Abteilung Verfahrenstechnik
Water Hub im NEST
Water Hub im NEST – ressourcenorientierte dezentrale Abwasserbehandlung
Der Water Hub ist Teil des NEST, ein Forschungs- und Innovationsgebäude der Empa und Eawag. Dieses Gebäude besteht aus modularen Einheiten, welche verschiedene Funktionen wie Büro- und Wohnraum, Sitzungszimmer sowie Sport- und Wellnessbereich erfüllen. Das NEST Gebäude entwickelt sich fortlaufend weiter. Es werden innovative und nachhaltige Technologien unter realen Bedingungen entwickelt, getestet und umgesetzt. Dieser Ansatz hilft die Lücke zwischen Forschung und Industrie zu schliessen und damit die Markteinführung innovativer Technologien zu beschleunigen.
Im Keller des NEST Gebäudes, befindet sich der Water Hub, welcher von Eawag Forschenden betrieben wird. Abwasser wird hier nicht als Abfallprodukt, sondern als Quelle für Nährstoffe, Wasser und Energie betrachtet. Dies reduziert den Druck auf die Umwelt und ihre Ressourcen.
Unser Ansatz ist dezentral: wir trennen die Abwasserströme an der Quelle und behandeln sie direkt im Gebäude. Dies erhöht die Effizienz der Behandlung und der Rückgewinnung. Dezentrale Abwasserbehandlung kann besonders nützlich sein, wenn keine Kanalisation oder Abwasserreinigung gebaut werden kann, oder um die bestehenden Infrastrukturen zu entlasten. Letzteres ist besonders wichtig bei schnellem städtischen Wachstum. Zudem erlaubt die Dezentralisierung die Entwicklung von sanitären Lösungen für den spezifischen Kontext. Dabei können Ressourcen aus dem Abwasser lokal verfügbar gemacht werden.
Im NEST sind besondere Toiletten installiert. Diese trennen unverdünnten Urin vom Spülwasser, Fäkalien und Toilettenpapier, welches zusammen als Schwarzwasser bezeichnet wird. Andere Abwasserströme werden anhand von individuellen Leitungsnetzen getrennt gesammelt. Diese Netze transportieren das sogenannte leichte und schwere Grauwasser zur Behandlung in den Water Hub. Das leichte Grauwasser kommt aus den Waschmaschinen und Badezimmerabflüssen während das schwere Grauwasser jeglichem Wasser aus der Küche entspricht. Auch Regenwasser wird gesammelt, gelagert und für die Toilettenspülung im NEST wiederverwendet.
Der Water Hub ist ausserdem eine Plattform für Zusammenarbeit zwischen Forschenden und Partner aus der Industrie und Praxis. In den Modulen des NESTs werden Technologien, welche die dezentrale Abwasserbehandlung und Nährstoff-Rückgewinnung ermöglichen, getestet und installiert. Der Water Hub ist offen für Kollaborationen mit der Industrie und stellt Anschubfinanzierung (seed funding) für kleine Projekte, um das Potenzial neuartiger Konzepte und Technologien zu evaluieren, zur Verfügung.
Ausserdem ist der Water Hub an einem Austausch mit Akteuren aus den Bereichen der Sanitärversorgung, Bau, Energie und Landwirtschaft interessiert. Insbesondere bezüglich der Einflüsse von dezentralen ressourcenorientierten Abwassersystemen auf ihre Bereiche und die Integration in Projekte.
Besuche den Water Hub und das NEST Gebäude in einer öffentlichen Tour (public guided tours) .
Der Schwerpunkt des Water Hubs liegt in den folgenden laufenden und abgeschlossenen Projekten:
NoMix Toiletten
Mit der NoMix-Toilette ist es möglich, Urin und Fäkalien zu trennen und sie damit separat zu behandeln. Urin wird in kleinen Mengen produziert und ist relativ frei von Krankheitserregern. Der Mensch scheidet die meisten Nährstoffe, sowie Antibiotika und Mikroverunreinigungen über den Urin aus.
Fäkalien, die mit Spülwasser abgeleitet werden, bestehen hauptsächlich aus organischen Stoffen und haben einen viel höheren Krankheitserregergehalt. Es ist daher von Vorteil, die beiden Ströme getrennt zu behandeln.
