Andere Wege für das Abwasser
Die Wasserwirtschaft mit Kanalisation und zentralen Kläranlagen ist nicht mehr zukunftsfähig und global keine Lösung. Umweltingenieurinnen und -ingenieure der ETH Zürich und der Eawag bereiten den Weg zu einer dezentraleren und kreislauffähigen Wasserinfrastruktur.
Aus den Augen, aus dem Sinn – und so rasch wie möglich aus den Siedlungen heraus. Seit es Kanalisationen gibt, schwemmen wir unsere Ausscheidungen mit viel frischem Wasser aus Häusern und Städten. Die moderne Wasserwirtschaft zählt zu den grossen Errungenschaften des vergangenen Jahrhunderts. Sie versorgt uns mit sauberem Trinkwasser, entsorgt und reinigt das Abwasser und leitet das Regenwasser aus den Siedlungen ab. «So verschafft sie uns trockene Füsse und hygienische Verhältnisse – zwei Pfeiler der öffentlichen Gesundheit in dicht besiedelten Städten», sagt Max Maurer, Professor für Systeme in der Siedlungswasserwirtschaft an der ETH Zürich und der Eawag, dem Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs.
Um das zu ermöglichen, haben Industrieländer wie die Schweiz eine gewaltige Infrastruktur aufgebaut. Hierzulande beläuft sich ihr Wert auf gut 230 Milliarden Franken. Sie besteht aus rund 200 000 Kilometer Trink- und Abwasserleitungen, die aneinandergereiht fünf Mal um die Erde reichen. Und aus einem weit verzweigten Netz an unterirdischen Kanälen, welche die Abwässer zu knapp 800 zentralen Reinigungsanlagen transportieren.
Dieser Ansatz der Wasserwirtschaft hat sich in Industrieländern bewährt und galt auch während Jahrzehnten als Massstab für den Rest der Welt. «Doch unser konventionelles Wassermanagement ist nicht zukunftsfähig und stösst zusehends an seine Grenzen», hält Maurer fest.
Vom Abfall zum Wertstoff
Auch Kai Udert, Professor am Institut für Umweltingenieurwesen an der ETH Zürich und Senior Scientist an der Eawag sieht den konventionellen Ansatz kritisch: «Dass wir Kot, Urin und leicht verschmutztes Grauwasser aus Bad und Küche mit Trinkwasser verdünnen, um sie durch die Kanalisation zu transportieren, ist eigentlich absurd».
Udert ist Experte für Verfahrenstechnik und sieht Abwasser nicht als stinkige Entsorgungsfracht, sondern als wertvolle Ressource, die es zu erschliessen gilt. Eingängig legt er dar, warum er den konventionellen Ansatz nicht mehr für zeitgemäss erachtet: «Das Abwasser ist einer der letzten linearen Abfallströme. Alles, ob schmutzig oder sauber, landet im selben Topf und wird entsorgt – das ist ineffizient und schafft etliche Probleme, die man seit Jahren zu beheben sucht.» Unter anderem verschwendet das System viel Wasser, Energie und wertvolle Nährstoffe, die verloren gehen und die Umwelt schädigen, wenn wir sie nicht in den Kreislauf zurückführen.
«Unser konventionelles Wassermanagement ist nicht zukunftsfähig.»Max Maurer
Derweil nehmen die Herausforderungen zu: der Klimawandel, eine schnell alternde Infrastruktur, die wachsende Bevölkerung, die zunehmende Verstädterung und nicht zuletzt die steigenden Anforderungen für Kläranlagen, neue Mikroverunreinigungen zu entfernen – das alles setzt die Abwasserwirtschaft unter Druck.
Maurer und Udert fordern ein Umdenken. Sie plädieren für einen Paradigmenwechsel in der Siedlungswasserwirtschaft: weg von wenigen zentralen Anlagen und hin zu einer dezentral organisierten Abwasserbehandlung auf Basis einer modularen Wasserinfrastruktur, um das Siedlungswasser effizienter und effektiver zu bewirtschaften.
