Da die weltweiten Wasserressourcen immer knapper werden, ist die Entwicklung und Nutzung nichtkonventioneller Wasserquellen zu einer Schlüsselrichtung für die nachhaltige Stadtentwicklung geworden. Häusliches Abwasser kann je nach Verschmutzungsgrad in Schwarzwasser und Grauwasser eingeteilt werden. Unter Schwarzwasser versteht man durch Fäkalien verunreinigtes Abwasser, während Grauwasser aus Duschen, Waschbecken, Waschmaschinen und Badewannen stammt [1]. Grauwasser enthält typischerweise nur 30–50 % der gesamten organischen Stoffe und 9–20 % der Haushaltsnährstoffe aus häuslichem Abwasser, wobei der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB₅) etwa 40–70 mg/L und der Schwebstoff (SS) etwa 30–50 mg/L beträgt. Obwohl Grauwasser einige organische Stoffe, Öle, Reinigungsmittel und Mikroorganismen enthält, ist seine Schadstoffbelastung deutlich geringer als die von Schwarzwasser (Toilettenabwasser). Bei entsprechender Behandlung kann es für nicht trinkbare Zwecke wie Toilettenspülung und Landschaftsbewässerung wiederverwendet werden [2]. Studien zeigen, dass in der Europäischen Union (EU) und in Ländern mit hohem Einkommen Grauwasser bis zu 75 % der häuslichen Abwassereinleitung ausmacht; In Ländern mit niedrigem Einkommen beträgt der durchschnittliche tägliche Grauwasserausstoß pro Haushalt 75–90 l [3]. Aufgrund seines stabilen Volumens und seiner guten Recyclingfähigkeit gilt Haushaltsgrauwasser als vielversprechende aufbereitete Wasserressource.
I. Globale praktische Anwendungen der Grauwasserwiederverwendung
Durch die Wiederverwendung von Grauwasser können große Mengen Abwasser in wertvolle Wasserressourcen umgewandelt werden. Während die Wiederverwendung in Industrieländern relativ häufig vorkommt, haben nur wenige Entwicklungsländer damit begonnen, Grauwasserrückgewinnungstechnologien einzuführen, um den Druck bei der Süßwasserversorgung zu verringern. Zu den Ländern, die die Grauwasserforschung und -wiederverwendung unterstützen, gehören das Vereinigte Königreich, die Vereinigten Staaten, Kanada, Japan, Deutschland, Israel, Schweden und Australien. Die Vereinigten Staaten haben entsprechende Richtlinien herausgegeben, während Spanien, Australien und andere Gesetze erlassen haben, die die Wiederverwendung von Grauwasser unter bestimmten Bedingungen erlauben.
Kalifornien war der erste US-Bundesstaat, der die Wiederverwendung von Grauwasser genehmigte [22], und Arizona bietet Einwohnern bis zu 1.200 US-Dollar an Subventionen für die Grauwassernutzung [26]. In Deutschland bevorzugen Wohnsysteme tendenziell die Regenwassernutzung gegenüber der Grauwasserrückgewinnung [27]. In Tokio sind Gebäude mit einer Grundfläche von mehr als 30.000 m² oder einem potenziellen Wiederverwendungsvolumen von 100 m³/Tag für die Umsetzung der Grauwasserrückgewinnung erforderlich. Singapur und Namibia ergänzen die Trinkwasserversorgung durch aufbereitetes Grauwasser, um Süßwasserknappheit zu beheben [28]. In Ländern wie dem Vereinigten Königreich ist die Akzeptanz der Wiederverwendung von Grauwasser in Wohngebieten hoch [29]. In Sant Cugat del Vallès, Spanien, haben über 5.000 Haushalte Grauwasser-Wiederverwendungssysteme installiert, und auch andere Kommunen in Katalonien beteiligen sich zunehmend an lokalen und regionalen Regenwasser- und Grauwasserrückgewinnungsprojekten [30]. Sydney, Australien, hat verschiedene Richtlinien erstellt und Richtlinien zur Grauwasserspeicherung umgesetzt; Der Stadtrat von Brisbane hat die Rückgewinnung von Grauwasser in Haushalten erfolgreich erreicht und Standard-Grauwasseraufbereitungssysteme oder Umleitungsgeräte für Anwendungen wie Toilettenspülung und Gartenbewässerung auf der Grundlage von Grauwassereigenschaften und Aufbereitungsniveaus genehmigt [31]. Israel sammelt Grauwasser auf verschiedene Weise und verwendet UV- oder Chlordesinfektion, wobei aufbereitetes Grauwasser zur Gartenbewässerung und Toilettenreinigung verwendet wird [32]. In China hat Peking eine Abwasserwiederverwendungsrate von 60 % erreicht und ist damit die erfolgreichste Region des Landes für die Abwasserwiederverwendung. Allerdings liegen die Abwasserwiederverwendungsraten in 65 % der chinesischen Regionen weiterhin unter 8,8 % [33].
