HypoWave – Wasserwiederverwendung in der Landwirtschaft

Besonders in wasserarmen Regionen beansprucht die landwirtschaftliche Produktion nicht selten den Großteil des vorhandenen Wassers. Große Mengen der knappen Ressource verdunsten dabei oder versickern in der Erde. Der Vorteil einer hydroponischen Pflanzenproduktion, wie man sie entfernt auch von Hydrokulturen bei Zimmerpflanzen kennt, liegt zunächst im geringen Wasserverbrauch. Die Pflanzen werden über eine Nährlösung in Pflanzgefäßen ohne Erde versorgt. Dabei versickert kein Wasser und es verdunstet nur wenig.

Projektziele und -vorhaben

Im Forschungsprojekt »HypoWave« untersucht ein interdisziplinäres Team, wie die Effizienz dieser hydroponischen Pflanzenproduktion durch die Nutzung von kommunalem Abwasser für die Bewässerung von Gemüsepflanzen oder Schnittblumen noch erhöht werden kann. Dazu wurde zunächst eine Pilotanlage zur Wiederverwendung des gezielt aufbereiteten kommunalen Abwassers für die hydroponische Produktion in der Nähe von Wolfsburg errichtet. Dort werden die technischen Abläufe, die Pflanzenproduktion, die Wirtschaftlichkeit der Anlage sowie die Qualität der erzeugten Produkte untersucht. In einem zweiten Schritt wird das Potenzial und die Marktfähigkeit einer solchen Produktion mithilfe von Fallstudien untersucht mögliche Akteure solcher Systeme über einen Stakeholderdialog in das Forschungsprojekt eingebunden.

Das Fraunhofer IGB war zunächst im Arbeitspaket »Pilotierung der Abwasseraufbereitung« involviert. Seit 2017 koordiniert das IGB zudem die Fallstudien und entwickelt gemeinsam mit Projektpartnern und lokalen Stakeholdern spezifische, an die lokalen Gegebenheiten angepasste Umsetzungskonzepte des Gesamtsystems.

Pilotierung  

Im Rahmen der Pilotierung des Gesamtsystems betreibt das IGB einen von dem Partner ACS-Umwelttechnik GMBH & Co. KG erstellten EGSB-Reaktor (Expanded Granular Sludge Bed) zur anaeroben Vorbehandlung des kommunalen Abwassers. Hier werden organische Verunreinigungen in den Energieträger Biogas umgewandelt, während die Nährstoffe, die als Dünger für die Pflanzen im hydroponischen System notwendig sind, erhalten bleiben.

Weiterhin hat das IGB eine übergreifende Steuerung für die Pilotanlage erstellt, die es ermöglicht, dass die einzelnen Module der Abwasseraufbereitung und der Pflanzenproduktion miteinander kommunizieren. Auch zu der Modellierung und Zielwertvorgabe der Künstlichen Neuronalen Netze des Partners aquatune – Dr. Gebhardt & Co GmbH stellt die Steuerung des Fraunhofer IGB die Schnittstelle dar.

Fallstudien

Wie die Umsetzung des Konzepts jeweils aussehen kann, wird im Rahmen von Fallstudien an vier unterschiedlichen Standorten in Deutschland, Belgien und Portugal ermittelt. Diese Fallstudien werden von transdisziplinären Teams gemeinsam mit den Akteuren vor Ort erarbeitet. Ziel ist es, förderliche und hemmende Faktoren für die Nutzung von aufbereitetem Abwasser im hydroponischen System und mögliche standortspezifische Einsatzmöglichkeiten des Konzepts zu identifizieren. Damit soll die Grundlage für die nächsten Schritte einer möglichen Realisierung an den untersuchten Standorten geschaffen werden.

