Abteilung Verfahrenstechnik

Water Hub im NEST

Water Hub @ NEST – dezentrale und ressourcenorientierte Abwasserbehandlung

Der Water Hub ist Teil des modularen Forschungs- und Innovationsgebäudes NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technology) der Empa und Eawag. Das Gebäude setzt sich aus bewohnten Wohnungen, Büros, Sitzungszimmern sowie einer Fitness- und Wellnessanlage zusammen. Dieser wirklichkeitsgetreue Aufbau erlaubt, innovative und nachhaltige Technologien unter realen Bedingungen zu testen. NEST verändert sich ständig, weil laufend neue Einheiten implementiert und weiterentwickelt werden. Dadurch können neue Technologien schneller auf den Markt kommen.

Nachhaltige und dezentrale Abwasserbehandlung erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Eawag im Water Hub: Hier wird Abwasser nicht als Abfall sondern als Ressource betrachtet. So entsteht aus dem NEST-Abwasser Dünger, sauberes Wasser und Energie wird rückgewonnen. Ermöglicht wird das durch die Trennung der verschiedene Abwasserströme im ganzen Gebäude an der Quelle. Spezielle Toiletten separieren Urin vom Schwarzwasser (Spülwasser mit Fäkalien, kann Spuren von Urin enthalten) und parallele Leitungen führen die Ströme getrennt in den Water Hub, ebenso das Grauwasser aus Badezimmer und Küche.

Weil die im Urin enthaltenen Nährstoffe nicht mit Spülwasser verdünnt werden, können sie relativ einfach rückgewonnen und zu Dünger verarbeitet werden. Auch wird das im Grauwasser enthaltene Wasser nicht, oder wenig, durch Fäkalien kontaminiert, sodass dessen Wiederverwendung vereinfacht wird. Die Fäkalien können zu Pellets verarbeitet werden, so dass die Energie genutzt werden kann.

Neben Trenntoiletten sind im NEST auch wasserlose Urinale und Recycling-Duschen installiert. Diese Einrichtungen erlauben Eawag-Forschenden gemeinsam mit Industriepartnern innovative Technologien zur Sammlung und Aufbereitung der verschiedenen Abwasserströme zu entwickeln und deren Funktionstüchtigkeit unter realen Bedingungen zu demonstrieren.

Der Water Hub, sowie das gesamte NEST Gebäude können Sie im Rahmen einer öffentlichen Führung besuchen.

Das Projektteam im Water Hub konzentriert sich auf 4 Leitprojekte:

  • Urin: Nährstoffe recyceln und eigenen Dünger «Aurin»  herstellen.
  • Grauwasser: Abwasser aus Küche und Bad reinigen und wiederverwenden.
  • Fäkalien: Fäkalschlamm trocknen, pressen und daraus Energie gewinnen.  
  • System-Integration: Potenzial der Energie- und Wärmerückgewinnung aus Grauwasser modellieren und abschätzen.

NoMix Toilette

Die NoMix-Toilette, oder auch Trenntoilette genannt, separiert gleich in der WC Schüssel Urin von den Fäkalien. Forschende der Eawag sind im Bereich der Urinseparierung bereits seit mehreren Jahren aktiv (z.B Novaquatis). Sie haben unterschiedliche Prototypen unter realen Bedingungen getestet, vom mechanischen bis zum sensorbasierten Separationsmechanismus. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Separierung noch optimiert werden muss.

Kontakt

Daher haben Designer der österreichischen Firma EOOS eine neuartige NoMix Toilette mit einem innovativen Separationsmechanismus entwickelt. Von Auge ist die Separierung nicht auf den ersten Blick ersichtlich und sie funktioniert ganz ohne Mechanik und Sensorik.

Die österreichischen Designer haben in Zusammenarbeit mit der Firma Laufen und der ETH Zürich die Geometrie der Toilette optimiert. Die Trennung basiert auf dem sogenannten «Teekanneneffekt». Somit haben sich die Entwickler die Oberflächenspannung zu Nutze gemacht, um den Urin effizient vom Spülwasser zu trennen. Die Toilette mit dem Namen «save» separiert den Urin also ohne Ventil. Dadurch gewinnt die NoMix-Toilette an Robustheit und revolutioniert die Urinseparierung.