II. Konventionelle Grauwasseraufbereitungssysteme und Anwendungsschemata
Grauwasseraufbereitungssysteme lassen sich hauptsächlich in drei Kategorien einteilen: physikalische, chemische und biologische [4].
1. Physikalische Behandlungssysteme
Zu den gängigen physikalischen Methoden gehören Grobsandfiltration, Sedimentation und Membrantrennung. Herkömmliche physikalische Prozesse reinigen Wasser hauptsächlich durch: (1) physikalische Partikelfiltration; (2) chemische Adsorption von Schadstoffen auf Bodenoberflächen; (3) Adsorption durch aerobe Mikroorganismen, die Nährstoffe aus dem Abwasser absorbieren. Oron et al. [5] verwendeten ein dezentrales Gerät zur Grauwasseraufbereitung, das Sandfiltration und Elektrolyse in privaten Rasenflächen in Israel kombinierte, und stellten fest, dass der organische Gehalt im aufbereiteten Wasser leicht anstieg. Al-Mughalles et al. [6] kombinierten einen Granulat-Aktivkohle-Reaktor (GAC) mit einem Sandfilter, um Grauwasser aus einer Moschee in Sana'a aufzubereiten und erreichten eine CSB-Entfernungsrate von 65 %. Sandfilter leisten im Allgemeinen eine gute Leistung bei der Reduzierung der Trübung und des biochemischen Sauerstoffbedarfs, sind jedoch unzureichend für die Entfernung von organischen Stoffen, Nährstoffen, Krankheitserregern und Tensiden, die durch die Poren poröser Medien gelangen, was zu einer begrenzten allgemeinen Verbesserung der Wasserqualität führt [7-10].
2. Chemische Behandlungssysteme
Zu den berichteten chemischen Methoden gehören Fällung, elektromagnetische Harzionisierung, katalytischer Abbau, Aktivierung körniger Aktivkohle, elektrodenverstärktes Ultraviolett und Elektrolyse. Forscher untersuchten Niederschlag und elektromagnetische Harzionisierung auf Grauwasser aus Studentenwohnheimen der Cranfield University, Großbritannien, und erzielten hohe organische Entfernungsraten, erfüllten jedoch bestimmte nationale Standards für die Wiederverwendung von Grauwasser nicht [11]. Ein Hotel in Spanien kombinierte Fällung, Filterung und Hypochlorit-Desinfektion für ein Grauwasserrückgewinnungssystem im Innenbereich für die Toilettenspülung [12]; Eine zufriedenstellende Desinfektion wurde bei einer Chlordosierung von 75 mg/L erreicht. Aufgrund der begrenzten Behandlungstiefe erreichten einige Wasserqualitätsparameter jedoch nicht die idealen Standards.
