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Wassertechnologie und Wasseranalyse

Das Vorhaben ist in 4 Zielbereiche gegliedert: 1) Aufklaerung, Bilanzierung organischer Wasserschadstoffe, insbesondere biologisch schwer abbaubare Verbindungen, 2) Adsorptive Wasserreinigung mit Aluminiumoxid, insbesondere Abtrennung und Rueckgewinnung von Phosphat aus Abwasser, 3) Aufklaerung der Wirkung von Ozon auf organische Wasserinhaltsstoffe und Entwicklung eines Verfahrens der kombinierten Anwendung von Ozon und biologischer Behandlung fuer Abwasser, 4) Verfahrensentwicklung zur Teilentsalzung von Wasser durch Ionenaustausch, insbesondere zur Verminderung des Nitratgehaltes.

Öffentliche Abwasserentsorgung

<p> <p>Das Hauptziel der Abwasserbehandlung ist, Gewässerbelastungen weitgehend zu reduzieren. Dabei fällt Klärschlamm an, der inzwischen zumeist in getrockneter Form thermisch verwertet wird. Die Rückgewinnung und Wiederverwertung von Stoffen wie Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm trägt dazu bei Nährstoffkreisläufe zu schließen.</p> </p><p>Das Hauptziel der Abwasserbehandlung ist, Gewässerbelastungen weitgehend zu reduzieren. Dabei fällt Klärschlamm an, der inzwischen zumeist in getrockneter Form thermisch verwertet wird. Die Rückgewinnung und Wiederverwertung von Stoffen wie Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm trägt dazu bei Nährstoffkreisläufe zu schließen.</p><p> Rund 10 Milliarden Kubikmeter Abwasser jährlich <p>8.659 öffentliche Kläranlagen haben im Jahr 2022 nach Erhebungen des Statistischen Bundesamtes über 8,33 Milliarden Kubikmeter (Mrd. m³) Abwasser behandelt und anschließend in Oberflächengewässer eingeleitet. Die behandelte Abwassermenge sank damit gegenüber der Erhebung im Jahr 2019 um 0.72 Mrd m³. Diese Abwassermenge setzte sich aus rund 4,82 Mrd. m³ Schmutz-, 1,49 Mrd. m³ Fremd- und 2,02 Mrd m³ Niederschlagswasser zusammen (siehe Tab. „In öffentlichen Kläranlagen behandelte Abwassermenge“). Schmutzwasser ist jenes Wasser aus privaten Haushalten sowie aus gewerblichen und industriellen Betrieben, das in die Kanalisation eingeleitet wird. Als Fremdwasser wird jenes Wasser bezeichnet, das nicht gezielt in die Kanalisation eingeleitet wird, also etwa in diese aus dem Boden einsickert.</p> <a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/2_tab_beh-abwassermenge_2025-04-09.png"> </a> <strong> Tab: In öffentlichen Kläranlagen behandelte Abwassermenge </strong> Quelle: Statistisches Bundesamt Downloads: <ul> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/2_tab_beh-abwassermenge_2025-04-09.pdf">Tabelle als PDF (54,85 kB)</a></li> <li><a href="https://www.umweltbundesamt.de/system/files/medien/384/bilder/dateien/2_tab_beh-abwassermenge_2025-04-09.xlsx">Tabelle als Excel (19,60 kB)</a></li> </ul> </p><p> Fast 100 Prozent biologisch gereinigt <p>Die rund 8.700 Kläranlagen haben im Jahr 2022 rund 99,99 % des Abwassers biologisch und weniger als 0,005 % ausschließlich mechanisch behandelt (siehe Tabelle). In einem Großteil der Anlagen wird Stickstoff in zwei Schritten entfernt.</p> <ul> <li>Nitrifizierung: Dabei werden Ammonium-Ionen mit Hilfe von Bakterien in Nitrat-Ionen umgewandelt.</li> <li>Denitrifizierung: Dabei werden Nitrat-Ionen mit Hilfe von Bakterien in molekularen Stickstoff umgewandelt.</li> </ul> <p>Bei einem Großteil des Abwassers erfolgt darüber hinaus die Entfernung von Phosphor. Hierbei werden Phosphat-Ionen entweder durch Zugabe von Salzen ausgefällt oder mit Hilfe von Bakterien ausgetragen und in den Klärschlamm überführt.</p> <p>Bei 3,7 % des Abwassers wurde in 2022 zusätzlich eine Elemination von Spurenstoffen durchgeführt. Als weitere zusätzliche Verfahrensstufen kamen Filtration und Desinfektion des Abwassers zur Anwendung.