Forschungsfeld Wassertechnologie und Infrastruktur

Forschungsfeld Wassertechnologie und Infrastruktur (TECHNO)

Forschungslinie Neue Aufbereitungsverfahren für Trink- und Abwasser

Für die Nutzbarmachung von Wasser zum Trinken, Bewässern, Kühlen oder zur Produktion stehen natürliche, aber auch bereits verwendete oder verunreinigte Wässer als Ressource zur Verfügung. Je nach Verwendungszweck ist die Qualität der vorhandenen Wasserressource nicht immer ausreichend und das Wasser  muss entsprechend aufbereitet werden. Mit abnehmender Qualität der Ressource und mit steigenden Anforderungen an die Qualität des Nutzwassers wird die Aufbereitung zunehmend aufwändiger und teurer. Wachsender Nutzungsdruck bei der Verteilung und knapper werdende natürliche Wasserressourcen forcieren die Erschließung von stärker belasteten Ressourcen. Dies bedeutet, dass neue Aufbereitungsverfahren entwickelt oder vorhandene effizienter, effektiver und damit auch kostengünstiger werden müssen. Beispielhaft sei die Entfernung von unerwünschten Spurenstoffen oder algenbürtigen Substanzen für die Trinkwasseraufbereitung und die Entfernung von Schwermetallen, Salzen und Mikroorganismen bei der Wiederverwendung von behandeltem Kläranlagenablauf zur Bewässerung, industriellen Nutzung oder zur Grundwasseranreicherung genannt.

Gleichzeitig müssen natürliche Ressourcen geschützt und die Qualität der in die Gewässer eingeleiteten Wässer an ausgesuchten Stellen verbessert werden. Dies schließt die weitergehende Aufbereitung von Kläranlagenablauf ebenso ein, wie die von salzhaltigen Konzentraten oder von Überlaufwässern aus Regenentlastungsbecken.

Als besonders aussichtsreiche Aufbereitungsprozesse für die anstehenden Herausforderungen werden Adsorption, Oxidation, Flockung/Fällung, Membranfiltration sowie hybride Kombinationen aus den genannten Prozessen angesehen. Forschungsarbeiten am IWW konzentrieren sich daher auf die Weiterentwicklung der Selektivität und Effektivität der einzelnen Prozesse und die Ausnutzung möglicher Synergieeffekte von Prozesskombinationen. Diese Entwicklungen erfolgen unter den Maßgaben

  • Verringerung des Rohstoff- und Energieverbrauchs sowie des carbon footprint,
  • Verringerung des Anfalls von Abwasser und Abfall,
  • möglichst umweltfreundlich zu entsorgende Abfälle aus dem Aufbereitungsprozess.

Ein erhebliches Potenzial für neue Technologien wird in der innerstädtischen Wiederverwendung in dezentralen oder semi-zentralen Systemen gesehen, die Wasser in einer maßgeschneiderten Beschaffenheit und Menge zur Verfügung stellen können. In diesem Zusammenhang sollen nicht nur Abwässer aller Art sondern auch andere bislang untypische Wasserressourcen wie der Überlauf von Regenentlastungsbecken berücksichtigt werden, da dieser mit vergleichbar geringem Energieaufwand aufbereitet werden kann. Die entsprechenden Herausforderungen sind die Aufbereitung und Speicherung von größeren Rohwasser-Volumina in einer sehr kurzen Zeit.

In diesem Kontext werden auch neuere Ansätze zur Kreislaufwirtschaft (circular economy) sowie naturbasierte Lösungen (nature-based solutions) auf ihre Anwendungspotenziale hin überprüft.

Aktuelle Forschungsvorhaben

Neue Technologien und Verfahren für einen zukunftsfähigen Netzbetrieb

Hauptaufgaben für Wasserversorgungsunternehmen sind der effiziente Betrieb und die nachhaltige Instandhaltung der Wasserversorgungsnetze im Kontext einer zukunftsfähigen Wasserversorgung. Zur dauerhaften Gewährleistung einer angemessenen Versorgungsqualität unter sich ändernden Rahmenbedingungen werden hohe Anforderungen an den Netzzustand (lange Nutzungsdauer, niedrige Schadens- und Leckageraten) sowie die dazu erforderliche Organisation, Planung und Umsetzung gestellt. Hieraus leitet sich Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf dem Gebiet neuartiger Zustandsbewertungsmethoden (technisch, ökonomisch), aber auch Techniken zur Korrosionsprävention ab (Wasseraufbereitung, Korrosionsmonitoring auf Netzebene). In enger Zusammenarbeit mit Inspektionsfirmen und Prüfinstituten entwickelt IWW zerstörungsfreie Prüftechniken und intelligente Bewertungsmethoden, um die meist nicht zugänglichen Leitungsnetze für den Netzbetrieb transparent, messbar und steuerbar zu machen. Neben der Zustandsbewertung der Netze sind Methoden zur Wasserverlustmessung und -reduzierung wichtige Grundlagen einer nachhaltigen Instandhaltung. Hierfür sind z.B. anwendungsfreundliche und präzise Detektionstechniken für Wasserverluste weiter zu entwickeln (wie Online-Echtzeit-Leckageüberwachung).

