|Erzeugung von Flüssigdünger aus Schwarzwasser – Ergebnisse und Interpretation der Analytik

In der Betriebsphase der von Fraunhofer UMSICHT im Projekt ROOF WATER-FARM konzipierten Schwarzwasseraufbereitungsanlage (SWAA) wurden eine Vielzahl an Betriebsparameter-Analysen der anfallenden unbehandelten wie auch der behandelten Wasserströme durchgeführt und zueinander in Relation gesetzt. Die durchschnittlichen Konzentrationen an Nährstoffen (Stickstoff, Phosphor, Kalium) und CSB für unbehandeltes Schwarzwasser und behandeltes Schwarzwasser (Flüssigdünger), sind in Tabelle 1 dargestellt.

Während der CSB durch die Schwarzwasseraufbereitung, erwartungsgemäß, beträchtlich (Faktor 13-14) reduziert wurde, gelang es mit rund 50 Prozent zugleich, einen beträchtlichen Teil der Nährstoffe im Flüssigdünger zu konservieren. Bemerkenswert ist der erhebliche Rückgang der Gesamtstickstoff-Konzentrationen, der nicht allein durch den Einbau der Biomasse erklärt werden kann (Henze et al., 2008). Möglicherweise war die Sauerstoffkonzentration mit 6 mg/l noch zu gering, um anoxische Zonen im MBR zu vermeiden, so dass dies zu einer Denitrifikation geführt hat. Im Fall von Phosphor kann das beobachtete Maß der Entfernung nicht alleine durch die Biomasseassimilation erklärt werden; insbesondere erscheint die Hypothese einer biologischen Phosphor-Elimination (EBPR) höchst unwahrscheinlich. Für die unerklärlichen Phänomene könnte der Unterschied in den Probemengen eine Ursache sein. Durch den Rückhalt von Feststoffen im Vorfilter wird zugleich ein großer Teil der Nährstoffe, vor allem Phosphor, zurückgehalten. Phosphor befindet sich vermehrt in den festen Fäzes, während Stickstoff und Kalium eher im flüssigen Urin enthalten ist.

Abbildung 1 zeigt den Tagesverlauf der CSB-, Stickstoff- und Phosphor-Konzentration im Schwarzwasser aus Block 6. Die Form der Profile legt nahe, dass – wie dies in einem Wohnhaus mit vielen berufstätigen Menschen zu erwarten ist – die Toilettennutzung frühmorgens in der Zeit zwischen 5h und 9h intensiver ist. Die Konzentrationsprofile sind denen von Mayer und DeOreo (1999) im Rahmen ihrer Studie über Wohnwassernutzung ähnlich. Es fehlt jedoch eine ‚zweite Spitze‘ (Peak) im Diagramm, die laut Studie üblicherweise zwischen 6 und 10 Uhr stattfinden sollte. Die Beobachtung eines einzelnen Peaks liefert hierbei einen Hinweis auf die Art der Toilettennutzung, die von den Bewohnern von Block 6 bevorzugt wird. Der gleichzeitige Anstieg von Phosphor und Stickstoff lässt hierbei vermuten, dass der singuläre Peak den Zeitpunkt des Stuhlgangs markiert.

|Gesamte Analytik für Schwarzwasser und Flüssigdünger

Als Qualitätskontrolle wurden in regelmäßigen Abständen Proben des behandelten Schwarzwassers (Flüssigdünger, „Goldwasser“) von der Schwarzwasseraufbereitungsanlage entnommen. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse verschiedener Flüssigdünger-Untersuchungen. Dargestellt sind Minimal- und Maximalwerte an Nährstoffen, Schwermetallen, mikrobiologischen Parametern und Spurenstoffen. Die Werte für Schwermetalle liegen für Blei und Cadmium über, für Kupfer deutlich unter der Vorgabe für die Hydroponik. Bei den Spurenstoffen sind die Werte für Diclofenac (Schmerzmittel) im niedrigen, die Werte für Carbamazepin (Antiepileptikum, Antidepressivum) und Metoprolol (Blutdrucksenker) im mittleren bis hohen Bereich. Die Werte für Acesulfam (Süßstoff) sind tendenziell eher hoch einzustufen. Die mittleren bis hohen Werte resultieren womöglich daraus, dass am Versuchsstandort im Block 6 mit der Schwarzwasseraufbereitungsanlage reines Fäkalabwasser behandelt wird und der übliche Abbau- und Verdünnungseffekt auf dem Weg vom Kanal in die Kläranlage entfällt. Dennoch bewegen sich die Konzentrationen aller Spurenstoffe im Flüssigdünger in einem Rahmen, der mit den Ablaufwerten von Kläranlagen vergleichbar ist (Tabelle 3). Besonderes Augenmerk galt überdies den aus hygienischen Aspekten relevanten mikrobiologischen Parametern, da die Nutzung des erzeugten Flüssigdüngers in den angeschlossenen Hydroponik-Systemen unmittelbar mit der Produktion von Lebensmitteln verknüpft ist. Die im Flüssigdünger ermittelten Konzentrationen für die Hygieneparameter überschreiten zwar die Werte der Trinkwasserverordnung, entsprechen aber denen herkömmlicher Flüssigdünger und sind definitiv nicht gesundheitsschädlich.

