Dezentrales Grauwasser-Recycling - Synergien eines urbanen Metabolismus am Beispiel von Kigali, Ruanda - IFEU
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THEMA Städtische Ressourcen Dezentrales Grauwasser-Recycling Synergien eines urbanen Metabolismus am Beispiel von Kigali, Ruanda Grauwasser, Recycling, Stoffstromanalyse, Urbane Landwirtschaft, Urbaner Metabolismus, Abwasser Christin Zeitz, Bernd Franke Der Bedarf an Anbauflächen, Bewässerung und Dünger drängt städtische Bauern in Entwicklungsländern zum un- hygienischen direkten Kontakt mit Abwasser. Das ifeu erhob und testete das Potenzial einer dezentralen Grauwasser- aufbereitung angepasst an informelle Stadtteile in der ruandischen Hauptstadt Kigali. Der hohe Anteil von 60 bis 70 % Grauwasser am Gesamtabwasseraufkommen, die vorherrschend getrennte Ableitung (Latrinen für Schwarzwasser) und die hohe Reinigungseffizienz von Pilot-Pflanzenkläranlagen zeigen den Weg eines ressourcenschonenden Wassermanage- ments mit vielfältigen Vorteilen für die urbane Landwirtschaft auf. Grauwasser – eine weltweit vernachlässigte zu mehr Ressourceneffizienz in der weltweiten Sied- Ressource lungswasserwirtschaft. Hier liegt auch eine große Im Gegensatz zu Schwarzwasser (Abwässer aus Toi- Chance für informelle, ungeplante Stadtteile, die letten) und Küchenabwässern (fettreiche Abwässer meist weder über hausintere Leitungssysteme noch mit Lebensmittelresten) ist Grauwasser gering be- über eine zentrale Abwasserableitung und -be- lastetes, fäkalienfreies Abwasser aus Körperhygi- handlung verfügen. Im Rahmen des vom BMBF ge- ene, Wäscherei und Reinigung [1]. In Übereinstim- förderten Projekts Rapid Planning untersuchte das mung mit den UN Nachhaltigkeitszielen SDG 11: ifeu das Potenzial einer dezentralen Grauwasser- „Nachhaltige Städte und Gemeinden“ und SDG 6: behandlung und deren Synergien mit der urbanen „Sauberes Wasser und sanitäre Grundversorgung“ Landwirtschaft speziell für informelle Stadtteile der ist das Recycling von Grauwasser eine Kernkom- ruandischen Hauptstadt Kigali. ponente in der nachhaltigen Wasserwirtschaft, um Slums aufzuwerten und den Zugang zur Grundver- Das Projekt Rapid Planning sorgung für alle zu verbessern [2]. Die lokale Wie- Das vom BMBF geförderte Rapid Planning Pro- derverwendung von aufbereitetem Grauwasser zur jekt – „Nachhaltiges Infrastruktur-, Umwelt- und Lebensmittelproduktion oder für Toilettenspülun- Ressourcenmanagement für hochdynamische gen spart Ressourcen und Kosten und fördert die Metropolen“ unterstützte die Entwicklung einer Grundwasserneubildung durch lokale Versickerung schnell umsetzbaren und sektorübergreifenden (Sponge City Concept) oder gleicht über Wasser- Stadtplanungsmethodik für die Ver- und Entsor- flächen das Mikroklima insbesondere in Städten gungssektoren Wasser, Abwasser, städtische Land- und wasserarmen Regionen aus. wirtschaft, feste Abfälle und Energie. Ziel war die Technisch und ökonomisch ist eine dezentrale Identifikation und Nutzung von Synergien, die Grauwasseraufbereitung zu hygienisch einwand- durch sektorübergreifende Infrastrukturplanung freiem Betriebswasser sowohl für Einzelhaushalte im Sinne eines urbanen Metabolismus geschaffen als auch für Wohnblöcke durch angepasste Verfah- werden können. Die integrierte