Recycling an der Quelle
Maurer erklärt: «Wir sehen als ergänzende Alternative kleine, hocheffiziente, dezentrale Kläranlagen, die Abwässer flexibler und vor Ort reinigen.» Die Verfahren, die für solche Klein-Anlagen verwendet werden könnten, werden seit Jahren an der Eawag von Udert und Maurer entwickelt. Die Forschenden orientieren sich dabei an drei Prinzipien, die auf eine ressourcenorientierte und kreislauffähige Sanitärversorgung abzielen:
Stofftrennung an der Quelle (No-Mix): Werden Ausscheidungen und Wasser gar nicht erst vermischt, lassen sie sich viel einfacher aufbereiten und wiederverwenden.
Rückgewinnung von Ressourcen: Aus Urin und Fäkalien lassen sich Nährstoffe wie Stickstoff oder Phosphor gewinnen. Das als Grauwasser bezeichnete Abwasser aus Küche, Bädern oder Waschmaschinen ist nur leicht verschmutzt und wird mehrfach aufbereitet und wiederverwendet. Wärmeenergie wird zurückgewonnen. Werden die Nährstoffe als Dünger auf die Felder gebracht, schliessen sich Nährstoffkreisläufe, was die Umwelt entlastet und die Importabhängigkeit von mineralischen Dünger senkt.
Dezentralisierung will den aufwendigen Wassertransport in zentral organisierten Leitungsnetzen ersetzen und bedingt, dass die Abwässer und Abfälle so nah wie möglich an der Quelle aufbereitet werden.
Im Keller des NEST, des Forschungs- und Innovationsgebäudes der Empa und Eawag, entwickeln und testen die Forschenden die neuen Abwassertechnologien. Die verwendeten Verfahren gehen dabei zum Teil auf Forschungsprojekte zurück, die vor über 15 Jahren starteten, um netzunabhängige Sanitärlösungen für Länder des globalen Südens zu entwickeln. Bekannte Beispiele sind die Projekte Vuna und Blue Diversion Autarky, die Lösungen erarbeiteten, um Abwässer ohne Schwemmkanalisation und zentrale Kläranlage sicher und kostengünstig zu entsorgen.
«Das Abwasser ist einer der letzten linearen Abfallströme.»Kai Udert
Vuna steht für «Valorisation of Urine Nutrients in Africa». Bei dieser Methode, die die ETH Zürich mitentwickelte, wird Urin separat gesammelt und in einer entfernten Behandlungsanlage zu Dünger aufbereitet. Aus dem zweiten Projekt ging die «Blue Diversion Autarky Toilette» hervor: Das All-in-one-Häuschen bereitet Urin, Fäkalien und Spülwasser direkt in der Toilette in getrennten Modulen auf, wobei das Spülwasser wiederverwendet wird.
Biogasreaktor und Pasteurisator
Wie gross der Bedarf an grundlegend neuen Konzepten für dezentrale Sanitärsysteme ohne Wasseranschluss in vielen Regionen der Welt ist, weiss Elizabeth Tilley nur zu gut. Als junge Wissenschaftlerin war sie an der Eawag und doktorierte in dem von Udert geleiteten Nährstoffrecycling-Projekt Vuna in Südafrika. Heute ist sie Professorin für Global Health Engineering an der ETH Zürich und entwickelt mit ihrer Gruppe bezahlbare und sozial verträgliche Ansätze, welche die menschliche Gesundheit und die Umwelt schützen.
Etwa 2,3 Milliarden Menschen nutzen Sanitärtechnologien wie Grubenlatrinen als erste Barriere gegen Krankheitserreger. Die Latrinen müssen jedoch regelmässig geleert werden, und hier beginnt das Problem: Bleibt der Schlamm unbehandelt oder gelangt er in die Umwelt, können sich Infektionskrankheiten wie Cholera ausbreiten.