Die Eawag testet seit 20 Jahren unter realen Bedingungen verschiedene Prototypen von NoMix-Toiletten, mit mechanischen bis sensorbasierten Trennmechanismen. Diese Tests haben die Notwendigkeit eines robusteren Trennmechanismus und einer benutzerfreundlicheren Toilette deutlich gemacht.
Der österreichische Designer Harald Gründl von EOOS next hat eine neuartige NoMix-Toilette mit einem innovativen Trennmechanismus entwickelt, der für den/die Benutzer:in nicht sichtbar ist und ohne mechanische Komponente oder Sensoren funktioniert.
Die Toilette nutzt die Oberflächenspannung und die unterschiedliche Geschwindigkeit, mit der Urin und Spülwasser die Toilettenschüssel hinunterfließen, um die beiden Ströme zu trennen. Die Geometrie wurde in Zusammenarbeit mit Laufen und der ETH Zürich optimiert.
Diese neuartigen Toiletten sind zurzeit im NEST installiert und werden getestet.
Dieses System ist wesentlich robuster und effizienter als bisherige Lösungen und kann die Urinseparierung revolutionieren.
Nährstoffrückgewinnung von Urin
Der Mensch scheidet den größten Teil der Nährstoffe über den Urin aus. Im Water Hub werden diese Nährstoffe aus dem Urin im Dünger „Aurin“ nach dem VUNA-Verfahren zurückgewonnen: Nach der Lagerung wird mit Hilfe von nitrifizierenden Bakterien die Verflüchtigung von Ammoniak aus dem Urin verhindert. Anschließend werden Arzneimittel in einem Aktivkohlefilter entfernt. Abschließend wird der behandelte Urin konzentriert und Krankheitserreger bei der Destillation abgetötet.
Aktuelle Forschungsthemen sind:
- Entwicklung von Variationen des VUNA-Prozesses, z. B. durch Unterstützung der Bakterien mit Elektrochemie
- Optimierung der Entfernung von Mikroverunreinigungen mit Aktivkohle
- Nutzung von Daten aus der Anlage zur Optimierung von Energieverbrauch, Kosten, Wartung und zur Erhöhung der Prozesssicherheit.
Bei der Urinbehandlung arbeiten die Forschenden des Water Hub eng mit dem Eawag Spin-off Vuna zusammen.
Aufbereitung und Wiederverwendung von Grauwasser
Aufbereitungsprozess
Häusliches Abwasser besteht aus Grauwasser und Abwasserströmen aus der Toilette. Anstatt diese Ströme zu mischen und in die Kanalisation einzuleiten, gibt es die Möglichkeit, Grauwasser innerhalb des Gebäudes für verschiedene Anwendungen wie Toilettenspülung, Bewässerung, Duschen, oder Händewaschen aufzubereiten und wiederzuverwenden. Die Wiederverwendungsform bestimmt die erforderliche Qualität des aufbereiteten Grauwassers. Sie bestimmt auch, wie kontinuierlich und präzise die Aufbereitung überwacht werden muss.
Aufbereitungsprozess
Im Water Hub vergleichen Eawag-Forschende die Leistungen verschiedener Grauwasserbehandlungssysteme. So lassen sich flexible Aufbereitungssysteme entwickeln, die je nach Verwendungszweck unterschiedliche Wasserqualitäten erzeugen. Zudem können die Forschenden das System an die jeweilige Fragestellung, die sie beantworten wollen anpassen. Die derzeitigen Schwerpunkte sind:
- Einsatz modernster Wasseraufbereitungsverfahren mit aufeinander folgenden Reinigungsschritten durch einen Membranbioreaktor, einen Bio- Aktivkohlefilter, gefolgt von einer Desinfektionsstufe (UV oder Chlor) und möglicherweise einer Nanofiltration (für eine weitergehende Wiederverwendung)
- Die Nutzung von einfachen Sensoren zur Vorhersage der mikrobiellen Sicherheit
Während der Erprobung neuer Behandlungsverfahren wird das behandelte Wasser in die Kanalisation eingeleitet. Das eigentliche Ziel ist jedoch die Wiederverwendung des behandelten Wassers innerhalb des Gebäudes.
