Entwicklung eines naturnahen Abwasserkonzeptes für aride Klimate

Diplomarbeit von Thoralf Schlüter

Zusammenfassung:

Im Rahmen eines Wettbewerbs für Studierende an deutschen Hochschulen der Hans Huber AG, Berching und in einer Diplomarbeit an der TU Hamburg-Harburg wurde ein naturnahes und kostengünstiges Abwasserkonzept für urbane, peri-urbane und ländliche Räume in Schwellen- und Entwicklungsländern entwickelt. Wichtige Elemente des vor allem für aride Klimate geeigneten Konzeptes sind neu entwickelte, dezentrale Trocknungsmodule mit Filtereinsätzen sowie Trockentoiletten und bewachsene Bodenfilter. Die Ideen aus dem Wettbewerbsbeitrag wurden im Juli 2004 mit dem 1. Platz beim Huber-Technology-Preis 2004 ausgezeichnet.

Problemstellung:

Im Jahr 2000 konnte weltweit für ca. 2,4 Milliarden Menschen – diese Zahl entspricht etwa 40 Prozent der Weltbevölkerung – keine oder eine nur unzureichend funktionierende Abwasserinfrastruktur bereitgestellt werden. Neben den katastrophalen ökologischen Folgen stellen vor allem die hieraus resultierenden gesundheitlichen Risiken für die Bevölkerung ein großes Problem dar. Gerade in wirtschaftlich schwach entwickelten Regionen werden unter anderem das rasante Bevölkerungswachstum, verbunden mit starken Urbanisierungsprozessen, schwierige klimatische Bedingungen sowie fehlende finanzielle Möglichkeiten zur Tätigung der erforderlichen Investitionen in den Neubau oder die Unterhaltung von Abwassersystemen zu einer weiteren Verschärfung der gegenwärtigen Situation führen.

Die Bemühungen der internationalen Wasserwirtschaft zeigen, dass das Entwicklungsziel der Vereinten Nationen, eine maßgebliche Verbesserung der Versorgungssituation für die Hälfte der ca. 2,4 Milliarden Menschen bis zum Jahr 2015, mit konventionellen Lösungen nicht erreicht werden kann. Weltweit besteht daher vor allem für dicht besiedelte urbane und peri-urbane Räume ein großer Bedarf an alternativen Abwasserkonzepten. Die vorliegenden Ideen zur Lösung dieser Problematik wurden im Rahmen eines Wettbewerbs für Studierende an deutschen Hoch- und Fachhochschulen der Hans Huber AG, Berching, sowie einer Diplomarbeit im Studiengang Bauingenieurwesen und Umwelttechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg entwickelt. Ausgehend von der Aufgabenstellung zum Huber-Technology-Preis 2004 „Naturnahe Klärtechnik für Entwicklungsländer“ wird im Folgenden die konkrete Aufgabenstellung für das zu entwickelnde Abwasserkonzept formuliert:

„Eine Hauptursache vieler Krankheiten in den Ländern der zweiten und dritten Welt ist die unzureichende Behandlung des häuslichen Abwassers. End-of-pipe-Lösungen, wie die Kläranlagen nach den Standards der Industrieländer, sind im Hinblick auf eine nachhaltige Wasser- und Nährstoffkreislaufführung in der Regel weder sinnvoll noch flächendeckend finanzierbar. Darüber hinaus fehlt es an Fachpersonal zum Betrieb dieser Anlagen. Gesucht wird daher ein neues Konzept zur Abwasserentsorgung und möglichst auch zur Wasserwiederverwertung, mit dem die Bevölkerung von Entwicklungs- und Schwellenländern in weitgehender Eigenleistung die Maßnahmen selber planen, bauen und betreiben kann. Am Beispiel eines Gebietes in einer ariden Klimazone mit nährstoff- und humusarmen landwirtschaftlichen Nutzflächen soll das gesuchte Konzept dargestellt werden. Das Gebiet teilt sich dabei auf in ein dicht bebautes Stadtzentrum mit bis zu 2.000 Einwohnern und in einen dünn besiedelten ländlichen Raum – in dem vor allem Viehzucht betrieben wird – mit rund 500 Einwohnern. Eine flächendeckende Versorgung mit elektrischem Strom kann nicht vorausgesetzt werden".

