Carlo Gottardo Morandi

• Der Klimawandel erfordert den Ausbau urbaner blau-grüner Infrastrukturen, was jedoch mit einem erheblichen Mehrbedarf an Wasser einhergeht. Zentrale Abwasserinfrastrukturen genügen nicht den Ansprüchen der Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Daher ist ein neuer Umgang mit Wasser im städtischen Kontext notwendig. Die getrennte Erfassung von schwach belastetem Grauwasser aus Duschen und Handwaschbecken bietet eine nahezu kontinuierliche, wenig verschmutzte Wasserressource zur Wiederverwendung. Naturnahe Verfahren wie Bodenfilter können zur Grauwasseraufbereitung eingesetzt werden; der hohe Flächenbedarf beschränkte jedoch bisher den Einsatz in dicht besiedelten Gebieten. In dieser Arbeit werden technologiebasierte und konzeptionelle Ansätze vorgestellt. Dabei wurden acht vertikal durchströmte Bodenfilter zur nutzungsorientierten Grauwasseraufbereitung im kleintechnischen und Pilotmaßstab untersucht und zusätzlich ein Excel-basiertes Instrument entwickelt, das die Auswirkungen der Grauwasserseparation auf konventionelle zentrale Kläranlagen bewertet. Die Ergebnisse zeigen schwankende Zusammensetzungen und Mengen von Grauwasser. Aufgrund begrenzter Datenverfügbarkeit in der Fachliteratur wird empfohlen, die hier ermittelten 85-Perzentilwerte von 13 g CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) pro Einwohner (E) und Tag sowie 55 L/(E·d) für die Bemessung von Anlagen zur Behandlung von gesiebtem, schwach belastetem Grauwasser heranzuziehen. Die ermittelten Stickstofffrachten und -konzentrationen waren aufgrund von Urinkontamination um 60 – 130 % höher als bisher angenommen, während die Phosphorkonzentrationen gesetzlich bedingt um ca. 60 % niedriger lagen. Alle Vertikalfilter wiesen im Ablauf meist < 2,0 mg/l abfiltrierbare Stoffe (AFS) bzw. < 10 mg/l CSB auf (also Eliminationen von überwiegend > 98 % AFS bzw. > 97 % CSB). Der aufgeständerte Rheinsandfilter zeigte bei < 12°C eine eingeschränkte Nitrifikation, während der Lavasandfilter bei > 5°C vollständig nitrifizierte. Die Vertikalfilter entfernten bis zu 50 – 70 % Stickstoff bei Drainageeinstau und Nitratrückführung. Der Lavasandfilter hielt Phosphor weitestgehend zurück. Die Reduktion von Escherichia coli, Enterokokken und Gesamtcoliformen betrug > 3 log-Stufen, während organische Spurenstoffe meist zu > 85 % entfernt wurden. Durch gezielte Anpassungen im Aufbau und Betrieb wurden für verschiedene Nutzungszwecke (Bewässerung, Versickerung und Toilettenspülung) geeignete Qualitäten erreicht. Der erforderliche Flächenbedarf für Bodenfilter zur Behandlung von schwach belastetem Grauwasser wurde zu 0,4 m2/E bestimmt (bezogen auf 85-Perzentilwerte). Dem liegen eine CSB-Flächenbelastung von 32 g/(m2·d) und eine hydraulische Flächenbelastung von 130 L/(m2·d) zugrunde. Die Anwendung von Lavasandfiltern in aufgeständerter Bauweise erwies sich als praxistauglich. Damit wird die Ausweitung des Bodenfilterverfahrens auf den urbanen Raum gefördert. Die Bilanzierungen zeigen, dass die Abtrennung von bis zu 17 % des an die Kläranlage angeschlossenen Grauwassers förderlich für den Kläranlagenbetrieb ist. Bei höheren Abtrennungsraten könnte jedoch eine Stickstoffrückgewinnung/-entfernung aus stickstoffreichen Schlammströmen erforderlich werden. Die Trennung bzw. dezentrale Aufbereitung von Grauwasser hat Vorteile wie Verdunstungskühlung und Wasserwiederverwendung und unterstützt zentral die Transition zu ressourcenorientierten Sanitärsystemen. Insgesamt können betrieblich und baulich angepasste Bodenfilter eine wichtige Rolle in dieser Umstellung spielen und einen deutlichen Beitrag zum nachhaltigen Umgang mit Wasser im städtischen Bereich leisten.
• Climate change requires the strengthening of urban blue-green infrastructure, which, however, is associated with a significant increase in water demand. Concurrently, centralized wastewater infrastructures are inadequate to meet the criteria for resource efficiency and sustainability, as mixed wastewater discharge persists. Therefore, a new approach to water management is imperative in urban contexts. Source-separation of light greywater, such as from showers and hand wash basins, provides a nearly permanent, low-polluted water resource for reuse. Nature-based solutions like constructed wetlands can be employed for greywater treatment; however, the substantial area requirements have so far limited their implementation in highly urbanized areas. This study presents technology-based and conceptual approaches, involving the investigation of eight vertical-flow constructed wetlands for on-demand greywater treatment at small and pilot scales. Additionally, an Excel-based tool was developed to assess the impact of greywater separation on the operation of conventional wastewater treatment plants (WWTP). The findings reveal varying compositions and volumes of the investigated greywater. Due to limited data availability in existing literature, it is recommended to utilize the 85th percentiles derived from this study for the design of constructed wetlands treating light greywater, amounting to 13 g COD (chemical oxygen demand) per person (P) and day and 55 L/(P·d). Total nitrogen loads and concentrations were 60 – 130% higher than previously assumed due to urine contamination, while total phosphorus concentrations were about 60% lower due to legal regulations. In all wetland systems investigated, the effluent showed < 2.0 mg/L of total suspended solids and < 10 mg/L of COD, corresponding to eliminations mostly > 98% and > 97%, respectively. The elevated Rhine sand wetland showed limited nitrification at < 12°C, while the lava sand wetland showed complete nitrification at > 5°C. The investigated wetlands removed up to 50 – 70% of nitrogen by impounding the drainage layer and returning nitrate-rich effluent to the wetland surface. The lava sand wetland retained phosphorus extensively. Reduction of Escherichia coli, Enterococci, and total coliforms exceeded > 3 log levels, while organic micropollutants were predominantly removed by > 85%. Through adjustments in design and operation, suitable qualities were achieved for different reuses (irrigation, infiltration, and toilet flushing). The necessary surface area requirement for constructed wetlands treating light greywater was determined to be 0.4 m²/P (based on 85th percentile values). This value is derived from a COD surface load of 32 g/(m²·d) and a hydraulic surface load of 130 L/(m²·d). The deployment of elevated lava sand wetlands proved to be viable in practice. Overall, these findings promote the expansion of constructed wetlands to urbanized areas. Mass and volume flow balances indicate that the separation of up to 17% of the greywater connected to the WWTP benefits its operation. However, at higher separation rates, TN recovery/removal from nitrogen-rich sludge streams may be required. The separation/decentralized treatment of greywater offers manifold advantages such as evaporation cooling and water reuse, and significantly supports the transition towards resource-oriented sanitation systems. Adapted constructed wetlands can play an important role in this transformation process and can significantly contribute to a more sustainable water management in urban areas.