3. Biologische Behandlungssysteme
Seit dem späten 20. Jahrhundert werden biologische Behandlungssysteme direkt oder in Kombination mit verschiedenen physikalischen Behandlungen für Grauwasser eingesetzt. Membranbioreaktoren (MBR), rotierende biologische Kontaktoren (RBC) und anaerobe Schlammdeckensysteme mit Aufwärtsströmung (UASB) wurden in mehreren Studien untersucht und beschrieben [13–15]. Vor der biologischen Behandlung werden typischerweise Vorbehandlungen wie Sedimentation, Klärgruben und Filtration durchgeführt. Forscher nutzten Sequenzierungs-Batch-Reaktoren zur Aufbereitung von Grauwasser aus Studentenwohnheim-Toiletten in Tunesien [16] und erreichten dabei eine CSB-Entfernung von bis zu 90 %, einen effektiven organischen Bioabbau und eine gute Schlammabsetzleistung. In einem Wohngebiet auf Kreta, Griechenland, wurde ein untergetauchter Biofilmreaktor zur dezentralen Grauwassersanierung eingesetzt, wobei eine durchschnittliche Entfernungsrate von 80 % für CSB und anionische Tenside erreicht wurde; Das aufbereitete Grauwasser war für die Toilettenspülung sicher und zuverlässig [17]. Obwohl Membranbioreaktoren in der Forschung und in der praktischen Anwendung erhebliche Fortschritte gemacht haben, bleibt die Membranverschmutzung eine Herausforderung, die zu einem erhöhten Energieverbrauch und höheren Wartungskosten führt [18].
III. Ökologische Vorteile der herkömmlichen Wiederverwendung in Kombination mit UVC-LED-Desinfektion
UVC-LEDs emittieren tiefes ultraviolettes Licht bei 265–280 nm, wodurch mikrobielle DNA/RNA-Strukturen effektiv geschädigt und die Replikation verhindert werden, was sie zu einem der wirksamsten Desinfektionsmittel in der Wasseraufbereitung macht [19]. Studien zeigen, dass die Inaktivierungseffizienz von E. coli bei 265 nm je nach Wasserqualität und Reaktorkonfiguration 99,99 % bei Dosen von nur 6–10 mJ/cm² erreicht [20].
Im Vergleich zu herkömmlichen UVC-Systemen mit Quecksilberlampen bieten UVC-LEDs erhebliche Vorteile: 1) Keine chemischen Rückstände: reine physikalische Desinfektion, Vermeidung krebserregender Nebenprodukte wie Trihalomethane aus der Chlordesinfektion; 2) Sofortiges Ein-/Ausschalten: kein Vorheizen erforderlich, unterstützt intelligente Sensorsteuerung, geeignet für intermittierende Grauwasserflüsse; 3) Modulare Integration: geringe Größe und geringer Stromverbrauch, einfache Integration in Grauwasseraufbereitungssysteme im Haushalts- oder Gebäudemaßstab; 4) Umweltverträglich: quecksilberfrei, konform mit RoHS und anderen Umweltrichtlinien [21]. Die Wirksamkeit der UVC-LED-Desinfektion hängt stark von der UV-Durchlässigkeit (UVT) des Wassers ab. Schwebstoffe, Öle und organische Stoffe im Grauwasser absorbieren oder streuen UV-Licht erheblich und reduzieren so die effektive Dosis. Daher wird UVC-LED typischerweise als abschließende Desinfektionseinheit eingesetzt, die eine vorgeschaltete Vorbehandlung erfordert.
Friedler et al. [22] setzten UV-Geräte am Ablaufende von biologisch rotierenden Kontaktoren (RBC) und Membranbioreaktoren (MBR) für leicht verschmutztes Grauwasser ein. Die Ergebnisse zeigten eine hervorragende Desinfektionseffizienz gegen fäkale Kolibakterien und Staphylococcus aureus, wobei in das System injizierte Virusindikatoren (F-RNA-Phagen, Wirt: E. coli) vollständig (100 %) entfernt wurden. Wenn die Grauwasser-UVT ≥ 70 % ist, erreicht UVC-LED eine >4-log (99,99 %) E. coli-Inaktivierung und erfüllt damit die mikrobiellen Sicherheitsanforderungen für die Wiederverwendung von Grauwasser [23].
