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Aktuelle Forschungsprojekte

Projekt Reinighof - Entwicklung und Erprobung eines autarken Ressourcenrückgewinnungs- und Abwasserentsorgungssystems für den ländlichen Raum

Das Projekt Reinighof zielt darauf ab, ein autarkes, dezentrales Abwasserreinigungs- und Ressourcenrückgewinnungskonzept zu entwickeln und zu erproben, welches den Anforderungen einer nachhaltigen Siedlungswasserwirtschaft entspricht. Kernpunkte sind die Installation von Trockentrenntoiletten wodurch zum einen erhebliche Mengen Trinkwasser eingespart werden können und zum anderen durch angepasste Behandlungsmaßnahmen von Urin und Faeces eine Rückgewinnung von Rohstoffen, insbesondere Phosphor, möglich ist. Ziel ist es, eine vollständige Autarkie von einer zentralen Kläranlage zu demonstrieren und das Konzept mit seinen verfahrenstechnischen Komponenten marktfähig zu machen.

Zur Behandlung des Urins und zur Rückgewinnung von Nährstoffen ist eine Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP)-Fällung geplant. Dadurch kann P weitgehend, N jedoch nur zu einem geringen Teil rückgewonnen werden, so dass der stickstoffhaltige Überstand weiter behandelt werden muss. Eine direkte Einleitung dieses Stoffstroms in eine Pflanzenkläranlage (PKA) zur Grauwasserbehandlung kann aufgrund der hohen Ammoniumkonzentrationen zu Problemen führen. Daher ist geplant, den stickstoffhaltigen Überstand in einen neuartigen Spezialbodenfilter mit zeolithhaltigem Filtermaterial zu leiten, der der PKA vorgeschalten ist, und in dem das enthaltene Ammonium adsorbiert und teilweise umgesetzt wird. Für die Faeces ist eine geschlossene Schnellkompostierung mit anschließender offener Nachkompostierung vorgesehen, wodurch eine Hygienisierung erreicht werden soll, so dass der Kompost als Bodenverbesserer und Nährstofflieferant auf dem Grundstück der Eigentümer genutzt werden kann. Anfallendes Sickerwasser kann der PKA zugeführt werden.

Diese Konzeption bietet die Möglichkeit, durch geschickte Verknüpfung der verschiedenen Behandlungskomponenten auf ein zentrales „Back-up“ System verzichten zu können.

Projektlaufzeit: 03/2018 - 02/2020

Bearbeiter/in: Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung: Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Osnabrück


Biopolymerproduktion aus industriellen Abwasserströmen - Einflussfaktoren auf Teilprozesse und Entwicklung von Mess-Steuer- und Regelungsstrategien zur Schließung der Verfahrenskette

Konventionelle Kunststoffe werden heute überwiegend aus Rohölen hergestellt, deren Verfügbarkeit begrenzt und deren Förderung nicht nachhaltig ist. In Europa und Deutschland führt das Fehlen nennenswerter eigener Ressourcen außerdem zu erheblichen politischen Abhängigkeiten. Neben der Endlichkeit, der Klimaschädlichkeit und der umweltverschmutzenden Förderung des Rohstoffs Erdöl stellt die hohe Beständigkeit von Kunststoffen gegenüber natürlichen Zersetzungsprozessen (chemisch/physikalischer oder biologischer Abbau) ein erhebliches Umweltproblem dar und sorgt für eine zunehmende Anreicherung von weggeworfenem Kunststoffmaterialien in der Umwelt. Zur Minderung dieser Probleme ist die Entwicklung neuer, umwelt- und ressourcenschonender Herstellungsverfahren erforderlich, die Erdöl durch nachhaltig gewonnene Rohstoffe substituieren. Erste Forschungsergebnisse in noch stark vereinfachten Systemen zeigen, dass sowohl Primärschlamm kommunaler Abwasserbehandlungsanlagen als auch Abwässer mit hohem organischem Anteil eine solche alternative Rohstoffquelle darstellen können. Derzeit bestehen aber noch erhebliche Wissenslücken sowohl im grundlegenden Prozessverständnis als auch in der Entwicklung einer abgestimmten Verfahrenskette und der Prozesssteuerung.

Übergeordnetes Projektziel ist daher die Weiterentwicklung einer Verfahrenskette zur Biopolymerproduktion aus Abwasserströmen der Lebensmittelindustrie zu erarbeiten. Das Projekt soll einen substanziellen Beitrag zur Verbesserung des Prozessverständnisses und der Einflussfaktoren auf die einzelnen Schritte der Biopolymerherstellung aus Abwasser liefern. Darauf aufbauend wird die Prozesskette sukzessive geschlossen, um Auswirkungen unterschiedlicher Rahmenbedingungen und Betriebseinstellungen auf die Biopolymerausbeute und -zusammensetzung bewerten zu können. Mittels Entwicklung von MSR-Strategien soll auch bei schwankender Abwasserzusammensetzung ein dauerhaft stabiler Betrieb erzielt werden.

