Innovative Lösungen für landwirtschaftliche Wasserwiederverwendung

Die Verfügbarkeit von Wasser wird weltweit zu einer immer größeren Herausforderung. Auch grundsätzlich wasserreiche Länder wie Deutschland verzeichnen zunehmend anhaltende Dürreperioden, die zu lokalem und regionalem Wassermangel führen. Die Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser kann einen entscheidenden Beitrag leisten, um die Wasserversorgung zu sichern. Besonders großes Potenzial besteht hierfür in der Landwirtschaft, die weltweit rund 70 Prozent der Trinkwasservorräte verbraucht. Um die Nutzung von aufbereitetem Wasser in der Landwirtschaft weiterzuentwickeln, sind in der aktuellen Förderrunde der deutsch-israelischen Wassertechnologie-Kooperation vier neue Forschungsprojekte gestartet. Sie untersuchen, wie Wasserwiederverwendung sicherer, effizienter und nachhaltiger gestaltet werden kann. Die Ergebnisse sollen nicht nur in diesen beiden Ländern genutzt werden, sondern sind auch für andere Staaten im Nahen und Mittleren Osten von zentraler Bedeutung: Sie gehören zu denen, die weltweit am meisten unter Wassermangel leiden.

In Israel wird aufbereitetes Abwasser bereits seit Jahrzehnten erfolgreich zur Bewässerung eingesetzt. Die Wiederverwendungsquote liegt bei nahezu 85 Prozent. Die Kooperationsprojekte profitieren somit von den großen Erfahrungen der israelischen Partner auf diesem Gebiet. Auch in Deutschland wächst das Interesse an alternativen Wasserressourcen. Bislang wird hierzulande zwar nur ein sehr geringer Anteil des entnommenen Wassers für die landwirtschaftliche Bewässerung eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Trockenheit in den letzten Jahren steigt jedoch regional das Interesse am Einsatz von aufbereitetem Abwasser, um Grundwasserreserven zu schonen.

Konstante Wasserqualität, intelligentes Nährstoffmanagement, umweltfreundliche Schadstoffentfernung und optimierte Wasserversickerung

Gereinigtes Abwasser kann je nach Herkunft und Aufbereitung immer noch verschiedene Verunreinigungen enthalten. Damit die Wiederverwendung unproblematisch ist für Mensch und Umwelt, muss es hohe und anwendungsspezifische Qualitätsanforderungen erfüllen. Für einen Einsatz in der Landwirtschaft muss das Bewässerungswasser vor allem hygienisch sicher sein. Um dies zu gewährleisten, untersucht das Kooperationsprojekt StaySafe, wie eine durchgehend hohe mikrobiologische Wasserqualität bei Transport und Speicherung von aufbereitetem Abwasser sichergestellt werden kann. 

Besonders herausfordernd sind hierbei schwankende Betriebsbedingungen: Während trockener Phasen wird viel Wasser benötigt, in Regenperioden verbleibt es hingegen oft lange im Verteilungssystem. Das kann das Wachstum von Krankheitserregern und antibiotikaresistenten Genen in Speichertanks begünstigen. StaySafe erforscht daher, wie man solche dynamischen Systeme effizient steuern kann – zum Beispiel durch digitale Zwillinge, die mit Simulationen Vorhersagen über die Wasserqualität treffen, oder durch angepasste Desinfektionsstrategien, die sich an den aktuellen Wasserbedarf anpassen.

Neben Krankheitserregern können auch zu hohe Nährstoffkonzentrationen im aufbereiteten Wasser problematisch sein. Stickstoff und Phosphor sind zwar essenziell für Pflanzen, können aber in zu großen Mengen Umweltprobleme verursachen. Im Projekt INNUWA entwickeln die Beteiligten ein intelligentes System zur Überwachung und Steuerung von Nährstoffen in gereinigtem Abwasser. Ziel ist es, die Effizienz der Wasser- und Nährstoffnutzung zu erhöhen und gleichzeitig die Umweltbelastung durch überschüssige Nährstoffe zu reduzieren. Mithilfe moderner Sensoren und künstlicher Intelligenz werden die Nährstoffgehalte des Bewässerungswassers präzise analysiert. Diese Daten fließen in ein Online-Entscheidungssystem ein. Es unterstützt Landwirte, den Wasser- und Düngemitteleinsatz optimal anzupassen. Das System wird in Deutschland und Israel unter realen Bedingungen getestet – sowohl in Hydrokulturen als auch in Freilandanbau.

Eine besonders große Herausforderung stellen organische Spurenstoffe im Abwasser dar, da sie nur sehr schwer und mit großem Aufwand entfernt werden können. Zur Gruppe dieser Stoffe zählen zum Beispiel Arzneimittelrückstände, Pestizide, Industriechemikalien und hormonaktive Substanzen. Diese Stoffe können selbst in geringen Konzentrationen langfristige Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben. Gegen solche Verunreinigungen wird häufig Aktivkohle eingesetzt. Sie besteht jedoch meist aus umweltschädlichen fossilen Rohstoffen wie Braunkohle oder aus teuer importierten Kokosnussschalen. Ihre Herstellung erfordert zudem viel Energie, ihre Aufnahmefähigkeit für Schadstoffe ist begrenzt und eine Wiederverwendung mit hohen Kosten verbunden. Das Projekt PaWAC entwickelt eine nachhaltige und kosteneffiziente Alternative: Aktivkohle aus nachwachsenden organischen Reststoffen. Verwendet werden zum Beispiel landwirtschaftliche Abfälle, Holzreste und Reststoffe aus der Lebensmittelproduktion. Diese ressourcenschonende Variante soll die Schadstoffe aus dem Abwasser ähnlich gut oder sogar noch besser als herkömmliche Aktivkohle herausfiltern und binden können.

Um mehr gereinigtes Abwasser für die landwirtschaftliche Bewässerung nutzbar zu machen, kann es in Grundwasserleiter versickert und dort gespeichert werden. Während dieses natürlichen Filtrationsprozesses werden noch vorhandene Mikroorganismen und Schadstoffe im Abwasser weiter reduziert. Das deutsch-israelische Team im Projekt DataSAT arbeitet daran, die Versickerung im Wasserrückgewinnungssystem Shafdan-SAT im Großraum Tel Aviv zu optimieren. Dabei kommen beispielweise maschinelles Lernen und digitale Modelle zum Einsatz, um die Versickerungskapazität vorherzusagen und das System automatisiert zu steuern. Die entwickelten Modelle und Simulationen wollen die Projektbeteiligten als Open-Source-Software veröffentlichen, sodass sie weltweit für ähnliche Wasserrückgewinnungssysteme genutzt werden können.