Aachener Netzwerk für Abwasserwiederverwendung will Wasser ein neues Leben verleihen
AIX-Net-WWR, das "Aachen Network for Waste Water Reuse", verfolgt die Vision einer vollständigen Kreislaufführung von Abwasser.
Nach einem mehrjährigen Auswahlprozess konnte sich das Aachener Unternehmens- und Forschungsnetzwerk AIX-Net-WWR neben zahlreichen anderen Anträgen durchsetzen und startete am 1.1.2024 seine Arbeit, um in den darauffolgenden drei Jahren innovative Lösungen für die Wiederverwendung von Abwasser zu entwickeln. Gefördert wird das ca. 12 Mio. € Vorhaben, mit Schwerpunkt in der Städteregion Aachen, durch das Programm RUBIN („Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“) unter der Rubrik „Innovation & Strukturwandel“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF)
Das Umfeld
Weltweit führt der Klimawandel mit Hitze- und Trockenheitsrekorden immer häufiger zu regionaler Wasserknappheit auf der einen Seite und zu Starkregenereignissen mit damit einhergehenden Überflutungen auf der anderen. Nach vielen Jahren intensiver Verhandlungen haben sich alle Staaten der Vereinten Nationen verpflichtet, die Weltwirtschaft auf klimafreundliche Weise zu verändern. Der Green Deal soll in der Europäischen Union bis 2050 zu Investitionen in Höhe von mindestens 1 Billion Euro führen.
Die Ziele und Handlungsempfehlungen sind in den 17 SDGs „Sustainable Development Goals“ der Vereinten Nationen beschrieben. Allein 9 dieser Ziele beziehen sich auf das Thema „Wasser“. Eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung ist also eine entscheidende Grundvorrausetzung für die Umsetzung und das Erreichen von einem Großteil der „Sustainable Development Goals“. Parallel dazu hat sich die Erkenntnis auf dem Finanzmarkt anhand der ESG (Environmental Social Governance) Anlagekriterien etabliert. Hiermit wird aufgezeigt, dass sich nur nachhaltiges Unternehmertum in Zukunft wirtschaftlich lohnen kann. Im Kontext dieser wegbereitenden Rahmenbedingungen setzt das neue Bündnis AIX-Net-WWR an.
IST-Situation und Ziele
Angesichts zunehmender Wasserknappheit und steigender Energiepreise, ist eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung unumgänglich. Die meisten Städte verfügen heutzutage über eine zentrale Wasserver- und Abwasserentsorgung. Dies bringt jedoch einige Nachteile mit sich, wie sinkende Wasservorräte bei steigendem Wasserbedarf und den Verlust von Ressourcen und Energie, speziell in Form von Wasser und Wärme (ca. 55 m³ Wasser/Person/Jahr und ca. 550 kWh/Person/ /Jahr), für das direkte Recycling am Ort der Abwasserentstehung. Bei vielen zentralen Kläranlagen wird das Abwasser zudem je nach Anschlussgröße für eine mögliche Wiederverwendung nur unzureichend aufbereitet, so dass die verbleibenden Inhaltstoffe zu einer zunehmenden Gewässerverschmutzung beitragen. In der AIX-Net-WWR Stadt der Zukunft soll es standardisierte, semi-dezentrale Abwasserwiederverwendungs-systeme auf Quartiersebene mit innovativen Einzeltechnologien geben, welche die genannten Probleme aufgreifen. Semi-dezentral bedeutet dabei, dass mehrere Gebäude an ein System angeschlossen werden. Die Vorteile von semi-dezentralen Systemen liegen insbesondere in der engen räumlichen Verknüpfung von Abwasseranfall und -behandlung. Dadurch werden die direkte Wiederverwendung und Nutzung des aufbereiteten Wassers und der im Abwasser vorhandenen Energie an Ort und Stelle des Abwasseranfalls ermöglicht, und zwar ökologisch und ökonomisch optimiert.
