Urbanes Wassermanagement

Der weltweite Wasserverbrauch für landwirtschaftliche, industrielle und private Nutzung steigt stetig, auch wenn regional Maßnahmen zur Senkung des Wasserverbrauchs durchaus greifen. Dennoch werden – auch in unseren hochindustrialisierten Zonen – ernst zu nehmende Versorgungsengpässe prognostiziert. Intelligente Konzepte zur Reinigung und zur Verteilung von Wasser sind daher gefragt.

Das Fraunhofer IGB übernimmt hier eine Vorreiterrolle und hat Technologien entwickelt, die kostengünstige Lösungen des Wassermanagements in urbanen Strukturen durch dezentrale Aufbereitung von Abwasserströmen ermöglichen. Das IGB-Verfahren zeichnet sich besonders durch seine größere Effizienz und Wirtschaftlichkeit als die heutigen zentralen Verfahren aus und ermöglicht die wirtschaftliche Generierung und Nutzung unterschiedlicher im Siedlungsgebiet anfallender Wasserströme.

Einsatzgebiete

Mit unserem Konzept bieten wir Systemlösungen für ein zukunftsfähiges kommunales Wassermanagement in ländlichen Regionen, Neubaugebieten und Stadtteilen mit Sanierungsbedarf sowie für Freizeitressorts, Touristikzentren und Hotelkomplexe. Das System kommt überall dort zum Tragen, wo noch keine Wasserinfrastruktur mit Kanalisationsnetz und Zentralkläranlage vorhanden ist. Oder dort, wo die Altinfrastruktur an neue Herausforderungen, die sich durch Klimawandel oder Wegzug der Bevölkerung ergeben, nicht mehr angepasst werden kann.

Kombination mit Abfall- und Energie-Management

Gekoppelt mit nachhaltigen Abfallwirtschaftskonzepten, einer Energieversorgung aus regenerierbaren Quellen und zukunftsweisender Gebäudetechnik bietet das Wassermanagement-Konzept eine ganzheitliche und autarke Versorgungsinfrastruktur, die unabhängig von zentralen Ver- und Entsorgungsnetzen funktioniert.

Semi-dezentrales Wassermanagement

Das in Demonstrationsprojekten in Heidelberg-Neurott und Knittlingen realisierte Wassermanagementkonzept DEUS 21 eignet sich besonders auch für den Export in Wassermangelgebiete, weil es speziell auf die Bedürfnisse arider und semi-arider Regionen angepasst werden kann.

Wasser und Kosten sparen

Industrienationen gehen in der Regel verschwenderisch mit Trinkwasser um. Mit entsprechenden Vorrichtungen wie Wasserspararmaturen oder -toiletten kann in jedem Haushalt Wasser gespart werden. Vakuum- oder Drucksysteme sind gangbare Alternativen zur herkömmlichen Schwemmkanalisation. Wasserspültoiletten können durch Vakuumtoiletten ersetzt werden, wie sie in Flugzeugen, Schiffen und Zügen oder in Haushalten einiger skandinavischer Länder bereits üblich sind.

Regenwassernutzung

In zahlreichen Fällen, beispielsweise bei der Gartenbewässerung und der Toilettenspülung, muss das verwendete Wasser keine Trinkwasserqualität aufweisen. Besonders in wasserarmen Regionen lohnt es sich daher, Regenwasser und aufbereitetes Waschwasser für den Eigenbedarf zu nutzen. Das Fraunhofer IGB hat entsprechende Technologien entwickelt, um Regenwasser zur Verwendung im Haushalt aufzubereiten.

Anaerobe Abwasseraufbereitung

Eine attraktive Alternative zur heute üblichen aeroben Abwasserreinigung, speziell für dezentrale oder semi-dezentrale Wasserinfrastruktursysteme, bietet die anaerobe Biotechnologie, mit der organische Kohlenstoffverbindungen zu Biogas, einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan, umgewandelt werden. Biogas kann als regenerativer Energieträger in Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Alternativ wird Biogas in das bestehende Erdgasnetz eingespeist. Zudem kann Biomethan, analog zu Erdgas, zur Verwendung als Kraftstoff für Fahrzeuge aufgereinigt werden.

Im Gegensatz zum herkömmlichen aeroben Belebtschlammverfahren verbleiben bei der anaeroben Abwasserreinigung in geschlossenen Bioreaktoren die Stickstoff- und Phosphorverbindungen im gereinigten Wasser und in den zurückbleibenden Feststoffen. Mikroorganismen werden durch Mikrofiltration mit Rotationsscheibenfiltern entfernt. Die Behandlung liefert Wasser, das hygienisch unbedenklich ist und sich zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen eignet. So wird nicht nur sauberes Wasser, sondern auch Dünger gespart. Alternativ ist es möglich, die Nährstoffe als Dünger aus dem gereinigten Wasser zurückzugewinnen. In diesem Fall kann das Wasser direkt in ein Gewässer eingeleitet oder wiederverwendet werden.