Projektlaufzeit: 01/2018- 06/2020

BearbeiterIn: Thomas Uhrig M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung: Willy-Hager-Stiftung, Stuttgart


Real-Labor »Abwasserfreier Umwelt-Campus Birkenfeld - neue Technologien in der Gebäudesanierung für eine zukunftsfähige Ressourcenwirtschaft«

Das BBSR-Projekt »Abwasserfreier Umwelt-Campus Birkenfeld - neue Technologien in der Gebäudesanierung für eine zukunftsfähige Ressourcenwirtschaft« erarbeitet anhand der konkreten Umrüstung eines bewohnten Studierendenwohnheims am Umwelt-Campus Birkenfeld (UCB) zu einem Reallabor ein innovatives Recyclingkonzept, das auf der getrennten Erfassung, Aufbereitung und Nutzung der lokal anfallenden Abwasser- und Abfallteilströme beruht. Das ausgewählte Modellgebäude verfügt über 36 Wohneinheiten mit 22 Toiletteneinheiten und 19 Küchenzeilen. Erstmals soll das an der Bauhaus-Universität Weimar entwickelte neuartige Doppel-Inliner-Verfahren zur separaten Erfassung von Grau- und Schwarzwasser in den Bestand einer Gebäudeinfrastruktur integriert werden. Über ein Unterdrucksystem soll Schwarzwasser gemeinsam mit anfallenden Bioabfällen einer anaeroben Behandlung zur Biogasproduktion zugeführt und Grauwasser im freien Gefälle abtransportiert und für unterschiedliche Nutzungen (Bewässerung, Toilettenspülung etc.) aufbereitet werden. Dieser innovative Ansatz der angewandten Gebäudeforschung stellt die Grundlage für eine Weiterentwicklung des UCB hin zu einer abwasserfreien Hochschule dar.

Zur Erarbeitung neuer praktikabler Konzepte für eine optimale Sammlung, Behandlung und Nutzung der Ressourcen Wasser, Nährstoffe und Energie in den Teilströmen Grau-, Schwarzwasser und Bioabfall müssen im Rahmen des Reallabors begleitend verschiedene Analysen und Untersuchungen durchgeführt werden. Anschließend wird auch unter Berücksichtigung finanzieller, ökologischer und sozialer Belangen ein integriertes Gesamtkonzept zur sukzessiven Sammlung und Aufbereitung von Abwasserteilströmen sowie zur Nutzung der darin enthaltenen Ressourcen für den Projektstandort UCB konkret geplant und teilweise erprobt.

Die für den UCB geplante Systeminnovation bildet die technologische Basis für ein zukunftsweisendes kommunales Stoffstrommanagement. Die Kombination innovativer Verfahren zur Ressourcenrückgewinnung ist bislang einzigartig und bildet gebäudetechnisch die Transformation einer rein ver- und entsorgungsorientierten Stoffstrombewirtschaftung hin zu einem wertstoffbasierten Kreislaufwirtschaftssystem ab. Somit generiert das Projekt konkrete Handlungsempfehlungen für die weitere Dissemination auf andere Gebäude bzw. Stadtquartiere.

Projektlaufzeit: 10/2017 - 10/2019

Bearbeiter/-in: Dipl.-Ing. Carlo Morandi, M. Sc.Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung: BBSR


Integrierte Strategien zur Stärkung urbaner blau-grüner Infrastrukturen (INTERESS-I)

Das BMBF-Projekt INTERESS-I »Integrierte Strategien zur Stärkung urbaner blau-grüner Infrastrukturen« widmet sich in der Definitionsphase den grundlegenden Fragestellungen, die zur Entwicklung von Konzepten zur Stärkung blau-grüner Infrastrukturen erforderlich sind, und eruiert geeignete Pilotgebiete.

Hintergrund sind zunehmende Klimaextreme in Städten, vom Starkregen und damit eihergehenden Überflutungen bis zu langanhaltenden Hitze- und Trockenperioden. Im geplanten Projekt sollen technisch praktikable und konzeptionelle Lösungsansätze und Maßnahmen zur Optimierung urbaner blau-grüner Siedlungs- und Bauwerksstrukturen auf der Basis stadtklimatischer Anforderungen, der Wasserverfügbarkeit und -qualität sowie der Belange der Freiraumversorgung erarbeitet werden. Zur Erhöhung der Klimaresilienz in eng bebauten Stadtteilen ist einerseits die Nutzung von Systemen zur Kappung von Abflussspitzen bei Starkregenereignissen und damit der innerstädtischen Überflutungsvorsorge erforderlich; andererseits bedarf es einer deutlichen Steigerung der urbanen Verdunstungs- bzw. Kühlleistung. Der damit einhergehende erforderliche Ausbau bestehender blau-grüner Infrastrukturen setzt so einen deutlichen Mehrbedarf an Wasser voraus, weshalb bislang ungenutzte urbane Wasserressourcen, wie z. B. Abläufe von mit Trinkwasser betriebenen Brunnen, Quellfassungen, Grundwasseraustritte, häusliches Grauwasser etc. erschlossen, ggf. behandelt und zur Bewässerung von Stadtgrün eingesetzt werden müssen.

