Klar und rein plätschert das kühle Nass über das Wehr des Nachklärbeckens Nummer drei. In der Mitte des Beckens drehen zwei Wildenten ihre Runden. In den Becken weiter vorne blubbert eine flockige braune Masse. Jaucheduft liegt in der Luft über dem Forschungsklärwerk in Stuttgart-Büsnau, das zum Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart gehört. Nach der biologischen Reinigung wird das Abwasser noch von mikroskopisch feinem Gewebe gefiltert, das auf große Trommeln gespannt ist. Dr. Jörg Krampe aus der Abteilung Abwassertechnik deutet auf die Stelle, wo durchschnittlich 25 Liter Abwasser pro Sekunde aus dem Filtergebäude in den Bandtälesbach laufen, der bei trockenem Wetter selbst weniger als 5 Liter Wasser pro Sekunde führt.
Das Lehr- und Forschungsklärwerk – so der vollständige Name – existiert schon seit 38 Jahren. Seit seiner Inbetriebnahme wurde es mehrmals erweitert und zu einer weltweit einzigartigen Anlage ausgebaut. Nirgendwo sonst können Wissenschaftler neue Verfahren zur Abwasserreinigung so umfassend und praxisnah testen wie hier. Die Stuttgarter Forscher unter der Leitung von Dr. Manfred Roth richten ihr Augenmerk derzeit vor allem auf die Keimbelastung des Abwassers. Wo eine Kläranlage ihr Wasser in einen Fluss oder See einleitet, sollte nicht gebadet geschweige denn das Wasser getrunken werden. Die heutigen Nachklärbecken, die sich an die Belebungsbecken einer Kläranlage anschließen und in denen der Schlamm durch Sedimentation vom biologisch gereinigten Wasser getrennt wird, schaffen nur eine Reinigungsleistung von 95 Prozent. Hier setzt die Membrantechnik an: Feine Filter, die wie Kaffeefilter aussehen, könnten die Leistung auf über 98 Prozent steigern. Das klingt wenig spektakulär, wäre aber ein Quantensprung, weil Membranen Bakterien und sogar Viren um den Faktor Tausend besser zurückhalten als die bisherigen Klärtechniken. Das Abwasser hätte mit einem Mal Badewasserqualität, und sogar Menschen mit empfindlichem Magen würden einen großen Schluck davon schadlos überstehen.
Die Membranen funktionieren – das haben viele Tests bewiesen. Doch sie sind noch zu teuer. „Für die Membranen einschließlich der erforderlichen Peripherie muss man aktuell mit etwa 100 Euro pro Quadratmeter rechnen”, sagt Klärwerksleiter Manfred Roth. Neben den Investitionskosten fallen vor allem die höheren Betriebskosten ins Gewicht. An den Filtern, die zu Röhren, Fasern oder Platten geformt werden, lagert sich eine Schlammschicht an, die nicht zu dick werden darf. Deshalb muss das zu filternde Abwasser-Schlamm-Gemisch mit hoher Geschwindigkeit und großem Energieaufwand an den Membranen vorbeiströmen. Bei einigen Systemen ist es nötig, die Membranen von Zeit zu Zeit zu spülen.
Nur ein paar Steinwürfe von Büsnau entfernt hat Prof. Walter Trösch am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) offenbar einen Ausweg aus dem Dilemma gefunden. Sein Team hat ein Filter entwickelt, das aus gestapelten keramischen Membranscheiben besteht, die in einem Zylinder auf einer hohlen Achse rotieren (bild der wissenschaft 8/2002: „Fliehkraft hilft sparen”). Das Schmutzwasser wird ins Innere der Membranen gedrückt und über eine Hohlwelle transportiert. An den Scheiben wächst zwar eine Schlammschicht, doch dicker als einige Zentimeter wird sie nicht, weil sie durch die Fliehkräfte mit dem Wasser zum Teil abfließt. Schon bei 400 bis 600 Umdrehungen pro Minute entsteht ein Gleichgewicht zwischen Bildung und Abschleudern der Dreckschicht – das Filter hat so eine sehr lange Lebensdauer.