sektorübergreifen- ren möglich. Auch in Deutschland wäre die dezent- de Planung erfordert, mehr noch als die sektorale rale Grauwasseraufbereitung möglich, setzt jedoch Planung, räumlich aufgelöste Daten zu den urba- die getrennte Erfassung des Grauwassers voraus. nen Verbrauchs- und Erzeugungsmustern, um die Beispiele finden sich in ambitionierten Neubaupro- Eignung zentraler oder dezentraler Infrastrukturlö- jekten wie etwa beim Quartier Jenfelder Au in Ham- sungen prüfen zu können. Der Zugang zu verlässli- burg. Der hier realisierte HAMBURG WATER Cycle® chen Planungsdaten stellt eine bedeutende Hürde umfasst neben der Trennung und dezentralen Auf- für politische Entscheidungsträger bei der Integ- bereitung der Schwarz- und Grauwasserströme ration des urbanen Metabolismus in der Stadtpla- auch die Energiegewinnung aus Abwasser. Die ge- nung dar. Dafür entwickelte das Projekt zusammen trennte Erfassung der Abwasserströme als Schwarz- mit den Verwaltungen der Millionenstädte Kigali/ und Grauwasser in den Haushalten ebnet den Weg Ruanda und Da Nang/Vietnam eine Methodik, mit 4 · 2020 TRANSFORMING CITIES 73
THEMA Städtische Ressourcen Bild 1: der Städte schnelleren Zugang zu ihren aktuellen und (b) die Nutzung organischer Abfälle und von Stoffstrom- und zukünftigen Daten in räumlicher Auflösung er- Klärschlamm für die Düngerproduktion. Bild 1 und analyse des Wasser- und halten können. Dies umfasst eine Kombination von Bild 2 zeigen Ergebnisse der Stoffstromanalyse als Abwassersektors kleinskaligen Datenerhebungen, Fernerkundungen Sankey-Diagramm. von Kigali/Ruanda 2016. und Stoffstromanalysen. Als Sankey-Diagramme Die Frischwasserversorgung in Kigali erfolgt © Zeitz/ ifeu dargestellt, bilden Stoffstromanalysen ein entschei- überwiegend netzwerkgebunden und zentral durch dungsunterstützendes Werkzeug und eine ideale die Water and Sanitation Company (WASAC). Im Jahr Grundlage für die Kommunikation und Planung von 2016 waren 95 % der Haushalte über Leitungen und Infrastrukturen in hochdynamischen Städten [3]. 5 % über Wasserkioske versorgt. Der Verbrauch der Innerhalb des Forschungskonsortiums von 11 deut- Haushalte Kigalis von 16 Mio. m3 entsprach 2016 bei schen Institutionen und UNHABITAT arbeitete das einer Bevölkerung von 1,3 Mio. Einwohnern einem ifeu an der Stoffstromanalyse als Grundlage für ein vergleichsweise geringen Pro-Kopf-Verbrauch von nachhaltiges Ressourcenmanagement und an der etwa 33 l pro Tag. In Deutschland liegt der Wert bei praktischen Implementierung identifizierter Syner- 122 l pro Tag [4]. Im Jahr 2016 stammten 94 % der gien in Agatare, einem informellen Stadtteil Kigalis. gesamten Wasserversorgung von Kigali aus Ober- flächengewässern (30,5 Mio. m3) und 6 % aus Grund- Stoffstromanalyse des Abwasser- und wasser (1,9 Mio. m3). Die Leitungsverluste waren mit Bild 2: Stoffstrom- Lebensmittelsektors in Kigali 35,5 % sehr hoch; rund 11 Mio. m3 Non-Revenue analyse Das größte Potenzial sektorübergreifender Synergi- Water versickerte oder wurde ohne Zahlung abge- des Lebens- en wurde auf der Grundlage der Stoffstromanalysen zweigt und führt somit zu wirtschaftlichen Verlus- mittelsektors von Kigali/Ruanda für den Nahrungsmittelsektor durch Maßnahmen ten von WASAC. Wasserknappheit insbesondere in 2016. im Abwasser- und Abfallsektor ermittelt: (a) die de- den Trockenzeiten sowie steigende Kosten machen © ifeu‚ Urban Food Model / zentrale Grauwasserbehandlung zur Sicherung der Wasser in Kigali zu einer wertvollen und zunehmend Rapid Planning Wasserqualität für die Nahrungsmittelproduktion nachgefragten Ressource. 74 4 · 2020 TRANSFORMING CITIES
