Einführung in den Water-Energy-Food Nexus

Am 07. und 08. Mai 2018 hat die ASC Ausbildung & Service GmbH im Rahmen einer China-Reise einen Vortrag zum Thema Wassermanagement und künstliche Feuchtgebiete vor Studierenden und Lehrenden der Henan Universität in Kaifeng und dem Anyang Institut für Technologie gehalten. In diesem Rahmen wurde auch ein kurzer Einblick in den sogenannten Water-Energy-Food Nexus gegeben. Dieser Artikel fasst das vorgestellte Konzept noch einmal zusammen und beleuchtet einige weitere Aspekte.

Global steigt die Nachfrage in den Bereichen Ernährung, Wasser und Energie durch eine wachsende Bevölkerung, hohe Urbanisierungsraten, das Wirtschaftswachstum und veränderte Ernährungs- und Lebensstile. Landwirtschaft ist der weltweit größte Verbraucher von Trinkwasserressourcen und auch ein Viertel der erzeugten Energie wird für die Erzeugung und den Transport von Nahrungsmittel benötigt. Um die Wasser- und Nahrungssicherheit zu gewährleisten, wurde der Water-Energy-Food Nexus entwickelt. Dieser ist dem Namen nach eine Verknüpfung der Wasser-, Energie- und Ernährungssektoren. Die interdisziplinäre Vernetzung und Nutzung von Synergieeffekten ist die eigentliche Idee des Konzepts. Was das im Genauen bedeutet sieht man in Abbildung 1 am Beispiel der nachhaltigen Abwasserreinigung.

Der Wassersektor ist hier stellvertretend durch die Abwasserreinigung oder die Siedlungswasserwirtschaft vertreten. Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) übernimmt die Funktion des Energiesektors und die Getreideproduktion wird exemplarisch für den Ernährungssektor vorgestellt. Im Blockheizkraftwerk werden organische Stoffe verheizt, um Biogas oder Wärme und Strom zu erzeugen. Pflanzliche Reststoffe aus der Ernährungsproduktion und Klärschlämme oder andere Biomasseprodukte als Output der Abwasserreinigung könnten somit als Ausgangsmaterial in der Energieerzeugung wiederverwendet werden. So entstehen keine kostspieligen Abfälle, sondern neue Ressourcen. Im Anschluss an die Fermentation von organischem Material entsteht Energie und eine trockene Rückhaltmasse. Die thermische Energie (Wärme) kann für den Fermentationsprozess genutzt werden, während die elektrische Energie (Strom) die Prozesse der Abwasserreinigung kosteneffizient gestalten könnte. Die trockene Rückhaltmasse kann wiederum in der Landwirtschaft als Humusschicht aufgebracht werden und fördert so die Bodenqualität. Die Verknüpfung zwischen Abwasser und Getreideproduktion liegt in der Reinigung von nährstoffhaltigen Abwässern durch Kläranlagen und die Zurverfügungstellung von sauberem Bewässerungswasser oder nährstoffreichen flüssigem Dünger. Besonders letztere Idee soll hier nochmal etwas detaillierter vorgestellt werden.

Der Water Energy Food Nexus am Beispiel der nachhaltigen Abwasserbehandlung(englisch)

Normalerweise bekommt unser Haushalt Trinkwasser in Form von Leitungswasser für die Küche und das Bad und wir produzieren Abwasser, das über eine Kanalisation zur nächsten Kläranlage geleitet wird, um dort gereinigt und dann wieder in den Wasserkreislauf zurückgeführt werden zu können. Im Rahmen des Nexus gibt es nun allerdings die Idee Regenwasser in Zisternen zu sammeln und für die Nutzung im Haushalt zur Verfügung zu stellen. Je nach Reinheitsgrad des Regenwassers kann dieses für sämtliche Wassernutzung im Haushalt verwendet werden. Diese Maßnahme reduziert den Verbrauch an Trinkwasser maßgeblich. Nach der Verwendung von Regenwasser und Trinkwasser im Haushalt könnte man das Abwasser in die folgenden Teilströme aufteilen:

1 Grauwasser

2 Schwarzwasser

3 Braunwasser

4 Gelbwasser

Grauwasser ist sämtliches Abwasser, das nur eine leichte Verschmutzung aufweist. Hierzu zählt das Abwasser, das beim Baden oder Duschen und beim Geschirrspülen und Wäschewaschen anfällt. Das Abwasser aus der Küchenspüle zählt auf Grund von Ölen und Speiseresten nicht dazu. Generell nimmt Grauwasser die größte Menge im häuslichen Abwasser ein. Im Rahmen der Vorschläge des Nexus kann das Grauwasser in einem unterirdischen Tank (Klärgrube) gesammelt und dort von Sedimenten befreit werden. Anschließend kann es direkt wiederverwendet werden als Wasser für die Klospülung oder, insbesondere wenn biologisch-abbaubare Spül- und Waschmittel genutzt wurden, in einem künstlichen Feuchtgebiet oder einer anderen Form der Abwasserreinigung weiter aufbereitet werden. Nach der Aufbereitung von Grauwasser kann dieses wieder für sämtliche Wassernutzungen im Haushalt eingesetzt werden. Hierzu zählt neben dem Wasserbedarf in Küche und Bad auch die Gartenbewässerung.

Das Abwasser der Toilette wird als Schwarzwasser bezeichnet und kann noch zusätzlich in Braunwasser (Fäkalien) und Gelbwasser (Urin) aufgeteilt werden. Dies bietet sich besonders an, wenn man die Abwässer wiederverwenden und die unterschiedlichen Eigenschaften der Schmutzwässer separat nutzen möchte. Urin ist sehr nährstoffreich und ließe sich nach einer halbjährigen Ruhezeit direkt und hygienisch unbedenklich als flüssiger Dünner verwenden. Besonders in Hinblick auf die endliche Ressource Phosphor würde es sich langfristig lohnen, diese Ressource zu erschließen, da eine Düngung ohne selbigen Stoff nicht möglich ist. In dem man den Urin von den Fäkalien trennt, ist das Recycling der Nährstoffe Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K) vergleichsweise risikofrei und leicht. Alternativ könnte man den Urin nutzen um Struvit durch die Zugabe von Magnesium zu erzeugen und so kristallinen Phosphordünger zu produzieren. Das Braunwasser könnte zusammen mit organischen Küchen- und Gartenabfällen unter anaeroben Konditionen abgebaut werden und der Produktion von Wasserstoff oder Methangas (Biogas) dienen. Dieses könnte dann als Energiespeicher oder zur Verheizung und anschließenden Wärme- und Stromerzeugung dienen.

Man kann das Schwarzwasser aber auch weiterhin wie gehabt in einer Kläranlage behandeln und den erzeugten Klärschlamm dann in Hinsicht auf die Wiederverwendung von Nährstoffen behandeln. In Zürich untersucht man in dem Projekt Phos4life zum Beispiel gerade die Nutzung von Klärschlammasche als Ausgangsstoff für Phosphorsäure, die sich im Vergleich zu Struvit auch besser vermarkten lassen könne.

Quellen:

Unwater: Water, Food and Energy: http://www.unwater.org/water-facts/water-food-and-energy/

Amt für Abfall, Wasser Energie und Luft (AWEL, 2017): Phosphor-Mining: Die Zielvorgaben lassen sich erfüllen. https://phosphorusplatform.eu/images/download/AWEL_Phosphor_Nr_5_German.pdf