Wieviel Stoffe brauchen wir?

Ausgangslage und wissenschaftlicher Kenntnisstand zu wassergebundenen Stoffströmen

Die in Europa über lange Zeiträume gewachsene Infrastruktur zur Abwasserbeseitigung ist gekennzeichnet durch die Abwassersammlung in öffentlichen Kanälen und die Abwasserbehandlung in zentralen Kläranlagen (RUDOLPH 1998). Inzwischen treten die immanenten Nachteile dieser Systeme mit ihren linearen Stoffströmen immer mehr hervor (RAACH et al. 1999; HERRMANN, T. & U. KLAUS; HERRMANN, T. et al. 1999.

Der Nährstoff Phosphor, wie er heute in der Landwirtschaft verwendet wird, stammt aus fossilen Reserven. Die bekannten Phosphor-Lagerstätten reichen beim heutigen Verbrauch für 150 Jahre (U.S. GEOLOGICAL SURVEY 1999). Ob noch weitere Vorkommen an Phosphor verfügbar gemacht werden können, ist unklar. Viele Länder schreiben für Phosphatdünger Cadmiumgrenzwerte vor, die unterhalb der Durchschnittskonzentrationen heute bekannter Phophorreserven liegen.

Im Gegensatz zum Phosphor stammt der Stickstoff aus der Luft. Im Haber-Bosch-Verfahren wird Luftstickstoff unter hohem Energieaufwand in Ammoniak umgewandelt. Der Primärenergieeinsatz für eine Tonne Stickstoff beträgt etwa 49,1 GJ (PATYK & REINHARD 1997). Allein bei einer Substitution des aus der Luft gewonnenen Stickstoffs durch den Stickstoff aus Fäkalien und Urin ließen sich bei einem durchschnittlichen Nährstoffgehalt von ca. 3 kg N/Person rechnerisch ca. 40 kWh/E*a an Primärenergie einsparen.

Hinzu kommt, daß die für den Transport in der Schwemmkanalisation notwendige Verdünnung der Abwässer durch Trink- und Regenwasser eine wesentliche Ursache für den hohen technischen Aufwand bei der nachgeschalteten Abwasserreinigung ist.

Zudem weisen viele der öffentlichen Abwasserkanäle in Deutschland Schäden auf und müssen saniert werden (DYK, C., & J. LOHAUS 1998). Damit stellt sich für die öffentlichen Betreiber die Frage, ob längerfristig nicht alternative Entsorgungskonzepte mit geringeren Gesamtkosten und ökologischen Vorteilen zu realisieren sind.

Die Weiterentwicklung nachhaltiger Konzepte und Techniken für den Umgang mit Wasser im häuslichen Bereich ist derzeit das Ziel unterschiedlicher Untersuchungen im nationalen wie im internationalen Raum (vgl. z.B. LANZ 1998, BENGTSSON ET AL. 1997, LARSEN & GUJER 1996, LARSEN & UDERT 1999, HELLSTRÖM & JOHANSSON 1999) und wird an den Prinzipien einer Kreislaufwirtschaft ausgerichtet.

Dies erfordert eine ganzheitliche Betrachtungsweise der Abwassersysteme vom Trinkwasserverbrauch über die Aufbereitung von Teilströmen und ihre weitere Nutzung sowie eine Rückgewinnung nutzbarer Abwasserinhaltsstoffe bis zur Einleitung des gereinigten, nicht vermeidbaren Abwassers in einen Vorfluter. Bezieht man die Grundsätze der Kreislaufwirtschaft (Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz, KRW-/ABFG, § 4) auf die Abwasserwirtschaft, so zeigen sich die in Tab. 1 dargestellten Analogien.


