Wie recyceltes Trinkwasser unser Dürreproblem lösen könnte
(Bild: Peter Bocklandt / Shutterstock.com)
Wasser wird in Trockenperioden zusehends knapp. Abwasser nicht. Dass man Wasser recyceln kann, zeigen inzwischen internationale Initiativen – auch in der EU.
Die ISS, Windhuk in Namibia und El Paso in Texas – es gibt viele Orte auf der Welt, an denen Menschen Abwasser trinken, weil es nicht genug frisches Trinkwasser gibt. Der Mangel brachte Ingenieure dazu, das, was in der Kanalisation treibt, wieder in ein möglichst sauberes Getränk zu verwandeln. Auf die Spitze haben sie dieses Prinzip im All getrieben: Raumfahrer würden verdursten, bekämen sie nicht ausschließlich ihren gereinigten Urin zu trinken.
Wasserrecycling ist seit den drei Dürrejahren 2018 bis 2020 auch in Deutschland ein Thema. Denn der Grundwasserspiegel sinkt, besagen hydrogeologische Studien. Dafür gibt es mehrere Ursachen: Den Boden tief durchdringender Landregen wird immer seltener, Starkregen, dessen Niederschläge oberflächlich abfließen, immer häufiger. Beide Trends sind eine Folge der Erderwärmung. Außerdem nehmen zubetonierte Flächen von Jahr zu Jahr zu, sodass der Niederschlag gar nicht in den Boden sickern kann.
Dieser Artikel stammt aus Ausgabe 2/2022 von MIT Technology Review (im heise shop bestellbar) [11].
Wasserknappheit überall spürbar
Die schleichende Entleerung der Grundwasserspeicher hat spürbare Folgen: In zurückliegenden Hitzeperioden mussten einzelne Wasserwerke hierzulande die Pumpen abschalten. Landwirte und andere Nutzer durften lokal kein Wasser mehr aus dem Boden entnehmen. Atommeiler und Kohlekraftwerke müssen ohne das notwendige Nass von jetzt auf gleich vom Netz genommen werden – ein Zwangsausstieg mit verheerenden Folgen für die Stromversorgung. Auch Dialysezentren benötigen jede Woche tausend Liter pro Patient.
Dabei ist Deutschland noch ein wasserreiches Land, blickt man auf die Bruttowasservorräte: Einer älteren Abschätzung zufolge verfügt die Bundesrepublik über 188 Milliarden Kubikmeter Süßwasser. "Davon nutzen wir lediglich 19 bis 20 Prozent", schildert Matthias Barjenbruch vom Institut für Siedlungswasserwirtschaft an der Technischen Universität Berlin, der die Daten vor über 15 Jahren errechnet hat. Theoretisch gäbe es also reichlich Luft nach oben.
Aber solche Abschätzungen seien irreführend, gibt der Hydrogeologe Traugott Scheytt von der TU Bergakademie in Freiberg zu bedenken: "Wir können das Wasservorkommen im Untergrund eigentlich nur unzureichend beschreiben." Es sei ein Warnschuss, dass punktuell und lokal zunehmend Süßwasser fehle. Es mangelt in Sachsen-Anhalt, Brandenburg und Berlin, aber auch in Franken, einigen Regionen Nordrhein-Westfalens und Niedersachsens. Mit dem Klimawandel wird sich die Knappheit verschärfen.
Wasserrecycling hat noch ein Schmuddel-Image
"Abwasser ist dagegen eine klimaresiliente Ressource", sagt Jörg Drewes, einer der wenigen deutschen Experten auf dem Gebiet. "Es fließt immer." Drewes brachte das Thema Abwasser als Ressource aus den USA an die Technische Universität München. Viele Jahre forschte er im wasserarmen Bundesstaat Kalifornien, dann in Australien und Saudi-Arabien – überall war die Wasserwiederverwendung ein Teil der Antwort auf den Trinkwassermangel. El Paso in Texas errichtet derzeit sogar eine Anlage zum Recycling seines Sanitärabwassers. 2025 soll sie in Betrieb gehen.