Den Fortschritt demonstriert Trösch durch Handauflegen. „Kalt” , sagt der stellvertretende IGB-Institutsleiter. Im Gegensatz dazu seien Kläranlagen mit herkömmlichen Querstrom-Filtern warm, weil so viel Energie hineingepumpt werden müsse. Rund 90 Prozent der Energiekosten soll das rotierende Filter sparen. Damit sei die Anschaffung auch in Zeiten leerer Kassen für die Gemeinden interessant. Demnächst werden zehn Prototypen bei kommunalen Einrichtungen installiert – wo, will Trösch wegen vertraglich fixierter Geheimhaltung nicht verraten. Nach Abschluss der Testphase soll das Gerät schon in diesem Jahr vermarktet werden. Dann sei es Sache der Industrie, die Filter auf die erforderliche Größe zu bringen. Der Laborprototyp mit 0,4 Quadratmeter Membranfläche verdaut derzeit nur 20 Liter Abwasser pro Stunde – eine Menge, die in einer normalen Kläranlage in einer Sekunde durchfließt.
Zu der Fraunhofer-Entwicklung befragt, geben sich die Kollegen des Forschungsklärwerks wortkarg. Von dem Rotationsfilter scheint man dort nicht viel zu halten. Ebenso kühl sind die Reaktionen aus dem Fraunhofer-Institut, wenn die Arbeiten des Forschungsklärwerks zur Sprache kommen. Die Konkurrenz ist groß zwischen den beiden benachbarten Instituten – und die Beziehungen zwischen ihnen sind offenbar belasteter als das Abwasser, das es zu reinigen gilt.
Dabei sind Membranfilter nicht die einzige Möglichkeit, das Wasser zu entkeimen. Eine Alternative ist die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht. Bis vor kurzen war hinter den Nachklärbecken des Forschungsklärwerks ein Bündel von UV-Röhren in der Rinne installiert, deren Licht Krankheitserreger so schädigt, dass sie sich nicht vermehren können. Ein Wermutstropfen: Die bestrahlten Keime gelangen mit dem gereinigten Wasser in die Umwelt. Manfred Roth will seine Hand nicht dafür ins Feuer legen, dass alle Keime auf Dauer inaktiv bleiben. Immerhin ist die Nachrüstung mit UV-Technik billiger als die Membrantechnik. Die Kosten der Abwasserreinigung, die etwa einen Euro pro Kubikmeter behandeltem Abwasser betragen, würden sich durch eine zusätzliche UV-Desinfektion um weniger als drei Prozent erhöhen, sofern auf ein vorgeschaltetes Filter verzichtet werden kann, sagt Roth.
Die größte UV-Anlage in Deutschland wurde vor zwei Jahren mit einem 90-prozentigen Zuschuss des Freistaats Bayern in Bad Tölz gebaut. Sie ist der erste Schritt, um die Obere Isar zu einem offiziellen Badegewässer zu machen. Um das Ziel zu erreichen, werden in den kommenden Jahren weitere Kläranlagen entlang der Isar bis München mit einer Desinfektionsstufe ausgerüstet.
Vorrangig geht es bei der Abwasserreinigung aber immer noch um die Entfernung von organischen Substanzen und Nährstoffen. Hier ist Deutschland in Europa Spitze. Die etwa 10000 kommunalen Kläranlagen werden streng kontrolliert und müssen sich jedes Jahr einem amtlichen Leistungsvergleich unterziehen. Für deutsche Abwasserexperten ist es deshalb schwer zu verstehen, dass einige europäische Großstädte wie Brüssel oder Mailand die Entwicklung verschlafen haben und erst jetzt Kläranlagen bauen – obwohl eine EU-Richtlinie eigentlich eine Fertigstellung dieser Anlagen bis Ende 2000 vorschrieb.
Auch in vielen anderen Ländern ist die Abwasserreinigung noch unterentwickelt. Man holt aber auf, häufig mit finanzieller Hilfe der westlichen Industriestaaten, sagt Jörg Krampe. In Deutschland unterstützen die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW) und die Gesellschaft für Technische Zusammenarbeit (GTZ) den Aufbau von Anlagen zur Abwasserreinigung in Entwicklungsländern. Die Stuttgarter Experten bieten seit Jahren Aus- und Fortbildungskurse in China und Brasilien an. Umgekehrt übt das Lehr- und Forschungsklärwerk eine große Anziehungskraft auf ausländische Fachleute aus, die sich hier weiterbilden.