Bei der Gestaltung der semi-dezentralen Aufbereitungsanlagen hat AIX-Net-WWR sich folgende Ziele gesetzt:
- die Möglichkeit der Aufbereitung des Abwassers zu unterschiedlichen Wasserqualitäten, wie Badewasser, Bewässerungswasser, Betriebswasser, Hygienewasser und Trinkwasser
- den Einsatz der Anlagen beim Neubau von Wohngebieten aber auch zur Umrüstung von bereits bestehenden Strukturen unter Einbindungen der lokalen Ver- und Entsorger
- einen modularen und skalierbaren Aufbau
- die Wirtschaftlichkeit der Anlagen innerhalb weniger Jahre durch Einsparung der Kern-Ressourcen Wasser und Energie und eine Standardisierung der Systeme
Die innovativen Einzeltechnologien innerhalb der standardisierten Systeme sollen zudem in der Lage sein, industrielles und gewerbliches Abwasser aufzubereiten, und somit auch individualisierte Lösungsmodelle ermöglichen.
Ein besonderes Anliegen ist die frühzeitige Einbindung der lokalen Ver- und Entsorger als zukünftige Betreiber der Systeme, um auch den wirtschaftlichen Interessen der nachhaltigen Wasserversorgung gerecht zu werden.
Das Netzwerk und seine Partner
AIX-Net-WWR besteht aus 11 Unternehmen, einem Start-up und fünf Forschungseinrichtungen aus der Region Aachen (Abbildung 2). Die Partner kombinieren ihre Expertise in den Bereichen Wasseraufbereitung, Umwelttechnik und digitale Steuerungssysteme.
Das Netzwerk wird zudem von zahlreichen Industrieunternehmen und Versorgungsbetrieben unterstützt (Abbildung 3). Das Netzwerk ist sehr an weiteren assoziierten Partnern und Unterstützern interessiert. Bei Interesse gerne eine E-Mail senden an: aixnetwwr@intewa.de
Ziele und Zwischenergebnisse der 5 Verbundprojekte
Das Netzwerk setzt sich aus insgesamt fünf Verbundprojekten zusammen, die verschiedene Einzeltechnologien erforschen und entwickeln. Die meisten dieser Einzeltechnologien werden im ersten Verbundvorhaben, dem AIX-WWR eingesetzt.
AIX-WWR
Im 1. Verbundprojekt AIX-WWR „(Semi-) dezentrales Abwasserbehandlungssystem“ wird ein Demonstrator in Containerform für die Aufbereitung von häuslichem Abwasser, mit dem Ziel einer möglichst vollständigen Kreislaufführung entwickelt. Ein Kernbaustein des Demonstrators ist ein innovativer, energieeffizienter Membranbioreaktor (MBR), in dem Abwasser zuerst biologisch und anschließend mit einer Ultrafiltrationsmembran aufbereitet wird. Außerdem wird Pulveraktivkohle (PAK) zur Entfernung von Spurenstoffen, z.B. Arzneimittelrückständen und Haushaltschemikalien, dosiert.
Zusätzlich zur Abwasseraufbereitung ist die Wärmerückgewinnung aus Abwasser ein Teil des Projekts. Dazu besteht aktuell Austausch mit einem regionalen Wasserversorger, um die praktische Umsetzung des theoretischen Konzepts zu ermöglichen.
Der Demonstrator wird täglich 20 m³ häusliches Abwasser aufbereiten, was ca. 135 EW entspricht. Hierfür wird er innerhalb des Projektzeitraums beim Aachener Prüfinstitut für Abwassertechnik lokal installiert, getestet und weiterentwickelt.
Im ersten Projektjahr wurde das Konzept des MBRs ausgearbeitet, sowie Verfahrensfließbilder und Konstruktionszeichnungen erstellt (Abbildung 4). Im Demonstratoraufbau wird ein Container den MBR beinhalten, während zwei weitere Container die Messtechnik und zusätzliche Aufbereitungsstufen (siehe weiter unten AIX-SOLVED und AIX-OXI) zur Erreichung von Trinkwasserqualität beinhalten werden.
Die Container sind im Januar 2025 geliefert worden und werden aktuell für den Betrieb vorbereitet. Die Inbetriebnahme ist für das zweite Quartal 2025 geplant.