</p> </p><p> Klärschlamm aus öffentlichen Kläranlagen <p>Auf Kläranlagen fiel im Jahr 2024 Klärschlamm mit einer Trockenmasse von etwa 1,67 Millionen Tonnen an.</p> <ul> <li>Rund 82 % des Klärschlamms wurde 2024 thermisch verwertet (2013: 58 %).</li> <li>Nur noch rund 17 % des Klärschlamms wurde stofflich verwertet (2013: 42 %). Knapp 12 % wurden aufgrund der enthaltenen Nährstoffe landwirtschaftlich verwertet (2013: 27 %). Rund 0,8 % wurde bei landschaftsbaulichen Maßnahmen wie z. B. <a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/rekultivierung">Rekultivierung</a> eingesetzt (2013: 11 %).</li> <li>Die Deponierung unbehandelter Klärschlämme ist seit 2005 untersagt.</li> </ul> </p><p> Rohstoffquelle Abwasser und Klärschlamm <p>Abwasser enthält neben einer Vielzahl von anthropogenen Spurenstoffen auch viele Stoffe, die es lohnt aus dem Abwasser zu recyceln. Dies betrifft vor allem die Rückgewinnung von Nährstoffen. Phosphor ist ein wichtiger Nährstoff in der Pflanzenernährung. Der weltweite Phosphorverbrauch vor allem in Form von Mineraldünger ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen an. Deutschland und die EU sind bei mineralischen Phosphatdüngemitteln vollständig von Einfuhren z. B. aus Russland abhängig, während derzeit immer noch phosphatreiche Abfälle und Abwässer meist ohne Nutzung der Nährstoffe entsorgt werden. Deshalb schränkt die 2017 novellierte <a href="https://www.gesetze-im-internet.de/abfkl_rv_2017/BJNR346510017.html">Klärschlammverordnung</a> ab 2029 die bodenbezogene Klärschlammverwertung gegenüber einer thermischen Vorbehandlung und anschließendem Phosphorrecycling erheblich ein. Gleichzeit wird damit der unerwünschte Eintrag von anthropogenen Spurenstoffen, wie Arzneimittel oder Bioziden, weiter eingeschränkt. Klärschlamm aus großen Kläranlagen und Klärschlamm, welcher die Grenzwerte für eine bodenbezogene Nutzung nicht einhält muss ab einem Phosphor-Gehalt von 20 g/kg Klärschlamm Trockenmasse einer technischen Phosphorrückgewinnung zugeführt werden. Die Rückgewinnung des Nährstoffes Phosphor hilft Stoffkreisläufe im Sinne nachhaltiger Ressourcennutzung und -schonung zu schließen.</p> </p><p> Phosphor aus Abwasser und Klärschlamm <p>Allein das kommunale Abwasser Deutschlands birgt ein jährliches Reservoir von mehr als 70.000 Tonnen (t) Phosphor. Zirka 65.000 t Phosphor finden sich im Klärschlamm wieder. In den letzten Jahren führt Deutschland im Schnitt jährlich mehr als 100.000 t Phosphor in Form von Mineraldüngern ein. Große Anteile kommen hiervon aus Russland. In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung von Phosphor aus Abwasser, Klärschlamm oder Klärschlammasche entwickelt. Das Bundesumweltministerium fördert im Rahmen des Umweltinnovationsprogrammes die großtechnische Umsetzung innovativer Verfahren zur Phosphorrückgewinnung. Erste großtechnische Anlage zur Produktion zur Rückgewinnung von Phosphor – z. B. Herstellung von Phosphorsäure aus Klärschlammasche – werden aktuell umgesetzt.</p> </p><p> </p><p>Informationen für...</p>

Herstellung wasserlöslicher NPK-Dünger sowie NK, PK auf Basis von Biogas Gärrest und Gülle, Teilvorhaben 3: Ammoniumoxidation von Schweinegülle zur Eruierung der Leistungsfähigkeit der Nitrifikanten

Abwasserbehandlung und Wiederverwendung

1) Untersuchungen an einer Technikumsanlage zur Ermittlung besserer Kenntnisse zu folgenden Fragen: a) Wirkung verschiedener Prozesskombination, b) Qualitaetssteuerung, c) Identitaet von Reststoffen, d) Bildung von Sekundaerkontaminanten, e) Anreicherung in Kreislaeufen, f) Lagerfaehigkeit, g) Betriebsautomatisierung. 2) Phosphatentfernung und -rueckgewinnung aus Abwasser mit Aktivtonerde. 3) Betriebsversuche zur phosphatfrachtgesteuerten Simultanfaellung im Klaerwerk Berlin -Marienfelde.

