KREIS – Zusammenhänge von Landwirtschaft,Wasser, Abwasser und Abfall ermöglichen

Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit innovativer Stadtentwässerung

Prof. Dr.-Ing. Jörg LondongBauhaus-Universität Weimar Bauhaus-Institut für zukunftsweisende Infrastruktursysteme b.is

Fachforum Zukunft des Systems Ökolandbau, Berlin 1. Juli 2014

Vorstellung

Bauingenieurstudium an der RWTH Aachen

1987 Promotion an der RWTH Aachen

1988 – 2001 Wupperverband in Wuppertalzuletzt Leiter Geschäftsbereich Technik

1997 Honorarprofessur Universität Essen

2001 Ruf an die Bauhaus-Universität Weimarseit 2001 Leiter der Professur Siedlungswasserwirtschaft

seit 2013 geschäftsführender Gesellschafter INAWA GbR

seit 2013 Direktor des Institutes für zukunftsweisende Infrastruktursysteme b.is

Inhalte

Ansätze für neue Konzepte erläutern

Am Beispiel KREIS Hamburg Jenfelder Au aufzeigentechnisches KonzeptSchnittstelle Landwirtschaft

Nach: Larsen, T.A.; Gujer, W.: Waste design and source control lead to flexibility in wastewater management, 1. IWA world water congress, Paris 3.-7.7.2000

Siedlungs-gebiete

ländlicheGebiete

Landwirtschaft

Klärschlamm

KläranlageÜberlauf

Vorfluter

Grundwasser

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???

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Die Siedlungsentwässerung hat Lecks !

Boden

?

endliche Phosphorreserven

Phosphatreserven 2000 in Tausend Tonnen

USA

China

Marokko

Andere LänderReservenReserve base

Reserven = Vorkommen, die unter 35 US$/t gefördert werden können

Reserve base = Vorkommen, die unter 100 US$/t gefördert werden können

Jasinski, 2001

Stoffströme bei der klassischen Abwasser-entsorgung

Lebensmittel

Schwemm-kanal

SpültoilettenLand

wirt

scha

ft

Akkumulation (Phosphor, Stickstoff, Kalium, Kohlenstoff)

Kläranlage

KalibergbauPhosphat aus Afrika

Düngerfabrik

Klär-schlamm

Abfälle

DeponieVerbrennung

Luftstickstoff (N )2

HoherEnergie-aufwand fürNitrifikation

Trinkw

asser

Nach: Otterpohl et al.

Das System führt zum Verlust von Nährstoffen

Was tun ?

Stoffströme:

Spannungsfeld

Umweltbelastung und Ressource

Abwasser, Müll, Bauschutt

oder

(Trink, Bewässerungs...-)Wasser, Dünger, Rohstoff, Baumaterial ...

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 Analyseder Teilströme auch im häuslichen Abwasser.

Benennung der Teilströme des häuslichen Abwassers

Urin mit oder ohne Spülwasser

Gelbwasser

Fäzes mit Spülwasser ohne Urin

Braunwasser

Sonstiges häusliches Abwasser, ohne Urin und ohne Fäzes

Grauwasser

Fäkalien mit Spülwasser und Urin

Schwarzwasser

urine~ 500 L/(I*a)

feces~ 50 L/(I*a)

greywater25.000 -100.000

L/(I*a)

N ~ 4-5 kg/(I*a) ~ 3 % ~ 87 % ~ 10 %

~ 34 %K ~ 1,8 kg/(I*a) ~ 54 % ~ 12 %

P ~ 0,75 kg/(I*a) ~50 % ~ 40 %~ 10 %

COD ~ 30 kg/(I*a) ~ 41 % ~ 12 % ~ 47 %

Wastewater is characterized by a very uneven distribution of material fractions from different wastewater sources.

Boden Lebensmittel

KaliumPhosphorStickstoffKohlenstoff

Badenerwünscht!

