Abteilung Verfahrenstechnik

Water Hub im NEST

Water Hub im NEST – ressourcenorientierte dezentrale Abwasserbehandlung

Der Water Hub ist Teil des NEST , ein Forschungs- und Innovationsgebäude der Empa und Eawag. Dieses Gebäude besteht aus modularen Einheiten, welche verschiedene Funktionen wie Büro- und Wohnraum, Sitzungszimmer sowie Sport- und Wellnessbereich erfüllen. Das NEST Gebäude entwickelt sich fortlaufend weiter. Es werden innovative und nachhaltige Technologien unter realen Bedingungen entwickelt, getestet und umgesetzt. Dieser Ansatz hilft die Lücke zwischen Forschung und Industrie zu schliessen und damit die Markteinführung innovativer Technologien zu beschleunigen.

Im Keller des NEST Gebäudes, befindet sich der Water Hub, welcher von Eawag Forschenden betrieben wird. Abwasser wird hier nicht als Abfallprodukt, sondern als Quelle für Nährstoffe, Wasser und Energie betrachtet. Dies reduziert den Druck auf die Umwelt und ihre Ressourcen.

Unser Ansatz ist dezentral: wir trennen die Abwasserströme an der Quelle und behandeln sie direkt im Gebäude. Dies erhöht die Effizienz der Behandlung und der Rückgewinnung. Dezentrale Abwasserbehandlung kann besonders nützlich sein, wenn keine Kanalisation oder Abwasserreinigung gebaut werden kann, oder um die bestehenden Infrastrukturen zu entlasten. Letzteres ist besonders wichtig bei schnellem städtischen Wachstum. Zudem erlaubt die Dezentralisierung die Entwicklung von sanitären Lösungen für den spezifischen Kontext. Dabei können Ressourcen aus dem Abwasser lokal verfügbar gemacht werden.

Im NEST sind besondere Toiletten installiert. Diese trennen unverdünnten Urin vom Spülwasser, Fäkalien und Toilettenpapier, welches zusammen als Schwarzwasser bezeichnet wird. Andere Abwasserströme werden anhand von individuellen Leitungsnetzen getrennt gesammelt. Diese Netze transportieren das sogenannte leichte und schwere Grauwasser zur Behandlung in den Water Hub. Das leichte Grauwasser kommt aus den Waschmaschinen und Badezimmerabflüssen während das schwere Grauwasser jeglichem Wasser aus der Küche entspricht. Auch Regenwasser wird gesammelt, gelagert und für die Toilettenspülung im NEST wiederverwendet.

Der Water Hub ist ausserdem eine Plattform für Zusammenarbeit zwischen Forschenden und Partner aus der Industrie und Praxis. In den Modulen des NESTs werden Technologien, welche die dezentrale Abwasserbehandlung und Nährstoff-Rückgewinnung ermöglichen, getestet und installiert. Der Water Hub ist offen für Kollaborationen mit der Industrie und stellt Anschubfinanzierung (seed funding) für kleine Projekte, um das Potenzial neuartiger Konzepte und Technologien zu evaluieren, zur Verfügung.

Ausserdem ist der Water Hub an einem Austausch mit Akteuren aus den Bereichen der Sanitärversorgung, Bau, Energie und Landwirtschaft interessiert. Insbesondere bezüglich der Einflüsse von dezentralen ressourcenorientierten Abwassersystemen auf ihre Bereiche und die Integration in Projekte. 

Besuche den Water Hub und das NEST Gebäude in einer öffentlichen Tour (public guided tours) .

Der Schwerpunkt des Water Hubs liegt in den folgenden laufenden und abgeschlossenen Projekten:

NoMix Toiletten

Mit der NoMix-Toilette ist es möglich, Urin und Fäkalien zu trennen und sie damit separat zu behandeln. Urin wird in kleinen Mengen produziert und ist relativ frei von Krankheitserregern. Der Mensch scheidet die meisten Nährstoffe, sowie Antibiotika und Mikroverunreinigungen über den Urin aus.

Kontakt

Fäkalien, die mit Spülwasser abgeleitet werden, bestehen hauptsächlich aus organischen Stoffen und haben einen viel höheren Krankheitserregergehalt. Es ist daher von Vorteil, die beiden Ströme getrennt zu behandeln.

Die Eawag testet seit 20 Jahren unter realen Bedingungen verschiedene Prototypen von NoMix-Toiletten, mit mechanischen bis sensorbasierten Trennmechanismen. Diese Tests haben die Notwendigkeit eines robusteren Trennmechanismus und einer benutzerfreundlicheren Toilette deutlich gemacht.