(Bild: Nasa Earth Observatory / Jesse Allen, Robert Simmon; Landsat Data, U.S. Geological Survey)
"Hierzulande hat Wasserrecycling noch ein Schmuddel-Image", sagt Drewes. "Deshalb ist Überzeugungsarbeit nötig." Einen ersten Wendepunkt markiert eine neue EU-Verordnung. Weil Wasser immer knapper wird, brachte Brüssel ein Regelwerk über Mindestanforderungen an die Wasserwiederverwendung auf den Weg, das ab Sommer 2023 gilt. Es ermöglicht Landwirten, rechtssicher aufbereitetes Abwasser auf Äcker zu pumpen. Im dürregeplagten Mittelmeerraum gab es diese Bewässerungspraxis bereits – in Deutschland jedoch kaum. Es war zwar bislang nicht explizit verboten, aber eben auch nicht erlaubt.
Lediglich im Raum Braunschweig und Wolfsburg beregnen Bauern per kommunaler Sonderregelung seit einigen Jahrzehnten ihre Flurstücke mit geklärtem Abwasser – kommunizieren diese Grauzonen-Praxis aber sehr zurückhaltend. Mit der Verordnung bekommt die Praxis EU-weit neuen Schub. Der Deutsche Abwasserverband interessiert sich nun für das Thema, freut sich Drewes.
Wie sauber darf es sein?
Das Ringen um die Frage, wie sauber aufbereitetes Abwasser für die Nahrungsmittelproduktion sein muss, steht allerdings noch bevor. Die Verordnung macht kaum konkrete Vorgaben und überlässt es den lokalen Behörden, in jedem Einzelfall die Risiken zu managen. Lediglich wenige Parameter wie die Zahl der Kolibakterien im aufbereiteten Abwasser sind im Anhang des Regelwerks mit einem Limit versehen.
Spezialisten für Wasserrecycling geben bis dato eine recht pragmatische Antwort auf die Frage, wie sauber recyceltes Abwasser sein muss: "Das kommt darauf an, wofür man es verwendet", sagt Drewes. Wenn man beispielsweise nur Kühlwasser benötigt, sind technischer Aufwand und Kosten geringer, als wenn man die Flüssigkeit hinterher trinken möchte. "Man analysiert das Abwasser und die Gefahren darin", erläutert Drewes. "Dann etabliert man multiple Barrieren – also beispielsweise mehrere Techniken zur Reduktion der Schadstoffe –, damit das Wasser mit ausreichender Sicherheit sauber genug für die bestimmte Anwendung wird."
(Bild: Nasa Earth Observatory / Jesse Allen, Robert Simmon; Landsat Data, U.S. Geological Survey)
Recyceltes Wasser für die Industrie
Was recht technokratisch klingt, ist Arbeitsalltag für den Berliner Mittelständler Envirochemie. Das Unternehmen hat sich mit Wasserrecycling weltweit einen Namen gemacht. Die Kunden kommen aus der Lebensmittelindustrie, die viel Trinkwasser benötigt, aber auch aus anderen wasserintensiven Branchen, berichtet Vertriebs- und Projektmanager Klaus Dickhoff.
Im vergangenen Jahr entbrannte etwa heftiger Streit um den Wasserbedarf des Tesla-Werkes im brandenburgischen Grünheide. Der Wasserverband Strausberg-Erkner soll der Elektroautofabrik in dem jetzt schon von Trockenheit geplagten Bundesland pro Jahr 1,4 Millionen Kubikmeter Wasser liefern. Das würde bedeuten, dass gegebenenfalls die Mengen für andere Abnehmer rationiert werden müssten, sagte der Verbandsleiter gegenüber Medienvertretern. "Wir arbeiten nun an einem Konzept für das Wasserrecycling", sagt Dickhoff. 40 bis 60 Prozent des Abwassers sollen künftig in der Gigafactory recycelt werden.