Im Jahr 2018 konnten zwei Fallstudien fertig gestellt werden (siehe unten). Im Landkreis Gifhorn (Niedersachsen) wurde die Nutzung des Ablaufs eines Klärteichs zum Anbau von Salat untersucht. Dadurch kann die Konzentration an Nährstoffen im Ablauf so weit gesenkt werden, dass der Anschluss an eine größere Kläranlage unnötig wird. In Raeren in der Euregio (Grenzregion Belgien – Niederlande – Deutschland) wurde für ein Gebiet, dessen Abwasser bisher ungereinigt in ein Gewässer fließt, eine Abwasserreinigung inklusive Gewächshaus zum Anbau von Schnittblumen konzipiert. Eine Kurzumtriebsplantage soll auch die letzten Nährstoffe noch zur Biomasseproduktion nutzen.

Zusammenfassung

Mit der Verwendung des gereinigten Abwassers können zwei Ziele erreicht werden: die Reinigung des Abwassers, insbesondere in Bezug auf Stickstoff- und Phosphorelimination, sowie ein optimales Pflanzenwachstum durch eine gute Wasser- und Nährstoffversorgung. Für eine gute Versorgung der Pflanzen mit Mikronährstoffen sowie im Hinblick auf die Einhaltung der mikrobiologischen Hygieneanforderungen ist ein angemessenes Qualitätsmanagement erforderlich. So sollte das Bewässerungswasser mittels geeigneter Maßnahmen, z. B. UV, Ozon oder Membranfiltration, hygienisiert werden.

Gelegenheitsfenster für die Umsetzung des HypoWave-Konzepts sind Situationen in ländlich geprägten Räumen, in denen die Abwasserinfrastruktur angepasst werden muss. Es kann auch bei Kläranlagen integriert werden, die eine vierte Reinigungsstufe planen, und bietet sich prinzipiell bei Stadterweiterungen sowie Quartiersneubauten an. Nutzungskonflikte um die Ressource Wasser, die sich durch den Klimawandel zuspitzen, können so entschärft werden.

Experten aus den Projekten der Fördermaßnahme WavE des BMBF liefern Stellungnahme zum Entwurf einer Verordnung zur Wasserwiederverwendung für die landwirtschaftliche Bewässerung in Europa

Die EU-Kommission hat im Mai 2018 den Entwurf einer Verordnung veröffentlicht, der erstmalig einheitliche Mindestanforderungen für die Praxis einer Wasserwiederverwendung für die Landwirtschaftliche Bewässerung in Europa formuliert. Der nachfolgende Artikel »Mindestanforderungen an eine Wasserwiederverwendung: Hinweise aus Sicht der WavE-Forschungsprojekte des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)« liefert eine Stellungnahme einer breiten Autorenschaft zu der laufenden Diskussion zum Entwurf einer Verordnung zur Wasserwiederverwendung für die landwirtschaftliche Bewässerung in Europa. Die Autoren befassen sich vor allem mit den Fragestellungen, die für das deutsche Wasserfach relevant sind.

Literatur

[1] Mohr, M., Schramm, E., Ebert, B., Germer, J., Bürgow, G., (2019) Nutzung des Ablaufs einer Teichkläranlage zum Anbau von Gemüse im hydroponischen System im Landkreis Gifhorn – Ergebnisse einer Fallstudie. Zbl. Geol. Paläont. Teil I, Jg. 2019, H. 1: 65–72

[2] Drewes, J., Becker, D., Jungfer, C., Krömer, K., Mohr, M., Nahrstedt, A., Schramm, E., Winker, M., Zimmermann, M. (2018) Mindestanforderungen an eine Wasserwiederverwendung: Hinweise aus Sicht der WavE-Forschungsprojekte des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). gwf Wasser Abwasser 12/2018: 50-59

[3] Drewes, J.; Schramm, E.; Ebert, B.; Mohr, M.; Beckett, M.; Krömer, K.; Jungfer, C. (2019) Potenziale und Strategien zur Überwindung von Hemmnissen für die Implementierung von Wasserwiederverwendungsansätzen in Deutschland, Korrespondenz Abwasser, Abfall 12/2019

[4] Mohr, M.; Günkel-Lange, T.; Fischer, M.; Germer, J.; Winker, M.; Bürgow, G. (2019) Water reuse in hydroponic systems: results from four European feasibility studies, Vortrag auf der 12^th IWA International Conference on Water Reclamation and Reuse, 16. Juni 2019, Berlin