KREIS Zusammenhänge von Landwirtschaft, Wasser, Abwasser und Abfall ermöglichen

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1 KREIS Zusammenhänge von Landwirtschaft, Wasser, Abwasser und Abfall ermöglichen Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong Bauhaus-Universität Weimar Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme b.is Fachforum Zukunft des Systems Ökolandbau, Berlin 1. Juli 2014

2 Vorstellung Bauingenieurstudium an der RWTH Aachen 1987 Promotion an der RWTH Aachen Wupperverband in Wuppertal zuletzt Leiter Geschäftsbereich Technik 1997 Honorarprofessur Universität Essen 2001 Ruf an die Bauhaus-Universität Weimar seit 2001 Leiter der Professur Siedlungswasserwirtschaft seit 2013 geschäftsführender Gesellschafter INAWA GbR seit 2013 Direktor des Institutes für zukunftsweisende Infrastruktursysteme b.is

3 Inhalte Ansätze für neue Konzepte erläutern Am Beispiel KREIS Hamburg Jenfelder Au aufzeigen technisches Konzept Schnittstelle Landwirtschaft

4 Die Siedlungsentwässerung hat Lecks! Siedlungsgebiete??? ländliche Gebiete Überlauf Kläranlage??!? Klärschlamm Grundwasser Nach: Larsen, T.A.; Gujer, W.: Waste design and source control lead to flexibility in wastewater management, 1. IWA world water congress, Paris ? Boden? Landwirtschaft? Vorfluter

5 endliche Phosphorreserven Andere Länder Reserven Reserve base Marokko China USA Phosphatreserven 2000 in Tausend Tonnen Reserven = Vorkommen, die unter 35 US$/t gefördert werden können Reserve base = Vorkommen, die unter 100 US$/t gefördert werden können Jasinski, 2001

6 Kalibergbau Phosphat aus Afrika Luftstickstoff (N ) 2 Das System führt zum Verlust von Nährstoffen Düngerfabrik Landwirtschaft Lebensmittel Abfälle Hoher Energieaufwand für Nitrifikation Spültoiletten Trinkwasser Nach: Otterpohl et al. Stoffströme bei der klassischen Abwasserentsorgung Schwemmkanal Klärschlamm Deponie Verbrennung Kläranlage Akkumulation (Phosphor, Stickstoff, Kalium, Kohlenstoff)

7 Was tun?

8 Stoffströme: Spannungsfeld Umweltbelastung und Ressource Abwasser, Müll, Bauschutt oder (Trink, Bewässerungs...-)Wasser, Dünger, Rohstoff, Baumaterial...

9 Was tun? Technik Wesentlichen Nachteilen des heutigen end-of-pipe-systems kann begegnet werden, wenn Maßnahmen an der Quelle ansetzen. Diese Philosophie ist bei industriellen Produktionen schon weit verbreitet. In der Siedlungsentwässerung kann die Versickerung von unverschmutztem Regenwasser vor Ort als Einstieg in die Trennung von Stoffströmen und Maßnahmen an der Quelle gesehen werden. Konsequent weitergedacht kommt man zur Analyse der Teilströme auch im häuslichen Abwasser.

10 Benennung der Teilströme des häuslichen Abwassers Fäkalien mit Spülwasser und Urin Urin mit oder ohne Spülwasser Fäzes mit Spülwasser ohne Urin Sonstiges häusliches Abwasser, ohne Urin und ohne Fäzes Schwarzwasser Gelbwasser Braunwasser Grauwasser

11 greywater L/(I*a) urine ~ 500 L/(I*a) feces ~ 50 L/(I*a) N ~ 4-5 kg/(i*a) ~ 3 % ~ 87 % ~ 10 % P ~ 0,75 kg/(i*a) ~ 10 % ~50 % ~ 40 % K ~ 1,8 kg/(i*a) ~ 34 % ~ 54 % ~ 12 % COD ~ 30 kg/(i*a) ~ 41 % ~ 12 % ~ 47 % Wastewater is characterized by a very uneven distribution of material fractions from different wastewater sources.