AIX-SOLVED
Die Verunreinigung von Abwässern aus Privathaushalten und der Industrie mit Schwermetallen und gelösten Spurenstoffen, wie z.B. Zusatzstoffen und Arzneimitteln, nimmt in Europa stetig zu. Da diese gelösten Stoffe nur schwer oder gar nicht biologisch abbaubar sind und sich in der Umwelt mit unbekannter Wirkung anreichern, steigen die Umweltauflagen für die Abwasserbehandlung und Wasserwiederverwendung in der EU. Allerdings sedimentieren diese Spurenstoffe nicht und passieren aufgrund ihrer Größe im Nano- und Mikrometerbereich konventionelle Filtersysteme. Außerdem werden sie wegen ihrer geringen Bioverfügbarkeit in Kläranlagen kaum biologisch abgebaut, sodass es immer schwieriger wird, die Umweltauflagen in der EU einzuhalten.
Im 2. Verbundprojekt AIX-SOLVED „Weitergehende Behandlungsstufen zur Entfernung gelöster Stoffe“ wird ein Reinigungsverfahren entwickelt, in dem Eisenoxid- und Eisenhydroxid basierte Adsorbergranulate mit Enzymen biofunktionalisiert werden, wodurch gelöste Stoffe adsorbiert und/oder abgebaut werden. Für die Adsorbergranulate werden bekannte Granulate und ein neu entwickeltes Adsorbergranulat, welches Bauxit Rückstand als Rohstoff nutzt, eingesetzt. Bauxit-Rückstand ist ein Abfallprodukt der Aluminiumproduktion und ist daher in großen Mengen weltweit verfügbar. Im Rahmen des Projekts wird ein Prototyp entwickelt und sowohl im Labormaßstab als auch in Pilotversuchen am Demonstrator an drei im Abwasser verbreiteten Substanzarten getestet:
- Schwermetalle: Zink, Kupfer, Chrom, Cadmium und Nickel, die aufgrund von Hausinstallationen, Abtrag von Metalldächern und -rinnen sowie Gebrauch von Wasch- und Reinigungsmitteln im Abwasser enthalten sind.
- Zusatzstoffe: wie der UV-B Filter Octocrylene in Sonnencremes, der Korrosionsschutzmittel 1H-Benzotriazol und der Weichmacher Bisphenol A.
- Arzneimittel: Analgetika (wie Diclofenac), Antiepileptika (wie Carbamazepin, Gabapentin und Primidon), Antibiotika (wie Clarithromycin, Sulfamethoxazol, Metronidazol und Trimethoprim)
Für den optimalen Einsatz des beschichteten Granulats in der dezentralen Wasseraufbereitung, wird eine neuartige Filtereinheit auf der Basis eines Siebrechens entwickelt. Im ersten Projektjahr wurden die ersten Granulate hergestellt und charakterisiert. Es folgten die Bestimmung der Durchmesser des einzusetzenden Granulats, sowie die Auswahl der Peptide und Enzyme. Zusätzlich wurde das Konzept des Filtersystems mit einem Siebrechen festgelegt.
AIX-OXI
Das 3. Verbundvorhaben AIX-OXI „Oxidative Behandlung mittels nicht thermischen Plasmas“ entwickelt eine innovative Plasmatechnologie zur energieeffizienten Entfernung organischer Spurenstoffe aus Abwasser. Ziel ist die Zersetzung von schwer abbaubaren Verbindungen durch Plasma-Oxidation. Das Verfahren basiert auf der Erzeugung reaktiver Sauerstoff- und Hydroxylradikale, die eine effektive Spurenstoffelimination ermöglichen. Ziel der Entwicklung sind zwei Reaktortypen: ein Durchflussreaktor und ein semi-kontinuierlicher Reaktor mit einem Aufbereitungsvolumen von 10 m3/d. Ein zentraler Bestandteil des Systems ist eine neuartige Elektrode zur Erzeugung des nicht-thermischen Plasmas, welches für die Effizienz des Reinigungsprozesses entscheidend ist.
