Claim Hochschule Weihenstephan-Triesdorf - University of Applied Sciences

Aus Grau wird Grün - Optimierung der Evapotranspirations- und Kühlleistung extensiver Dachbegrünungen durch gezielte Nutzung von Grauwasser

Hintergrund

Dachbegrünungen werden in Deutschland als Teil der Adaptionsstrategien zur Milderung der Auswirkungen der erwarteten Klimaveränderungen angesehen [1, 2]. Sie sollen als "biologische Klimaanlage" einen Beitrag zur Verbesserung des thermischen Milieus in Stadtgebieten leisten, wobei - neben der Wärmeabsorption - der Kühleffekt der Grünflächen durch Verdunstung von Wasser in den Vordergrund rückt. Extensive Dachbegrünungen, die mit rund 85 % am weitesten verbreitete Begrünungsart von Dächern, werden allerdings bislang meist als Trockenstandorte definiert und entsprechend konzipiert [3]. Sie gründen folgerichtig auf dünnen, wasserdurchlässigen Substratschichten, auf denen vorwiegend xeromorphe, an edaphische sowie an klimatische Trockenheit angepasste Pflanzengesellschaften gedeihen. Ausschließlich gespeist durch Niederschlagswasser ist bei dieser Art der Dachbegrünung eine stark schwankende, insbesondere bei trocken-heißer Witterung relativ geringe Evapotranspirationsleistung zu erwarten [4]. Soll auch von extensiven Dachbegrünungen bei Hitzeeinwirkung eine spürbare klimatische Wirkung  ausgehen, sind eine ergänzende Bewässerung und eine daran angepasste Vegetationsform unumgänglich. Darauf hat auch Krupka auf dem 10. Internationalen FBB-Gründachsymposium 2012 in seinem Vortrag "Neue Stadtökologie – Konzept für grünere und leistungsfähigere Städte" hingewiesen und ein Umdenken insbesondere bei Extensivbegrünungen gefordert, mit dem Ziel neuartige staunasse Extensivbegrünungen zu entwickeln und zu etablieren [5].
Bereits bei einer reinen Sukkulenten-Begrünung kann durch ausreichende Bewässerung bei trocken-heißer Witterung die Evapotranspirationsrate von 0,35 mm/d auf 2,67 mm/d erhöht werden [6]. Eine weitere Steigerung auf bis zu 10 mm/d ist bei Verwendung von Pflanzen mit höherer Verdunstungsleistung zu erwarten [7, 8, 9]. Als Nebeneffekt kann sich der Wärmeentzug - bei einer Kombination von Dachbegrünung und Photovoltaikanlage - positiv auf den Wirkungsgrad der PV-Module auswirken, da deren Leistung um ca. 0,5 % pro Kelvin Aufheizung sinkt [10].
Die Verwendung von Trinkwasser zur Bewässerung von begrünten Dachflächen ist zwar ökonomisch vertretbar, widerspricht aber einem effizienten und ressourcenschonenden Wassermanagement [11]. Die Nutzung von in Zisternen gesammeltem Überschusswasser aus der Dachbegrünung wiederum setzt voraus, dass eine ausreichende Wassermenge aus Perioden mit positiver Wasserbilanz (v.a. im Winterhalbjahr) für Phasen mit negativer Bilanz vorgehalten werden kann. Dies ist in niederschlagsarmen Gebieten (≤ 500 mm/a) kaum möglich. Bei höheren Niederschlagssummen wäre die Anlage kostenaufwändiger, großvolumiger Auffangbehälter erforderlich. Dagegen könnte sich mit Grauwasser aus Haushalten, d.h. fäkalienfreiem, gering verschmutztem Abwasser eine kontinuierlich fließende, witterungsunabhängige Quelle für die Wasserversorgung von Dachbegrünungen erschließen.
EN 12056-1 definiert Grauwasser als fäkalienfreien, gering verschmutzten Teil des häuslichen Abwassers, wie es etwa beim Duschen, Baden oder Händewaschen anfällt, aber auch aus der Waschmaschine stammt. Das mikrobiologisch aufbereitete Grauwasser wird durch eine Membran-Filtration zu Brauchwasser hygienisiert, entspricht im Hinblick auf die hygienisch-mikrobiellen Eigenschaften der EU-Badegewässerrichtlinie (2006/7/EC) und kann einer Zweitnutzung zugeführt werden [12].
Im Gegensatz zu wasserarmen Zonen (z.B. in Australien und den USA) hat die Nutzung von Grauwasser in Deutschland derzeit noch keine Priorität, wenngleich sich auch hier einige weit blickende Ansätze zur Sammlung, Aufbereitung und nutzbringenden Verwendung von Grauwasser finden lassen [13, 14, 15]. Neben der Toilettenspülung wird die Bewässerung von Grünflächen (v.a. in Australien und den USA) als weitere Verwertungsmöglichkeit von Grauwasser aufgezeigt. Dabei wird aber auch auf mögliche Probleme aufgrund der chemischen Beschaffenheit von Grauwasser, insbesondere im Hinblick auf Salzgehalt und Alkalität hingewiesen [16, 17, 18, 19, 20, 21]. Die Nutzung von Grauwasser aus privaten Haushalten, das in täglichen Mengen von 60-80 l/Kopf anfällt, zur Bewässerung von extensiven Dachbegrünungen wurde bislang nicht gezielt untersucht.
Im Rahmen des Projekts wird die Qualität von Grauwasser und dessen Verwendungsmöglichkeiten als Zusatzbewässerung bei dünnschichtigen Dachbegrünungen unter variierten Klimabedingungen geprüft. Ziel ist dabei die systematische Steigerung des Evapotranspirationspotenzials der Begrünungen. Der für diesen Zweck erforderliche neue Dachbegrünungstypus, der charakteristische bau- und vegetationstechnische Merkmale der extensiven und intensiven Dachbegrünung vorteilhaft vereint, kann auf bewährten, zielgerichtet modifizierten Dachbegrünungs-Modulen aufgebaut werden. Um zudem die biologische Wertigkeit der Begrünung – im Vergleich zu überwiegend mit Sedum spp. extensiv begrünten Dachflächen – zu erhöhen, wird angestrebt, eine möglichst artenreiche Vegetation zu etablieren.