Weitergehende Phosphor-Elimination mit Hilfe ressourcenschonender bewachsener Bodenfilter als nachgeschaltete Stufe von kleinen und mittleren Kläranlagen

Zielsetzung: Trotz einer Elimination von Phosphor (P) auf kommunalen Kläranlagen in Deutschland von derzeit im Mittel ca. 93 % (vgl. DWA, 2021) reicht die Reinigungsleistung in vielen Gewässereinzugsgebieten nicht aus, um den nach der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (2000) geforderten guten ökologischen Zustand zu erreichen. Hierfür gilt für die meisten Gewässer ein Orientierungswert im Gewässer von meist 0,1 mg/L Gesamtphosphor (Pges) (OGewV 2016). Obwohl an größere Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von > 100.000 Einwohnerwerten (EW) bereits die strengsten emissionsbezogenen Mindestanforderungen von 1,0 mg/l Pges im Kläranlagenablauf gestellt werden, sind oftmals weitergehende technische und platzsparende Verfahren wie Flockungsfiltration erforderlich, um P-Einträge in Gewässer weiter zu reduzieren. Einwohnerbezogen besteht bei den kleineren und mittleren Anlagen bis zu ca. 50.000 EW jedoch ein großes Potenzial, P-Emissionen zu verringern, wobei hier wartungsarme Technologien von Vorteil sind. Dazu gehören modifizierte Bodenfilter, die gerade auch unter Berücksichtigung des gegenwärtigen Fällmittelengpasses zu einer Verminderung der P-Einträge beitragen können. Durch den Einsatz von Bodenfiltern mit regenerierbaren Filtermaterialien mit hoher P-Sorptionskapazität besteht die Chance, dass sich langfristig ein niedrigerer P-Grenzwert von < 0,1 mg/l Pges einhalten lässt. In 'BoFi+' sollen die konstruktiven Merkmale und die Betriebsstrategien von modifizierten Bodenfiltern untersucht und deren Eignung zur weitergehenden P-Elimination aus Abläufen kommunaler Kläranlagen bewertet werden. Dazu wird das Verständnis der chemisch-physikalischen und mikrobiologischen Prozesse (Adsorption, Fällung, Filtration, biologische Aufnahme) der P-Elimination im Bodenfilter bei Einsatz verschiedener Materialien und Materialmischungen verbessert und die Eignung unterschiedlicher Filtermaterialien zur P-Elimination erprobt. Zur Einsparung natürlicher Ressourcen und um ein standardisiertes Produkt herstellen zu können, erfolgt auch die Untersuchung geeigneter Baustoffrezyklate, leichter Gesteinskörnungen sowie von Hydrothermalgranulaten, die aus mineralischen Bau- und Abbruchabfällen über einen chemischen Stoffwandlungsprozess hergestellt werden. Dabei werden für die P-Elimination maßgebende Materialeigenschaften identifiziert, sodass zukünftig solche Filtermaterialien schneller beurteilt und für eine weitergehende P-Elimination in Bodenfilteranlagen eingesetzt werden können.

Wissenschaftliche Mitarbeit ueber Projektierung und Inbetriebnahme der Phosphateliminationsanlage Berlin-Tegel

Bei der Phosphateliminationsanlage in Berlin-Tegel ist die direkte Umsetzung des Standes des Wissens in eine grosstechnische Anlage erforderlich, um das Ziel von 0,01 mg/l P im Ablauf zu erreichen. Die Mitarbeit bezieht sich besonders auf die Mischtechnik des Faellungsmittels, die Messtechnik und die Flockenbildung.