Im ersten Projektjahr wurden mehrere Elektroden zur Testung entwickelt, eine Plasmaquelle in Pilotabmessung gebaut (Abbildung 6) sowie das Konzept und eine 3D-Zeichnung für den hochskalierten Prototypen erstellt. Aktuelle Arbeiten fokussieren sich auf die Charakterisierung des Plasmas sowie die Prüfung der mechanischen Stabilität der Elektroden.
AIX-WATCH
Das 4. Verbundvorhaben AIX-WATCH „Monitoring und Überwachungs-technologie inkl. Entwicklung einer Validierungsmethodik“ fokussiert sich auf die Entwicklung innovativer Technologien zur Überwachung und Sicherstellung der chemischen und hygienischen Qualität aufbereiteten Abwassers zur Wiederverwendung. Im Zentrum steht die Entwicklung neuer Mess-, Steuerungs- und Validierungsmethoden für dezentrale Wasserwiederverwendungssysteme.
Online-Monitoring reduziert den Bedarf an Fachkräften vor Ort und vereinfacht den Betrieb dezentraler Abwassersysteme. Die neue Messtechnik liefert schnelle Ergebnisse zur Wasserqualität ohne lange Laboranalysen.
Ein wichtiger technischer Bestandteil ist die 2D-Fluoreszenzspektroskopie, die für eine präzise Inline-Analyse von Wasserqualitätsparametern wie TOC, BOD, COD und Spurenstoffen eingesetzt wird. Dazu wird eine robuste 2D-Fluoreszenzsonde (Abbildung 7) entwickelt, die eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung ermöglicht. Ergänzt wird dies durch ein cloudbasiertes, datengetriebenes Assistenzsystem, das mit maschinellen Lernverfahren Anomalien erkennt und prädiktive Analysen ermöglicht.
Weiterhin werden innovative Mess- und Probenahmesteuerungen entwickelt, um eine automatisierte Überwachung der Abwasserströme sicherzustellen. Methoden zur Validierung von WWR-Anlagen mittels Online-Messungen sind ebenfalls Bestandteil des Projekts. Die Kombination aus Sensorik, Datenanalyse und Automatisierung soll die Qualitätssicherung und Prozessoptimierung in Abwasserwiederverwendungsanlagen verbessern. Im ersten Projektjahr wurden die ersten Messgeräte beschafft und in Betrieb genommen, sowie die Versuchs- und Analytikplanung teilweise durchgeführt. Zusätzlich wurden die Cloudarchitektur und Datenerfassungssoftware erstellt.
AIX-DEZI
Das 5. Verbundprojekt AIX-DEZI „Dezentrale industrielle Anwendung“ konzentriert sich auf die Entwicklung neuartiger Technologien zur Behandlung kommunaler und industrieller Abwässer. Im DWI - Leibniz-Institut für interaktive Materialien, werden diese Technologien sowohl im kleinen Labormaßstab getestet als auch in Kooperation mit der Firma SIMA-tec auf einen größeren Pilotmaßstab erweitert.
Zwei Aspekte der kommunalen Wasseraufbereitung stehen hierbei im Fokus: Die Entsalzung von Brack- und Meerwasser sowie die Entfernung von PFAS aus Abwasser. PFAS sind langlebige Kohlenstoffverbindungen, die in vielen Alltagsprodukten vorkommen und schwer abbaubar sind. Ihr Nachweis im Abwasser ist oft schwierig, da sie nur in sehr kleinen Konzentrationen vorliegen. Das RWTH Institut für Siedlungswasserwirtschaft übernimmt im Rahmen dieses Projekts die Analytik für PFAS und Salze.