Mikrobielle Grauwasserqualität
Krankheitserreger
Auch Grauwasser kann erhebliche Konzentrationen von Krankheitserregern enthalten. Es muss deshalb aufbereitet werden, um das Gesundheitsrisiko für den Menschen zu reduzieren. Eawag-Forschende validieren derzeit die Fähigkeit einzelner und kombinierter Behandlungsverfahren, Krankheitserreger unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu reduzieren. Dieses Verfahren zur Validierung der Aufbereitung dient als Leitfaden für die Planung ganzer Aufbereitungsprozesse, um sicherzustellen, dass Grauwasser für verschiedene Anwendungen sicher wiederverwendet werden kann.
Krankheitserreger
Opportunistische Krankheitserreger (Wachstum während der Speicherung)
Die Wiederverwendung von Grauwasser in Gebäuden erfordert Aufbereitung, Speicherung und Weiterverteilung. Während dieser Schritte muss die Wasserqualität für die Wiederverwendung gesichert bleiben, sowohl im Hinblick auf die menschliche Gesundheit als auch auf die Systemleistung. Im Water Hub überwachen und bewerten Eawag-Forschende die Auswirkungen der Grauwasseraufbereitung auf die mikrobielle und chemische Wasserqualität während der nachfolgenden Speicherung und Verteilung im Hausnetz. Insbesondere wollen wir:
- die physikalisch-chemischen Eigenschaften des behandelten Wassers während der Speicherung und Aufbereitung überwachen,
- das mikrobiologische Wachstum und dessen Veränderung überwachen,
- Methoden zur Überwachung, Vorhersage und Vorbeugung von mikrobiellen Wachstum entwickeln,
- Faktoren identifizieren, die Veränderungen in der mikrobiologischen Zusammensetzung beeinflussen
Opportunistische Krankheitserreger (Wachstum während der Speicherung)
Ressourcenrückgewinnung aus Schwarzwasser
Schwarzwasser besteht aus Fäkalien, Urin, Toilettenpapier und Spülwasser. Neben dem Urin sind auch Fäkalien reich an Nährstoffen und Energie, sie haben somit ein grosses Potential für die Rohstoffrückgewinnung. Zusätzlich kann das Spülwasser gereinigt und wiederverwendet werden. Damit Nährstoffe, Energie und Wasser effizient vom Schwarzwasser zurückgewonnen werden kann, braucht es eine Flüssig-Feststoff-Trennung, auch Entwässerung genannt.
In der kommunalen Abwasserreinigung ist die Forschung für die Entwässerung schon weit fortgeschritten. Es hat sich aber als schwierig erwiesen, diese Technologien für nicht-kanalisierte Systeme anzuwenden, speziell aufgrund der hohen Variabilität der Schwarzwasserzusammensetzung.
Im Water Hub wird das Schwarzwasser genutzt, für grundlegende und praxisnahe Forschung:
- Die momentane Forschung versucht den Entwässerungsprozess besser zu verstehen, für die Entwicklung einer besseren Überwachung und Steuerung des Prozesses.
- Die Forschung mit echtem Schwarzwasser vom NEST ermöglicht es, Technologien der Schwarzwasserbehandlung und Rohstoffrückgewinnung zu testen, die im NEST und auf globaler Ebene anwendbar sind.
Nach der Entwässerung können schlussendlich Energie, Nährstoffe, organisches Material, Biomasse und Wasser zurückgewonnen werden.
Energie und Wasser als gekoppelte Ressource – abgeschlossenes Projekt
Systeme, die warmes Wasser für den häuslichen Gebrauch bereitstellen verbrauchen grosse Mengen an Energie. Doch aufstrebende Technologien zeigen ein signifikantes Potential diesen Energieverbrauch zu optimieren. Mehrere solcher Technologien werden im NEST getestet: in der Unit DFAB House wurden Duschen installiert, welche die Wärme aus dem Grauwasser wiederverwendet. Zudem reduziert ein innovatives Wasserverteilsystem Energie und Wasserverluste, indem Trinkwasserleitungen geleert werden, während kein Wasser benötigt wird.
Obwohl diese Technologien vielversprechend sind, muss ihre Integration in komplexe Warmwassersysteme sorgfältig untersucht werden. Denn die Wechselwirkungen mit anderen Teilen des Systems können ihr energetisches und wirtschaftliches Potenzial aufgrund der komplizierten Beziehungen zwischen Energie- und Wasserverbrauch, dem sogenannten Wasser-Energie-Nexus, einschränken.