Gang der Untersuchung:

Die Entwicklung eines nachhaltigen Abwasserkonzeptes muss sich streng an den, in der jeweiligen Projektregion vorherrschenden, geografischen, wirtschaftlichen und sozialen Randbedingungen orientieren. Auf Grund der unterschiedlichen Siedlungsstruktur von städtischem und ländlichem Raum und auf Grund der unterschiedlichen Ausgangsbedingungen, vor allem in Hinblick auf die Wasserversorgung, sieht das vorgeschlagene Abwasserkonzept angepasste Lösungen für beide Bereiche vor.

Das Konzept für den städtischen Raum basiert auf einer Fest-Flüssig-Trennung des Toilettenabwassers im Haushalt. Durch die Verwendung von neu zu entwickelnden Trocknungsmodulen mit Filtereinsatz im Gebäude, bzw. von Trocknungskammern mit Filtersäcken außerhalb der Gebäude, werden die Feststoffe aus dem Toilettenabwasser zurückgehalten, vor Ort eingedickt und getrocknet. Ein Vorteil des Rückbehalts der Feststoffe besteht darin, dass kein Wasser zum Transport dieser benötigt wird und damit auf teure Kanalsysteme mit großen Querschnitten verzichtet werden kann. Die Kanalsysteme für das nahezu feststofffreie Abwasser bestehen aus Rohren mit kleinen Querschnitten, die durch die Bevölkerung mit großen Anteilen an Eigenleistung errichtet werden können.

Ein weiterer Vorteil dieser Lösung ist die Beibehaltung von Spültoiletten in den Haushalten, was häufig den Wünschen der Benutzer entspricht. Gerade in dicht bebauten, städtischen Gebieten von Entwicklungs- und Schwellenländern ist ein vollständig teilstromorientiertes Abwasserkonzept mit Urinseparation nur schwer umzusetzen. Vielfach fehlt die Bereitschaft zur Umstellung auf neue Hygienegewohnheiten, darüber hinaus fehlt es oft an Platz für dezentrale Speicher- und Behandlungsanlagen oder an technischen Möglichkeiten zur Ableitung der Stoffströme. Durch die Verwendung von Spültoiletten werden diese Probleme vermieden, darüber hinaus wird keine Neuinstallation von Toiletten in den Haushalten erforderlich.

Nach Trocknung und möglichst nach weitergehender Kompostierung, die zusammen mit Bioabfällen und Viehdung erfolgen kann, stehen die Fäkalien mit hohem Anteil an organischen Stoffen als Bodenverbesserer zur Verfügung. Hierdurch werden Abfälle zu Ressourcen, die die langfristige Ertragsfähigkeit der nährstoff- und humusarmen Böden deutlich verbessern und somit die Grundlage für eine effektivere Landwirtschaft bilden. Bei Beibehaltung von Viehzucht als den primären Landwirtschaftssektor kann langfristig der Aufbau einer nachhaltigen Futterwirtschaft angeregt werden.

Das restliche Abwasser, bestehend aus Grauwasser und Schwarzwasserfiltrat, wird zusammen abgeleitet und in semizentralen Anlagen soweit gereinigt, dass es hygienisch unbedenklich als Bewässerungswasser wieder verwendet werden kann. Dies erfolgt, nach einer Vorklärung zum Absetzen der restlichen Feststoffe, in vertikal durchströmten und mit Schilf bewachsenen Bodenfiltern. Um flexibel auf das Platzangebot in der Region reagieren zu können, wird die Errichtung von zwei Behandlungsanlagen in Nähe landwirtschaftlicher Flächen vorgeschlagen.