Zwei Technologien sollen zur Aufreinigung eingesetzt werden: Nanofiltration (NF)-Membrantechnologie und fließkapazitive Deionisierung (FCDI). Die NF-Membrantechnologie nutzt Membranen mit Porengrößen von 1-10 Nanometern, um Verunreinigungen zu filtern. Im Rahmen des Projektes sollen Membranen beschichtet werden, um die Poren so zu verkleinern, dass z.B. PFAS entfernt werden können. Abbildung 8 zeigt a) Hohlfasermembranen, b) deren Beschichtung und c) ein Membranmodul. Erste erfolgreiche Beschichtungen und die Zieldichte zur Rückhaltung von PFAS wurden erreicht. Versuche mit Realwasser finden derzeit statt, und die ersten Modelle für ein Scale-up werden erstellt. FCDI verwendet ein elektrisches Feld zur Entsalzung von Wasser, indem geladene Stoffe wie Salze an Kohlenstoffpartikeln adsorbiert werden. Erste Erfolge in der Entsalzung von Brackwasser wurden erzielt, und ein Pilotmodell wurde mit SIMA-tec erstellt. Die experimentellen Ergebnisse fließen in ein Simulationsmodell ein, das Vorhersagen über die Aufreinigungsleistung bei verschiedenen Betriebsparametern ermöglicht.
Das erste AIX-Net-WWR Bündnistreffen fand am 6. November 2024 im digitalHUB, Aachen, statt. Während der Veranstaltung diskutierten die Partner Marktbedingungen, Technologiepfade und Betreibermodelle, um die entwickelten Lösungen optimal zu vermarkten. Weitere Schwerpunkte waren die Umsetzungs- und Erfolgsplanung sowie die Bewältigung des Fachkräftemangels.
In interaktiven World-Cafés präsentierten die Partner ihre Technologien, diskutierten Herausforderungen wie Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Langlebigkeit der Systeme und förderten den Austausch mit assoziierten Partnern.
Das Bündnis ist offen für weitere assoziierte Partner, die das Projekt aktiv unterstützen wollen. Das gemeinsame Ziel ist es, AIX-Net-WWR weltweit zu einem führenden Netzwerk für die Wasserwiederverwendung zumachen und Abwasser ein neues Leben zu verleihen. Wir freuen uns auf Ihre Beteiligung! Unser nächstes Bündnistreffen findet am 6. November 2025 in Aachen statt und wir würden uns freuen, Sie dann begrüßen zu dürfen. Bei Interesse, melden Sie sich gerne hier an: aixnetwwr@intewa.de.
Zusammenfassung und Ausblick
In diesem Fachartikel wurde das Aachener Netzwerk AIX-Net-WWR vorgestellt, welches eine nachhaltige Kreislaufführung von Abwasser anstrebt. Gefördert durch das BMBF, entwickelt das Bündnis semi-dezentrale Abwasseraufbereitungssysteme, die Wasser und Energie direkt vor Ort wieder nutzbar machen.
Die fünf Verbundprojekte des Netzwerks konzentrieren sich auf unterschiedliche Technologien: AIX-WWR entwickelt einen Demonstrator mit Membranbioreaktor zur biologischen Reinigung und Wärmerückgewinnung, während AIX-SOLVED enzymbeschichtete Adsorbergranulate zur Entfernung von Schwermetallen und Spurenstoffen erforscht. AIX-OXI setzt auf Plasmatechnologie zur oxidativen Behandlung, AIX-WATCH auf digitale Überwachungsmethoden und AIX-DEZI auf innovative Verfahren zur industriellen Abwasserreinigung.
Ausblickend werden die entwickelten Technologien weiter optimiert, in Pilotanlagen getestet und wirtschaftlich evaluiert. Das Bündnis plant, sich als führendes Kompetenzzentrum für Wasserwiederverwendung zu etablieren und lädt weitere assoziierte Partner ein, sich der Initiative anzuschließen. Das nächste Bündnistreffen am 6. November 2025 wird eine Gelegenheit zum fachlichen Austausch und zur Vernetzung bieten.
Autoren
Dr. Olga Murujew, Projektmanagerin AIX-Net-WWR
Oliver Ringelstein, AIX-Net-WWR Bündniskoordinator
Zeichen: 17.744 incl. Leerzeichen
Stand: 27.2.25
Weitere Informationen:
Basiswissen Wasseraufbereitung: wiki.intewa.net/index.php/Hauptseite
Webseite mit Informationen zum Projekt: www.aix-net-wwr.com/de/home
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