Immer mehr Menschen zieht es in die Städte – die Versorgung der wachsenden Bevölkerung mit Agrarprodukten ist eine große Herausforderung. Besonders in urbanen Räumen ist es schwierig, dem Trend zu nachhaltigen, lokalen und qualitativ hochwertigen Produkten nachzukommen. Daher sind neuartige Agrarsysteme notwendig. Im BMBF-Verbundprojekt SUSKULT geht das Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Praxis einen auf den ersten Blick ungewöhnlichen Weg, der sich bei genauerem Hinsehen allerdings als geniale Idee entpuppt.

Die Auftaktveranstaltung zu SUSKULT fand mit 35 Teilnehmenden des Projektverbunds und des Projektbeirats in Oberhausen statt.

Qualität und Nachhaltigkeit der Ernährung stehen vermehrt im Fokus. Was in landwirtschaftlich geprägten Regionen noch relativ einfach umzusetzen ist, gestaltet sich in den Städten jedoch weitaus schwieriger. Darüber hinaus besteht eine zentrale Zukunftsfrage, wie Ertragssteigerungen in der Agrarwirtschaft bei endlichen Phosphatressourcen, hohem Energieaufwand bei der Düngemittelproduktion und der Verschmutzung von Gewässern und Böden durch Phosphor und Stickstoff künftig möglich sein werden. Ein Team unter Koordination des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT will dieses Problem nun lösen und entwickelt im Rahmen des im April gestarteten BMBF-Verbundprojekts SUSKULT ein neuartiges Agrarsystem. »Das Besondere dabei ist der Standort: Wir docken das Agrarsystem an städtische Kläranlagen an«, erklärt Volkmar Keuter, Leiter der Abteilung Photonik und Umwelt beim Fraunhofer UMSICHT und Koordinator von SUSKULT. Am 10. Mai fand die Auftaktveranstaltung mit 35 Teilnehmern des Projektverbunds und des Projektbeirats in Oberhausen statt.

Doch warum gerade Kläranlagen? Hierzu lohnt sich ein Blick auf die Komponenten, die für eine Pflanzenkultivierung benötigt werden: Für den geschlossenen Anbau von gartenbaulichen Produkten, z. B. in Gewächshäusern, sind das im wesentlichen Nährstoffe (Dünger), CO2, Wärme und Wasser. »All diese Ressourcen sind auf Kläranlagen zu finden«, so Keuter. Hinzu komme der Standortvorteil. Zunächst am Stadtrand gebaut, sind Kläranlagen mittlerweile – bedingt durch das Wachstum der Städte und Metropolregionen – häufig zentrumsnah verortet.

Die Agrarwirtschaft in die Stadt bringen
Die Idee, Ressourcen aus Kläranlagen im Sinne der Kreislaufführung zu nutzen, ist nicht neu. So gibt es bereits Verfahren, die Phosphor aus Schlamm und Asche in Kläranlagen – teils unter erhöhtem Energieeinsatz – rückgewinnen, um ihn in Form von Dünger oder Futterzusatz in die Agrarwirtschaft zu bringen. »Allerdings wird Phosphor dabei aus der Stadt in agrarwirtschaftlich geprägte Regionen transportiert, von wo aus später dann Obst und Gemüse wieder zurückgebracht werden«, erklärt Keuter.
Um eine agrarwirtschaftliche Produktion direkt an Kläranlagen andocken zu können, entwickelt ein interdisziplinäres Konsortium im Rahmen von SUSKULT ein entsprechendes Bausteinsystem. Das Ergebnis soll regional angebautes, qualitativ hochwertiges Gemüse sein.

