Dr. Hashimoto, Dipl.-Ing. P. Staufer und Dr. Tsuji (von links) in der prämierten Abwasserreinigungslage in Kobe, wo Klärgas für den Betrieb von Teilen der städtischen Fahrzeugflotte genutzt wird.
Deutsch-Japanische Kooperation in der Abwassertechnik
Ein Resümee der Erfahrungen aus einem sechsmonatigen Forschungsaufenthalt bei der Japan Sewage Works Agency, einer öffentlichen Einrichtung, die kleine und mittelgroße Städte und Gemeinden bei der Abwasserentsorgung unterstützt.
Von Philipp Staufer*
Asien gilt heute als wichtigster Wachstumsmarkt. Die Problemstellungen in der Abwassertechnik von Schwellenländern unterscheiden sich wesentlich von denen in den Industrienationen. Dort besteht bereits flächendeckend eine funktionierende Infrastruktur, die in Teilen in den nächsten Jahren erneuert oder saniert werden muss (Berger und Lohaus, 2005; MLIT, 2010). In den Bereichen Betriebsoptimierung und Energieeffizienz, Sanierung und Reinvestition werden daher in den entwickelten Ländern heute Innovationen auf höchstem Niveau vorangetrieben. Gleichzeitig werden sich verändernde Rahmenbedingungen wie die Globale Erwärmung und der demographischer Wandel in die Betrachtung aufgenommen. Der Bedarf für diese Innovationen wird in näherer Zukunft auch in den heutigen Schwellenländern entstehen, da auf einen effizienten Ressourceneinsatz und -rückgewinnung nicht lange verzichtet werden kann.
Als bedeutende Volkswirtschaft im asiatischen Raum, bietet es sich an mit Japan, dessen Entwicklung viele Parallelen zu Deutschland aufzeigt, gemeinsam Technologien und Betriebsstrategien zu entwickeln. Die Zusammenarbeit erlaubt auf einen breiten Erfahrungsschatz für Abwassertechnologien zurückzugreifen, die das asiatische Klima und eine andere Abwassermatrix berücksichtigen.
Zwischen der Japan Sewage Works Agency (JS) und dem Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) besteht eine solche Kooperation, die auf einer Vereinbarung aus dem Jahre 1981 beruht, die der ehemalige Institutsdirektor Prof. Dr.-Ing. B. Böhnke und der ehemalige Präsident der JS Dr.-Ing. T. Kubo trafen. Darin wurden die Grundlagen gelegt, Ingenieure zwischen Deutschland und Japan auszutauschen. Die Inhalte des Austausches beschränken sich nicht nur auf die Verbreitung von Technologien zur Behandlung von Abwasser und verschiedene Aspekte des Gewässerschutzes, sondern sie schließen ebenfalls die Vermittlung der jeweils anderen Kultur ein. In den vergangenen 30 Jahren haben neun deutsche und acht japanische Ingenieure das jeweils andere Land besucht.
Die Japanese Sewage Works Agency (JS) ist eine öffentliche Einrichtung, die kleine und mittelgroße Städte und Gemeinden bei der Abwasserentsorgung unterstützt. Zu den Hauptaufgaben zählen die Planung, der Bau und die Betriebsoptimierung von Abwasseranlagen. Des Weiteren bildet die JS Betriebspersonal aus und weiter, um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Anlagen zu gewährleisten.
Neben diesen Hauptaufgaben wird eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung unterhalten. Dort werden neue Technologien in die Praxis überführt und der Industrie bei der Neuentwicklung von Technologien zur Seite gestanden.
Dieser Bericht ist ein Resümee, das die Erfahrungen aus einem sechsmonatigen Forschungsaufenthalt zusammenfasst und die aktuellen Entwicklungen aufzeigen möchte.