Wie sehr sich der Wasserbedarf über eine strikte Kreislaufführung drosseln lässt, habe man etwa an Molkereien gelernt, führt Dickhoff aus. Diese bräuchten für jeden Liter Milch bis zu drei Liter Wasser, um das Produkt in der Fabrik zu kühlen und die Anlagen zu reinigen. Beim Eindampfen der Milch zu Milchpulver fällt aber auch viel Wasser an – Milch besteht zu 86 Prozent aus Wasser. Dieses sogenannte Brühenkondensat fließt bei den allermeisten Molkereien bisher in die Kläranlage. "Dafür ist es aber zu schade. Da es über Destillation entsteht, ist es schon salzfrei und enthält kaum störende Stoffe", erklärt Dickhoff. Das Wasser ist allerdings etwas trüb und riecht leicht nach Milch, da der Wasserdampf beim Einkochen flüchtige Substanzen aus der Milch mitreißt. Diese sind ein idealer Nährboden für Keime, weshalb das Brühenkondensat ohne weitere Behandlung "rasch vergammelt", so Dickhoff.
Kein Sanitärabwasser-Recycling – Ekelfaktor wäre zu groß
Sein Unternehmen leitet die Flüssigkeit deshalb zunächst über eine biologische Behandlungsstufe, ein einfaches Kiesbett. Auf dem Kies siedeln sich Mikroben natürlich an und verzehren die vorüberfließenden organischen Substanzen. Danach wird das vorgereinigte Wasser über zwei weitere Filtrationstechniken so weit von Fremdstoffen befreit, dass es wieder klar ist und auch nicht mehr nach Milch riecht. "Beide Techniken halten Keime zu 100 Prozent zurück, sodass wir einen doppelten Schutz vor Verkeimung haben. Das ist wichtig im sensiblen Bereich der Nahrungsmittelproduktion", sagt Dickhoff. Jene Molkerei, die Envirochemie 2021 mit dem Recyclingverfahren ausgestattet hat, verwende es als Kühl- oder Kesselspeisewasser. Sie verbrauche seither 30 bis 40 Prozent weniger Leitungswasser. "Das Einzige, was wir nie recyceln, ist das Sanitärabwasser in den Fabriken", stellt Dickhoff klar. "Nicht weil es technisch nicht ginge, sondern aus psychologischen Gründen." Wenn das Toilettenwasser mit in die Aufbereitungsanlage flösse, wäre der potenzielle Ekelfaktor groß – und die Akzeptanz des gesamten Recyclings stünde auf dem Spiel.
Die Kosten für das Wasserrecycling seien mit den Trinkwasserkosten für Gewerbe vergleichbar, die etwa bei 0,7 bis 1,2 Euro je Kubikmeter lägen, sagt Dickhoff. Da aber die Entsorgung mit drei bis sechs Euro je Kubikmeter zu Buche schlage und sich die Abwassermenge reduziere, sparen die Unternehmen dort Ausgaben ein.
[12]Kurzschluss im Wasserkreislauf
So gut das klingt – Wasserrecycling hat auch Schattenseiten. Das recycelte Abwasser gelangt nicht mehr über die Kläranlagen in Flüsse. Von dort sickert es nicht mehr über Jahrzehnte ins Grundwasser, um dann daraus an anderer Stelle wieder entnommen zu werden. Die Wasserwiederverwendung klemmt die Natur ab oder verkürzt zumindest ihren Part.
Das kann weitreichende Folgen haben. Etwa wenn Flüsse kaum noch Wasser führen, da ihnen der Zulauf aus Kläranlagen fehlt. Dann können schlimmstenfalls Schiffe nicht mehr fahren und Fische nicht mehr schwimmen. "Wir arbeiten deshalb gerade an einer Studie, wie man Wasserrecycling managen kann. Es ist alles andere als trivial", sagt Drewes.