NEWtrient®-Center
Insgesamt 15 Partner arbeiten bei SUSKULT in vier Teilprojekten an dem Vorhaben. Die Arbeitspakete beinhalten neben der Weiterentwicklung der Kläranlagen zu sogenannten NEWtrient®-Centern und der Entwicklung einer Aufbereitungstechnik eine angepasste Nahrungsmittelproduktion in geschlossenen Kultursystemen und die dazugehörige Umfeld- und Systemanalyse. Um möglichen Schwankungen in Menge und Konzentrationen im Abwassersystem möglichst frühzeitig begegnen zu können, sind auch eine intelligente Prozesssteuerung und entsprechende Vorhersagemodelle im Projektplan verankert. Keuter wagt einen Ausblick: »Wir haben die Vision, dass 2050 keine Kläranlagen mehr im Sinne einer Entsorgungsanlage existieren, sondern NEWtrient®-Center. Ressourcenströme, die sämtliche Nährstoffe in Städten umfassen, können hier gehandelt werden.«
Auf dem Weg zum Agrarsystem der Zukunft nach der SUSKULT-Vision ab dem Jahr 2050 gibt es eine Vielzahl an Herausforderungen. Nicht nur die technischen Ziele stehen im Fokus, bereits jetzt müssen die normativen Grundlagen erarbeitet und möglichst viele Stakeholder in den Entwicklungsprozess eingebunden werden. Direkt am Projekt beteiligt sind auch die Partner Metro AG und REWE Markt GmbH, hinzu kommen zahlreiche Interessensvertreter im Projektbeirat. Weite Teile der Zivilgesellschaft sind im Rahmen von Dialogprozessen involviert. Gemeinsam betrachten sie auch den zukünftigen Weg der Produkte zu den Kunden: »Ich kann mir z. B. ganz neue Standorte von Wochenmärkten vorstellen«, schildert Keuter eine weitere Vision von SUSKULT.

40 t Gemüse pro Jahr
In den ersten drei Jahren legen die Forschenden den Grundstock für das neue Agrarsystem. Im Anschluss soll dann eine Demonstrationsanlage auf dem Gelände des Klärwerks Emschermündung an der Stadtgrenze zwischen Dinslaken, Oberhausen und Duisburg aufgebaut werden. Das Ziel ist ehrgeizig: »Nach einer Phase der Optimierung der einzelnen Komponenten möchten wir vor Ort pro Jahr mehrere Tonnen Gemüse produzieren«, so Keuter. Wenn alles optimal funktioniert, könnte man damit beispielsweise den jährlichen Bedarf an Blattsalaten der Gemeinde Anröchte[1] im Kreis Soest decken (durchschnittlicher jährlicher Verbrauch in Deutschland: etwa 3 kg Blattsalat/Kopf[2]).

SUSKULT: die Partner
Unter der Koordination vom Fraunhofer UMSICHT arbeiten 15 Partner in den vier Teilprojekten »TP1 NEWtrient®-Center«, »TP2 NEWtrient®-Aufbereitungssystem«, »TP3 Nahrungsmittelproduktion« und »TP4 Umfeld- und Systemanalyse« zusammen:
• Fraunhofer UMSICHT (Verbundkoordinator)
• A3 water solutions GmbH
• Deutsches Forschungszentrum für künstliche Intelligenz GmbH – DFKI
• Emschergenossenschaft K. ö. R
• Helmholtz Zentrum für Umwelt-forschung GmbH – UFZ
• Hochschule Osnabrück
• ILS-Institut für Landes- und Stadtentwicklungsforschung
• Justus-Liebig-Universität Gießen
• Metro AG
• Montanuniversität Leoben
• PACELUM GmbH
• Rewe Markt GmbH
• Ruhrverband
• TU Kaiserslautern
• Yara GmbH & Co. KG

Förderhinweis
Das Projekt »SUSKULT – Entwicklung eines nachhaltigen Kultivierungssystems für Nahrungsmittel resilienter Metropolregionen« (FKZ 031B0728) wird im Rahmen der Fördermaßnahme »Agrarsysteme der Zukunft« im Rahmen der »Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030« der Bundesregierung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert…mehr:

https://www.umsicht.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2019/suskult.html

E_OS als Smart-City-Vorzeigebeispiel: Neue Schlammbehandlungsanlage der ebswien hauptkläranlage liefert ab 2020 saubere Energie.