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Abbildung 1: Wachstum von Carex flaccca
Abbildung 1: Vergleichbares Wachstum von Carex flacca bei Bewässerung mit Leitungswasser (li.) und Grauwasser (re.)

Erste Ergebnisse

Stammt das Grauwasser ausschließlich aus Dusch- bzw. Badewanne und Handwaschbecken, ist nur mit einer sehr geringen stofflichen Belastung zu rechnen, d.h. das Grauwasser hebt sich qualitativ kaum vom genutzten Leitungs-wasser ab. So ist praktisch keine Veränderung des pH-Werts oder eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit (Salzgehalt) bzw. der Gehalte an toxischen Stoffen, wie z.B. Arsen, Aluminium oder Schwermetallen festzustellen. Die Tensid-Konzentration liegt ebenfalls auf einem sehr geringen Niveau. Bei Abwasser aus der Waschmaschine hingegen zeigen sich erhebliche chemische Veränderungen gegenüber dem eingespeisten Leitungswasser. Unter anderem steigen der pH-Wert sowie die Gehalte an (v.a. anionischen) Tensiden, wasserlöslichem Natrium und Aluminium (das bereits in geringen Mengen phytotoxisch wirkt) deutlich an (Tab. 1). Dennoch erwiesen sich rund 80 % der untersuchten 43 Pflanzenarten als tolerant gegenüber dem in der Untersuchung verwendeten, waschmittelhaltigen Grauwasser (Abb. 1-3), was v.a. darauf zurückzuführen ist, dass das Substrat in der Lage war, hohe Mengen an Natrium zu sorbieren bzw. dass das mittels ICP gemessene Aluminium ortsfest im Kristallgitter der in Waschmitteln enthaltenen Zeolithe eingebunden ist, somit in nicht löslicher pflanzenverfügbarer Form vorliegt [22]. Aus einem Teil der grauwasserverträglichen Arten zusammengestellte Pflanzenmodule zeigten erwartungsgemäß eine wesentlich höhere Evapotranspirationsrate im Vergleich zu einer xeromorphen Pflanzengesellschaft, insbesondere wenn diese unter Wassermangel leidet (Abb. 4 und 5).  

Das Forschungsprojekts wird in Zusammenarbeit mit der ZinCo GmbH durchgeführt und von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert.
Das Projekt wurde auf dem 12. Internationalen FBB-Gründachsymposium am 13.02.2014 in Ditzingen vorgestellt.



Tab. 1: Qualität von Grauwasser im Vergleich zu Leitungswasser
Abbildung 2: Vergleichbares Wachstum von Bergenia cordifolia bei Bewässerung mit Leitungswasser (li.) und Grauwasser (re.)
Abbildung 2: Vergleichbares Wachstum von Bergenia cordifolia bei Bewässerung mit Leitungswasser (li.) und Grauwasser (re.)
Abb. 3: Verringertes Wachstum von Geum rivale bei Bewässerung mit Grauwasser (re.) im Vergleich zu Leitungswasser (li.)
Abb. 3: Verringertes Wachstum von Geum rivale bei Bewässerung mit Grauwasser (re.) im Vergleich zu Leitungswasser (li.)
Abb. 4: Evaporation von Gras-Kräuter-Pflanzenmodulen
Abb. 5: Pflanzenmodule