Beeindruckend für die Besucher ist vor allem die technische Ausstattung: In allen Reinigungsstufen gibt es mindestens zwei Becken oder Reaktoren, die parallel betrieben werden können. Die einzelnen Anlagenteile sind durch offene Rinnen und Rohrleitungen einer Gesamtlänge von etwa zehn Kilometern kreuz und quer miteinander verknüpft. Zum Vergleich neuer Reinigungstechniken kann das Abwasser fast nach Belieben umgeleitet werden – auch in eine große Versuchshalle, die durch verschiedene Abwasser- und Schlammleitungen über ein unterirdisches Rohrlabyrinth mit dem Außenbereich des Klärwerks verbunden ist. Schon vorne am Zufluss haben die Wissenschaftler des Instituts freie Auswahl: Das Abwasser aus dem Wohngebiet Büsnau und das eher industriell geprägte Abwasser aus dem Universitätsbereich Stuttgart-Vaihingen kommen getrennt im Klärwerk an und können je nachdem, was die Klärtechniker untersuchen wollen, miteinander vermischt oder auch separat behandelt werden.
Mitte der siebziger Jahre wurde am Stuttgarter Forschungsklärwerk Geschichte geschrieben, als die Firma Henkel in einem Großversuch alle Büsnauer Haushalte ein Jahr lang kostenlos mit phosphatfreiem Waschpulver versorgte. Dabei sollte untersucht werden, ob die Kläranlage mit Zeolithen zurechtkommt, die statt der Phosphate als Wasserenthärter ins Waschmittel gemischt worden waren. Die positiven Ergebnisse des Versuchs führten dazu, dass Phosphate, die in den Gewässern ein rasantes Algenwachstum auslösen können, aus den Waschmitteln verbannt und durch Zeolithe ersetzt wurden.
Dass der Fortschritt manchmal sonderbare Umwege nimmt, lernten die Forscher Ende der Achtziger. Damals wurde diskutiert, ob Stickstoff und Phosphor aus den Abwässern entfernt werden sollen. Im Büsnauer Lehr- und Forschungsklärwerk waren dafür neue Reinigungsverfahren entwickelt worden. Als es 1988 in der Nordsee zu einem Robbensterben kam – angeblich wegen einer zu hohen Belastung des Meerwassers durch Nitrate und Phosphate –, wurden die Grenzwerte verschärft und neue chemische und biologische Reinigungsstufen in den größeren Kläranlagen eingerichtet. Die Umwelt hat so letztlich vom Robbensterben profitiert, obwohl die Tiere nicht von Abwasserrückständen dahingerafft worden waren, wie sich später herausstellte, sondern vom Staupevirus.
In den letzten Jahren ist es stiller geworden um die Klärtechnik. Die Gemeinden haben ihre Anlagen mit viel Geld ausgebaut, damit Stickstoff- und Phosphorverbindungen weitgehend eliminiert werden. Für einen weiteren Ausbau fehlt erst einmal das Geld. „Im Moment gibt es keinen politischen Druck”, sagt Prof. Johannes Pinnekamp von der Abteilung Abwassertechnik. Doch das müsse sich in den nächsten Jahren ändern, denn es gebe noch etliche Probleme, die bisher nicht ins öffentliche Bewusstsein gedrungen seien.
Eines dieser Probleme sind so genannte endokrine Substanzen – Stoffe, die wie Hormone wirken und in Gewässern in geringen Konzentrationen vorkommen. Die Substanzen stammen zum Beispiel aus Verhütungsmitteln oder aus Antibiotika, die auch in der Massentierhaltung benutzt werden. Selbst Flammschutzmittel in manchen Kleidern ausländischer Hersteller haben hormonähnliche Eigenschaften. Bei Gewässertieren können sie zu Geschlechtsveränderungen führen. So hat man bei belasteten Fischen festgestellt, dass mehr Weibchen als Männchen geboren werden.