Aktuelle Themen in Japan
Nach der schnellen Industrialisierung seit den 1960er Jahre, die zu einer erheblichen Gewässerverschmutzung in Japan führte, sind heute eine Reihe von Erfolgen beim Gewässerschutz zu verzeichnen. Dennoch sind Entwicklungstrends zu erkennen, die eine weitere Verbesserung der Gewässerqualität oder einen effizienteren Einsatz der Ressourcen erfordern. Hervorzuheben sind daher:
- Energieeffizienz und Nachhaltigkeit
- Membranbioreaktoren
- Phosphorrückgewinnung
- Aerobe Granulare
Energieeffizienz und nachhaltige Abwasserreinigung
Die japanische Regierung gibt zunehmend Vorgaben heraus, die Treibhausgasemissionen zu verringern. Die Wasserwirtschaft folgt diesem Anspruch und reduziert den Energieverbrauch, steigert den Anteil erneuerbarer Energien, propagiert die Kreislaufführung und Wiederverwendung von Wasser sowie ermutigt den Aufbau von Handelsplattformen für den Handel von Emissionsrechten, wie in der Präfektur Kumamoto. Um die Grundlage für eine allgemeine Betriebsoptimierungsstrategie zu legen, wurde an der JS ein unfangreiches Benchmarking durchgeführt (Mizuta und Shimada, 2010).
In Japan ist die Klärschlammentsorgung ein zentrales Thema. Wegen der beengten Platzverhältnisse und des Misstrauens der Landwirte gegenüber möglichen Schwermetallbelastungen ging in der Vergangenheit ein großer Anteil des Klärschlammes in die Zementindustrie. Der Rückgang der Bautätigkeit in jüngerer Zeit führt jedoch zu einer Verlagerung der Entsorgungswege. Als Alternative wir die Karbonisierung des Klärschlamms zur anschließenden Energiegewinnung in Großfeuerungsanlagen und die Monoverbrennung favorisiert. In Bezug auf die Treibhausgasemissionen, im Einzelnen die Emissionen von Lachgas, zeigen aktuelle Studien, das Karbonisierung Vorteile aufweist (Mizuta und Shimada, 2010).
Membranbioreaktoren (MBR)
Die wesentlichen Fragestellungen für Planung, Bau und Betrieb von Membranbioreaktoren sind beantwortet, sodass diese Verfahrenstechnik zunehmend Einsatz findet. In Japan sind insbesondere zwei Eigenschaften der MBR vorteilhaft. Der Landverbrauch von MBR ist deutlich geringer, sodass selbst Ausbau von Reinigungskapazitäten bestehender Anlagen ohne den teueren Zukauf von Grundstücken gelingt. Des Weiteren bringt die Aufzucht von Nahrungsmitteln im Meer höhere Anforderungen an die hygienische Belastung des gereinigten Abwassers in Küstengebieten mit sich. Als dezentrale Einrichtungen werden MBR in ländlichen Gemeinden eingesetzt und derzeit an Pumpwerken als Pilotanlage erprobt. In letzterem Fall ist es Ziel, das gereinigte Abwasser zur Anhebung der Niedrigwasserabflüsse in kleinen Gewässern einzusetzen (Itokawa, 2009).
Phosphorrückgewinnung
Wie in Deutschland wurde auch in Japan erkannt, dass insbesondere Phosphor eine sehr begrenzte Ressource ist (Montag et al., 2009). Phosphor wird ausschließlich importiert. Diese Abhängigkeit versucht die Zentralregierung zu verringern. Da im Abwasser signifikante Mengen Phosphor enthalten sind, werden verschiedenen Wiedergewinnungswege betrachtet. Die Fällung von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP) aus Schlammwasser und einem Extrakt aus der Klärschlammasche wurden großtechnisch in Fukuoka bzw. Gifu Nord umgesetzt. Bei dem derzeitigen Phosphorpreisen sind die Anlagen noch nicht wirtschaftlich zu betreiben. Großes Optimierungspotential wird beim Chemikalieneinsatz zur Fällung gesehen. In der Entwicklung stehen in Japan noch zwei Verfahren, bei denen Phosphor aus Ablauf der Abwasserreinigungsanlagen zurückgewonnen werden. Dabei werden Ortho-Phosphate durch Ionen-selektive Medien zurückgehalten. Der Phosphor wird anschließend bei der Wiederherstellung der Aufnahmekapazität zurückgewonnen oder steht direkt als Düngemittel zur Verfügung (Midorikawa et al., 2008).