BiologischeReinigung(z.B. PKA)

Versickerung

Energie-versorgung

Schwarzwasserund Bioabfälle

Gelbwasser

Braunwasser

Grau-wasser

Regen-wasser

Verbesserungder Humusschicht

geringerWasser-bedarf

P < 1%N < 1%wenig Kohlenstoff

Recycling

Nic

htab

baub

are

Abf

älle

Speicher

Stoffströme bei einer neuen Abwasser-„ent“sorgung

Nach: Otterpohl et al.

Behandlung mit Entfernung Pathogen und Mico-Verunreinigungen

Einige Pilotprojekte zu Neuartigen Sanitärsystemen (NASS)

Erfahrungen aus Schweden

Gelb-wasser

Filtrat

Ablauf- wasser

Grau-wasser

-

Wasserkreis-lauf

Küche

Rottebehälter

+Vorklärung

Bew ach se ner Bodenfi lte r

Nähr-stoff- kreis- lauf

Gelbwasserspeiche r

G ar tenkompost

Dusche, Bad,

Waschmaschine, etc.

Rottegut

Landwirtschaft und Gar tenb au

Trink-wasser

Braun-wasser

Wasserw erk

Gewässer

Separations -

toilet te

Nahrungsmittel

Gelb-wasser

Das Abwasserkonzept der Lambertsmühle

Lambertsmühle

Deus 21

Wohnhaus Londong

GTZ Eschborn

UNESCO-IHE Gebäude Delft, NL

UrintanksSolar City Pichling Linz, A

KfW-Gebäude

„Ostarkade“

Kanal

• 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

Zielsetzung im Forschungsprojekt KREIS

GESAMTKONZEPTKONZEPTION: HAMBURG WATERCYCLE®DEMONSTRATION: MODELLPROJEKT JENFELDER AUFORSCHUNGSVERBUNDMANAGEMENT4 Teilbereiche, 

7 Arbeitspakete,10 Partner,  40 Personen

ENERGIEBIOGASERZEUGUNG- UNDNUTZUNGGEOTHERMIE, SOLARTHERMIEENERGIEVERBUNDSYSTEME,BETRIEBSKONZEPTE

ABWASSERUNTERDRUCKSYSTEM,SCHWARZWASSERBEHANDLUNG,ARZNEIMITTELELIMINATION, GÄRRESTVERWERTUNG

NACHHALTIGKEITÖKOLOGISCHE BEWERTUNGÖKONOMISCHE BEWERTUNGAKZEPTANZ UNDNUTZERANALYSENKOMMUNIKATIONSDEDIGN

Hamburg Water Cycle®

http://www.hamburgwatercycle.de

Umsetzung in

SW GW

Konzept Modellquartier KREIS

Revitalisierung einer ehemaligen Kaserne zu einem neuen Stadtquartier

Gesamtfläche: 45 ha, davon umgestaltet: 35 ha

Realisierung: 2012 - 2016 Wohneinheiten: 770

Einwohner: ca. 2.000 Niedrigenergie- und

Passivhäuser

Jenfelder Au

Das Stadtquartier Jenfelder Au

Betriebshof

an den HWC ®

angeschlossene Gebäude

Schwarzwasserleitungen

Grauwasserleitungen

HWC Jenfelder Au – bauliche Umsetzung

Inhalte

Ansätze für neue Konzepte erläutern

Am Beispiel KREIS Hamburg Jenfelder Au aufzeigentechnisches KonzeptSchnittstelle Landwirtschaft

Inventur der potentiellen Co-Substrate Abfall-/Abwasserstrom

Vergär-barkeit

Anfall/aktueller Verbleib Erschließbarkeit

Priv

ate

Abf

älle

Küchenabfälle ++ Ganzjährig/Biotonne, Restmüll teilweise über KAZ in Jenfeld möglich