12 Boden Verbesserung der Humusschicht Lebensmittel Kalium Phosphor Stickstoff Kohlenstoff Energieversorgung geringer Wasserbedarf Baden erwünscht! Stoffströme bei einer neuen Abwasser- ent sorgung Nach: Otterpohl et al. Speicher Behandlung mit Entfernung Pathogen und Mico- Verunreinigungen Schwarzwasser und Bioabfälle Gelbwasser Braunwasser Nichtabbaubare Abfälle Recycling Biologische Reinigung (z.b. PKA) Grauwasser Regenwasser Versickerung P < 1% N < 1% wenig Kohlenstoff

13 Einige Pilotprojekte zu Neuartigen Sanitärsystemen (NASS) Erfahrungen aus Schweden GTZ Eschborn KfW-Gebäude Ostarkade Wohnhaus Londong UNESCO-IHE Gebäude Delft, NL Lambertsmühl Das Abwasserkonzept der Lambertsmühle e Landwirtschaft und Gartenb au Nahrungsmittel Gelbwasser Separations - toilet te Küche Dusche, Bad, Waschmaschine, etc. Nährstoffkreislauf Trinkwasser Wasserkreislauf Wasserw erk Gartenkompost Grauwasser Braunwasser Gelbwasser Gewässer Ablaufwasser Solar City Pichling Linz, A Deus 21 Urintanks Gelbwasserspeiche r Rottegut Rottebehälter +Vorklärung Bew ach se ner Bodenfi lte r Filtrat

14 Zielsetzung im Forschungsprojekt KREIS Umsetzungsoptionen des HAMBURG WATER Cycle in Kombination mit Wärmeversorgungskonzepten wissenschaftlich begleiten Unterstützung des Planungs- und Bauprozesses sowie der Inbetriebnahme der technischen Systeme mit vorbereitenden Untersuchungen Wissenschaftliche Begleitung des Betriebes nach Fertigstellung der Anlagen Projektlaufzeit: November 2011 bis Februar 2015, dann Phase 2 bis 2018 Kanal

15 4 Teilbereiche, GESAMTKONZEPT KONZEPTION: HAMBURG WATER CYCLE DEMONSTRATION: MODELLPROJEKT JENFELDER AU FORSCHUNGSVERBUNDMANAGEMENT 7 Arbeitspakete, 10 Partner, 40 Personen ENERGIE BIOGASERZEUGUNG- UND NUTZUNG GEOTHERMIE, SOLARTHERMIE ENERGIEVERBUNDSYSTEME, BETRIEBSKONZEPTE ABWASSER UNTERDRUCKSYSTEM, SCHWARZWASSERBEHANDLUNG, ARZNEIMITTELELIMINATION, GÄRRESTVERWERTUNG NACHHALTIGKEIT ÖKOLOGISCHE BEWERTUNG ÖKONOMISCHE BEWERTUNG AKZEPTANZ UND NUTZERANALYSEN KOMMUNIKATIONSDEDIGN

16 Hamburg Water Cycle SW GW Umsetzung in

17 Konzept Modellquartier KREIS

18 Jenfelder Au Revitalisierung einer ehemaligen Kaserne zu einem neuen Stadtquartier Gesamtfläche: 45 ha, davon umgestaltet: 35 ha Realisierung: Wohneinheiten: 770 Einwohner: ca Niedrigenergie- und Passivhäuser

19 Das Stadtquartier Jenfelder Au Betriebshof an den HWC angeschlossene Gebäude Schwarzwasserleitungen Grauwasserleitungen

20 HWC Jenfelder Au bauliche Umsetzung

21 Inhalte Ansätze für neue Konzepte erläutern Am Beispiel KREIS Hamburg Jenfelder Au aufzeigen technisches Konzept Schnittstelle Landwirtschaft

22 Bereich ENERGIE Inventur der potentiellen Co-Substrate Private Abfälle Öffentliche Abfälle Gewerbliche Abfälle Abfall- /Abwasserstrom Anfall/aktueller Verbleib Erschließbarkeit Küchenabfälle ++ Ganzjährig/Biotonne, Restmüll teilweise über KAZ in Jenfeld möglich Rasenschnitt + März-Oktober/ Biotonne, Kompost, Recyclinghof Gartenabfälle -- März-Oktober/Biotonne, Kompost, schwierig Laub -/+ Oktober-November/ Biotonne, Kompost, Recyclinghof separate Sammlung schwierig separate Sammlung schwierig Rasenschnitt + März-Oktober/ beauftragte Entsorger kurz-/mittelfristig möglich Vergärbarkeit Baum- /Grünschnitt -- März-Oktober/ beauftragte Entsorger kurz-/mittelfristig möglich Laub -/+ Oktober-November/ Straßenlaub ETH, Flächen je nach Entsorger Mittel-/langfristig möglich Fettabscheider + Ganzjährig/ Köhlbrandthöft kurzfristig Obstabfälle ++ Ganzjährig, Fresh Factory/ mittelfristig möglich Biogasanlage in weiter Entfernung Restaurantabfälle ++ Ganzjährig/ private Entsorger unklar Jenfelder Au