Eawag-Forschende haben ein Modell entwickelt, um Kombinationen von Technologien in einem Warmwassersystem besser zu integrieren. Sie haben das Modell in verschiedenen Massstäben angewandt, um den Einfluss dieser Technologien auf den gesamten städtischen Wasserkreislauf zu untersuchen: von den Haushalten über das Kanalisationsnetz bis hin zur Kläranlage. Im Rahmen dieses Projekts hat eine Studie beispielsweise gezeigt, dass die Rückgewinnung - und Wiederverwendung - von Wärme innerhalb eines Gebäudes oft eine bessere Option ist als die Rückgewinnung im Kanalnetz. Dies ist auf die geringeren Auswirkungen auf die biologischen Prozesse in der Kläranlage zurückzuführen.
Dokumentationen
Weitere Informationen zum Water Hub erhalten Sie in den unten aufgeführten Artikeln und Publikationen.
Medien & Artikel
Duschwasser doppelt nutzen, Eawag News (09.09.2021)
Ressourcen aus Abwasser direkt im Gebäude zurückgewinnen, Wohnen (September 2021)
Den Water Hub virtuell besuchen, Eawag News (11.06.2021)
Mise au point - Toilettes: Merci de ne pas tirer la chasse, RTS (06.06.2021)
Projekt Sanitärwende - Wenn Kot zu Kompost auf dem Acker wird, Zeitfragen Deutschlandfunk Kultur (01.06.2021)
NEST Podcast mit Tove Larsen, Eawag News (25.03.2021)
Water Hub Phase II, WINGS-Newsletter (17.03.2021)
Grauwasser aufbereiten - ja, aber wie?, Eawag News (23.02.2021)
Toilettes et durabilité (2/5) – Des ressources dans les eaux usées ?, RTS on va vers le beau (12.01.2021)
Abwasser ist eine Quelle für Nährstoffe, Energie und Wasser, Eawag News (29.09.2020)
Abwasser - von der Giftbrühe zur Goldgrube, NZZ Format (03.09.2020)
Water Hub im NEST-Gebäude. Eine Plattform zum Testen von innovativen ressourcenorientierten Sanitärsystemen, Aqua & Gas, 100(2), 52-57 (Februar 2020)
"Eine Toilette, die trennt", SRF News (19.11.2019)
"Wasser mehrfach nutzen", Haustech (Oktober 2019)
Tove Larsen erklärt die Toilettenrevolution, Eawag News (11.03.2019)
Beitrag zum Water Hub in "Il giardino di Albert", RSI (08.01.2017)
«Die Toilette der Zukunft», Empa Quarterly (Mai 2016)
Beitrag zur NEST-Eröffnung, SRF Tagesschau (23.5.2016)
Artikel zur NEST-Eröffnung, NZZ (23.5.2016)
Konferenzbeiträge
Publikationen
Flyer
Ressourcenorientierte Sanitärsysteme :: Kreislaufwirtschaft mit Abwasser
Ressourcenorientierte Sanitärsysteme :: Kreislaufwirtschaft mit Abwasser
Team
Projektteam
Das Water Hub @ NEST Team im Herbst 2023.
Forschungsplattform NEST
Virtuelle Tour durch den Water Hub
Verhebets? Ein ressourcenorientierter Apéro
Film
News
Alt und neu – Teil 2, Abwasser. «Schweiz aktuell» SRF Live (18.07.2023)
Siamo a secco! SRI Falò (04.05.2023)
Documentary: The great toilet battle (04.10.2022)
Verhebts? Ein ressourcenorientierter Apéro, VSA News (29.09.2022)
Schöne Scheisse: Fäkalien sind nicht «wäh», sondern «wow», SRF Input (01.06.2022)
Interview: Abwasseraufbereitung direkt im Haus, Planet Wissen (30.05.2022)
Das nachhaltige Quartier von Morgen, Podiumsdiskussion Swissbau Focus 2022 (06.05.2022)
Spezial Newsletter Fokus: Dezentral Ressourcen aus Abwasser gewinnen, Eawag (Mai 2022)
Um Nährstoffkreisläufe zu schliessen, müssen viele Akteure zusammenspannen, Eawag News (05.05.2022)
Aus Fäkalien Energie gewinnen, Eawag News (12.04.2022)
Wasser - Die wertvolle Ressource, SWR Odysso (17.03.2022)
Let's collaborate on developing technologies for resource-oriented sanitation, Wings Newsletter (16.03.2022)
Unser Abwasser: Giftcocktail oder Goldgrube?, Arte (24.02.2022)