Wiedergewinnung von Phosphat aus Oberflächen- und Abwasser durch Entionisierung mit baumwollbasierten Aktivkohlefaserelektroden

Phosphor- und Stickstoffelimination von Abwasser in einer Bio-P/N-Reaktoranlage

Eine vierstufige Laborreaktorkaskade zur kontinuierlichen aeroben CSB-Reduktion ist unter dem Aspekt konzipiert worden, fuer spezifische betriebliche Fragestellungen passende Anlagenschaltungen zur biologischen Phosphor- und Stickstoffelimination zu entwickeln. Die hier vorgeschlagene Anlagenschaltung im Hauptstromverfahren ermoeglicht eine nahezu vollstaendige Phosphor- und Stickstoffelimination von Abwaessern mit erhoehten Ammonium- und Nitratfrachten. Sie basiert auf dem A/O-Verfahren, ergaenzt durch zwei anoxe Reaktoren, in denen der Zulauf, der Rueckschlamm sowie die im aeroben Reaktor durch Nitrifikation erzeugten Nitratverbindungen denitrifiziert werden. Bei einer Substratzulaufkonzentration (DOC) von etwa 100 mg/l betraegt der Substratabbaugrad 95 bis 100 Prozent, der Phosphateliminationsgrad bei einem Zulauf PO4-P von etwa 5 mg/l 85 bis 100 Prozent. Die stufenweise bis auf 25 mg/l erhoehten NH4-N Zulaufkonzentrationen werden nach einer Einfahrphase bis zu 100 Prozent abgebaut, der Nitratabbaugrad liegt bei 0,9 und 1,0.

Nährstoffrückgewinnung aus Klärschlamm

Der Abwasserverband Braunschweig optimiert mit einer technischen Innovation die Energiebilanz seiner Kläranlage und gewinnt wertvolle Nährstoffe aus dem Klärschlamm zurück. Das Bundesumweltministerium fördert dieses Vorhaben mit knapp 2 Millionen Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm. Ziel des Vorhabens ist eine energetisch optimierte Schlammbehandlung mit erhöhter Faulgasausbeute und damit erhöhter Stromproduktion sowie die Rückgewinnung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser für den späteren Einsatz als Düngemittel. Das Vorhaben leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Abwasserwirtschaft und ist insbesondere in Hinblick auf die Nährstoffrückgewinnung auf andere Abwasserbehandlungsanlagen übertragbar. Das jährliche Einsparpotenzial an CO2-Emissionen beträgt circa 430 Tonnen. Zudem führt das Verfahren zu einer Verbesserung der energetischen Bilanz der Kläranlage. Und so funktioniert das neue Verfahren: In einer Zentrifugenanlage wird ausgefaulter Überschussschlamm auf circa 15 Prozent Trockenrückstand entwässert und direkt einer thermischen Desintegration zugeführt, in der mittels Druckhydrolyse eine Erhöhung des abbaubaren Anteils des Schlamms erreicht wird. Damit fällt eine höhere Menge an Faulgas an, gleichzeitig sinkt die zu entsorgende Schlammmenge. Die beim Zentrifugieren anfallende hoch nährstoffreiche Flüssigkeit - das Zentrifugat - wird nacheinander den beiden Nährstoffrückgewinnungsstufen, der Magnesium-Ammonium-Phosphat-Fällung und der Ammoniak-Strippung, zugeführt. Sowohl das dabei gewonnene Magnesium-Ammonium-Phosphat als auch das Ammoniumsulfat sind von hoher Qualität und zum Einsatz als Düngemittel geeignet. Das Bundesumweltministerium fördert mit dem Umweltinnovationsprogramm erstmalige, großtechnische Anwendungen einer innovativen Technologie. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Phosphateliminierung aus Siedlungsabwaessern unter dem Gesichtspunkt der Gewinnung von P-Duengemitteln

Durch chemische Ausfaellung mit Al-, Fe-Salzen oder Kalk lassen sich die Phosphate aus den Abwaessern weitgehendst entfernen. Bei einem durchschnittlichen Phosphatanfall in den haeuslichen Abwaessern von 4 g P/Einwohner/Tag liesse sich ueber die chemische Nachfaellung des Klaerwassers etwa 1 kg P/Einwohner/Jahr rueckgewinnen. Die P-reichen Faellungsprodukte werden auf ihre Duengewirksamkeit in Gefaessversuchen (auch nach Markierung mit 32 P) und Feldversuchen vergleichend mit marktgaengigen Phosphat-Handelsduengern geprueft.

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