Recycling von Nährstoffen aus Urin

Wir Menschen scheiden den grössten Teil der Nährstoffe über den Urin aus. Somit enthält dieser auch gleich die wichtigen Bestandteile eines Düngers, der wiederum Pflanzen Nährstoffe liefert. Deshalb recyceln Forschende im Water Hub Urin und produzieren daraus den Dünger «Aurin». Um die Nährstoffe recyceln zu können, stabilisieren Forschende in einem ersten Schritt den Urin mittels Nitrifikation. In einem weiteren Schritt werden Medikamentenrückstände und Hormone mit einem Aktivkohlefilter entfernt. Zum Schluss wird der Urin eingedampft, um das Volumen zu verringern.

Kontakt

Die Technologie basiert auf der bestehenden VUNA-Pilotanlage «Vollständige Nährstoffrückgewinnung»  im Forum Chriesbach in Dübendorf. Forschende entwickeln zurzeit Zusatzmodule, zum Beispiel um organische Stoffe separat abzubauen. Zudem speisen Daten aus der Pilotanlage ein Computermodell, welches das gesamte Urinbehandlungsverfahren analysiert und so im Hinblick auf Energieverbrauch, Kosten, Wartungsaufwand und Prozesssicherheit erhöhen soll.

Das Eawag Spin-off Vuna GmbH vertreibt den Universaldünger «Aurin», der vom Bundesamt für Landwirtschaft offiziell für alle Pflanzen, inklusive den essbaren zugelassen ist.

Bild freundlich zur Verfügung gestellt von Vuna GmbH

Aufbereitung und Nutzung von Grauwasser

Grauwasseraufbereitung

Grauwasser ist häusliches Abwasser ohne Fäkalien und Urin. Normalerweise gelangt Grauwasser in Haushalten mit dem weiteren Abwasser in die Kanalisation. Jedoch existieren auch Möglichkeiten das Grauwasser aufzubereiten und im Haushalt wiederzuverwenden. Je besser die Qualität des aufbereiteten Grauwassers ist, desto flexibler die Wiederverwendung. So kann man mit gut aufbereitetem Grauwasser sogar duschen anstatt nur die Toilette hinunterspülen. Das spart Wasser.

Kontakt

Im Water Hub bereiten Eawag-Forschende das Grauwasser zweistufig auf:

  • Zuerst wird das Grauwasser in einem Membranbioreaktor (MBR) biologisch gereinigt. Dabei wird organischer Kohlenstoff abgebaut und Ammonium zu Nitrat nitrifiziert. Eine Ultrafiltrationsmembran hält Partikel und Bakterien zurück.
  • Als zweite Behandlungsstufe entfernt ein biologischer Aktivkohlefilter verbleibende organische Stoffe mit dem Ziel biologisch stabiles Wasser zu produzieren.

Um die Langzeitleistung vom System beurteilen zu können, kontrollieren die Forschenden regelmässig die Wasserqualität in den verschiedenen Behandlungsstufen. Noch steckt die Grauwasseraufbereitung im Water Hub in der Entwicklung, sodass aufbereitetes Grauwasser im Gebäude noch nicht wiederverwendet wird, sondern nach wie vor in die Kanalisation gelangt.

Die Forschenden fokussieren sich momentan auf den biologischen Aktivkohlefilter. Hier hängt die Aufbereitungsleistung vom Zusammenspiel von Adsorption, biologischem Abbau und Bioregeneration der Sorptionskapazität ab. Die Schwierigkeit ist, dass sowohl die Grauwasserqualität wie auch die Grauwassermenge stündlich und täglich stark variieren. Wie sich diese Variabilität auf die Abbauprozesse im Aktivkohlefilter auswirkt, untersuchen die Forschenden zurzeit.

Grafik: Peter Penicka, Eawag

Mikrobielle Qualität des Grauwassers während der Verteilung und Speicherung

Um Grauwasser auf der Gebäudeebene wiederverwenden zu können, muss das verschmutzte Wasser behandelt, später gelagert und in ein separates Verteilnetz eingespeist werden (kein Trinkwasser). Wichtig ist, dass das Wasser nach der Aufbereitung hygienisch einwandfrei ist, um die Gesundheit der Nutzerinnen und Nutzer zu schützen. Im Water Hub untersuchen Eawag-Forschende, was sich während der Lagerung und der Verteilung auf mikrobieller und chemischer Ebene im Wasser abspielt.