Der österreichische Designer Harald Gründl von EOOS next hat eine neuartige NoMix-Toilette mit einem innovativen Trennmechanismus entwickelt, der für den/die Benutzer:in nicht sichtbar ist und ohne mechanische Komponente oder Sensoren funktioniert.

Die Toilette nutzt die Oberflächenspannung und die unterschiedliche Geschwindigkeit, mit der Urin und Spülwasser die Toilettenschüssel hinunterfließen, um die beiden Ströme zu trennen. Die Geometrie wurde in Zusammenarbeit mit Laufen und der ETH Zürich optimiert.

Diese neuartigen Toiletten sind zurzeit im NEST installiert und werden getestet.

Dieses System ist wesentlich robuster und effizienter als bisherige Lösungen und kann die Urinseparierung revolutionieren.

Mehr Informationen

Nährstoffrückgewinnung von Urin

Der Mensch scheidet den größten Teil der Nährstoffe über den Urin aus. Im Water Hub werden diese Nährstoffe aus dem Urin im Dünger „Aurin“  nach dem VUNA-Verfahren zurückgewonnen: Nach der Lagerung wird mit Hilfe von nitrifizierenden Bakterien die Verflüchtigung von Ammoniak aus dem Urin verhindert. Anschließend werden Arzneimittel in einem Aktivkohlefilter entfernt. Abschließend wird der behandelte Urin konzentriert und Krankheitserreger bei der Destillation abgetötet.

 

Aktuelle Forschungsthemen sind:

  • Entwicklung von Variationen des VUNA-Prozesses, z. B. durch Unterstützung der Bakterien mit Elektrochemie
  • Optimierung der Entfernung von Mikroverunreinigungen mit Aktivkohle
  • Nutzung von Daten aus der Anlage zur Optimierung von Energieverbrauch, Kosten, Wartung und zur Erhöhung der Prozesssicherheit.

Bei der Urinbehandlung arbeiten die Forschenden des Water Hub eng mit dem Eawag Spin-off Vuna zusammen.

Mehr Informationen

 

Aufbereitung und Wiederverwendung von Grauwasser

Aufbereitungsprozess

Häusliches Abwasser besteht aus Grauwasser und Abwasserströmen aus der Toilette. Anstatt diese Ströme zu mischen und in die Kanalisation einzuleiten, gibt es die Möglichkeit, Grauwasser innerhalb des Gebäudes für verschiedene Anwendungen wie Toilettenspülung, Bewässerung, Duschen, oder Händewaschen aufzubereiten und wiederzuverwenden. Die Wiederverwendungsform bestimmt die erforderliche Qualität des aufbereiteten Grauwassers. Sie bestimmt auch, wie kontinuierlich und präzise die Aufbereitung überwacht werden muss.

Im Water Hub vergleichen Eawag-Forschende die Leistungen verschiedener Grauwasserbehandlungssysteme. So lassen sich flexible Aufbereitungssysteme entwickeln, die je nach Verwendungszweck unterschiedliche Wasserqualitäten erzeugen. Zudem können die Forschenden das System an die jeweilige Fragestellung, die sie beantworten wollen anpassen. Die derzeitigen Schwerpunkte sind:

  • Einsatz modernster Wasseraufbereitungsverfahren mit aufeinander folgenden Reinigungsschritten durch einen Membranbioreaktor, einen Bio- Aktivkohlefilter, gefolgt von einer Desinfektionsstufe (UV oder Chlor) und möglicherweise einer Nanofiltration (für eine weitergehende Wiederverwendung)
  • Die Nutzung von einfachen Sensoren zur Vorhersage der mikrobiellen Sicherheit

Während der Erprobung neuer Behandlungsverfahren wird das behandelte Wasser in die Kanalisation eingeleitet. Das eigentliche Ziel ist jedoch die Wiederverwendung des behandelten Wassers innerhalb des Gebäudes.

Mikrobielle Grauwasserqualität

Krankheitserreger

Auch Grauwasser kann erhebliche Konzentrationen von Krankheitserregern enthalten. Es muss deshalb aufbereitet werden, um das Gesundheitsrisiko für den Menschen zu reduzieren. Eawag-Forschende validieren derzeit die Fähigkeit einzelner und kombinierter Behandlungsverfahren, Krankheitserreger unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu reduzieren. Dieses Verfahren zur Validierung der Aufbereitung dient als Leitfaden für die Planung ganzer Aufbereitungsprozesse, um sicherzustellen, dass Grauwasser für verschiedene Anwendungen sicher wiederverwendet werden kann.