THEMA Städtische Ressourcen Die Abwasserentsorgung Kigalis ist nicht zentral 20 % wurden von der urbanen Landwirtschaft inner- Bild 3: Der Weg des organisiert. Ein stadtweiter Kanalanschluss an eine halb Kigalis produziert (0,21 Mio. t). Die städtische Grauwassers vom zentrale Kläranlage ist aufgrund der geringen Abwas- Agrarproduktion umfasst Gemüse und Obst (inkl. Haushalt, über sermenge, des niedrigen mittleren Einkommens der stärkehaltige Wurzeln und Hülsenfrüchte) sowie Ge- die Regenwasser- kanäle bis zu den Bevölkerung und der hügeligen Topographie nicht treide und hatte im Jahr 2013 einen Anteil von 21 % landwirtschaftlich wirtschaftlich [5]. Da in Kigali im Untersuchungs- bzw. 41 % an der Gesamtnachfrage der Stadt. Ein genutzten Feucht- zeitraum rund 91 % aller Haushalte Sickergruben- Vergleich der gesamten Pro-Kopf-Nahrungsmen- gebieten in Kigali/ Ruanda Latrinen ohne Wasserspülung verwendeten [6], be- ge der Bevölkerung von Kigali mit dem deutschen © Joost/ Ost- stehen 58 % des anfallenden häuslichen Abwassers durchschnittlichen Nährstoffverbrauch [9] zeigt falia, Zeitz und Dietzsch/ ifeu aus Grauwasser. Im Jahr 2016 fielen rund 6,6 Mio. eine geringere Energie- , Protein- und Fettaufnah- m3 Grauwasser im privaten Sektor an und wurden me. Die Verluste von frischen Lebensmitteln wurden meist unbehandelt in die Regenwasserkanalisation mit 0,15 Mio. t pro Jahr ermittelt, hauptsächlich auf oder in Sickergruben ohne Filterbarriere eingeleitet. Nachernte-, Verarbeitungs- und Verteilungsebene. Die Mengen von Urin und Fäkalien durch menschliche Ausscheidungen lagen im Jahr 2016 Dezentrales Grauwasserrecycling in Kigali, bei 0,8 Mio. m3 (0,68 Mio. m3 Gelbwasser und Ruanda – eine Option zum Upgrading 0,12 Mio. m3 Braunwasser), davon landeten bis zu Nach Angaben der Stadt Kigali [10] sind 78 % der 0,72 Mio. m3 unverdünnt in Grubenlatrinen, meist Siedlungen in Kigali informell gebaut worden. Eine ohne Filterbarriere [7]. Zusammen mit dem Abwas- Untersuchung vom ifeu und der Hochschule Ostfa- ser aus Toilettenspülungen lag die Schwarzwasser- lia zeigte, dass der Anteil Grauwasser am gesamten menge 2016 bei 3,4 Mio. m3. Spültoiletten sind meist häuslichen Abwasser für informelle Stadtteile bis zu an Klärgruben (Septic tanks) angeschlossen, aller- 70 % betragen kann. Das Grauwasser wird vor der dings mit unbekannten Wartungsstandards. Einleitung in die Umwelt weder behandelt noch recy- Die mangelnde Grauwasserbehandlung und Nie- celt. Zwar regelt das Rwanda Standards Board (RSB) derschlagsrückhaltung im Einzugsgebiet führt zu die zulässigen Grenzwerte für die Einleitung von Verschmutzung, Hygienerisiken und Überflutung häuslichem Abwasser [11], duldet jedoch mangels der landwirtschaftlich genutzten Feuchtgebiete in Alternativen die illegale Einleitung von Grauwasser Kigali. Wie in vielen schnell wachsenden Städten in in Regenwasserkanäle, die in den landwirtschaftlich Entwicklungsländern benötigen städtische Bauern genutzten Feuchtgebieten