Wasserrecycling managen
In einer Studie für das Umweltbundesamt wies er 2018 beispielsweise nach, dass bei Niedrigwasser einige Flussabschnitte zu mehr als 30 bis 50 Prozent aus dem Kläranlagenablauf gespeist werden. Dies sei zwischen Mai und September der Normalfall. Besonders ausgeprägt ist die Dominanz des geklärten Abwassers bei Neckar, Main, Havel, Ems, Weser und den rechtsseitigen Zuflüssen des Rheins. In diesen Regionen verwenden die Wasserwerke häufig Uferfiltrat für die Trinkwassergewinnung. Das wird dann ebenfalls zu 30 bis 50 Prozent aus dem Kläranlagenablauf gespeist – nur einfach durch den Ufersand gefiltert.
Das Problem: Dabei können die gesundheitlichen Orientierungswerte für verschiedene Schadstoffe bei Niedrigwasser überschritten werden, warnt Drewes in seiner Analyse. Infolge des Kurzschlusses im Kreislauf wären dann zu viele Schadstoffe im Wasser. Ein anderes Beispiel sei die Vier-Millionen-Metropole Berlin. Das Abwasser der Hauptstadtbewohner fließt geklärt in Spree und Havel und damit teils in den Tegeler See. Direkt unter dem Seegrund befinden sich jedoch die Trinkwasserbrunnen, die Wasser aus dem Grundwasser hinaufpumpen. Abwasser, See, Grundwasser, Trinkwasser – alles auf einem Fleck. "Berlin betreibt eine indirekte Wasserwiederverwendung", sagt Drewes, da das Flusswasser nicht ausreichend mit Quellwasser verdünnt wird.
(Bild: Jörg E. Drewes)
Und gereinigtes Abwasser ist qualitativ immer schlechter als Quellwasser. Das liegt daran, dass sämtliche Reinigungstechniken Schadstoffe nur zu einem gewissen Grad entfernen können. Selbst bei einer Filtration mit Aktivkohle schwanken die Eliminationsraten je nach Substanz zwischen Null und über neunzig Prozent. Nicht ohne Folgen: Die Wasserwerke der Hauptstadt messen seit Jahren eine steigende Konzentration von Medikamenten in den Berliner Seen, weil der Arzneimittelverbrauch der Bevölkerung stetig steigt. Spitzenreiter ist der Blutdrucksenker Valsartan mit mehr als drei Mikrogramm je Liter Seewasser. Daneben schwimmt darin ein Cocktail aus Schmerzmitteln, Antibiotika und dem Rostschutzmittel Benzotriazol. Es steckt in Geschirrspülmaschinentabs und enteist im Winter die Straßen. Zwar werden Leit- und Grenzwerte den offiziellen Messdaten zufolge nicht überschritten, aber in Summe sind es viele menschengemachte Schadstoffe, die mittlerweile im kleinräumigen Berliner Wasserkreislauf zirkulieren.
Auf Anordnung der Umweltbehörde müssen die Berliner Wasserwerke nun einschreiten und ihre Kläranlagen für die indirekte Wasserwiederverwendung Schritt für Schritt aufrüsten: Bis 2023 soll das größte Klärwerk Schönerlinde im Norden der Hauptstadt um einen Aktivkohlefilter und eine Ozoneinheit erweitert werden. Verglichen mit unerkannten Kurzschlüssen sei aktives Wasserrecycling an Ort und Stelle mit dem zugehörigen Risikomanagement und dem gezielten Einsatz von Reinigungstechnik allemal besser, argumentiert Drewes.