Seit April 2015 wird gebaut, nun nähert sich das Projekt „E_OS – Energie_Optimierung Schlammbehandlung“ der ebswien hauptkläranlage der Fertigstellung: Nach Reinvestition in die Becken der Vorklärung und der 1. biologischen Reinigungsstufe und der Neuerrichtung einer Schlammbehandlungsanlage wird Wiens Kläranlage ab 2020 aus Klärgas mehr Öko-Energie erzeugen als sie zur Abwasserreinigung benötigt. Bürgermeister Michael Ludwig und Umweltstadträtin Ulli Sima überzeugten sich am 16. September 2019 in Simmering vom Baufortschritt. „Wien gilt weltweit als Vorreiter in Sachen Smart City. Dabei verfolgen wir eine klare Strategie, bei der die Anliegen und Ideen der Stadtbewohnerinnen und Stadtbewohner, aber auch die Impulse aus Wirtschaft, Technologie und Forschung unter ein gemeinsames Ziel gestellt werden“, erklärte Bürgermeister Ludwig: „Was das ganz konkret bedeutet und welchen Nutzen wir daraus ziehen, machen Projekte wie E_OS in der Wiener Hauptkläranlage deutlich. Durch den intelligenten Einsatz von modernen Technologien wird hier schon in wenigen Monaten mehr Energie produziert als tatsächlich verbraucht. Die Abwasserreinigung, die in anderen Städten einen der größten kommunalen Energieverbraucher darstellt, erfolgt bei uns zukünftig energieautark. Wir gewinnen auch noch sauberen Strom und Wärme und senken damit auch deutlich den CO2-Ausstoß.“

Kläranlagen gehören in der Regel zu den größten kommunalen Energieverbrauchern, die Wiener Hauptkläranlage benötigt zur Reinigung der gesamten in der Stadt anfallenden Abwässer knapp ein Prozent des Wiener Gesamtstromverbrauchs. Die zuständige Stadträtin Ulli Sima: „Die Hauptkläranlage wird mit E_OS zum Öko-Kraftwerk. Davon profitiert die Wiener Klimabilanz erheblich: Der Ausstoß von CO2-Äquivalenten sinkt um rund 40.000 Tonnen pro Jahr.“ Das Projekt E_OS stellt eine logistische Herausforderung dar, so Sima: „Der Bau erfolgt bei laufendem Betrieb der Kläranlage. Die Qualität der Abwasserreinigung muss dabei zu jedem Zeitpunkt garantiert sein. Diese schwierige Aufgabe hat das Team der ebswien bisher perfekt gemeistert.“ Genauso erfreulich sei ein weiterer Aspekt, ergänzte die Stadträtin: „Die Schlammbehandlungsanlage wird Mitte 2020 ihren Betrieb aufnehmen, die ebswien hält bei E_OS damit sowohl Zeit- als auch Kostenplan ein.“

Ab dem ersten vollen Betriebsjahr 2021 stellt sich die Energiebilanz der ebswien hauptkläranlage wie folgt dar:
Verbrauch Erzeugung
Strom 63 GWh/a 78 GWh/a
Wärme 40 GWh/a 82 GWh/a

Innovation: Mehr Energie durch gute Ideen
„Bei Schlammfaulungsanlagen stand früher vor allem die Reduktion des Klärschlamms, der als >Reststoff< bei der Abwasserreinigung anfällt, im Mittelpunkt des Interesses", erläuterte ebswien-Generaldirektor Christian Gantner, „die gewonnene Energie war dabei nur ein angenehmer Nebeneffekt. Bei E_OS war hingegen von Anfang die größtmögliche Energieausbeute unser Ziel." So entwickelte die ebswien hauptkläranlage gemeinsam mit dem Institut für Gewässergüte der Technischen Universität Wien ein innovatives Verfahren. Bevor der Schlamm in die Faulbehälter gelangt, muss ihm Wasser entzogen werden. Je „dicker" der Schlamm dabei ist, desto besser für die Energiebilanz. Der Schlamm muss für die Faulung nämlich einschließlich des enthaltenen Wassers erwärmt werden. Ein geringerer Wasseranteil spart dabei Energie. Zu „dick" darf der Schlamm aber auch nicht werden, da er sonst nicht mehr gepumpt werden könnte. Gantner: „Umfangreiche Versuche haben unsere Annahmen eindrucksvoll bestätigt, wir können die neuen Faulbehälter mit einem doppelt so hohen Feststoffgehalt wie üblich betreiben." Gute Ideen bringen also nicht nur mehr Energie, sie sparen auch (Bau-)Kosten: Durch das neue Verfahren kommt die ebswien mit halb so vielen Faulbehältern aus. So funktioniert die neue Schlammbehandlungsanlage
Im Klärschlamm sind die bei der Abwasserreinigung entfernten Schmutzstoffe gebunden, pro Jahr fallen in Wien rund zwei Millionen Kubikmeter davon an. Das sichtbarste Zeichen der neuen Schlammbehandlungsanlage sind die sechs jeweils 30 Meter hohen Faulbehälter mit einem Gesamtvolumen von 75.000 Kubikmeter. Dorthin gelangt der „voreingedickte“ und auf 38 Grad Celsius erwärmte Schlamm. Unter Luftabschluss bauen Bakterien die organischen Inhaltsstoffe des Klärschlamms ab. Während des 25 Tage dauernden Faulungsprozesses – der „anaeroben Stabilisierung“ – entsteht Klärgas, das zu zwei Drittel aus dem energiereichen Methan (CH4) besteht. Davon fallen 20 Millionen Kubikmeter pro Jahr an! Der ausgefaulte Schlamm wird aus den Faulbehältern abgezogen und verbrannt. Das Klärgas hingegen gelangt über Filteranlagen von den Gasbehältern in Blockheizkraftwerke, wo es in Gasmotoren verbrannt wird. Dabei entsteht nicht nur mechanische Energie, die mittels Generatoren in elektrischen Strom umgewandelt wird, sondern auch Wärme, die für Heizung und Warmwasserbereitung verwendet werden kann. Dadurch bringen es die Blockheizkraftwerke auf einen hohen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 80 Prozent.