Opportunistische Krankheitserreger (Wachstum während der Speicherung)

Die Wiederverwendung von Grauwasser in Gebäuden erfordert Aufbereitung, Speicherung und Weiterverteilung. Während dieser Schritte muss die Wasserqualität für die Wiederverwendung gesichert bleiben, sowohl im Hinblick auf die menschliche Gesundheit als auch auf die Systemleistung. Im Water Hub überwachen und bewerten Eawag-Forschende die Auswirkungen der Grauwasseraufbereitung auf die mikrobielle und chemische Wasserqualität während der nachfolgenden Speicherung und Verteilung im Hausnetz. Insbesondere wollen wir:

  • die physikalisch-chemischen Eigenschaften des behandelten Wassers während der Speicherung und Aufbereitung überwachen,
  • das mikrobiologische Wachstum und dessen Veränderung überwachen,
  • Methoden zur Überwachung, Vorhersage und Vorbeugung von mikrobiellen Wachstum entwickeln,
  • Faktoren identifizieren, die Veränderungen in der mikrobiologischen Zusammensetzung beeinflussen

Mehr Informationen

Ressourcenrückgewinnung aus Schwarzwasser

Schwarzwasser besteht aus Fäkalien, Urin, Toilettenpapier und Spülwasser. Neben dem Urin sind auch Fäkalien reich an Nährstoffen und Energie, sie haben somit ein grosses Potential für die Rohstoffrückgewinnung. Zusätzlich kann das Spülwasser gereinigt und wiederverwendet werden. Damit Nährstoffe, Energie und Wasser effizient vom Schwarzwasser zurückgewonnen werden kann, braucht es eine Flüssig-Feststoff-Trennung, auch Entwässerung genannt.

In der kommunalen Abwasserreinigung ist die Forschung für die Entwässerung schon weit fortgeschritten. Es hat sich aber als schwierig erwiesen, diese Technologien für nicht-kanalisierte Systeme anzuwenden, speziell aufgrund der hohen Variabilität der Schwarzwasserzusammensetzung.

Im Water Hub wird das Schwarzwasser genutzt, für grundlegende und praxisnahe Forschung:

  • Die momentane Forschung versucht den Entwässerungsprozess besser zu verstehen, für die Entwicklung einer besseren Überwachung und Steuerung des Prozesses.
  • Die Forschung mit echtem Schwarzwasser vom NEST ermöglicht es, Technologien der Schwarzwasserbehandlung und Rohstoffrückgewinnung zu testen, die im NEST und auf globaler Ebene anwendbar sind.

Nach der Entwässerung können schlussendlich Energie, Nährstoffe, organisches Material, Biomasse und Wasser zurückgewonnen werden.

Mehr Informationen

Energie und Wasser als gekoppelte Ressource – abgeschlossenes Projekt

Systeme, die warmes Wasser für den häuslichen Gebrauch bereitstellen verbrauchen grosse Mengen an Energie. Doch aufstrebende Technologien zeigen ein signifikantes Potential diesen Energieverbrauch zu optimieren. Mehrere solcher Technologien werden im NEST getestet: in der Unit DFAB House wurden Duschen installiert, welche die Wärme aus dem Grauwasser wiederverwendet. Zudem reduziert ein innovatives Wasserverteilsystem Energie und Wasserverluste, indem Trinkwasserleitungen geleert werden, während kein Wasser benötigt wird.

Kontakt

Obwohl diese Technologien vielversprechend sind, muss ihre Integration in komplexe Warmwassersysteme sorgfältig untersucht werden. Denn die Wechselwirkungen mit anderen Teilen des Systems können ihr energetisches und wirtschaftliches Potenzial aufgrund der komplizierten Beziehungen zwischen Energie- und Wasserverbrauch, dem sogenannten Wasser-Energie-Nexus, einschränken.

Eawag-Forschende haben ein Modell entwickelt, um Kombinationen von Technologien in einem Warmwassersystem besser zu integrieren. Sie haben das Modell in verschiedenen Massstäben angewandt, um den Einfluss dieser Technologien auf den gesamten städtischen Wasserkreislauf zu untersuchen: von den Haushalten über das Kanalisationsnetz bis hin zur Kläranlage. Im Rahmen dieses Projekts hat eine Studie beispielsweise gezeigt, dass die Rückgewinnung - und Wiederverwendung - von Wärme innerhalb eines Gebäudes oft eine bessere Option ist als die Rückgewinnung im Kanalnetz. Dies ist auf die geringeren Auswirkungen auf die biologischen Prozesse in der Kläranlage zurückzuführen.