Bakterien fressen sich gegenseitig
Hinter den Kulissen sei die Diskussion allerdings noch im Gange, ob man Spurenstoffe nicht doch mit einem naturnahen Verfahren entfernen könne, berichtet Drewes. Er selbst hat eine solche Methode in den USA entwickelt. "Wir wollten damals eigentlich beweisen, dass die biologische Behandlung bei schwer abbaubaren Schadstoffen nichts bringt. Und dann entdeckten wir, dass das unter bestimmten Bedingungen doch funktioniert", berichtet er. Wenn die meisten organischen Substanzen im Wasser aufgezehrt sind, geraten die Mikroben unter maximalen Selektionsdruck und rüsten ihre Enzyme so um, dass sie die schwer abbaubaren Substanzen futtern, sofern ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, erklärt Drewes das Konzept, das er "Smart"-Verfahren nennt. Er hat es auf der Insel Baumwerder erprobt. "Die Technik erzeugt keine Reststoffe wie bei Aktivkohle und braucht auch viel weniger Energie als der Betrieb einer Ozonanlage. Der Prozess läuft kostenlos. Man braucht nur Fläche und einen beständigen Abwasserstrom, weshalb sie für kommunale Klärwerke – weniger für die Industrie – infrage kommt."
Praktisch läuft der biologische Abbau der Spurenstoffe so ab: Das bereits geklärte Abwasser wird über einer Fläche versickert und dann wieder zu Tage gepumpt. Während der ersten Passage zehren Mikroorganismen die leicht verdaulichen organischen Stoffe. Dann nimmt das Abwasser an der Luft Sauerstoff auf und wird anschließend ein zweites Mal versickert. Die Mikroorganismen verdauen notgedrungen die schwerer abbaubaren Substanzen. In weniger als 13 Stunden sei so ein effektiver Abbau, vergleichbar mit einer Aktivkohlefilterung zu erreichen, sagt Drewes. Die Methode entferne auch Keime, da die Bakterien mangels Nahrung erst die Viren und dann sich gegenseitig fressen.
Mittlerweile konnte der Abwasserexperte das Verfahren auch in einen Reaktor überführen. Darin befindet sich ein poröses Granulat, um die Oberfläche zwischen Abwasser und Luft zu vergrößern. Über eine gasdurchlässige Membran strömt Sauerstoff in den Reaktor. Kommunen, die keine Flächen zum Versickern zur Verfügung hätten, könnten das Smart-Verfahren damit auch in Gebäuden verwirklichen, meint Drewes.
Wasserversorgung im 21. Jahrhundert sichern
Um Abwasser direkt in Trinkwasser zu verwandeln, ist seine neue Methode allein aber nicht ausreichend, räumt er ein. In Aurora im Bundesstaat Colorado kombiniert man sie dafür noch mit einer Desinfektion unter UV-Licht und Wasserstoffperoxid. Danach folgen noch zwei Aktivkohlereinigungsstufen.
(Bild: Jörg E. Drewes, Andreas Heddergott)
Wasserrecycling wird die Wasserversorgung im 21. Jahrhundert wohl zunehmend stützen. So viel ist absehbar. Wenn es dazu beiträgt, dass weniger Frischwasser entnommen und zum anderen weniger belastetes Abwasser in die Flüsse und Seen fließt, sprich: dass Abwasser unter dem Strich besser aufbereitet wird als bisher üblich, wäre das ein doppelter Gewinn für Natur und Mensch. Technisch stehen die Vorzeichen dafür nicht schlecht, denn konzentrierte Abwässer lassen sich effektiver reinigen als stark verdünnte Abwässer in den Klärwerken. Sollte aber Wasserrecycling nur dazu genutzt werden, die Kosten für die Ressource Wasser zu drücken, und die Aufbereitung demzufolge auf das Allernötigste beschränkt bleiben, sind die Folgen unausweichlich. Denn auch Nahrungspflanzen nehmen Arzneirückstände, Mikroplastik und Schwermetalle auf – und mit ihnen der Mensch.
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