Barzegar et al. [24] kombinierte Elektrokoagulation mit Ozonierung und UV (EC+O₃+UV), wodurch der gesamte organische Kohlenstoff (TOC) und CSB im Grauwasser um etwa 70–85 % reduziert wurden. Nach der UV-Bestrahlung erreichte die TOC- und CSB-Entfernung 87–95 %, wodurch eine Reduzierung der Gesamtkolonienzahl um 4 log und eine E. coli-Entfernung von 96 % erreicht wurde, was die Elektrokoagulations-/Ozonisierungsleistung deutlich verbesserte. Sanchez et al. [25] platzierten UV-Lampen in Quarzhülsen für die Grauwasseraufbereitung in Hotels und stellten fest, dass ein niedriger Gehalt an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) die photokatalytische TiO₂-Behandlung besonders geeignet machte.
IV. Fazit und Ausblick
Die Wiederverwendung von Grauwasser als effizienter Ansatz zur Wassereinsparung reduziert nicht nur den Süßwasserverbrauch bei der landwirtschaftlichen Bewässerung, der kommunalen Landschaftsgestaltung und der Toilettenspülung in Gebäuden erheblich, sondern senkt auch die Abwasserbelastung an der Quelle. Es bietet zentrale Unterstützung für den Aufbau geschlossener Wasserressourcenkreisläufe und nachhaltiger Ökosysteme und dient als wichtiger Treiber für eine globale ökologische und wirtschaftliche nachhaltige Entwicklung. Angesichts seines Werts sollten Regierungen auf der ganzen Welt doppelte Strategien in Bezug auf Politik und Sensibilisierung verfolgen: Einerseits die Einführung gezielter Standards für die Wiederverwendung von Grauwasser, Subventionsrichtlinien und regulatorischer Einzelheiten, wobei die Anforderungen an die Qualität des aufbereiteten Wassers und Anwendungsszenarien klar definiert werden; Andererseits führen wir regelmäßige Aufklärung der Öffentlichkeit durch wissenschaftliche Popularisierung, Falldemonstrationen usw. durch, um das Bewusstsein für die Eigenschaften von Grauwasser, die Behandlungsprinzipien und den Wiederverwendungswert zu schärfen und so die Bedenken der Öffentlichkeit gegenüber aufbereitetem Wasser auszuräumen.
Aus technologischer Sicht sind herkömmliche Methoden zur Grauwasserrückgewinnung – physikalisch (Sedimentation, Filtration), biologisch (Belebtschlamm, Biofilme) und chemisch (Koagulation, Oxidation) – ausgereift und weit verbreitet, weisen jedoch unvermeidbare Nachteile auf: Physikalische Methoden bieten eine begrenzte Präzision für gelöste Schadstoffe; Biologische Methoden reagieren empfindlich auf Schwankungen der Wasserqualität und erfordern große Landflächen mit langen Wartungszyklen. Chemische Methoden bergen das Risiko einer Sekundärverschmutzung und hoher Reagenzienkosten.
Um diese Engpässe zu überwinden, entwickelt sich das kombinierte Verfahren „effiziente Vorbehandlung + UVC-LED-Desinfektion“ zur bevorzugten Lösung für die Wiederverwendung von Grauwasser vor Ort. Dieser Prozess entfernt suspendierte Feststoffe und großmolekulare organische Stoffe über Gitter, Membranfiltration usw. und basiert dann auf der UVC-LED-Desinfektion zur effizienten Inaktivierung von Krankheitserregern, wodurch eine Einheit in Bezug auf Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit bei der Grauwasserwiederverwendung erreicht wird. Im Vergleich zur herkömmlichen UV-Desinfektion mit Quecksilberlampen bietet UVC-LED grüne Umweltvorteile (keine Quecksilberverschmutzung), geringen Energieverbrauch, schnelle Reaktion und modularen Aufbau, passt sich flexibel an unterschiedliche Anforderungen an die Grauwasseraufbereitung an und fördert den Übergang von zentralisierten, großen zu verteilten, intelligenten, kleinen Grauwasseraufbereitungsmodellen.