Weitere Informationen

Dokumentationen

Weitere Informationen zum Water Hub erhalten Sie in den unten aufgeführten Artikeln und Publikationen.

Publikationen

Hadengue, B.; Morgenroth, E.; Larsen, T. A.; Baldini, L. (2022) Performance and dynamics of active greywater heat recovery in buildings, Applied Energy, 305, 117677 (13 pp.), doi:10.1016/j.apenergy.2021.117677, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Riechmann, M. E.; Udert, K. M. (2021) State of the art of urine treatment technologies: a critical review., Water Research X, 13, 100114 (20 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100114, Institutional Repository
Ward, B. J.; Andriessen, N.; Tembo, J. M.; Kabika, J.; Grau, M.; Scheidegger, A.; Morgenroth, E.; Strande, L. (2021) Predictive models using "cheap and easy" field measurements: can they fill a gap in planning, monitoring, and implementing fecal sludge management solutions?, Water Research, 196, 116997 (12 pp.), doi:10.1016/j.watres.2021.116997, Institutional Repository
Hess, A.; Morgenroth, E. (2021) Biological activated carbon filter for greywater post-treatment: Long-term TOC removal with adsorption and biodegradation, Water Research X, 13, 100113 (9 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100113, Institutional Repository
Hess, A.; Baum, C.; Schiessl, K.; Besmer, M. D.; Hammes, F.; Morgenroth, E. (2021) Stagnation leads to short-term fluctuations in the effluent water quality of biofilters: a problem for greywater reuse?, Water Research X, 13, 100120 (9 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100120, Institutional Repository
Hadengue, B.; Joshi, P.; Figueroa, A.; Larsen, T. A.; Blumensaat, F. (2021) In-building heat recovery mitigates adverse temperature effects on biological wastewater treatment: a network-scale analysis of thermal-hydraulics in sewers, Water Research, 204, 117552 (11 pp.), doi:10.1016/j.watres.2021.117552, Institutional Repository
Özel Duygan, B. D.; Udert, K. M.; Remmele, A.; McArdell, C. S. (2021) Removal of pharmaceuticals from human urine during storage, aerobic biological treatment, and activated carbon adsorption to produce a safe fertilizer, Resources, Conservation and Recycling, 166, 105341 (10 pp.), doi:10.1016/j.resconrec.2020.105341, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Gruendl, H.; Binz, C. (2021) The potential contribution of urine source separation to the SDG agenda - a review of the progress so far and future development options, Environmental Science: Water Research and Technology, 7(7), 1161-1176, doi:10.1039/D0EW01064B, Institutional Repository
Reynaert, E.; Hess, A.; Morgenroth, E. (2021) Making waves: why water reuse frameworks need to co-evolve with emerging small-scale technologies, Water Research X, 11, 100094 (5 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2021.100094, Institutional Repository
Köpping, I.; McArdell, C. S.; Borowska, E.; Böhler, M. A.; Udert, K. M. (2020) Removal of pharmaceuticals from nitrified urine by adsorption on granular activated carbon, Water Research X, 9, 100057 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100057, Institutional Repository
Hadengue, B.; Scheidegger, A.; Morgenroth, E.; Larsen, T. A. (2020) Modeling the water-energy nexus in households, Energy and Buildings, 225, 110262 (10 pp.), doi:10.1016/j.enbuild.2020.110262, Institutional Repository
Hess, A.; Bettex, C.; Morgenroth, E. (2020) Influence of intermittent flow on removal of organics in a biological activated carbon filter (BAC) used as post-treatment for greywater, Water Research X, 9, 100078 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2020.100078, Institutional Repository
Doll, C.; Larsen, T. A.; Strande, L.; Udert, K. M.; Morgenroth, E. (2020) Water Hub im NEST-Gebäude. Eine Plattform zum Testen von innovativen ressourcenorientierten Sanitärsystemen, Aqua & Gas, 100(2), 52-57, Institutional Repository
Larsen, T. A.; Hoffmann, S.; Lüthi, C.; Truffer, B.; Maurer, M. (2016) Emerging solutions to the water challenges of an urbanizing world, Science, 352(6288), 928-933, doi:10.1126/science.aad8641, Institutional Repository
Andriessen, N.; Ward, B. J.; Strande, L. (2019) To char or not to char? Review of technologies to produce solid fuels for resource recovery from faecal sludge, Journal of Water Sanitation and Hygiene for Development, 9(2), 210-224, doi:10.2166/washdev.2019.184, Institutional Repository
Penn, R.; Ward, B. J.; Strande, L.; Maurer, M. (2018) Review of synthetic human faeces and faecal sludge for sanitation and wastewater research, Water Research, 132, 222-240, doi:10.1016/j.watres.2017.12.063, Institutional Repository
Ward, B. J.; Traber, J.; Gueye, A.; Diop, B.; Morgenroth, E.; Strande, L. (2019) Evaluation of conceptual model and predictors of faecal sludge dewatering performance in Senegal and Tanzania, Water Research, 167, 115101 (13 pp.), doi:10.1016/j.watres.2019.115101, Institutional Repository
Ziemba, C.; Larivé, O.; Reynaert, E.; Morgenroth, E. (2018) Chemical composition, nutrient-balancing and biological treatment of hand washing greywater, Water Research, 144, 752-762, doi:10.1016/j.watres.2018.07.005, Institutional Repository
Ziemba, C.; Larivé, O.; Deck, S.; Huisman, T.; Morgenroth, E. (2019) Comparing the anti-bacterial performance of chlorination and electrolysis post-treatments in a hand washing water recycling system, Water Research X, 2, 100020 (10 pp.), doi:10.1016/j.wroa.2018.100020, Institutional Repository
Hong, P.-Y.; Julian, T. R.; Pype, M.-L.; Jiang, S. C.; Nelson, K. L.; Graham, D.; Pruden, A.; Manaia, C. M. (2018) Reusing treated wastewater: consideration of the safety aspects associated with antibiotic-resistant bacteria and antibiotic resistance genes, Water, 10(3), 244 (22 pp.), doi:10.3390/w10030244, Institutional Repository
Nguyen, M. T.; Allemann, L.; Ziemba, C.; Larivé, O.; Morgenroth, E.; Julian, T. R. (2017) Controlling bacterial pathogens in water for reuse: treatment technologies for water recirculation in the Blue Diversion Autarky Toilet, Frontiers in Environmental Science, 5, 90 (13 pp.), doi:10.3389/fenvs.2017.00090, Institutional Repository
Verbyla, M. E.; Pitol, A. K.; Navab-Daneshmand, T.; Marks, S. J.; Julian, T. R. (2019) Safely managed hygiene: a risk-based assessment of handwashing water quality, Environmental Science and Technology, 53(5), 2852-2861, doi:10.1021/acs.est.8b06156, Institutional Repository
Larsen, T. A. (2011) Redesigning wastewater infrastructure to improve resource efficiency, Water Science and Technology, 63(11), 2535-2541, doi:10.2166/wst.2011.502, Institutional Repository

