Menschen fragen, SUSKULT antwortet

Konventionelle Kläranlagen haben die Aufgabe, über mehrere Reinigungsstufen hinweg Abwasser so zu reinigen, dass es schadlos in Gewässer geleitet werden kann. Neben Orten der Abwasserreinigung werden Kläranlagen heute zunehmend auch als Quellen für wichtige Nährstoffe wie Phosphor, Stickstoff und Kalium für die landwirtschaftliche Produktion aufgefasst. Das Thema der Phosphorrückgewinnung aus Kläranlagen ist in Deutschland inzwischen rechtlich geregelt. Im Jahr 2017 hat die Bundesregierung die Klärschlammverordnung geändert und für Kläranlagen bestimmter Größe bestimmt, dass diese bis spätestens 2029 bzw. 2032 Phosphor zurückgewinnen müssen.

Derzeit ist die Erforschung und Entwicklung von speziellen Rückgewinnungsverfahren auf Kläranlagen in vollem Gange, wobei i.d.R. nur einzelne Nährstoffe, meist Phosphor, adressiert werden. Der SUSKULT-Ansatz verfolgt Verfahrenskombinationen zur Nährstoffrückgewinnung aller Hauptnährstoffe aus Abwasser für die Erzeugung von Flüssigdüngern, die den speziellen Bedürfnissen von Pflanzen beim Wachstum gerecht werden. Zu Beginn der Entwicklung unserer Verfahren der Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser standen wir vor der Herausforderung, die wertvollen Bestandteile – das Nützliche – in der Kläranlage zu identifizieren. In unserem Fall sind dies die drei Hauptnährstoffe Stickstoff, Phosphor und Kalium. Um die optimalen Stellen für die Rückgewinnung dieser Nährstoffe zu bestimmen, führten wir umfassende Analysen und Potenzialbewertungen an verschiedenen Kläranlagen durch. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten wir spezifische Aufbereitungsmethoden und führten Laborversuche an unterschiedlichen Standorten durch. Dabei stellte sich heraus, dass insbesondere das sogenannte Trübwasser, das nach der Entwässerung des Klärschlamms in kommunalen Kläranlagen entsteht, eine geeignete Quelle für die Gewinnung unseres flüssigen Düngers im SUSKULT-Verfahren darstellt.

Seit September 2022 ist unsere Pilotanlage am Klärwerk Emschermündung der Emschergenossenschaft in Dinslaken, Nordrhein-Westfalen, erfolgreich in Betrieb. Das Herzstück dieser Anlage ist ein innovatives Multibarrierensystem, das durch den Einsatz verschiedener biologischer und physikalischer Verfahren eine effektive Trennung von wertvollen Nährstoffen und schädlichen Stoffen gewährleistet. Unser aus dem Abwasser gewonnener Flüssigdünger wird in der Pilotanlage in der hydroponischen Kultivierung von Gemüse – das heißt erdlos und unter kontrollierten Bedingungen – eingesetzt.

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A. H. Hofmann, S. L. Liesegang, V. Keuter, D. Eticha, H. Steinmetz, V. T. Katayama (2024). Nutrient recovery from wastewater for hydroponic systems: A comparative analysis of fertilizer demand, recovery products, and supply potential of WWTPs. Journal of Environmental Management, 352, 119960, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119960

V. Keuter, S. Deck, H. Giesenkamp, D. Gonglach, V. T. Katayama, S. Liesegang, F. Petersen, S. Schwindenhammer, H. Steinmetz, A. Ulbrich (2021). Significance and Vision of Nutrient Recovery for Sustainable City Food Systems in Germany by 2050. Sustainability 2021, 13, 10772. https://doi.org/10.3390/su131910772 

Unser Verfahren zur Nährstoffrückgewinnung aus dem Abwasser wird intensiv von uns überwacht. Wir führen dazu regelmäßig Probennahmen durch und analysieren diese umfassend im Labor über alle Schritte der Aufbereitung hinweg. Besonders achten wir in unseren Laboranalysen auf die Konzentrationen von Schwermetallen und organischen Mikroschadstoffen wie Arzneimittelrückständen in der SUSKULT-Nährlösung. Es zeigt sich die Effizienz des SUSKULT-Verfahrens und dass unerwünschte Stoffe in der Nährstoffrückgewinnung effektiv entfernt werden.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir eine sehr hohe Eliminierungsrate (> 90 %) bei organischen Mikroschadstoffen erreichen und Schwermetalle mit einer ähnlich hohen Effizienz (durchschnittlich > 75 %) zurückhalten. Somit liegt der Schwermetallgehalt in unserem Dünger deutlich unter den gesetzlichen Grenzwerten, die in der Düngemittelverordnung für Schwermetalle festgelegt sind.