Mit Blick auf die Zukunft birgt diese Technologie angesichts kontinuierlicher Verbesserungen der Effizienz der photoelektrischen UVC-LED-Umwandlung und sinkender Produktionskosten ein größeres Anwendungspotenzial beim Bau von wassersparenden Systemen, verteilten kommunalen Wasseraufbereitungsstationen, kombinierten Regenwasser-Grauwasser-Anlagen in Schwammstädten usw. Sie wird technische Unterstützung für wassersparende Praktiken in wasserarmen Regionen bieten und dazu beitragen, globale Ziele für eine nachhaltige Wasserressourcennutzung zu erreichen.
Referenzen:
1. Boano F, CACE, Ein Überblick über naturbasierte Lösungen für die Grauwasseraufbereitung: Anwendungen, hydraulisches Design und Vorteile für die Umwelt. Sci Total Environ, 2020 (711:134731. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.134731. Epub 15. November 2019. PMID: 31822408.).
2. Li F, WKOR, Überprüfung der technologischen Ansätze zur Grauwasseraufbereitung und Wiederverwendung. Sci Total Environ, 2009(407(11):3439-49).
3. Eigenschaften und Behandlung von Grauwasser – eine Übersicht. Environmental Science and Pollution Research, 2013(20(5): 2795-2809).
4. Awasthi A, GKRS, Grauwasseraufbereitungstechnologien: eine umfassende Übersicht. International Journal of Environmental Science and Technology, 2024(21(1): 1053-1082.).
5. Oron G, AMAV, Grauwassernutzung in Israel und weltweit: Standards und Perspektiven. Wasserforschung, 2014 (58: 92-101).
6. Al-Mughalles, MHRR, Grauwassermenge und -qualität der Haushalte in Sana'a, Jemen. EJGE, 2012(17, 1025-1034.).
7. Hermawan AA, TALJ, Leistungsbewertung eines Prototyp-Biofiltrationssystems im Labormaßstab in tropischen Regionen. Nachhaltigkeit, 2019(11(7): 1947).
8. Hassane, MK, et al., Grauwasseraufbereitung mittels Sandfiltration. International Research Journal of Advanced Engineering and Science, 2022(7(2), 232-238).
9. Li F, WKOR, Überprüfung der technologischen Ansätze zur Grauwasseraufbereitung und Wiederverwendung. Sci Total Environ, 2009(407(11):3439-49).
10. Oteng-Peprah M, AMDN, Grauwassereigenschaften, Aufbereitungssysteme, Wiederverwendungsstrategien und Benutzerwahrnehmung – eine Übersicht. Wasser-Luft-Bodenverschmutzung, 2018(229(8):255).
11. Pidou M, PSRG, Fouling-Kontrolle eines membrangekoppelten photokatalytischen Prozesses zur Behandlung von Grauwasser. Water Res, 2009(43(16):3932-9. doi: 10.1016/j.watres.2009.05.030. Epub 29. Mai 2009. PMID: 19539972.).
12. März JG, GMOF, Erfahrungen zur Grauwasserwiederverwendung für die Toilettenspülung in einem Hotel (Insel Mallorca, Spanien). Entsalzung, 2004(164(3): 241-247).
13. Albalawneh, A. und TK Chang, Überprüfung des Grauwassers und vorgeschlagenes Grauwasserrecyclingsystem für die Wiederverwendung landwirtschaftlicher Bewässerung. International Journal of Research – Granthaalayah, 2015(3(12), 16-35).
14. Boyjoo Y, PVAM, Ein Überblick über die Eigenschaften und Aufbereitungsprozesse von Grauwasser. Water Sci Technol, 2013(67(7):1403-24).
15. Oteng-Peprah M, AMDN, Grauwassereigenschaften, Aufbereitungssysteme, Wiederverwendungsstrategien und Benutzerwahrnehmung – eine Übersicht. Wasser-Luft-Bodenverschmutzung, 2018(229(8):255).
16. Lamine M, SDGA, Grauwasserbehandlung in einem getauchten Membranbioreaktor mit Schwerkraftfiltration. Entsalzung und Wasseraufbereitung, 2012(46(1-3): 182-187.).
17. Fountoulakis MS, MNPI, Vor-Ort-Grauwasseraufbereitung eines Einfamilienhauses unter Verwendung eines untergetauchten Membranbioreaktors für die Toilettenspülung. Sci Total Environ, 2016(1;551-552:706-11).