23 Bereich ABWASSER Konzeption für ein Stadtquartier KREIS GW-Behandlung: Behandlung auch in Kopplung mit Gärrestbehandlung SW-Ableitung: betriebssicheres Unterdrucksystem SW-Behandlung: Optimierung von von Gasproduktion und Arzneimittel-Elimination Gärrestaufbereitung zur stofflichen Verwertung (Einbeziehung nicht-vergärbarer Bioressourcen in KREIS 2)

24 Bereich ABWASSER Schwarzwasser Versuchsanlage zur Arzneimittel-Elimination 780 Nl/g ots zugeführt 8 CST- Reaktoren, 4 UASB- Reaktoren, Nutzvolumen je 40l Online- Messung der Gasmenge und -qualität (CH 4, CO 2, O 2, H 2, H 2 S) kontinuierliche Beschickung CSB~2kg/m³ 570 Nl/g ots zugeführt

25 Bereich ABWASSER Schwarzwasser Versuchsanlage zur AMR-Elimination 780 Nl/g ots zugeführt 8 CST- Reaktoren, 4 UASB- Reaktoren, Nutzvolumen je 40l Online- Messung der Gasmenge und -qualität (CH 4, CO 2, O 2, H 2, H 2 S) kontinuierliche Beschickung CSB~2kg/m³ AMR-Abbau im CSTR (erste Ergebnisse) Parameter Input Output Abbau [%] 570 Nl/g ots zugeführt Carbamazepine 110 µg/l 95 µg/l 13,6 Metformin 1200 µg/l 520 µg/l 43,4 17- alpha Ethinyl- 0,33 µg/l <0,1 µg/l 99,9 Estradiol Metoprolol 23 µg/l 14 µg/l 39,1

26 Umgang mit den Gärresten (KREIS ) Rasenschnitt (Küchenbiomüll) Überschussschlämme Primärschlämme Hydrolysereaktoren Grauwasserbehandlung Gastherme Speicher Gewässer Schwarzwasser Siebgut Speicher/ Mischer Siebrechen Hydrolysewasser UAS B Schneckenpresse Fettwässer Wechselbehälter Speicher/ Mischer Jenfelder Au Thünen-Institut Prof. Rahmann Versuchscontainer Schwarzwasserbehandlung VC SWB

27 Ausblick Forschungsprojekte EvaSens und TWIST++ EvaSens und TWIST++ innovative, modellhafte technische Lösungen Ab- und Trinkwasser Mit hoher Flexibilität des Gesamtsystems zur Anpassung an Veränderungen Simulationsspiel für Entscheider bis Abwasserzweckverband Nordkreis Weimar (ANW)

28 Fazit Die Einführung neuer Infrastruktursysteme dauert und kostet Nerven. Der HWC (Schwarzwasser, Grauwasser) in Kombination mit lokalen Energiekonzepten bietet Chancen in Neubau und Bestand, wenn die Technik funktioniert und die erzeugten Produkte Akzeptanz finden. und werden laufend aktualisiert Dank an das BMBF für die Förderung von KREIS und TWIST++ Dank an das BMVBS für die Förderung von EVASENS

29 Dies Märchen wird wohl niemals wahr wir arbeiten daran! Düsseldorf, Altstadt

30 Aktivitäten der DWA zu NASS DWA: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. 2005: Gründung des Fachausschusses KA 1 Behandlung von Abwasser aus neuartigen Sanitärsystemen mit mehreren Arbeitsgruppen; bisherige Ergebnisse u.a.: Ende 2008: DWA- Themenband zur IFAT 2010: NASS- Broschüre Brauchen wir in Deutschland neuartige Sanitärsysteme? Bedarf für Regelwerk: eigenes DWA-Arbeitsblatt Beginn der Arbeiten in 2009, Abschluss 2013, Veröffentlichung 2014