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P. Genz, T. Reemtsma (2022). Polar Micropollutants and Metals in Centrate from Dewatered Sewage Sludge Intended for Reuse in Soilless Horticulture. ACS ES&T Water, 2(12), 2548-2557. https://doi.org/10.1021/acsestwater.2c00345

Organische Mikroschadstoffe im Abwasser, zu denen Medikamentenrückstände zählen, sind ein bekanntes Problem, das sowohl in der politischen Diskussion als auch in Forschung und Entwicklung auf der Agenda steht. Medikamentenrückstände gelangen durch menschliche Ausscheidungen ins Abwasser, und eine unsachgemäße Entsorgung von Medikamenten in der Toilette verstärkt dieses Problem zusätzlich. Obwohl konventionelle Kläranlagen eine Abwasserreinigung durchführen, verbleiben Medikamentenrückstände, wenn auch in sehr geringen Konzentrationen im Mikro- und Nanogramm-pro-Liter-Bereich, im Wasser. Aus diesem Grund wird derzeit über weiterführende Maßnahmen wie die Aufrüstung von Kläranlagen um eine „Vierte Reinigungsstufe“ diskutiert, um eine gezielte Entfernung von organischen Mikroschadstoffen zu ermöglichen.

Die Rückstände von Medikamenten im Abwasser sind auch für das SUSKULT-Verfahren von Bedeutung, da sie potenziell schädlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sind. Wir überwachen diese Stoffe daher sorgfältig und konsequent. Unsere Forschung hat gezeigt, dass unsere Methode zur Rückgewinnung von Nährstoffen und die speziellen Verfahren zur Produktion des Flüssigdüngers, wie der Einsatz des Membranbioreaktors und der Elektrodialyse, Medikamentenrückstände effektiv beseitigen, was ein verantwortungsvolles Recycling von Nährstoffen aus Abwasser ermöglicht.

Ein konkretes Beispiel für die Effizienz unseres Verfahrens ist die Eliminierung des Schmerzmittels Diclofenac, das gegen Schmerzen und Entzündungen hilft. Typische Anwendungsgebiete sind Gelenkschmerzen infolge von Arthrose oder rheumatoider Arthritis sowie Zerrungen und Prellungen [Quelle: Gelbe Liste, Diclofenac – Anwendung, Wirkung, Nebenwirkungen | Gelbe Liste (gelbe-liste.de)]. Unsere Laboranalysen haben gezeigt, dass Diclofenac in unserem Verfahren zu nahezu 100 % eliminiert wurde. Die Analyse von Pflanzenproben, die mit dem Flüssigdünger gedüngt wurden, zeigte, dass in den Pflanzen keinerlei Rückstände des Wirkstoffs Diclofenac mehr nachweisbar waren. Dies bestätigt die Wirksamkeit unseres Verfahrens bei der Entfernung von Medikamentenrückständen.

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P. Genz, T. Reemtsma (2022). Polar Micropollutants and Metals in Centrate from Dewatered Sewage Sludge Intended for Reuse in Soilless Horticulture. ACS ES&T Water, 2(12), 2548-2557. https://doi.org/10.1021/acsestwater.2c00345

P. Genz, V.T. Katayama, T. Reemtsma (2023). Retention of Organic Micropollutants in Nutrient Recovery from Centrate by Electrodialysis─Influence of Feed pH and Current Density. ACS ES&T WaterArticle ASAP. https://doi.org/10.1021/acsestwater.3c00456

Einträge von Mikroplastik, das sind winzige Kunststoffpartikel, gelangen aus verschiedenen Quellen wie dem Abrieb von Reifen, der Freisetzung auf Baustellen, dem Abrieb von Textilien während des Waschens, Kosmetika oder der unsachgemäßen Entsorgung in Toiletten ins Abwasser. Im Klärprozess werden die meisten dieser Mikroplastikpartikel mit hoher Effizienz (> 95 %) entfernt und finden sich größtenteils im Klärschlamm wieder. In SUSKULT berücksichtigen wir Mikroplastik, aber es stellt für unser Verfahren der Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser kein Problem dar. Unsere Technologie ist darauf ausgelegt, während des Reinigungsprozesses auch Partikel in der Größe von Mikroplastik zu entfernen.