Team

Projektteam

Das Water Hub @ NEST Team im Sommer 2018.

Partner Projekte / Themenseiten

In Autarky entwickeln wir kleine Anlagen für die getrennte Behandlung von Urin, Abwasser und Fäkalien direkt in der Toilette.
Indem wir Nährstoffe aus Urin zurückgewinnen, entwickeln wir ein Sanitärsystem, welches wertvollen Dünger produziert
In dem inter- und transdisziplinären strategischen Forschungsprogramm werden nicht-netzwerk basierte Wasser- und Abwassersysteme entwickelt.
Wir untersuchen die Herausforderungen modularer Infrastrukturen für die Schweizer Wirtschaft und Gesellschaft am Beispiel der Siedlungswasserwirtschaft.
Is a space research program, aiming to develop a bioregenerative life support system for long-term space missions and space habitations for example on Mars.
The Lighthouse Project focuses on visible examples of onsite and decentralised urban water management systems, which will play a key role in enabling sustainability transitions.
Auf der ganzen Welt stehen Menschen vor Herausforderungen bei der Wasserversorgung. Die Ursachen liegen in der steigenden Nachfrage, Dürren, der Erschöpfung oder zunehmenden Verschmutzung des Grundwassers.
Die Eawag blickt auf eine lange Entwicklungsgeschichte von innovativen Verfahren für die Abwassertrennung an der Quelle zurück. Dazu gehört die Urinseparierung via NoMix-Toilette.