Rasenschnitt + März-Oktober/ Biotonne, Kompost, Recyclinghof

separate Sammlung schwierig

Gartenabfälle -- März-Oktober/Biotonne, Kompost, schwierig

Laub -/+ Oktober-November/ Biotonne, Kompost, Recyclinghof

separate Sammlung schwierig

Öffe

ntlic

he A

bfäl

le

Rasenschnitt + März-Oktober/ beauftragte Entsorger kurz-/mittelfristig möglich

Baum-/Grünschnitt

-- März-Oktober/ beauftragte Entsorger kurz-/mittelfristig möglich

Laub -/+ Oktober-November/ Straßenlaub ETH, Flächen je nach Entsorger

Mittel-/langfristig möglich

Gew

erbl

iche

A

bfäl

le

Fettabscheider + Ganzjährig/ Köhlbrandthöft kurzfristig

Obstabfälle ++ Ganzjährig, Fresh Factory/ Biogasanlage in weiter Entfernung

mittelfristig möglich

Restaurantabfälle ++ Ganzjährig/ private Entsorger unklar

Bereich ENERGIE

JenfelderAu

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)

Bereich ABWASSER – Schwarzwasser

Versuchsanlage zur Arzneimittel-Elimination

• 8 CST- Reaktoren,

• 4 UASB- Reaktoren,

• Nutzvolumen je 40l

• Online- Messung der

Gasmenge und -qualität

(CH4, CO2, O2, H2, H2S)

• kontinuierliche

Beschickung CSB~2kg/m³

570 Nl/g oTS zugeführt

780 Nl/g oTS zugeführt

Bereich ABWASSER – Schwarzwasser

Versuchsanlage zur AMR-Elimination

• 8 CST- Reaktoren,

• 4 UASB- Reaktoren,

• Nutzvolumen je 40l

• Online- Messung der

Gasmenge und -qualität

(CH4, CO2, O2, H2, H2S)

• kontinuierliche

Beschickung CSB~2kg/m³

570 Nl/g oTS zugeführt

780 Nl/g oTS zugeführt

Parameter Input Output Abbau [%]Carbamazepine 110 µg/l 95 µg/l 13,6Metformin 1200 µg/l 520 µg/l 43,417- alpha Ethinyl-Estradiol

0,33 µg/l <0,1 µg/l 99,9

Metoprolol 23 µg/l 14 µg/l 39,1

AMR-Abbau im CSTR (erste Ergebnisse)

Umgang mit den Gärresten (KREIS 2 2015-2018)

Schwarzwasser

Überschussschlämme

Versuchscontainer  Schwarzwasserbehandlung VC‐SWB

Grauwasser-behandlung

Gewässer UASB

Gas‐therme

Sieb-rechen

Speicher

Speicher/Mischer

Speicher/Mischer

HydrolysereaktorenPrimärschlämme

Rasenschnitt(Küchenbiomüll)

Siebgut

Hydrolyse‐wasser

Wechsel‐behälter

Schneckenpresse

Thünen-InstitutProf. Rahmann

Fettwässer

JenfelderAu

Ausblick Forschungsprojekte EvaSens und TWIST++

EvaSens undTWIST++

Abwasserzweckverband Nordkreis Weimar (ANW)

• innovative, modell-hafte technische Lösungen Ab- und Trinkwasser

• Mit hoher Flexibilität des Gesamtsystems zur Anpassung an Veränderungen

• Simulationsspiel für Entscheider

1.6 2013 bis 31.5. 2016

• 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.

• www.kreis-jenfeld.de und www.twistplusplus.de werden laufend aktualisiert

• Dank an das BMBF für die Förderung von KREIS und TWIST++Dank an das BMVBS für die Förderung von EVASENS

Fazit

Düsseldorf, Altstadt

Dies Märchen wird wohl niemals wahrwir arbeiten daran !

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-ArbeitsblattBeginn der Arbeiten in 2009,Abschluss 2013, Veröffentlichung 2014

Aktivitäten der DWA zu „NASS“ DWA: Deutsche Vereinigung für Wasser-wirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.