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J. Bertling, R. Bertling, L. Hartmann, T. Weber, M. Hiebel (2018). Kunststoffe in der Umwelt – Mikro- und Makroplastik – Quellen, Mengen, Ausbreitung, Wirkungen und Lösungsansätze. Kurzfassung der Konsortialstudie. Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT (Hrsg.). Oberhausen. Kunststoffe in der Umwelt: Mikro- und Makroplastik (fraunhofer.de)

Das Gemüse, das wir in SUSKULT anbauen, haben wir umfassend im Labor geprüft. Wir haben Standardkulturen aus dem Gemüsebau wie Salat, Mangold und Tomaten genutzt, um die Sicherheit und den Einfluss der SUSKULT-Nährlösung auf das Pflanzenwachstum zu testen. Bei der Analyse von organischen Verunreinigungen haben wir einen speziellen Risikobewertungsansatz angewendet, den „Threshold of Toxicological Concern“ (TTC), welcher von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) empfohlen wird. Unsere Ergebnisse zeigen, dass von dem mit SUSKULT-Nährlösung angebauten Gemüse keine gesundheitlichen Risiken für die Verbraucher ausgehen. In unserem SUSKULT-Mangold waren die Konzentrationen organischer Verunreinigungen so gering, dass eine erwachsene Person täglich mehr als 300 Kilogramm davon essen müsste, bevor eine nähere Untersuchung der Risiken gerechtfertigt wäre.

Zugleich ist es uns gelungen, in den hydroponischen Kultursystemen in SUSKULT besonders nährstoffreiche Pflanzen anzubauen, die einen besonders hohen Wert für die menschliche Ernährung haben. Dazu zählen Süßkartoffeln, die mehr wertgebende Inhaltsstoffe beinhalten als konventionelle Kartoffeln. Darüber hinaus bauen wir in SUSKULT auch bei Verbrauchern noch nicht so bekannte Pflanzen wie Wasserlinsen und Moringa an. Dieses Gemüse hat einen hohen Anteil an sekundären wertgebenden Inhaltstoffen und einen hohen ernährungsphysiologischen Mehrwert.

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F. Petersen, J. Demann, D. Restemeyer, H.-W. Olfs, H. Westendarp, K.-J. Appenroth, A. Ulbrich (2022). Influence of Light Intensity and Spectrum on Duckweed Growth and Proteins in a Small-Scale, Re-Circulating Indoor Vertical Farm. Plants, 11(8), 1010. https://doi.org/10.3390/plants11081010

A. Ulbrich, O. Oßenbrink (eds.) (2024). Urban AgriCulture. Solutions for a Sustainable Future. Clenze: Erling Verlag, https://www.erling-verlag.com/en/product/urban-agriculture/ (im Erscheinen)

Gemüse aus SUSKULT wird nicht nur den Geschmack von herkömmlichem Gemüse erreichen, sondern es könnte sogar intensiver und frischer schmecken und einen höheren Gehalt an wertvollen Inhaltsstoffen aufweisen.

Das liegt daran, dass für den Anbau die hydroponische Kultivierung zum Einsatz kommt. Charakteristisch für die Hydroponik ist, dass Pflanzen ohne Erde und unter Verwendung von Nährlösungen in einer kontrollierten Umgebung wachsen. Kernbestandteil der kontrollierten Umgebung ist, dass in der hydroponischen Kultivierung bestimmte Wachstumsbedingungen wie Wärme, Wasser, Licht und Nährstoffzufuhr gezielt gesteuert werden können. Dieses System ist deutlich ressourcensparender als der herkömmliche Feldanbau. Wasser und Nährstoffe können in einem kontinuierlichen und geschlossenen Kreislauf zu den Wurzeln der Pflanzen geführt werden. Dadurch können das Wachstum und der Nährstoffgehalt durch sehr zielgerichtete Düngung positiv beeinflusst werden. Durch sehr feine Anpassungen der Zusammensetzung des SUSKULT-Düngers kann die Menge wertvoller Inhaltsstoffe in den Endprodukten erhöht werden. Weil die hydroponische Kultivierung in SUSKULT unmittelbar vor Ort in der Stadt angesiedelt ist, entfallen zudem lange Transportwege. Das Gemüse kann reifer geerntet werden und gelangt frischer zu den Verbrauchern. Durch die gezielte Steuerung von Nährstoffen im hydroponischen System können zudem bestimmte Charakteristika von Pflanzen wie Bitterkeit reduziert werden. Schließlich kann durch die Saison- und Wetterunabhängigkeit der hydroponischen Kultivierung eine gleichbleibende Qualität über das ganze Jahr hinweg und für jede Ernte garantiert werden.