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Literatur

[1] SCHMIDT, M., 2009: The interaction between water and energy of greened roofs, World Green Roof Congress, 15.-16. September, Basel, Schweiz.
[2] SCHMIDT, M., 2009: Rainwater harvesting for mitigating local and global warming, Fifth Urban Research symposium, 28.-30. Juni 2009, Marseille, Frankreich.
[3] HÄMMERLE, F., 2005: Der Gründachmarkt in Deutschland, Marktspiegel, Analyse, Entwicklung. Welt Gründach-Kongress, 15.-16. Sept. 2005, Basel, Schweiz.
[4] KOLB, W. SCHWARZ, T., 2009: Zum Klimatisierungseffekt von Pflanzenbeständen auf Dächern, Veitshöchheimer Berichte 131, Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Abteilung Landespflege, Würzburg/Veitshöchheim.
[5] KRUPKA, B. W., 2012: Neue Stadtökologie – Konzept für grünere und leistungsfähigere Städte,  Tagungsband zum 10. Internationalen FBB-Gründachsymposium, Herausgeber: Fachvereinigung Bauwerksbegrünung e.V. (FBB) Saarbrücken.
[6] REZAEIE, F., 2005: Evapotranspiration rates from extensive green roof plant spieces, master thesis, Pennsylvania State University, USA.
[7] KÖHLER, M., SCHMIDT, M., GRIMME, F.-W., LAAR, M., DE ASSUNÇÃO PAIVA, V. L., TAVARES, S., 2002: Green roofs in temperate climates and in the hot-humid tropics – far beyond the aesthetics, Environmental Management and Health, vol. 13
[8] DÜRR, A., 1995: Dachbegrünung: ein ökologischer Ausgleich, Bauverlag, Wiesbaden und Berlin
[9] HARLAß, R., 2008: Verdunstung in bebauten Gebieten, Dissertation an der technischen Universität Dresden, Fakultät Bauingenieurwesen
[10] APPL, R., ANSEL W., 2004; Future oriented and sustainable green roofs in Germany, Fifth Annual International Greening Rooftops for Sustainable Communities, Conference, 2.-4. Juni 2004, Portland, USA.
[11] BUNDESMINISTERIUM FÜR UMWELT, NATURSCHUTZ UND REAKTORSICHERHEIT, 2008: Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel, Beschluss des Bundeskabinetts vom 17. Dezember 2008.
[12] EU 2006: Guideline 2006/7/EC of the European parliament and of the council. 15 February 2006 concerning the management of bathing water quality.
[13] FACHVEREINIGUNG BETRIEBS- UND REGENWASSERNUTZUNG E.V. (FBr), 2009: Grauwasser-Recycling auf dem Weg zum Standardelement in der Haustechnik, fbr-Wasserspiegel, Januar 2009, Darmstadt.
[14] FACHVEREINIGUNG BETRIEBS- UND REGENWASSERNUTZUNG E.V. (FBr), 2005: Grauwasser-Recycling Planungsgrundlagen und Betriebshinweise, fbr-Hinweisblatt H 201, April 2005, Darmstadt.
[15] GERMERSHAUSEN, R., MAXL, S., SCHELLER, E., WEIß, L., 2005: Betriebswasser, in: Urbaner Metabolismus - Die Städtische Infrastruktur von Berlin (Hrsg. Prytula, M.), Technische Universität Berlin, 2005.
[16] U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY (EPA), 2004: EPA/625/R-04/108 Guidelines for water reuse, Washington DC
[17] AUSTRALIAN GOVERNMENT, DEPARTMENT OF HEALTH AND AGEING, 2002: Draft Guideline for the Reuse of Greywater in Western Australia.
[18] ROESNER, L., QIAN, Y., CRISWELL, M., STROMBERGER, M., KLEIN, S., 2006: Long-term Effects of Landscape Irrigation Using Household Graywater - Literature Review and Synthesis, Water Environment Research Foundation (WERF), Colorado State University, USA.
[19] FRANK, R., 2005: Reinigung von Grauwasser - ein biologisches Konzept zur Brauchwassernutzung, Veitshöchheimer Berichte 81, Bayerische Landesanstalt für Weinbau und Gartenbau, Abteilung Landespflege, Würzburg/Veitshöchheim.
[20] THON, A., 2009: Shallow Constructed Roof Wetlands for Greywater Treatment: Intermittently Flushed wetlands as Roof Gardens in Mediterranean Countries, master thesis, Anhalt University of Applied Sciences, Bernburg, Deutschland.
[21] PINTO, U., MAHESHWARI B.L,. GREWAL H.S., 2010: Effects of greywater irrigation on plant growth, water use and soil properties. resources conservation and recycling, vol. 54, issue 7.
[22] WAGNER, G., 2010: Waschmittel – Chemie, Umwelt, Nachhaltigkeit, WILEY-VHC Verlag, Weinheim
 


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Infodienst Weihenstephan - Juni 2014

Grauwasser

Verfasser

Martin Jauch

Prof. Dr. Elke Meinken
T +49 8161 71-3658
elke.meinken [at]hswt.de

Irena Krummradt
T +49 8161 71-3752
irena.krummradt [at]hswt.de