18. Akhondi E, WFFA, Bewertung der Fouling-Ablagerung, der Fouling-Reversibilität und des Energieverbrauchs von eingetauchten Hohlfasermembransystemen mit periodischer Rückspülung. Journal of Membran Science, 2014 (452: 319-331).
19. Khedikar IP, TAR, Inaktivierung von Escherichia Coli (E. coli), fäkalen Coliformen (FC) und Gesamtcoliformen (TC) in Grauwasser durch Batch Solar Disinfection (SODIS) mit reflektierenden und absorbierenden Rückseiten. J. Eng. Res, 2016(5: 2320-2847.).
20. Song K, TFMM, Inaktivierung von Mikroorganismen durch Wellenlängenkombinationen von ultravioletten Leuchtdioden (UV-LEDs). Sci Total Environ, 2019: S. 665:1103-1110.
21. Mohaghegh Montazeri M, HSTF, Photoreaktoren zur Wasserdesinfektion mit ultravioletten Leuchtdioden (UV-LED): Ein Rückblick. J Environment Manage, 2025(386:125678.).
22. Friedler E, GY, Leistung der UV-Desinfektion und die mikrobielle Qualität von Grauwasserabwasser entlang eines Wiederverwendungssystems für die Toilettenspülung. Sci Total Environ, 2010(408(9):2109-17).
23. Liu, ZEA, Einfluss der Wasserqualität auf die UV-LED-Desinfektionseffizienz für die Grauwasserwiederverwendung. Chemosphäre, 2022(286, 131789).
24. Barzegar, GWJG, Verbesserte Behandlung von Grauwasser mittels Elektrokoagulation/Ozonierung: Untersuchung von Prozessparametern. Prozesssicherheit und Umweltschutz, 2019 (121, 125-13).
25. Sanchez, MRMJ, Photokatalytische Oxidation von Grauwasser über Titandioxidsuspensionen. Entsalzung, 2010 (262(1-3), 141-146.).
26. Vuppaladadiyam, AK, et al., Ein Überblick über die Wiederverwendung von Grauwasser: Qualität, Risiken, Hindernisse und globale Szenarien. Rezensionen in Environmental Science and Bio/Technology, 2019(18(1), 77-99.).
27. Woltersdorf L, ZMDJ, Vorteile eines integrierten Wasser- und Nährstoffwiederverwendungssystems für städtische Gebiete in semiariden Entwicklungsländern. Ressourcen, Erhaltung und Recycling, 2018 (128: 382-393.).
28. Shamabadi N, BHKN, Die Untersuchung und Gestaltung eines Grauwasseraufbereitungssystems vor Ort an der Hazrat-e-Masoumeh-Universität, Qom, IRAN. Energy Procedia, 2015 (74: 1337-1346.).
29. Radingoana MP, DTMD, Fortschritte bei der Grauwasserwiederverwendung für den Hausgartenbau: Chancen, Wahrnehmungen und Herausforderungen. Physik und Chemie der Erde, Teile A/B/C, 2020 (116: 102853).
30. Coutinho Rosa G, GE, Eine Modellbewertung eines Systems, das Regenwasser und Grauwasser kombiniert, um Trinkwasser zu sparen. Urban Water Journal, 2020(17(4): 283-291.).
31. Chen Z, NHGW, Ein umfassender Rahmen für die Bewertung neuer Endanwendungen in Recyclingwassersystemen. Sci Total Environ, 2014 (470-471:44-52).
32. Boano F, CACE, Ein Überblick über naturbasierte Lösungen für die Grauwasseraufbereitung: Anwendungen, hydraulisches Design und Vorteile für die Umwelt. Sci Total Environ, 2020(1;711:134731. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.134731. Epub 2019, 15. November. PMID: 31822408.).
33. Ma D, CLLC, Biologische Entfernung der antiandrogenen Aktivität in grauem Abwasser und Koksabwasser durch Membranreaktorverfahren. J Environ Sci (China), 2015 (33:195-202).