Tabelle 3 zeigt die von Fraunhofer UMSICHT untersuchten Konzentrationen der Spurenstoffe, dargestellt als minimale und maximale Werte. Die Tatsache, dass lediglich einige Wochenproben untersucht wurden macht einen Vergleich mit anderen Konzentrationswerten aus verfügbaren Literaturdaten sowie deren Interpretation schwierig, insbesondere auch aus dem Grund, weil die Konzentrationen in den Abläufen von Kläranlagen generell stark variieren (Margot et al. 2015).

Als Referenzen für einen Vergleich wurden Mittelwerte aus einer EU-weiten Untersuchung von Kläranlagenabläufen (Loos et al. 2012), Mittelwerte von Spurenkonzentrationen aus dem Ablauf von unterschiedlichen Kläranlagen in Berlin (Miehe 2010) sowie Minimal-, Maximal und Mittelwerte von zwei Berliner Kläranlagen (Ruhleben, Schönerlinde) herangezogen.

Der Vergleich der Spurenstoffkonzentrationen im Flüssigdünger mit den Konzentrationen in den Abläufen unterschiedlicher Kläranlagen zeigt ein zweigeteiltes Bild. Bei Benzotriazol, Carbamazepin, Diclofenac, Metoprolol und Sulfamethoxazol liegen die ermittelten Konzentrationen in einem ähnlichen Bereich wie im Ablauf der Kläranlagen. Bei Sulfamethoxazol und Diclofenac liegen die Werte sogar auf dem niedrigsten bzw. zeitniedrigsten Niveau, was für einen guten Abbau dieser Substanzen in der Schwarzwasseraufbereitungsanlage spricht. Ein anderes Bild ergibt sich bei den Röntgenkontrastmitteln (RKM) Amidotrizoesäure bis Iopromid. Hier übertreffen sämtliche Maximalkonzentrationen im Flüssigdünger die Konzentrationen in den Kläranlagenabläufen, teilweise um ein Vielfaches. Auffällig sind die teilweise hohen Schwankungen zwischen Minimal- und Maximalwerten. Daher sollte in der nächsten Probenahmekampagne (Start April 2016) explizit die Untersuchung von RKM mit Verifizierung der Konzentrationen im Fokus der Spurenstoffanalytik stehen.

|Ausblick

Um die einzelnen Prozessstufen der Schwarzwasseraufbereitungsanlage zielgerichtet auf die erforderliche Qualität und Quantität des Flüssigdüngers einzustellen, bedarf es weiterer Analytik – dies sind vor allem weitere Messungen von Spurenstoffen am Zu- und Ablauf, sowie an den Ein- und Ausgängen sämtlicher Module (Filtration, Membranbiologie, Nachbehandlung).Um die in der Inbetriebnahmephase analysierten Parameter (Spurenstoffe, Hygieneparameter etc.) zu verifizieren, die Verfahrenstechnik zu justieren und im Hinblick auf die Bedürfnisse der Hydroponik zu optimieren, ist nach gemeinschaftlicher Einschätzung der technischen Partner im Projekt ROOF WATER-FARM eine Erweiterung des Analytik-Programms im jetzigen stationären Anagenbetrieb sinnvoll und notwendig. Nur durch ein klares Bild bezüglich der Schwankungsbreite von Ein- und Ausgangsparametern lässt sich das Gesamtsystem ‚Grauwasseraufbereitung – Schwarzwasseraufbereitung – Hydroponik‘ anforderungsgerecht betreiben.