Kontakt

Dr. Tim JulianTel. +41 58 765 5632E-Mail senden

Konkrete Ziele des Projekts sind:

  • Die physikalisch-chemischen Charakteristiken des behandelten Wassers während der Behandlung und Lagerung zu überwachen.
  • Das mikrobielle Wachstum und die Stabilität zu überwachen.
  • Methoden zur Überwachung, Vorhersage und Vermeidung mikrobieller Wasserdegradierung zu entwickeln.

Die Forschenden fokussieren sich hierbei auf die gefahrenlose Wiederverwendung von Grauwasser auf der Gebäudeebene. Sie bewerten die Zustände unter welchen eine sichere Wasserqualität erreicht wird und aufrechterhalten werden kann.

Energiegewinnung aus Fäkalien

Damit Forschende der Eawag ohne Gefahr Energie und Nährstoffe aus dem Schwarzwasser (Spülwasser, Fäkalien, Urin und Toilettenpapier) gewinnen können, müssen sie zuerst das Feste vom Flüssigen trennen. Es hat sich gezeigt, dass die Entwässerung ein kritischer Prozess für die Ressourcen Rückgewinnung ist, der optimiert werden muss. Obwohl das Entwässern von Klärschlamm bereits breit erforscht wurde, ist es aufgrund der hohen Variabilität im Zufluss schwierig, diese Technologien für dezentrale Systeme zu verwenden.

Im Water Hub wird Schwarzwasser für Grundlagenforschung, sowie für die Entwicklung von Technologien für die Praxis verwendet. Der Forschungsfokus liegt auf dem mechanischen Verständnis der Entwässerung, damit die Aufbereitung besser überwacht und kontrolliert werden kann. Gleichzeitig testen die Forschenden verschiedene Entwässerungstechniken und optimieren diese, so dass sie in dezentralen Systemen benutzt werden können. Ein Resultat könnte im NEST die Pellet Produktion aus Schwarzwasser sein.

Kontakt

Stanley SamTel. +41 58 765 5710E-Mail senden
Dr. Linda StrandeTel. +41 58 765 5553E-Mail senden

Die Ergebnisse dieses Projekts führen zu einem besseren Verständnis der Entwässerungstechnologie für dezentrale Abwasserströme. Dadurch können passende Technologien zur Aufbereitung und Ressourcen Rückgewinnung im NEST, wie auch global optimiert werden.

Energie und Wasser als gekoppelte Ressource

Systeme der Warmwasserversorgung im häuslichen Gebrauch sind energieintensiv. Neue Technologien bergen ein signifikantes Optimierungspotenzial und werden auch im NEST getestet: In der DFAB House Einheit sind beispielsweise Recycling-Duschen installiert, die die Wärme aus dem Grauwasserrecyceln. Zudem ist ein Wasser-Verteilsystem eingebaut. Dieses reduziert Energie- und Wasserverluste durch das Leeren der Trinkwasserleitungen, wenn die Bewohner gerade kein Wasser brauchen.

Kontakt

Die Integration solcher Technologien in komplexe häusliche Warmwassersysteme wird untersucht, denn Interaktionen mit anderen Teilen des Systems können das energetische und ökonomische Potenzial limitieren. Um die Wechselwirkungen zwischen dem Wasser- und Energieverbrauch, dem sogenannten Wasser-Energie Nexus, zu analysieren, entwickeln Forschende des Water Hubs ein holistisches Computermodell. Das Ziel ist, die Integration innovativer Technologien und Energiesparmassnahmen zu optimieren und zu vereinfachen. Das dürfte künftig dazu beitragen, den Energieverbrauch von häuslichen Warmwassersystemen zu reduzieren.

Dokumentationen

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

Konferenzbeiträge

Publikationen

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

Team

Projektteam

Das Water Hub @ NEST Team im Sommer 2018.

Partner Projekte

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