In der Definitionsphase wurden bestehende Ansätze in den beteiligten Kommunen Stuttgart und Frankfurt erfasst und die Erwartungen an integrierte Strategien diskutiert. Im geplanten eigentlichen FuE-Projekt sollen anhand ausgewählter Teilräume in der Stadt zum einen blaue und grüne Infrastrukturen vertiefend betrachtet sowie konzeptionelle Strategien zur Stärkung bestehender Infrastrukturen unter veränderlichen stadtklimatischen Rahmenbedingungen erarbeitet werden. Zum anderen sollen blaue bzw. grüne technische Teilkomponenten, wie z. B. bepflanzte Bodenfilter zur Aufbereitung der o. g. Wasserressourcen bzw. vertikale Grünsysteme und baubotanische Elemente, praktisch erprobt und anschließend im kommunalen Kontext als kompakte prototypische Umsetzung klimawirksamer Infrastrukturen (Impulsprojekt) demonstriert werden.

Wesentliches Ziel des Fachgebietes Ressourceneffiziente Abwasserbehandlung der TU Kaiserslautern ist die (Weiter-)Entwicklung von Konzepten und Technologien zur bedarfsgerechten Aufbereitung urbaner Wasserressourcen bzw. die Anpassung an stadträumliche, klimatische und grüne Anforderungen (z. B. Platzmangel, Wasser-, Nährstoffbedarf) unter Beachtung der Aspekte der Ressourceneffizienz und Klimaresilienz.

Laufzeit der Definitionsphase:  03/2017-08/2017

Voraussichtlicher Projektbeginn: September 2018

Bearbeiter/-in: Dipl.-Ing. Carlo Morandi, M. Sc.Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung: BMBF


Untersuchungen zur Eliminierung von sog. Mikroverunreinigungen aus Wasser und Abwasser durch Biomembranverfahren sowie ihr Vergleich mit anderen biologisch gestützten Verfahren

Ziel dieses Vorhabens sind Untersuchungen zur Eliminierung und Mineralisierung von sog. Mikrokontaminationen in industriellem / kommunalem Abwasser durch Biodegradationsprozesse in innovativen Verfahrenskonzepten. In Phase I des Projektes sollen bakterielle Isolate / Biozönosen gewonnen werden, die zum Abbau definierter Mikrokontaminationen geeignet sind. Bei erfolgreicher Durchführung der Phase I wird in Phase II der Schwerpunkt der Forschungsarbeit auf Biomembranverfahren mit gezielter Immobilisierung der spezialisierten Biozönosen aus Phase I auf den Membranträgern und deren Einsatz zur Behandlung genannter Abwässer liegen, wobei alternative biologische Verfahren im labor- und halbtechnischen Maßstab betrieben und zu Vergleichs- und Bewertungszwecken herangezogen werden. Am Ende des Projektes soll ein Konzept vorliegen, auf dessen Basis eine großtechnische Implementierung in Verfahren zur Behandlung kommunaler / industrieller Abwässer möglich ist.

Das Ziel des Projektes ist es, verschiedene biologische Prozesse bezüglich ihrer Effizienz hinsichtlich der Elimination von ausgewählten Schadstoffen untereinander zu Vergleichen. Die ausgewählten Schlüsselverbindungen sind Paracetamol, Ibuprofen, Diclofenac, Triclosan and Fluoxetine. Hingegen anderer Projekte liegt der Fokus hier auf dem biologischen Abbau von diesen Verbindungen und nicht ihrer Adsoption, da die letztere Situation nicht zu einer permamenten Elimination führt. Durch die landwirtschaftliche Verwertung der Klärschlämme werden Schadstoffe wieder in den Stoffkreislauf eingeführt.Im ersten Schritt wird der biologische Abbau der Stoffe nachvollzogen und die erhaltenen Isolate in der zweiten Phase im Pilotmaßstab als Impfstoff verwendet.

Gesamtprojektlaufzeit: 07/2013- 12/2016

Projektlaufzeit an der TU KL: 01/2016-12/2016

Bearbeiter/in: Prof. Dr.-Ing. Heidrun Steinmetz

Förderung: Willy-Hager-Stiftung, Stuttgart