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F. Thoma, A. Somborn-Schulz, D. Schlehuber, V. Keuter and G. Deerberg (2020): Effects of Light on Secondary Metabolites in Selected Leafy Greens: A Review. Front. Plant Sci.11:497. DOI: 10.3389/fpls.2020.00497

R.R. Shamshiri, F. Kalantari, K.C. Ting, K.R. Thorp, I.A. Hameed, C.Weltzien, D. Ahmad, Z.M. Shad (2018). Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture. International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 11(1), 1-22. https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181101.3210

C. Kubota (2016). Chapter 10 – Growth, Development, Transpiration, and Translocation as Affected by Abiotic Environmental Factors, in T. Kozai, G. Niu, M. Takagaki (eds.): Plant Factory. An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production, 151-164. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801775-3.00010-X

Seit Beginn unseres Projekts haben wir großen Wert daraufgelegt, die Menschen aktiv einzubeziehen. In den ersten fünf Projektjahren haben wir bereits Rückmeldungen und Vorschläge von 1486 Personen gesammelt – durch Gespräche, Umfragen und Interviews. Diese Rückmeldungen sind äußerst wertvoll für uns, da sie direkt in unsere Arbeit einfließen und uns zeigen, was den Menschen wirklich wichtig ist. Besonders die Sicherheit von in SUSKULT erzeugten Lebensmitteln und die Nachhaltigkeit unseres Ansatzes stehen dabei im Fokus.

Im Juni 2023 waren wir mit einem Stand auf dem Umweltmarkt in Duisburg vertreten, wo wir direkt mit vielen Interessierten ins Gespräch kommen konnten. Dort präsentierten wir unsere Forschung und zeigten Exponate unserer Pflanzen und unseres Düngers, um unmittelbar zu erfahren, wie offen die Menschen gegenüber SUSKULT sind.

Diese direkten Gespräche sind äußerst wertvoll für uns, da sie uns helfen, unsere Forschung noch besser auf die Wünsche und Bedürfnisse der Menschen auszurichten. Beispielsweise nutzen wir das Feedback gezielt, um ein digitales Transparenzsystem – die SUSKULT-App – anwendungsorientiert weiterzuentwickeln. Damit möchten wir spezifisch auf die Informationsbedürfnisse der Menschen eingehen, sei es bezüglich der Sicherheit und Inhaltsstoffe von SUSKULT-Produkten oder der nachhaltigen Vorteile des SUSKULT-Ansatzes im Vergleich zur konventionellen Erzeugung. Die Ergebnisse unserer Umfragen zeigen zudem, dass die befragten Menschen mehrheitlich bereit wären, SUSKULT-Produkte in Zukunft zu konsumieren. Das bestärkt uns darin, unseren eingeschlagenen Weg weiterzugehen.

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Schwindenhammer, D. Gonglach, D. (2022). Abwasser von heute als Dünger von morgen? Partizipative Forschungsbefunde über Transparenzbedarfe und Verfahren unter der SUSKULT-Vision, in J. Reinermann, J.-H. Kamlage, N. de Vries, U. Goerke, B. Oertel, S.D. Schrey (Hrsg.): Zukünfte nachhaltiger Bioökonomie. Kommunikation und Partizipation in neuen Wirtschaftsformen. Bielefeld: transcript Verlag, 135-149.