Referenzprojekte

Dezentrale urbane Wasserinfrastruktursysteme – DEUS 21

Für Ortschaften, die noch nicht an zentrale Kläranlagen angeschlossen sind, hat das Fraunhofer IGB ökonomische und ökologische Alternativen zu herkömmlichen Abwasserreinigungssystemen im Projekt DEUS 21 (Dezentrale urbane Wasserinfrastruktursysteme) entwickelt und erprobt.

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HypoWave – Wasserwiederverwendung in der Landwirtschaft

Laufzeit: September 2016 – August 2019

Regionale Konkurrenzen um die Ressource Wasser sind keine Seltenheit. Durch Klimawandel, Urbanisierung und Verschmutzung der Wasserressourcen könnten sich Nutzungskonflikte in den nächsten Jahrzehnten noch verschärfen. Deshalb sind neue Verfahren für die Wasseraufbereitung und Wasserwiederverwendung sinnvoll. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt »HypoWave« wird ein wassersparendes Konzept für die Landwirtschaft untersucht: Die hydroponische Pflanzenproduktion, deren Bewässerung aus kommunalem Abwasser gewonnen wird.

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Nexus – Wasser, Energie und Ernährung in asiatischen Städten

Städte in Asien entwickeln sich extrem dynamisch, die Wirtschaft wächst und viele Menschen zieht es vom Land in die Stadt. Doch dieses enorme Wachstum bringt eine Vielzahl von Herausforderungen mit sich: die Versorgung der Bevölkerung mit Wasser, Nahrung und Energie, die Entsorgung von Abwasser und Abfall sowie der Schutz der Bevölkerung vor Katastrophen muss sichergestellt werden. Dabei sollten die Verantwortlichen in den Städten gleichzeitig berücksichtigen, dass die natürlichen Ressourcen geschont werden und die Stadt ihren Bürgern eine hohe Lebensqualität bietet, denn nur so kann eine nachhaltige Entwicklung auf Dauer gewährleistet werden. Aufgrund der hohen Dynamik kann dies nur gelingen, wenn das Denken in Sektoren aufgebrochen wird und innovative Lösungen im Zusammenspiel (Nexus) der Bereiche Wasser, Energie und Ernährungssicherheit gefunden werden.

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Dezentrale Abwasserreinigung am Beispiel einer brasilianischen Stadt

Die Länder Südamerikas drängen aufgrund der Umweltprobleme, insbesondere in den Ballungsgebieten, auf eine funktionierende Abwasserreinigung. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen sind in vielen Fällen geschaffen, doch mangelt es noch weitgehend an der Umsetzung. Ein hoher Prozentsatz der Bevölkerung ist zwar an ein Kanalnetz zur Ableitung der Abwässer angeschlossen, doch werden derzeit nur knapp 10 Prozent der Abwässer in den größeren südamerikanischen Städten in einer Kläranlage gereinigt. Daraus resultieren enorme Belastungen für die Gewässer, in die das ungereinigte Abwasser eingeleitet wird (Bild 1). Eine Alternative zu großen kostenintensiven, zentralen Kläranlagen bieten in vielen Fällen dezentrale Lösungen.

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Regionale Potenzialanalyse für die Regenwassernutzung in Campinas, Brasilien

Der Südosten Brasiliens, insbesondere der Großraum São Paulo, ist von einem starken industriellen und demografischen Wachstum geprägt. Dadurch verschärfen sich Umweltprobleme wie Gewässerverschmutzung und Ressourcenknappheit. Wissenschaftler des Fraunhofer IGB pflegen seit nahezu zehn Jahren Projektpartnerschaften mit akademischen Institutionen und zuständigen Behörden in der Region Campinas im Hinterland von São Paulo, um gemeinsam innovative und nachhaltige Lösungen für die Wasserwirtschaft zu erarbeiten.

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Morgenstadt – Wasser in der Stadt der Zukunft

Weltweit wächst die Zahl der in Städten lebenden Menschen rasant. Städte verbrauchen große Mengen an Ressourcen und belasten durch die hohe Besiedlungsdichte die Umwelt besonders stark. Auf der anderen Seite sind Städte extrem dynamische Systeme, in denen sich Innovationen schnell verbreiten können. Für eine nachhaltige Entwicklung von Städten sind technische und organisatorische Innovationen und ihre schnelle Umsetzung notwendig. Diese Innovationen können nur durch interdisziplinäre Zusammenarbeit entwickelt und umgesetzt werden. Zu diesem Zweck haben sich zehn Fraunhofer-Institute mit Kommunen und Unternehmen zu dem Innovationsnetzwerk »Morgenstadt: City Insights« zusammengeschlossen.

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