münden (Bild 3). außer Raum Wasser und Dünger, sie kommen des- Ziel der Projektkomponente „Dezentrale Grau- halb mitunter direkt mit Abwasser in Kontakt, das wasserbehandlung“ war es, das Potenzial einer de- aufgrund der fehlenden Abwasserinfrastruktur bei- zentralen, kostengünstigen Technik zur Behandlung des vermeintlich kostenlos zur Verfügung stellt [8]. und Wiederverwertung von Haushaltsgrauwasser Die urbane Landwirtschaft am Fuße der dicht als Interims- oder Hybridtechnologie wissenschaft- besiedelten teilweise steilen Hügelketten Kigalis lich zu testen und bislang fehlende Daten über spielt eine wichtige Rolle in der städtischen Versor- Haushaltsgrauwasser (Menge, Eigenschaften, Wege gung mit frischen Lebensmitteln und prägt gleich- und Senken) zu sammeln. zeitig als Nahholungsgebiet das Landschaftsbild Eine 2016 vom ifeu durchgeführte Befragung der Stadt. Der Mangel an Dünger, eine ineffiziente von 293 Haushalten zum häuslichen Grauwasser- Bewässerung, die Trockenzeiten und erratische Nie- management im Stadtteil Agatare bestätigte, dass derschläge schränken die Produktivität der urbanen Grauwasser zumeist direkt oder indirekt in Re- Landwirtschaft ein. genwasserkanäle eingeleitet wird. Für die unter- Im Jahr 2013 wurden 75 % der Nahrungsmittel suchten Pilotsysteme erfolgte die Anpassung des für Kigali außerhalb von Kigali im Inland produziert technischen Designs einer Vertikalen Pflanzenklär- (0,8 Mio. t), 5 % wurden importiert (54 000 t) und anlage (Vertical Flow Constructed Wetland) [12] 4 · 2020 TRANSFORMING CITIES 75
THEMA Städtische Ressourcen an die lokalen Bedingungen und mit verfügbaren den ruandischen und internationalen Grenzwerten Materialien und die anschließende Konstruktion für die Einleitung [11, 13] und dem WHO-Grenzwert und Installation in Zusammenarbeit mit lokalen [14] der FC für die Wiederverwendung in der Bewäs- Partnern (Bild 4 und Bild 5). Die Haushaltsmitglie- serung in der Landwirtschaft. der wurden in der Anwendung und Wartung des Im Ergebnis steht den Haushalten Betriebswas- Systems geschult. Das Low-Tech-System wird ohne ser für die Bewässerung des angeschlossenen Ge- elektrische Pumpen beschickt und ist modular auf- müsegartens und für Putzzwecke zur Verfügung, gebaut, um ein Upscaling auf verschiedene Haus- was zu deutlichen Wassereinsparungen führt. Die haltsgrößen zu ermöglichen. Der technische Auf- hygienische Qualität des angebauten Gemüses bau umfasst sieben Reinigungsstufen (Bild 4). Das wurde im Jahr 2018 durch Analysen des Labors der Grauwasser wird über einen Trichter mit Sieb, das Universität Ruanda bestätigt und zeigt weder coli- größere Partikel zurückhält, in das System eingefüllt forme Bakterien noch Parasitenbefall. Das erste (1). In einem Fettfangbehälter mit definiertem Volu- dezentrale Grauwasseraufbereitungssystem wird men verlangsamt sich das Grauwasser, so dass Fett seither täglich genutzt und wird wegen der positiven aufschwimmt (2) und sich feste Partikel absetzen (3). Wassereinsparungen und der Bewässerung für den Die Verweilzeit im Fettfang führt zur Umwandlung häuslichen Nutzgarten vom Eigentümer auch über von organischen Feststoffen in lösliche organische die Projektlaufzeit hinaus kontinuierlich gewartet. Säuren (4). Zur Bekämpfung der dabei entstehenden Die Messungen