Tab. 1: Analogien der Grundsätze der Kreislaufwirtschaft in der Abwasserwirtschaft
 
KrW-/AbfG Abfälle Abwasser
§ 4 (1), 1 “… sind in erster Linie zu vermeiden, …” Wassereinsparung, Kreislaufführung, Flächenentsiegelung und -abkopplung von der Kanalisation
§ 4 (1), 2a “… sind in zweiter Linie stofflich zu verwerten, …” Aufbereitung und Nutzung von Abwasser und seinen nutzbaren Inhalts-stoffen
§ 10 (1) “die nicht verwertet werden, sind … zu beseitigen.” Reinigung und Einleitung in einen Vorfluter

Bei der Entwicklung von alternativen Entwässerungs- und Sanitärkonzepten sollten die Nachteile der traditionellen Abwasserentsorgung vermieden oder zumindest reduziert werden. Zentrale Elemente sind dabei die konsequente Trennung der verschiedenen Abwasserteilströme und die Teilstrombehandlung durch an die Stoffbelastung angepaßte Reinigungstechnologien (LANGE 1997, LANGE & OTTERPOHL 1997). Die Teilstrombehandlung sollte energieeffizient und auf die Erzeugung verwertbarer Rückstände und deren Rückführung in die Landwirtschaft ausgerichtet sein.

Aufgrund der bestehenden Abwasser-Infrastruktur und der gravierenden Änderungen, die für die Realisierung solcher Konzepte notwendig sind, kann eine breitere Anwendung solcher Konzepte nur mittel- bis langfristig erfolgen. Die hohen Kosten der Abwasserbehandlung und die notwendigen Modernisierungen der Abwassersysteme schaffen jedoch zunehmend Raum für die Erprobung alternativer Konzepte (HIESSL, TOUSSAINT 1998). Im Bereich von größeren Neubaugebieten werden bzw. wurden entsprechende Ansätze im Rahmen von Pilotprojekten bereits in Lübeck (OTTERPOHL et al. 1999) und in Freiburg (LANGE 1997, BÖHM & HILLENBRAND 1998, RAHE 1998) verfolgt.

Diesen Techniken liegt die Idee der Teilstrombehandlung häuslicher Abwässer zugrunde und die Tatsache, daß etwa 80% der Nährstoffe im kommunalen Abwasser aus Fäkalien und Urin stammen. Hintergrund und Grundlage der vorliegenden Projektskizze ist ein detaillierter ökologischer Vergleich unterschiedlicher Abwasserkonzepte (SCHNEIDMADL et al. 1999a,b,c). Dafür wurden die Ableitung des Abwassers und seiner Inhaltsstoffe, die Infrastrukturaufwendungen und die Auswirkungen von Veränderungen bei den Abwasserentsorgungskonzepten auf tangierte technische Systeme, wie die Trinkwasserversorgung und die Mineraldüngerproduktion, berücksichtigt.

Dabei zeigen die Ergebnisse, daß beim Wasserverbrauch und bei den Emissionen der ausgewählten Abwasserinhaltsstoffe in die Oberflächengewässer das bilanzierte konventionelle Abwassersystem deutlich schlechter abschneidet als die alternativen Varianten. Die wasserbürtigen Emissionen lassen sich durch Teilstrombehandlung und Kreislaufführung deutlich vermindern. Gleichzeitig führt der bessere Rückhalt von persistenten Stoffen bei den alternativen Verfahren zu einer Erhöhung der Frachten in das Umweltkompartiment Boden gegenüber dem konventionellen Fall.

Forschungsfragen

Ungeklärt blieb bei dem o.g. ökologischen Vergleich, wie sich eine allmähliche Einführung verschiedener sanitärökologischer Alternativen auf den regionalen wassergebundenen Stoffhaushalt unter konkreten Rahmenbedingungen wie z.B. der landwirtschaftlichen Struktur, dem Wasserhaushalt und dem Konsumverhalten im Einzugsgebiet der Dreisam auswirken könnte. Ziel des Projektes ist aus daher die Abschätzung der Auswirkungen verschiedener Ver- und Entsorgungsstrukturen (teilstromorientierter Sanitärkonzepte) auf Quantität und Qualität der Wasserressourcen bzw. eine nachhaltige Wasserkultur am Beispiel des Einzugsgebietes der Dreisam (Teileinzugsgebietes des Rheins) bzw. der Region Breisgau-Hochschwarzwald. Auf Grundlage vorhandener Daten der verschiedenen Akteure/Behörden sollen Herkunft und Verbleib der Nährstoffe Phosphor (P), Stickstoff (N), Kalium (K) und Schwefel (S) auf der Ebene eines konkreten Flußeinzugsgebiet bilanziert werden.

Für eine solche erweiterte Wirkungsuntersuchung spielt die Herkunft der Stoffe, insbesondere der Nährstoffe N,P,K,S eine bedeutende Rolle (Istzustand).

Folgende Fragen stellen sich: