Landwirtschaft mit Abwasser? Hydroponik-Systeme mit biointelligenter Sensorik und Steuerung machen es möglich

Eine ressourcenschonende Landwirtschaft mit einer sinnvollen Abwasserverwertung verbinden – dank Hydroponik wird das möglich. Die innovative Anbauform kommt gänzlich ohne Boden aus. Die Nährstoffe, die Pflanzen zum Wachsen benötigen, werden komplett über das Wasser zugeführt. Dafür lässt sich auch gebrauchtes Wasser verwenden. Eine wichtige Rolle spielt dabei eine biointelligente Sensorik und Steuerungstechnik, mit der Wasserqualität und Pflanzenwachstum kontrolliert werden – für eine optimale Nährstoffverteilung und zum Schutz vor möglichen Schadstoffen.

Heutzutage entfallen rund 70 Prozent des weltweiten Wasserverbrauchs auf landwirtschaftliche Aktivitäten. Dabei sind zunehmende Trockenheit und abnehmende Bodenqualität die größten Herausforderungen der Landwirtschaft. Der voranschreitende Klimawandel verschärft diese Trends und somit auch den Bedarf an Wasser. Noch denkt man beim Wort »Dürre« zuerst an gelegentliche Katastrophen in weit entfernten Regionen, doch auch in Deutschland ist das Problem bereits deutlich spürbar. Die Trockenperioden der letzten Jahre, vor allem die Rekordsommer 2018 und 2019 haben zu erheblichen Einbußen in der deutschen Landwirtschaft geführt. So stiegen beispielsweise die Preise für Kartoffeln 2019 auf ein Rekordniveau an. Um zukünftige Konflikte zwischen den Ansprüchen von Landwirtschaft, Industrie, Versorgung und Umwelt vorzubeugen, bedarf es neuer Ansätze. Am Fraunhofer IGB arbeiten wir daher an Lösungen, die sich diesen Herausforderungen annehmen: zum Beispiel durch die Nutzung von aufbereitetem Abwasser für eine bodenschonende Landwirtschaft.

Hydroponik: Intelligente Wasserverwertung und bodenschonender Pflanzenanbau

Eine dieser Lösungen heißt Hydroponik. Gemeint ist eine landwirtschaftliche Anbautechnik, die komplett ohne Bodensubstrat und mit weniger Wasser auskommt. Das Grundprinzip kennt jeder, der schon einmal einen Setzling von einer Zimmerpflanze gezogen hat: Der Spross wird nicht direkt in Erde gepflanzt, sondern zunächst in einer Vase oder einem Glas voll Wasser gestellt, bis er darin Wurzeln treibt. In hydroponischen Anbausystemen wachsen Pflanzen also in Behältern, die durch ein Verteilungssystem regelmäßig mit Wasser und den darin enthaltenen Nährstoffen versorgt werden. Ein Bodensubstrat wird überhaupt nicht benötigt. Diese Form des Pflanzenbaus ist sehr produktiv und kommt mit weniger Platz, Dünger und Pestiziden aus. Durch die Unabhängigkeit vom Boden werden auch weitere innovative Anbauformen möglich, wie z. B. das Vertical Farming. Durch das geschlossene System, bei dem weniger Wasser verdunstet und keine Versickerung stattfindet, sind Wassereinsparungen von bis zu 90 Prozent möglich. Wenn man nun anstelle von Frischwasser aufgereinigtes Abwasser verwendet, also Wasser, das bereits einer Verwendung zukam und entsprechend behandelt wurde, erhöht man die Wassereffizienz sogar noch weiter.

Im Rahmen eines Projektvorhabens haben wir gemeinsam mit weiteren Forschungspartnern eine Reihe von Technologien und Verfahren bereits im Versuchsmaßstab erprobt, um die kommunale Abwasserentsorgung mit landwirtschaftlicher Wiederverwertung des Wassers zu kombinieren. Dabei kamen unterschiedliche Verfahrenskombinationen zum Einsatz, bestehend aus biologischen Aufbereitungsprozessen sowie Filtrations- und Oxidationsverfahren. Die meisten Kombinationen führten zu einer deutlichen Reduktion von Schadstoffen und Pathogenen, sodass die angebauten Salate hygienisch mit den Salaten aus dem Handel mithalten konnten.

Das Ziel ist es, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen: Den Partnergemeinden eine sinnvolle Nutzung ihres Abwassers zu bieten und Landwirten einen ressourcenschonenden Pflanzenanbau mit erhöhter Produktivität zu ermöglichen. Die zentrale Herausforderung bestand dabei weniger im Aufbau einer entsprechenden hydroponischen Anlage, sondern in deren Verbindung mit der kommunalen Abwasserinfrastruktur und dem laufenden Betrieb. Letzterer erfordert schließlich eine adaptive und präzise Steuerung.

Biointelligente Sensor- und Steuerungstechnik: Selbstlernende Prozessoren imitieren Gehirn

Die Aufgaben gehen also weit über die Wasserverteilung und Wasseraufbereitung hinaus. Die eigentliche Anforderung ist, für eine gleichbleibend gute Wasserqualität und für eine optimale Verteilung der enthaltenen Nährstoffe zu sorgen. Gleichzeitig muss aber auch sichergestellt werden, dass in der zuvor erfolgten Aufbereitung des Wassers jegliche Schadstoffe oder Krankheitserreger entfernt werden, die sich möglicherweise in den angebauten Pflanzen ablagern und somit gesundheitsschädlich sein könnten. Dafür wird in einem der Freilandversuche eine Kombination aus einem Oxidationsverfahren und einem neuartigen Aktivkohle-Biofilter erprobt. Der dabei produzierte Salat ist dabei genauso hygienisch wie Salat aus dem Supermarkt.

Damit das auch so bleibt, muss die Wasserqualität bzw. müssen die enthaltenen Stoffe permanent kontrolliert werden. Das erfordert eine ausgefeilte biointelligente Sensorik und Steuerungstechnik. Bei deren Entwicklung und Etablierung ist es für uns besonders herausfordernd, die teilweise gegensätzlichen Zielstellungen miteinander in Einklang zu bringen. Also einerseits die Nährstoffversorgung der Pflanzen sicherzustellen und andererseits die behördlichen Auflagen für die Nährstoffelimination im Zuge der Abwasserreinigung einzuhalten. Zudem müssen betriebliche Störungen der Wasseraufbereitungsprozesse vermieden werden, die zu erhöhten Risiken bei der Verwendung des aufbereiteten Wassers führen könnten − etwa durch pathogene Keime.

Die technische Umsetzung von so komplexen und variierenden Anforderungen ist nur mithilfe leistungsstarker, intelligenter Steuerung der einzelnen Systemelemente möglich. Dazu werden künstliche Neuronale Netze genutzt, mit welchen die riesigen Mengen an Daten sinnvoll aufbereitet und analysiert werden können, um Muster in den Prozessen zu identifizieren. Diese Elemente sind dabei selbstlernend und imitieren unser Gehirn. Auf der Grundlage von Messdaten können sie das Gesamtsystem optimieren und die Steuergrößen der Abwasseraufbereitungsanlagen automatisch anpassen.

Für diesen Zweck ist es notwendig, dass die physische Infrastruktur der hydroponischen Anlage nicht nur eine Datenerfassung ermöglicht, sondern diese im System kommunizieren kann und Rückkopplungen ermöglicht. Die Grundlage dafür bilden Sensoren für die Überwachung kritischer Wasserqualitätsparameter an verschiedenen Stellen des Gesamtsystems. Diese liefern hochaufgelöste Daten an einen Server, der als Schnittstelle zwischen der Datenaufnahme und -verarbeitung fungiert. Die im Projekt konzeptionierte selbstlernende Steuerung optimiert so anhand Neuronaler Netze die Prozesse zur Abwasseraufbereitung sowie zum Pflanzenanbau.

Kombination aus Hydroponik und Abwasserverwertung: Auch die Wirtschaftlichkeit entscheidet über Nachhaltigkeit

Eine lokale Wasseraufbereitung und Nährstoffnutzung hat auch eine ökonomische Dimension. Beispielsweise in Regionen, in denen die Abwassersammlung und -aufbereitung noch nicht weitergehenden Anforderungen − wie etwa der Entfernung von Nährstoffen − gerecht werden kann. Diese Regionen müssten perspektivisch eine wirksame Abwasseraufbereitung implementieren oder einen Anschluss an eine bestehende Kläranlage herstellen. In beiden Szenarien erfordern erhebliche bauliche und finanzielle Ressourcen. Lassen sich die Nährstoffe im Abwasser jedoch ausreichend durch die Düngung der Pflanzen im hydroponischen Gewächshaus eliminieren, könnte sich das auch wirtschaftlich für die Beteiligten lohnen: Einerseits durch die Einsparung der Kosten für den Bau einer Kläranlage bzw. den Ausbau der Kanalisation und andererseits durch die Erschließung einer neuen Einkommensquelle durch die landwirtschaftliche Nutzung, die im Gewächshaus sogar ganzjährig möglich ist.

Die bisherigen Erkenntnisse und Einschätzungen der wissenschaftlichen, behördlichen und wirtschaftlichen Projektpartner deuten darauf hin, dass die Kombination von Hydroponik und Abwasserrecycling ein zukunftsfähiges Konzept mit großem Potenzial ist. Denn die beschriebene Kombination von Abwasserverwertung und Agrarwirtschaft bedeutet eine Win-win-Situation für Landwirtschaft und Abwasserbetriebe.

Die Aussichten für die Anwendung sehen wir äußerst positiv, weil viele Kläranlagen derzeit ohnehin umstrukturieren, weil sie zum Beispiel eine vierte Reinigungsstufe für Spurenstoffe einführen oder aus anderen Gründen einen Umbau ihrer Wasserinfrastruktur vornehmen müssen. Gleichzeitig verstärkt sich durch den Klimawandel auch hierzulande das Problem der Wasserknappheit, was die Landwirtschaft vor weitere Herausforderungen stellt. Aufbereitetes Abwasser kann eine wichtige Rolle bei der Bewältigung dieser Herausforderungen spielen. Dafür muss es aber sicher und (bio-)intelligent bewirtschaftet werden.

Marc Beckett ist Wissenschaftler am Fraunhofer IGB in Stuttgart. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Entwicklung und Implementierung nachhaltiger Wassermanagement- und Wassernutzungssysteme. Aktuell ist er an mehreren Forschungsprojekten zu nachhaltiger Wasser- und Kreislaufwirtschaft im südlichen Afrika und Indien beteiligt.

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