstoffkreislauf

Im Gegensatz zu der begrenzten, nicht erneuerbaren Ressource Phosphor ist Stickstoff in der Atmosphäre reichlich vorhanden. Seit der Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniaksynthese aus Stickstoff im Jahr 1909 haben stickstoffbasierte Düngemittel zur größten Steigerung der Nahrungsmittelproduktion in der Geschichte beigetragen.

Seither landet Stickstoff in riesigen Mengen im Abwasser und muss bei der Behandlung energieintensiv entfernt werden.

Allerdings entsteht dabei das Treibhausgas Distickstoffmonoxid, auch Lachgas genannt. Den Stickstoff vollständig zurückzugewinnen, käme nicht nur der Kreislaufwirtschaft zugute, sondern würde auch die Treibhausgase senken. Leider lassen sich mit den derzeitigen Technologien nur 5 bis 15 Prozent zurückgewinnen. Das ist nicht nur ein ökologisches, sondern auch ein wirtschaftliches Problem.

Rentable Aufbereitung

Die Technologie kommt voran, ist aber noch nicht rentabel. Wegen des geringen Nährstoffgehalts in Biofeststoffen, vor allem von Stickstoff, rechnet sich der Verkauf auf dem Markt nicht. Nur 5 bis 15 Prozent des im Abwasser enthaltenen Stickstoffs lassen sich zurückgewinnen. Bei Phosphor sind es 45 bis 90 Prozent.

Wissenschaftlerinnen und Ingenieure überlegen auch, welche anderen Stoffe aus Abwasser besser genutzt werden können, etwa Biokunststoffe, Enzyme, Metalle und Mineralien. Es wird jedoch noch eine Weile dauern, bis sich ihre Wiederverwertung lohnt.

Energierückgewinnung

Die Abwasserbranche verbraucht viel Energie – etwa 0,8 Prozent des gesamten in der Europäischen Union erzeugten Stroms. Aus Studien geht jedoch hervor, dass Abwasser fast fünf Mal so viel Energie enthält, wie für seine Behandlung nötig ist. Das heißt, Abwasserbehandlungsanlagen können nicht nur ihren eigenen Energiebedarf decken, sondern auch noch die umliegenden Städte mit Wärme und Strom versorgen und so die Wirtschaft dekarbonisieren.

Moderne Anlagen gewinnen in der Regel nur chemische Energie in Form von Biogas zurück, das bei der anaeroben Vergärung von Klärschlamm entsteht. Biogas gehört zu den wichtigsten erneuerbaren Energiequellen. Es basiert nicht auf kritischen Rohstoffen und beeinträchtigt nicht die Tierwelt. Außerdem kann es in das Gasnetz eingespeist und von dort verteilt werden.

Studien deuten jedoch darauf hin, dass sich aus kommunalem Abwasser viel mehr Wärmeenergie (80 Prozent) als chemische Energie (20 Prozent) rückgewinnen lässt. Und weniger als ein Prozent in Form von Wasserkraft. Folglich bleibt ein großer Teil der aus Abwasser rückgewinnbaren Energie bisher ungenutzt.

Warm und kalt

Wärmeenergie kann dem Abwasser unter anderem mit Wärmetauschern und Wärmepumpen entzogen und dann für Fernwärme- und ‑kälte, Treibhäuser oder sogar zum Trocknen von Klärschlamm genutzt werden. Das lohnt sich, weil Abwasser aus Duschen, Geschirrspülern oder Waschmaschinen relativ warm ist.

Technisch sind der Rückgewinnung und Nutzung von Wärmeenergie aus Abwasser keine Grenzen gesetzt. Allerdings fällt das Abwasser weit weg von der Kläranlage an. Um seine gesamte Wärmeenergie nutzen zu können, muss dafür schon bei der Stadtplanung vorgesorgt werden.