Wassermanagement – Konzepte und Verfahren für optimierte Wassernutzung und -wiederverwendung

Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel. Der weltweite Wasserverbrauch für landwirtschaftliche, industrielle und private Nutzung steigt stetig, auch wenn regional Maßnahmen zur Senkung des Wasserverbrauchs durchaus greifen. Dennoch werden – auch in unseren hochindustrialisierten Zonen – ernst zu nehmende Versorgungsengpässe prognostiziert. Intelligente Konzepte zur Reinigung und zur Verteilung von Wasser sind daher gefragt. Wassermanagement – das heißt der Zugang zu sauberem Wasser, eine gesicherte Wasserversorgung, die Installation hygienisch einwandfreier Sanitärsysteme und eine effiziente und kompakte Abwasserreinigung – ist daher eine der wichtigsten globalen Herausforderungen dieses Jahrhunderts.

Um diese Herausforderungen zu meistern, setzt das Fraunhofer IGB auf ein fortschrittliches semizentrales Wasser- und Abwassermanagement für Städte und Kommunen, die Landwirtschaft wie auch die Industrie, verknüpft mit einem entsprechenden Energie- und Ressourcenmanagement. Dabei berücksichtigen wir auch geographische und klimatische Gegebenheiten, etwa jahreszeitlich bedingten Wassermangel in ariden und semi-ariden Gebieten.

Wassermanagement: Für optimierte Wassernutzung, Wasser-Wiederverwendung und Integration mit Energiemanagement

Intelligente Konzepte zur Reinigung und zur Verteilung von Wasser sind mehr denn je gefragt. Um die Versorgung der verschiedenen Sektoren, in denen wir Wasser benötigen (privater Sektor, Landwirtschaft, Industrie), auch in Zeiten einer durch den Klimawandel verschärften Wasserknappheit sicherzustellen, setzt das Fraunhofer IGB auf ein semi-zentrales Wasser- und Abwassermanagement, das im Sinne des Nexus-Ansatzes mit einem entsprechenden Energie- und Nährstoffmanagement verknüpft ist. Dabei berücksichtigen wir auch geographische und klimatische Gegebenheiten, etwa jahreszeitlich bedingten Wassermangel in ariden und semi-ariden Gebieten.

Integrativer Ansatz und Vorteile:

• Kostengünstige Lösungen des Wassermanagements
• Semi-zentrale Aufbereitung von Abwasserströmen
• Resilienz durch Kopplung mit Abfallwirtschaftskonzepten,  Energieversorgung aus regenerierbaren Quellen und zukunftsweisender Gebäudetechnik 
• Digitalisierung mithilfe intelligenter Sensornetzwerke
• Prozess- und Abwasser als Quelle für Rohstoffe und Energie
  • Abbau der organischen Substanz durch biologische Verfahren
  • Stoffliche und energetische Nutzung organischer Fracht
  • Rückgewinnung von Nährstoffen

Für das Wassermanagement entwickeln wir umfassende Systemkonzepte für das Energie-, Abfall- und Wassermanagement in Industrie und Kommunen, z. B. im Rahmen des Morgenstadt City Lab. Ein Schwerpunkt liegt auf der internationalen Zusammenarbeit, um Lösungen für Schwellenländer (z. B. Südafrika, Indien, Brasilien) zu entwickeln und anzupassen.

Semizentrales Wassermanagement

Das Fraunhofer IGB hat Technologien entwickelt, die kostengünstige Lösungen des Wassermanagements in urbanen ebenso wie in ländlichen Strukturen durch dezentrale bzw. semizentrale Aufbereitung von Abwasserströmen ermöglichen. Der IGB-Ansatz zeichnet sich durch Effizienz und Wirtschaftlichkeit aus und ermöglicht die wirtschaftliche Generierung und Nutzung unterschiedlicher im Siedlungsgebiet anfallender Wasserströme.

Einsatzgebiete

Mit unserem Konzept bieten wir Systemlösungen für ein zukunftsfähiges kommunales Wassermanagement in ländlichen Regionen, Neubaugebieten und Stadtteilen mit Sanierungsbedarf sowie für Freizeitressorts, Touristikzentren und Hotelkomplexe. Das System kommt überall dort zum Tragen, wo noch keine Wasserinfrastruktur mit Kanalisationsnetz und Zentralkläranlage vorhanden ist. Oder dort, wo die Altinfrastruktur an neue Herausforderungen, die sich durch Klimawandel oder Wegzug der Bevölkerung ergeben, nicht mehr angepasst werden kann.