in Haushalten und in Regenwas- Gerüche wird Holzkohle eingesetzt. Durch regelmä- serkanälen sowie die Daten zur Pilotanlage ermög- ßige Beschickung des Systems wird das Grauwasser lichten eine verlässliche Stoffstromanalyse und in einen Sandfilter bestimmter Höhe und Korngrö- Bewertung der Umweltwirkungen für den Stadtteil ße und mit Vetivergras als Phytoremediationsmittel Agatare. Dort werden derzeit jährlich rund 20 000 m3 geschoben: Nährstoffe und Wasser werden vom Grauwasser (40 % des gesamten anfallenden Grau- Vetivergras aufgenommen und in Biomasse umge- wassers) mit etwa 35 t CSB, 280 × 1012 Cfu FC, 14 t wandelt (5), überschüssige feine Schwebteilchen TSS, 0,5 t TN und 0,1 t TP über Drainagen in die land- herausgefiltert (6) und die löslichen organischen wirtschaftlich genutzten Feuchtgebiete eingeleitet. Säuren von Bakterien aufgenommen und verstoff- Der hohe Anteil von 60 bis 70 % Grauwasser am wechselt (7). Gesamtabwasseraufkommen in Kigali, die vorherr- Bild 4 (links), Bild 5 (Mitte) und Die wissenschaftliche Überwachung über einen schend getrennte Ableitung und die hohe Reini- Bild 6 (rechts): Zeitraum von sechs Monaten in den Jahren 2016 und gungseffizienz in Pilot-Pflanzenkläranlagen, zeigen Schema und Foto 2017 erbrachte den Nachweis, dass eine signifikan- den Weg eines ressourcenschonenden Wasser- der Pilotanlage zur dezentralen te Reinigung des häuslichen Grauwassers erreicht managements für Kigali mit vielfältigen Vorteilen Grauwasserbe- wird. Monatliche chemische und mikrobiologische für die urbane Landwirtschaft auf. Das dezentra- handlung und Analysen im Zu- und Ablauf des Systems belegen le Grauwasserrecycling zu hygienisch sauberem anschließende Nutzung in die Reduzierung der Verschmutzungsindikatoren einwandfreiem Bewässerungswassers für die urba- Gemüsegärten so- Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) um 96 %, Fä- ne Landwirtschaft kann die Nahrungsmittelproduk- wie QR Code zum Rapid Planning kalcoliforme (FC) um 99,88 %, Summe der suspen- tion und somit den urbanen Selbstversorgungsgrad Kurzfilm Amazi dierten Feststoffe (TSS) um 98 %, Gesamtstickstoff mit Obst und Gemüse insbesondere während der n’ubutaka – Water (TN) um 85 % und Gesamtphosphor (TP) um 67 %. Trockenzeit steigern und die Verschmutzung der and Soil © Zeitz/ ifeu Die Wasserqualität nach der Behandlung entspricht Feuchtgebiete und des Grundwassers aufhalten. (1) (5) (2) (4) (3) (7) (6) 76 4 · 2020 TRANSFORMING CITIES
THEMA Städtische Ressourcen Das ifeu und die Projektpartner der TU Berlin und Hochschule Ostfalia empfehlen dezentrale, einzugs- gebietsbezogene Grauwasserbehandlungsanlagen an den Hangfüßen gemäß der erfolgreich geteste- ten Technik der Vertikalen Pflanzenkläranlage mit Vorbehandlung und Speicherbecken. Dies stellt eine integrierte, kostengünstige Option dar, um infor- melle Stadtteile aufzuwerten und die urbane Land- wirtschaft zu stärken (Bild 7). Im Gegensatz zu einer kosten- und ressourcenintensiven zentralen Abwas- sersammlung und -behandlung, bietet die dezentra- le Grauwasseraufbereitung eine angepasste Lösung für die Stadt Kigali mit ihren vielen Hügeln. Neben der Elektromobilität, ist dies ein weiteres gutes Bei- spiel von Leapfrogging, welches das Überspringen von Entwicklungsstufen in Ruanda möglich machen