Aerobe Granulare zur Abwasserreinigung
Aus der Industrieabwasserreinigung sind anaerobe Schwebebettverfahren mit granularer Biomasse bekannt und werden häufig eingesetzt. Seit Ende der 1990er Jahre ist bekannt, dass die Biomasseanreicherung durch Granularbildung auch unter aeroben Betriebsbedingungen realisierbar ist. Mit dieser Technologie können auch Abwässer mit geringeren Zehrstoffkonzentrationen gereinigt werden. Der Vorteile gegenüber dem Belebtschlammverfahren sind zum einen höhere Biomassekonzentration (ca. 8gTS/L), einer simultanen Denitrifikation und Phosphorelimination sowie einer um mehr als 60 % geringeren Schlammproduktion. Diese Verfahrenstechnik bietet sich also zur Ertüchtigung bestehender Anlagen an, wenn beengte Platzverhältnisse vorliegen oder hohe Klärschlammentsorgungskosten vermieden werden sollen (z.B. Adav et al., 2009).
Derzeit liegen nur wenige Informationen vor, Aerobe Granulare zur Reinigung von kommunalem Abwasser einzusetzen. Die vergleichsweise geringen Zehrstoffkonzentrationen und die Variation der Zulaufrandbedingungen im Mischwasserfall erschweren die Bildung von granularer Biomasse. In Japan liegen erste positive Erfahrungen aus Laboruntersuchungen vor, die jetzt im halbtechnischen Maßstab überprüft werden. Im Rahmen der Kooperation zwischen dem ISA der RWTH Aachen und der Japan Sewage Works Agency wurden die Grundlagen gelegt, die großtechnische Anwendung mit einem Simulationsmodell zu unterstützen (Staufer et al. 2011).
Zusammenfassung und Ausblick
Die wissenschaftlich technische Kooperation sowie der Erfahrungsaustausch zwischen Japan und Deutschland führen zu einer Stärkung der Innovationsfähigkeit beider Länder. Gerade im Bereich des Energieeffizienz und Ressourcenrückgewinnung sowie in den Anpassungsmaßnahmen an den Demographischen Wandel und die Folgen der Globalen Erwärmung sind weitreichende Synergien zu erkennen. Die Kooperation sollte weitergeführt und intensiviert werden.
Um den Dialog aufrecht zu halten wird im Rahmen 6th IWA Specialist Conference on Membrane Technology for Water & Wastewater Treatment (4. -7. Oktober 2011, Eurogress Aachen) ein Symposium zur wissenschaftlich-technischen Zusammenarbeit abgehalten. Zum Thema „Global changes - local markets“ werden am 7. Oktober 2011 die aktuellen Entwicklungen in der Abwassertechnik behandelt werden, die Grundlage für eine weiterhin erfolgreiche Kooperation sind. Weitere Informationen sind unter www.isa.rwth-aahen.de/Japan zu erhalten.
Großer Dank gilt dem Präsident der Japan Sewage Works Agency Mr. Sokawa und Dr. Eng. T. Murakami für die Fortführung der Kooperation und die freundliche Einladung. Dem Bundesministerium für Bildung und Forschung wird für die finanzielle Unterstützung in der Vergangenheit gedankt, die hoffentlich fortgesetzt wird.
*Autor:
Dipl.-Ing. Philipp Staufer
Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen
Mies-van-der-Rohe-Straße 1
52 056 Aachen
Email: staufer@isa.rwth-aachen.de
> Dieser Artikel wurde in der bi-UmweltBau 1-2011 veröffentlicht.
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