Städtebaulich lagen Kläranlagen früher am Rand von Städten. Heute sind die Städte jedoch näher an die Kläranlagen herangerückt, mit Wohn- und Gewerbegebieten, sodass Kläranlagen nun zentraler in den Städten liegen. Damit sind sie nicht nur wichtige Knotenpunkte für die Abwasserentsorgung und -reinigung, sondern auch Zentren für die lokale und kreislaufbasierte Nährstoffrückgewinnung. Wenn Sie bereits in der Nähe einer Kläranlage wohnen, werden sich die Lärm- und Geruchsbelästigungen durch die Umwandlung einer konventionellen Kläranlage in ein NEWtrient®-Center nicht vergrößern. Allerdings gibt es in der Forschung und Entwicklung über die zukünftige Rolle und Funktion von Kläranlagen im urbanen Raum gerade sehr viel Bewegung. Wir gehen davon aus, dass es bis 2040/2050 keine Kläranlagen im herkömmlichen Sinne mehr geben wird. Vor allem die Rolle von Kläranlagen als wichtige Senke und Quelle für zentrale Ressourcen wie Nährstoffe, Wasser und Wärme wird zunehmend erkannt, und es werden Wege gesucht, diese in die urbane Zukunftsgestaltung einzubeziehen. Eine zukunftsorientierte Forschung und Entwicklung befasst sich daher damit, zu analysieren, wie Kläranlagen zukünftig von Entsorgungszentren zu Ressourcenzentren umgewandelt und in die Stadtgesellschaft integriert werden können, beispielsweise durch die Erschließung und neue Nutzung von hochwertigen Flächen um Kläranlagen herum. Man stelle sich vor, es gäbe in Zukunft Wochenmärkte an Kläranlagen, auf denen SUSKULT-Gemüse vor Ort gekauft werden kann.

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A.-K. Steines, M. Schulwitz, M. Haberland (2022). SUSKULT Szenariostudie. ILS Research gGmbH (hrsg.), Dortmund. https://doi.org/10.5281/zenodo.7049458

In der landwirtschaftlichen Produktion in Deutschland stehen wir heute vor der Herausforderung, dass die Auswirkungen des Klimawandels wie Dürre oder Extremwetterereignisse das Wachstum und letztendlich auch das Aussehen von Gemüse negativ beeinflussen. Die kontrollierten Bedingungen in der hydroponischen Kultivierung in SUSKULT ermöglichen eine größere Steuerung und Kontrolle von Wachstumsbedingungen (Licht, Wärme, Wasser- und Nährstoffzufuhr), die sich im Vergleich zur konventionellen Landwirtschaft bzw. dem Ökolandbau auch positiv auf das optische Erscheinungsbild des Gemüses auswirken können. Die Tatsache, dass SUSKULT-Gemüse keine langen Transportwege zum Verbraucher überstehen muss, reduziert zudem das Risiko von Druckstellen, die den Verkauf erschweren. In SUSKULT kann Gemüse “just on demand” produziert werden, wobei nur das angebaut wird, was tatsächlich konsumiert werden soll. Dadurch kann einer Überproduktion entgegengewirkt und die Lebensmittelverschwendung reduziert werden. Allerdings scheint in diesem Zusammenhang grundsätzlich geboten, dass sich Verbraucher von idealen Vorstellungen von Form und Farbe von Gemüse verabschieden.

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C. Nájera, V.M. Gallegos-Cedillo, M. Ros, J.A. Pascual (2023). Role of Spectrum-Light on Productivity, and Plant Quality over Vertical Farming Systems: Bibliometric Analysis. Horticulturae. 9(1), 63. https://doi.org/10.3390/horticulturae9010063

Bisher hat sich unsere Forschung und Entwicklung bei SUSKULT hauptsächlich auf das Ruhrgebiet und dort ansässige große Kläranlagen konzentriert. Diese Anlagen sind gesetzlich dazu verpflichtet, Phosphor gemäß der aktualisierten Klärschlammverordnung zurückzugewinnen. Der SUSKULT-Ansatz geht jedoch weit darüber hinaus. Zukünftig werden auch kleinere Kläranlagen ihr Potenzial zur Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser prüfen können. SUSKULT sieht sich hier als Ansprechpartner für fortschrittliche Kläranlagenbetreiber sowie für Akteure der Stadtentwicklung. In unserer Vision werden sich Kläranlagen der Zukunft als „NEWtrient®-Center“ deutschlandweit vernetzen, um die Rückgewinnung und den Handel mit Nährstoffen aus Abwasser zu fördern.