könnte. Der Kurzfilm Amazi n‘ubutaka – Water and Soil do- kumentiert die praktische Arbeit des Rapid Planning [11] RSB: RSB RS 110:2009 Water Quality – Tolerance li- Bild 7: Projekts in Kigali/Ruanda, siehe QR-Code (Bild 6). mits of discharged domestic wastewater, 2009. Dezentrales [12] Tilley, E., Ulrich, L., Luthi, C., Reymond, P., Zurbrügg, C.: Grauwasser- Compendium of Sanitation Systems and Technolo- management gies, 2014. am Hangfuß für LITERATUR Agatare/Kigali. [13] BGBl: Verordnung über Anforderungen an das Ein- © TU Berlin mo- [1] DIN: EN 12056-1: Gravity drainage systems inside leiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverord- buildings – Part 1: General and performance, 2000. dif. von M. Olbertz nung – AbwV) BGBl. I S. 1108, 2625, 2016. http:// 2018, ifeu 2017 [2] UN: The 17 Sustainable Development Goals. 2016, www.gesetze-im-internet.de/abwv/ (Zugegriffen am online verfügbar unter: https://sdgs.un.org/goals. 7. Feb. 2017). [3] Brunner, P. H., Rechberger, H.: Practical handbook of ma- [14] WHO (Hrsg.): Guidelines for the microbiological qua- terial flow analysis. Boca Raton, FL: CRC/Lewis, 2004. lity of treated wastewater used in agriculture: recom- [4] bdew, Bundesverband der Energie und Wasserwirt- mendations for revising WHO guidelines, 2000, (zu- schaft e. V.: Entwicklung des personenbezogenen gegriffen am 12. Apr. 2017. Verfügbar unter: http:// Wassergebrauches 1990 – 2018, 2019. (Zugegriffen www.who.int/iris/handle/10665/57600. am 7. März 2020.) Online verfügbar unter: http:// www.bdew.de/service/daten-und-grafiken/entwick- lung-des-personenbezogenen-wassergebrauchs/. [5] OPM: Kigali Urban Sanitation Study, Presentations at Worldbank Sanitation Study Workshop Kigali March 2017, 2017. [6] NISR und MINECOFIN: Rwanda Fourth Population and Housing Census (2012 RPHC) – Thematic Report: Characteristics of households and housing, Kigali, Rwanda, 2012. AUTOR*INNEN [7] NISR: Thematic report – Environment and natural resources (EICV) Integrated Household Living Condi- tions Survey, National Institute of Statistics of Rwan- da, Kigali, Rwanda, März 2016. [8] Foeken, D. W. J.: To subsidise my income: urban far- Christin Zeitz ming in an East-African town, 223, 2006. https:// Dipl. Geoökologin o p e n a cce s s . l e i d e n u n i v. n l / h a n d l e /18 8 7/1474 2 Projektleiterin (Zugegriffen am 6. Feb. 2017). ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung [9] MRI und BMEL: Nationale Verzehrsstudie II – Lebens- Heidelberg gGmbH mittelverzehr und Nährstoffzufuhr auf Basis von Kontakt: christin.zeitz@ifeu.de 24h-Recalls“, 2013. https://www.mri.bund.de/de/in- stitute/ernaehrungsverhalten/forschungsprojekte/ nvsii/ (Zugegriffen am 28. Juli 2020). [10] City of Kigali (CoK): An 8-in-1 affordable urban Bernd Franke Housing Block inaugurated in Kimisagara, 2018. Biologe ht tps: //kigalicit y.gov.r w/index.php?id=131&t x _ Themen- und Projektleiter n e w s _ p i1% 5B n e w s % 5D = 42 &t x _ n e w s _ pi1%5Bcontroller%5D=News&tx_news_pi1%5Bactio ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung n%5D=detail&cHash=c0f4418727324d3adeb68272b Heidelberg gGmbH 8cf3562 (Zugegriffen am 25. Okt. 2020). Kontakt: bernd.franke@ifeu.de 4 · 2020 TRANSFORMING CITIES 77
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