Darum braucht es dringend dezentrale Lösungen, die erschwinglich, robust und einfach zu bedienen sind. Vielversprechend ist ein «Biogasreaktor» – im Wesentlichen ein grosser Gummiballon, der Fäkalschlamm ohne Sauerstoff bis zu einem gewissen Grad behandeln kann. Doch das Abwasser ist noch nicht sicher entsorgbar. Immerhin entsteht bei diesem anaeroben Prozess als Nebenprodukt ein methanreiches Gas – dieses Biogas eignet sich wie Propan oder Erdgas zum Kochen.
Zusammen mit der kenianischen Ingenieurfirma Opero und einem mexikanischen Anbieter von Biogasreaktoren machten sich Tilley und ihr Team daran, Biogas aus Klärschlamm als Treibstoff für eine Anlage zu verwenden, die das Abwasser soweit erhitzen kann, dass alle Krankheitserreger absterben. Das Projekt wurde von ETH for Development (ETH4D) finanziell unterstützt.
«Etwa 2,6 Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu sicheren sanitären Einrichtungen.»Elizabeth Tilley
Julia Jäggi, Masterstudentin am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, verbrachte drei Monate in Kisumu am Ufer des Viktoriasees, um einen solchen «Pasteurisator» für etwa 500 Menschen zu entwickeln und zu testen. «Engineering im Labor ist das eine – aber dieser Einsatz stellte unsere Flexibilität und Kreativität ultimativ auf die Probe; täglich mussten wir spontan Probleme lösen und das Beste aus den vorhandenen Mitteln machen», so Jäggi. Tilley ist zuversichtlich, dass ihr Sanitärsystem bald verfügbar wird und helfen kann, Infektionskrankheiten zu vermeiden.
Know-how fliesst zurück
Es steht ausser Frage: Wasser wird die grosse globale Herausforderung der Zukunft sein. Auch in der Schweiz werden wir mit der Ressource Wasser intelligenter und haushälterischer umgehen müssen. «Die Konzepte, die wir vor 15 Jahren für ärmere Länder entwickelt hatten, werden nun zusehends auch für die Schweiz interessant. Von diesem Wissen profitieren wir heute», sagt Udert.
Maurer und Udert gehen davon aus, dass modulare Kläranlagen in Siedlungen und Kleinreaktoren fürs Abwasser in Häusern schon bald verfügbar werden. Das Forschungsprojekt Comix unter Maurers Co-Leitung untersuchte kürzlich das Potenzial einer modularen Wasserwirtschaft für die Schweiz. Der Anteil dezentraler Klärwerke könnte sich demnach langfristig von heute 2,5 auf 50 Prozent erhöhen.
Mehr noch: Die Schweiz hätte die Chance, ihre Wasserinfrastruktur früh klimatauglich zu gestalten und sich als Entwicklungs- und Testmarkt für die modulare Wasserwirtschaft von morgen zu positionieren. Tatsächlich verfügt das Land mit den Institutionen des ETH-Bereichs, den Fachhochschulen und der Industrie seit Jahren über enorme Kompetenzen in allen Fragen der Wasserwirtschaft. «Nur werden diese Kompetenzen bislang kaum genutzt», so Maurer.
Nötig wäre ein konzertierter Effort von Forschung, Industrie und öffentlichem Sektor, um in Pilotprojekten die Machbarkeit zu demonstrieren und einen initialen Markt zu schaffen. «Die Verfahren, das Know-how und finanzielle Mittel wären jedenfalls vorhanden», bestätigt auch Udert.
Zu den Personen
Max Maurer ist Professor für Systeme in der Siedlungswasserwirtschaft am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich und Leiter der Abteilung Siedlungswasserwirtschaft an der Eawag.
Elizabeth Tilley ist Professorin für Global Health Engineering am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich.
Kai Udert ist Titularprofessor am Lehrstuhl für Verfahrenstechnik in Siedlungswasserwirtschaft am Departement Bau, Umwelt und Geomatik der ETH Zürich und Senior Scientist an der Eawag.