Als Grundlage zur Erstellung von Instandhaltungsstrategien entwickelt IWW praxiserprobte Ansätze, welche die Ergebnisse aus Zustandsbewertungen, Leitungsinspektionen, Werkstoffprüfungen und Wasserverlustmessungen berücksichtigen (z.B. risikobasierte Instandhaltungsstrategien).

Gemeinsam mit Versorgungsunternehmen, Forschungspartnern, aber auch in internationalen Konsortien erarbeitet IWW konkrete Planungs- und Umsetzungsmethoden, um den Netzbetrieb auf künftige Herausforderungen (z.B. Klimawandel, demographischer Wandel, steigende Sicherheitsanforderungen) vorzubereiten. Dabei werden auch Ergebnisse und Methoden neuer und zukunftsfähiger Disziplinen wie Augmented Reality und Deep Learning einbezogen

Aktuelle Forschungsvorhaben

Korrosionsverhalten von Werkstoffen

In wasserführenden Anlagen können komplexe korrosionschemische Vorgänge ablaufen und zu einer nicht zulässigen Beeinträchtigung der Trinkwasserbeschaffenheit und Schäden an den Anlagen führen. Die Auswahl der passenden Werkstoffe und Anlagenkonzeption setzt neben der Einhaltung der Trinkwasserverordnung und der WHO-Leitwerte profundes Wissen über die Korrosionsvorgänge voraus. IWW forscht mit seinen Experten für ein besseres Verständnis der Korrosionsmechanismen und an verbesserten Untersuchungsmethoden – wie etwa belastbaren Prognosemethoden für Abtragungsraten. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, die Nutzungsdauer und Sicherheit wasserführender Anlagen im Bestand aber auch bei Neubau zu erhöhen.

Insbesondere die Entwicklung auf dem Rohstoffmarkt (Verfügbarkeit und Kosten der Rohstoffe) führt dazu, dass verstärkt nach Alternativen für herkömmliche Werkstoffe gesucht wird, die mindestens eine Gleichwertigkeit im Korrosionsverhalten  aufweisen sollen. Häufig fehlen hierfür geeignete Prüf- und Bewertungsverfahren. Daher bildet ein Schwerpunkt dieser IWW-Forschungslinie die Modifizierung oder Neuentwicklung von Prüfverfahren sowohl für trinkwassergeeignete als auch für in industriellen Wassersystemen eingesetzte Werkstoffe.

Der Schwerpunkt Kühl- und Heizwassersysteme fokussiert insbesondere auf die Frage der Zuverlässigkeit von Anlagen (Vermeidung von Ausfallzeiten durch strategische Korrosionsschutz- und Instandhaltungskonzepte, Nachweis der Nachhaltigkeit von Korrosionsschutz- und Wasserbehandlungskonzepten durch angepasstes Monitoring) und die Effizienz des Anlagenbetriebs bei ausreichendem Schutzniveau.

Digitalisierung der wasserwirtschaftlichen Infrastruktur

Die Digitalisierung der Wasserversorgung ist eines der großen Entwicklungsfelder, die getrieben werden von den enorm erweiterten Möglichkeiten der dezentralen Datenaufnahme, der Übermittlung von großen Datenmengen und Vernetzung dezentraler Informationen, deren automatisierter Analyse sowie Visualisierung, Simulation und Optimierung von Szenarien. Diese Themen haben ein hohes Innovationspotenzial für alle Prozesse der Wasserversorgung. Die enorm gestiegene Leistungsfähigkeit der Datenverarbeitung bietet dabei die Möglichkeit, große Datenmengen schnell auszuwerten und die Ergebnisse für die Entscheidungsprozesse nahezu in Echtzeit sinnvoll zu nutzen. Hier liegt ein großes Potenzial zur Verbesserung der Wasserversorgung durch erhöhte Wirtschaftlichkeit und höhere Flexibilität, zu dessen Erschließung unterstützende und anwendungsnahe Forschung und Entwicklung notwendig ist.

Forschungsthemen sind die Entwicklung von Sensoren zur Erfassung von System- und Qualitätsparametern in Wasserversorgungssystemen, die Erforschung von realen und virtuellen Sensornetzen unter Nutzung neuer Methoden der Messwertaufnahme und mit dem Einsatz von Simulationsmodellen, die Steuerung von Anlagen und Aggregaten durch Nutzung der gewonnenen Daten sowie die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungs- und Optimierungsmodellen auf der Basis von großen Datenmengen („Big Data“). Zur Beförderung von Digitalisierungsansätzen sind nutzerfreundliche Visualisierungs- und Bedienungswerkzeuge zu entwickeln. Die Möglichkeiten der Digitalisierung für die Datennutzung zwischen Wasserversorgungsunternehmen (Plattformen) sowie zur verbesserten Kommunikation zwischen Wasserversorgung und Gesellschaft sind zu entwickeln.