Was genau dahinter steckt, klären die Mitarbeiter des Instituts gerade in einer Studie. Anschließend soll die Reinigungswirkung der heutigen Klärtechniken für diese Substanzen getestet werden. Johannes Pinnekamp geht davon aus, dass man einigen dieser Stoffe mit Membranfiltern zu Leibe rücken kann. Eine Alternative wären Aktivkohlefilter, die heute bei der Reinigung bestimmter Industrieabwässer zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei farbigen Abwässern aus der Textilherstellung. „Die meisten Stoffe werden an Aktivkohle gut adsorbiert”, sagt Pinnekamp.
Ein drängendes Problem ist die Beseitigung des Klärschlamms. „ In den kommunalen Kläranlagen in Deutschland fallen jährlich rund 2,5 Millionen Tonnen Trockenmasse an Klärschlamm an”, berichtet Manfred Roth. Fast die Hälfte davon wird landwirtschaftlich verwertet. Ein großer Teil wandert zudem in den Garten- und Landschaftsbau. Die heutige Praxis, den Schlamm zum Düngen in der Landwirtschaft zu nutzen, werde in den kommenden Jahren so stark erschwert, dass dies einem Verbot gleichkomme, sagt Roth. Dann würden zwar keine giftigen Stoffe wie Schwermetalle oder endokrine Substanzen mehr auf die Felder gelangen, andererseits aber auch weniger Phosphate, die zum Düngen der Pflanzen dienen. Um die in Kläranlagen anfallenden Phosphorverbindungen weiterhin als Dünger nutzen zu können, wollen die Stuttgarter Forscher Methoden entwickeln, mit denen sich der Phosphor aus dem Schlamm ziehen lässt, bevor dieser verbrannt wird. Technisch ist das kein Problem, aber wie viele neue Verfahren in der Klärtechnik sind auch solche Anlagen noch zu teuer.
Im Klärschlamm steckt noch viel mehr, was die Ingenieure gerne nutzen möchten – zum Beispiel das Gas, das beim Faulen entsteht. Es enthält rund zwei Drittel Methan, ein Drittel Kohlendioxid sowie geringe Mengen anderer Gase, vor allem Stickstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff. „Das anfallende Klärgas zeichnet sich durch einen hohen Energiegehalt aus”, schwärmt Roth. Mit diesem Gas heizen die Stuttgarter Forscher nicht nur ihre Faultürme, sondern sogar ihre Büros. Auch zum Antrieb von Gasmotoren zur Stromgewinnung wird das Gas häufig benutzt. Eleganter wäre allerdings eine Brennstoffzelle, die aus dem Gas direkt elektrischen Strom erzeugt. Sie wäre effizienter, stellte aber höhere Ansprüche an die Reinheit des Gases, das zuvor gereinigt und in einem Reformer chemisch aufbereitet werden müsste. Gerade wurde ein neues Forschungsprojekt genehmigt, bei dem die Integration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen analysiert werden soll. Ziel ist es, den ökologischen Nutzen und die Wirtschaftlichkeit dieser Form der Energiegewinnung zu untersuchen.
Zukunftsmusik sind Überlegungen, wie man aus dem Abwasser Energie abzapfen kann. Dass darin riesige Mengen Wärme stecken, sieht man im Winter an dampfenden Gullideckeln und eisfreien Straßen über der Kanalisation. Um diese Energie zu nutzen, überlegen die Stuttgarter Wissenschaftler, Wärmetauscher in die Kanäle zu integrieren. Ob sich das lohnt, will Pinnekamps Team demnächst messen – wieder in den Abwässern Büsnaus.
KOMPAKT
• Stuttgarter Klärtechniker haben Membranen entwickelt, um die Keimbelastung des Abwassers drastisch zu reduzieren.
• Fraunhofer-Forscher arbeiten parallel an alternativen Technologien zur Bekämpfung von Krankheitserregern in Klärwerken.
• Neue Studien sollen es ermöglich, Faulgase aus Klärschlamm zur Stromerzeugung durch Brennstoffzellen zu nutzen.
Bernd Müller