Autarke Infrastruktur durch Kombination mit Abfall- und Energie-Management

Gekoppelt mit nachhaltigen Abfallwirtschaftskonzepten, einer Energieversorgung aus regenerierbaren Quellen und zukunftsweisender Gebäudetechnik bietet das Wassermanagement-Konzept eine ganzheitliche und autarke Versorgungsinfrastruktur, die unabhängig von zentralen Ver- und Entsorgungsnetzen funktioniert.

Technologischer Kern: Anaerobe Abwasseraufbereitung  

Eine attraktive Alternative zur heute üblichen aeroben Abwasserreinigung, speziell für dezentrale oder semizentrale Wasserinfrastruktursysteme, bietet die anaerobe Biotechnologie, mit der organische Kohlenstoffverbindungen zu Biogas, einem Gemisch aus Kohlenstoffdioxid und Methan, umgewandelt werden.  

Im Gegensatz zum herkömmlichen aeroben Belebtschlammverfahren verbleiben bei der anaeroben Abwasserreinigung in geschlossenen Bioreaktoren die Stickstoff- und Phosphorverbindungen im gereinigten Wasser und in den zurückbleibenden Feststoffen. Mikroorganismen werden durch Mikrofiltration entfernt. Die Behandlung liefert Wasser, das hygienisch unbedenklich ist und sich zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen eignet. So wird nicht nur sauberes Wasser, sondern auch Dünger gespart. Alternativ ist es möglich, die Nährstoffe als Dünger aus dem gereinigten Wasser zurückzugewinnen. In diesem Fall kann das Wasser direkt in ein Gewässer eingeleitet oder wiederverwendet werden. Die anaerobe Wasserbehandlung, beispielsweise mit der am IGB entwickelten Hochlastfaulung, liefert damit Wertstofffraktionen, die sich nach dem Prinzip »Abwasser als Ressource« vielfältig nutzen lassen.

Optimierte Wassernutzung und Wasserwiederverwendung für resiliente Wasserinfrastrukturen

Die durch den Klimawandel bedingte Trockenheit stellt vor allem die Landwirtschaft vor große Herausforderungen. Um die Versorgung der Weltbevölkerung mit ausreichend Nahrung sicherstellen zu können, sind daher Lösungen gefragt, auch alternative Wasserquellen zu nutzen. In dem vom BMBF geförderten Projekt Hypowave haben wir daher untersucht, ob sich Abwasser so aufbereiten lässt, dass es für den hydroponischen Pflanzenbau – eine wassersparende Anbauform ohne Erdboden – geeignet ist. Im Folgeprojekt Hypowave+ wird das System erstmals großtechnisch implementiert. Ziel weiterer, neuer resilienter Wassermanagementkonzepte ist eine Wasserkreislaufwirtschaft, in der Abwasser als Ressource betrachtet wird und beispielsweise enthaltene Nährstoffe sinnvoll und effizient genutzt werden.

Digitalisierung – Sensorgestützte Prozesssteuerung  

Sensoren,  Modellierungen und künstliche Intelligenz helfen bei der Überwachung von Wasserqualitäten oder der Optimierung technischer Anlagen. Hauptaugenmerk des IGB liegt auf der Etablierung effizienter Daten- und Kommunikationsinfrastrukturen, um die Kommunikation sensorgestützter Systemkomponenten als Grundlage einer smarten Prozessteuerung zu ermöglichen.

Klimaresilienz durch blau-grüne Infrastrukturen

Bedingt durch den Klimwandel hat die Häufigkeit von Starkregenereignissen mit teilweise verheerenden Überschwemmungen ebenso wie die von Dürreperioden in den letzten Jahrzehnten zugenommen. Blau-grüne Infrastrukturen, also Teiche oder begrünte Dächer, helfen Regen aus Starkregenereignissen zu speichern, damit sie nicht die Kanalisation überschwemmen. Das Fraunhofer IGB geht der Frage nach, wie blau‑grünen Technologien gleichermaßen robust und effizient gesteuert werden können.

Wir untersuchen Ihre Situation und Gegebenheiten für neue Projekte, auch in Stakeholder-Dialogen vor Ort, und entwickeln mit allen beteiligten Parteien die bestmögliche Lösung.