Platz für den Klimaschutz
Seit 1980 standen sie im Dauerbetrieb: Die Becken der Vorklärung und der 1. biologischen Reinigungsstufe hatten das Ende ihres Lebenszyklus erreicht. Die nötige Reinvestition in diese „Ur“-Anlage bringt auch in diesem Teil der Hautkläranlage mehr Energieeffizienz, steigert die Ausfallssicherheit und senkt die Instandhaltungskosten. Das Volumen der Becken im zehn Hektar großen Baufeld wurde im Rahmen von E_OS um 50 Prozent vergrößert. Da die Belebungs- und Zwischenklärbecken aber nun deutlich höher sind, kommen sie mit einer wesentlich kleineren Grundfläche aus. Der dadurch freiwerdende Platz konnte für die neue Schlammbehandlungsanlage – und damit für den Klimaschutz – genutzt werden.

Projektverlauf E_OS
2010 Auftrag an die ebswien hauptkläranlage zur Erstellung einer Machbarkeitsstudie
2011 ebswien legt positive Machbarkeitsstudie vor
2012 Umsetzung des Projekts E_OS wird einstimmig im Wiener Gemeinderat beschlossen
2013 Inbetriebnahme Versuchsanlage, Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)
2014 positiver UVP-Bescheid; europaweite Ausschreibungsverfahren
2015 Grundsteinlegung & Baubeginn
2016 Inbetriebnahme Vorklärung West
2017 Inbetriebnahme 1. biologische Reinigungsstufe Süd
2018 Vorklärung zur Gänze in Betrieb, Inbetriebnahme Belebung 1. biologische Reinigungsstufe Nord
2019 Fertigstellung 1. biologische Reinigungsstufe Nord (Zwischenklärung)
2020 Maschinentechnische Ausrüstung Schlammbehandlung
2020 Inbetriebnahme Schlammbehandlung

Weiterführende Informationen zum Projekt E_OS unter: www.ebswien.at/e_os
https://www.ebswien.at/hauptklaeranlage/news/detail/article/ludwigsima-endspurt-fuer-das-oeko-kraftwerk/

Bakterium nutzt spezialisierte Zellen zur Verbreitung
Im Küstenbereich der Meere lebt das Bakterium Vibrio parahaemolyticus, einer der Hauptverursacher von Magen-Darm-Infektionen beim Menschen. Ein Forscherteam um Simon Ringaard vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie in Marburg untersucht, wie sich die Bakterien an die wechselnden Umweltbedingungen der Gezeitenzone anpassen. Ein spezieller Zelltyp, die „Abenteurer“-Zelle, sorgt für die Verbreitung des Erregers. Die neuen Erkenntnisse bilden eine wichtige Grundlage, um die Erkrankung künftig eindämmen zu können.

Vibrio-Infektionen zählen in Mittel- und Nordeuropa zu den „emerging diseases“, deren Aufkommen jüngst gestiegen ist oder wahrscheinlich in naher Zukunft steigen wird. Gründe dafür sind der weltweite Handel und die durch die globalen Klimaveränderungen bedingten höheren Wassertemperaturen…mehr:

https://www.mpg.de/14044621/1021-terr-138345-bakterielle-krankheitserreger-aus-dem-meer?c=2191