Point-of-Use Re-Use: Dezentrale landwirtschaftliche Wiederverwendung von häuslichem Abwasser zur Verringerung von Nutzungskonkurrenzen

Abstract

Klimatische Veränderungen führen regional vermehrt zu akuter Wasserknappheit, wodurch Nutzungskonkurrenzen, beispielsweise zwischen Trinkwasserversorgung und landwirtschaftlicher Bewässerung, entstehen können. In dünnbesiedelten Regionen Deutschlands und der Welt, die über keine zentrale Abwasserinfrastruktur verfügen, kann eine dezentrale Wasserwiederverwendung zu einem resilienteren Wassermanagement beitragen. Das PU2R-Projekt verfolgte den Ansatz häusliches Abwasser aus abflusslosen Sammelgruben mit einer mobilen Aufbereitungsanlage auf einem LKW einzusammeln, vor Ort bedarfsorientiert (mit Erhalt der Pflanzennährstoffe Stickstoff und Phosphor) zu behandeln und als Bewässerungswasser für die Landwirtschaft bereitzustellen. An einem Modellstandort in Brandenburg sollte der Ansatz erprobt und unter Einhaltung der EU-Verordnung (REG (EU) 2020/741) zu Mindestanforderungen an die Wasserwiederverwendung, umgesetzt werden. Entsprechend wurde das Rohabwasser am Modellstandort umfassend analysiert und ein ausführlicher Risikomanagementplan zur sicheren Umsetzung des Vorhabens erstellt. Für eine bodennahe und sparsame Bewässerung kam eine energieautarke Tropfbewässerungsanlage zum Einsatz. Für die Wasseraufbereitung wurden unterstützt durch einen digitalen Zwilling zwei Pilotanlagen, die aus einem Membranbelebungsreaktor (MBR) mit Pulveraktivkohledosierung bestehen, entworfen und gebaut. Für den Winterbetrieb ist eine Phosphatfällung und zur sicheren Virendeaktivierung eine nachgeschaltete UV-Desinfektion vorgesehen. Mit der Anlage konnte Bewässerungswasser der Güteklasse A nach EU-Verordnung (REG (EU) 2020/741) produziert werden. Unter Verwendung regenerativer Stromquellen und im angepassten Sommerbetrieb mit alleiniger Kohlenstoffelimination arbeitet die Pilotanlage voraussichtlich ökologisch verträglicher und ökonomisch zu vergleichbaren Kosten wie die aktuelle Leerung der abflusslosen Sammelgruben mit dieselbetriebenen Saugwagen und mehreren Kilometern Abwassertransport zur nächsten Kläranlage. Obwohl das Bewässerungswasser hygienisch eiwandfrei hergestellt werden kann, werden bei der Aufbereitung nicht alle Substanzen, wie Medikamentenrückstände und Haushaltschemikalien, vollständig entfernt. Einige organische Spurenstoffe verbleiben im Bewässerungswasser und stellen eine potenzielle Gefahr für Pflanzen, Boden und Grundwasser dar. Um dieses Risiko bewerten zu können wurden modernste Analysemethoden entwickelt. So konnten Verbleib, Transport, Akkumulation und Abbau der Spurenstoffe unter Berücksichtigung aller technischen und natürlichen Barrieren in Labor-, Gewächshaus- und Lysimeterstudien stoffspezifisch beschrieben werden. Auswirkungen auf Pflanzen wurden für Rucola, Sommergerste und Weidelgras untersucht. Für die Risikobewertung des Grundwasserschutzes wurden Simulationsergebnisse validiert und in einem einfach zu bedienenden Excel-Tool zusammengefasst. Dieses ist frei zugänglich und kann von alle Interessensgruppen (z.B. Genehmigungsbehörden) genutzt werden oder als Hilfestellung bei der Erstellung von Risikomanagementplänen dienen. Die Ergebnisse des PU2R-Projekts wurden bei der Entwicklung nationaler Regelungen zur Umsetzung der EU-Verordnung (REG (EU) 2020/741) berücksichtigt. Climatic changes are increasingly causing acute regional water shortages which can lead to competition for water, for example between drinking water supply and agricultural irrigation. In less populated regions of Germany and the world that have no central infrastructure for wastewater disposal, decentralized water reuse can contribute to more resilient water management. The PU2R project pursued the approach of collecting domestic wastewater from cesspit tanks using a mobile treatment facility on a truck, treating it on site as required (while retaining the plant nutrients nitrogen and phosphorus) and providing irrigation water for agriculture. The approach was to be tested at a model site in Brandenburg and implemented in compliance with the EU Regulation (2020/741) on minimum requirements for water reuse. Accordingly, the raw wastewater at the model site was comprehensively analyzed and a detailed risk management plan was drawn up for the secure implementation of the project. An energy self-sufficient drip irrigation system was used to ensure economical irrigation close to the ground. For water treatment, two pilot plants consisting of a membrane bioreactor (MBR) with powdered activated carbon dosing were designed and built supported by a digital twin. Phosphate precipitation is provided for winter operation and downstream UV disinfection for virus deactivation. The system was able to produce irrigation water of quality class A in accordance with EU regulation (2020/741). Using renewable energy and adapted summer operation with carbon elimination solely, the pilot plant is expected to operate in a more ecologically compatible manner and at comparable costs to the current emptying of cesspits with diesel-powered vacuum trucks and several kilometers of wastewater transport to the next wastewater treatment plant. Although hygienic irrigation water can be produced, not substances, such as drug residues and household chemicals, are eliminated during treatment. Some organic micro pollutants remain in the irrigation water and pose a potential risk to plants, soil and groundwater. State-of-the-art analytical methods have been developed to assess this risk. This enabled to describe the fate, transport, accumulation and degradation of organic micro pollutants in laboratory, greenhouse and lysimeter studies, taking into account all technical and natural barriers. Effects on plants were investigated for rocket, summer barley and ryegrass. For the risk assessment concerning groundwater protection, simulation results were validated and summarized in an easy-to-use Excel tool. This is freely accessible and can be used by all stakeholders (e.g. authorities) or as a support for preparing risk management plans. The results of the PU2R project have been used in the development of national regulations for the implementation of the EU Regulation (2020/741).