Bewachsene Bodenfilter haben in heißen, ariden Regionen zwar den Nachteil von meist hohen Evaporationsraten, verbunden mit der Gefahr von Aufsalzung, sie sind jedoch einfach und mit lokal verfügbaren Baustoffen zu errichten. Weitere Vorteile ergeben sich aus den guten Keimeliminationsraten und dem geringen Wartungs- und Unterhaltungsaufwand. Bei entsprechenden geographischen Bedingungen kann der Betrieb ohne Elektrizität erfolgen. Darüber hinaus erreichen bewachsene Bodenfilter durch ihr gefälliges Aussehen eine hohe Akzeptanz bei der Bevölkerung. Das Stadtbild wird durch die neuen „Grünanlagen“ ebenso verbessert wie das Mirkoklima der Region. Dass diese Anlagen auch in ariden Regionen sehr gut funktionieren, zeigen zahlreiche Pilotprojekte, unter anderem in Syrien.

Die Unterhaltung der Anlagen, wie auch die Entsorgung der Fäkalien, wird durch lokale Kleinunternehmen übernommen. Dies schafft Arbeitsplätze und unterstützt die Strukturentwicklung der Region. Erlöse aus der Bewirtschaftung der Bodenfilter können durch den Verkauf von gereinigtem, nährstoffreichem Abwasser an die Landwirte zur Bewässerung und Düngung und durch den Verkauf der geernteten Pflanzen, zum Beispiel als Baumaterial, erzielt werden.

Für den ländlichen Raum wird ein vollständig dezentrales und teilstromorientiertes Abwasserkonzept vorgeschlagen. Da die Wasserversorgungssituation hier meist schlechter ist als im städtischen Raum, wird auf den Einsatz von Spültoiletten verzichtet. Stattdessen werden Trockentoiletten mit Urinseparation errichtet, die kein Wasser zum Betrieb benötigen. Getrocknete Fäkalien und Urin können von den Bewohnern selbst als Nährstoffressourcen im eigenen Garten verwendet werden. Die getrockneten Fäkalien können alternativ aber auch vom städtischen Entsorgungsunternehmen abgeholt und zentral verwertet werden.

Das Grauwasser wird im ländlichen Raum in kleinen, bewachsenen und horizontal durchströmten Bodenfiltern behandelt. Aufgrund des höheren Platzangebotes erfolgt dies direkt vor Ort, die Errichtung von Kanalsystemen kann so entfallen. Bei zusammenstehenden Gebäuden werden Gemeinschaftsanlagen errichtet, dies reduziert Kosten und erleichtert Wartung, Unterhaltung und Überwachung.

Durch die Separation von gesundheitsgefährdenden Keimen kann das gereinigte Wasser, neben der Verwendung zur Gartenbewässerung, auch als Brauchwasser in den Haushalten, zum Beispiel zum Wäschewaschen, genutzt werden. Dies verbessert die Wasserversorgungssituation der ländlichen Bevölkerung deutlich. Durch die Wiederverwertung von Nährstoffen und Wasser können die Bewohner einen persönlichen Vorteil erzielen, was im Allgemeinen zu einer breiteren Akzeptanz des neuen Konzeptes führt.

Die geschätzten Projektkosten für das gesamte Abwassersystem betragen, abzüglich der Ersparnisse aus Eigenleistung, 462.058 Euro. Dies entspricht einer Belastung von ca. 185 Euro je Einwohner. Bei der Ermittlung dieses Kostenbarwertes wird eine Nutzungsdauer von 45 Jahren für das gesamte Projekt angenommen. Erlöse und Gewinne aus dem Nutzen des Konzeptes sind in den ermittelten Kosten nicht enthalten. Bei Verwirklichung des Konzeptes in einem konkreten Projekt können diese jedoch in einer geeigneten Kosten-Nutzen-Analyse abgeschätzt werden. Der voraussichtlich sehr positive Effekt auf die Projektkosten kann dann als wichtiges Instrument zur Argumentation des vorgeschlagenen Abwasserkonzeptes gegenüber anderen Lösungen genutzt werden.

Inhaltsverzeichnis: