Schwarzwasser bezeichnet eine Kategorie von Abwasser, die vor allem aus Toilettenabwässern besteht. Es enthält neben Fäkalien und Urin auch Spülwasser und andere gelöste und ungelöste Stoffe, die aus sanitären Einrichtungen stammen. Schwarzwasser weist im Vergleich zu Grauwasser (Abwasser aus Duschen, Waschbecken und Küchen) eine höhere Konzentration an organischen Stoffen, pathogenen Mikroorganismen und Nährstoffen auf.

In der industriellen und kommunalen Abwasserbehandlung spielt die gezielte Behandlung von Schwarzwasser eine zentrale Rolle, um die hygienische Sicherheit zu gewährleisten und wertvolle Ressourcen wie Wasser, Energie und Nährstoffe zurückzugewinnen.

Zusammensetzung von Schwarzwasser

Die Zusammensetzung von Schwarzwasser variiert stark, abhängig von der Quelle (z. B. Haushalte, Industrie, öffentliche Einrichtungen) und den eingesetzten Spülsystemen.

Hauptbestandteile

• Organische Stoffe:
  • Biologisch abbaubare Substanzen wie Fette, Proteine und Kohlenhydrate.
  • Hoher Anteil an biochemischem Sauerstoffbedarf (BSB) und chemischem Sauerstoffbedarf (CSB).
• Pathogene Mikroorganismen:
  • Bakterien (z. B. Escherichia coli), Viren und Parasiten aus Fäkalien.
• Nährstoffe:
  • Stickstoffverbindungen (z. B. Ammonium, Harnstoff).
  • Phosphate aus Reinigungsmitteln oder menschlichen Ausscheidungen.
• Feststoffe:
  • Suspendierte und sedimentierbare Stoffe, einschließlich Fäkalienreste und Papierfasern.

Typische Konzentrationsbereiche

• BSB5: 300–600 mg/L.
• CSB: 600–1200 mg/L.
• Gesamtstickstoff: 40–80 mg/L.
• Gesamtphosphor: 10–20 mg/L.
• Feststoffe (TSS): 150–400 mg/L.

Herausforderungen bei der Behandlung von Schwarzwasser

Die Behandlung von Schwarzwasser stellt besondere Anforderungen an die Technik und das Management:

1. Hygienische Sicherheit:

   • Pathogene Mikroorganismen erfordern eine Desinfektion, um die öffentliche Gesundheit zu schützen.

2. Hohe organische Belastung:

   • Die hohe Konzentration an organischen Stoffen führt zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf in biologischen Reaktoren.

3. Nährstoffelimination:

   • Stickstoff und Phosphor müssen entfernt oder zurückgewonnen werden, um Umweltbelastungen (z. B. Eutrophierung) zu vermeiden.

4. Feststoffentfernung:

   • Sedimentierbare und suspendierte Feststoffe müssen effektiv abgetrennt werden, um Verstopfungen und Betriebsstörungen zu verhindern.

5. Ressourceneffizienz:

   • Rückgewinnung von Energie (z. B. Biogas) und Nährstoffen (z. B. Phosphor) gewinnt an Bedeutung.

Verfahren zur Behandlung von Schwarzwasser

1. Mechanische Vorbehandlung

Die mechanische Vorbehandlung bildet den ersten Schritt bei der Reinigung von Schwarzwasser. Ziel ist die Entfernung grober Feststoffe und sedimentierbarer Stoffe, um die hydraulische und organische Belastung der nachfolgenden Behandlungsstufen zu reduzieren.

Technologien:

• Rechen und Siebe:
  • Entfernen von grobem Material wie Papier, Hygieneartikeln und festen Partikeln.
  • Einsatz von Feinrechen (Maschenweite 1–5 mm) zur Reduktion von Feststofffrachten.
• Sandfang:
  • Abscheidung von sedimentierbaren Stoffen wie Sand, Schluff und kleinen Steinpartikeln.
  • Verhindert Ablagerungen und Verschleiß in nachfolgenden Pumpen und Rohrleitungen.

2. Biologische Behandlung

Die biologische Behandlung ist der zentrale Schritt zur Entfernung von organischen Verbindungen und Nährstoffen aus Schwarzwasser. Hierbei wird zwischen aeroben und anaeroben Verfahren unterschieden, die oft in Kombination eingesetzt werden.

Die anaerobe Behandlung von Schwarzwasser ist eine Schlüsseltechnologie zur nachhaltigen Energiegewinnung und Abwasserreinigung. Unter Sauerstoffausschluss bauen Mikroorganismen organische Stoffe ab und produzieren dabei Biogas, das aus Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2​) besteht.

a) Anaerobe Faulung

• Funktionsweise:

  • Organische Verbindungen werden durch verschiedene Mikroorganismen in mehreren Stufen abgebaut:
    1. Hydrolyse:
       • Polymere (z. B. Proteine, Fette, Kohlenhydrate) werden in kleinere Moleküle wie Aminosäuren, Fettsäuren und Zucker zerlegt.
    2. Acidogenese:
       • Umwandlung der Produkte der Hydrolyse in organische Säuren, Alkohol, Wasserstoff und Kohlendioxid.
    3. Acetogenese:
       • Bildung von Essigsäure (CH3COOH) als Vorstufe zur Methanbildung.
    4. Methanogenese:
       • Methanogene Mikroorganismen produzieren Methan (CH4​) und Kohlendioxid aus Essigsäure oder Wasserstoff.
  • Typischer Methangehalt im Biogas: 50–70 %.

b) UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

• Funktionsweise:
  • Schwarzwasser wird von unten in den Reaktor gepumpt und durch eine granuläre Schlammdecke geleitet.
  • Die Mikroorganismen in der Schlammdecke bauen organische Stoffe ab und produzieren Biogas.
• Vorteile:
  • Effiziente Behandlung von Schwarzwasser mit hoher organischer Belastung.
  • Hohe Biogasproduktion und geringer Platzbedarf.

Energiegewinnung

• Das erzeugte Biogas kann direkt in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verbrannt werden, um Strom und Wärme zu erzeugen.
• Dezentrale Nutzung:
• Schwarzwasser aus Stadtvierteln oder Wohnsiedlungen kann in kleinen anaeroben Faulungsanlagen behandelt werden.
• Das erzeugte Biogas wird genutzt, um lokal Strom- und Wärmebedarfe zu decken, wodurch eine autarke Energieversorgung möglich ist.

Ressourceneffizienz:

• Energiepositiver Betrieb: Der Energiegewinn aus dem Biogas übersteigt oft den Energiebedarf der Anlage.
• Klimaschutz: Methan, das direkt aus Fäkalien freigesetzt würde, wird kontrolliert genutzt, was die Treibhausgasemissionen reduziert.