In Südafrika haben Forschende der Eawag zusammen mit lokalen Behörden ein kostengünstiges System aufgebaut, das die Siedlungshygiene verbessert, die Verschmutzung der Wasserressourcen verringert und einen Dünger für die Landwirtschaft produziert. Rohstoff dafür ist Urin. Das System eignet sich auch hierzulande für Stadien, Bahnhöfe oder Autobahnraststätten. 

Wertvolle Nährstoffe aus Urin zurückgewinnen, statt wegschütten: Das ist das Ziel von Kai Udert, Bettina Sterkele, Bastian Etter und Alexandra Fumasoli an der Eawag (v.?l.?n.?r.).

In der Sprache der Zulu, die in der Region von Durban wohnen, bedeutet «Vuna» die Ernte. VUNA ist aber auch die Abkürzung für «Verwertung von Urin-Nährstoffen in Afrika» – ein Projekt, das die Eawag mit finanzieller Unterstützung der Bill & Melinda Gates Foundation ins Leben gerufen hat. Der Verfahrenstechniker Bastian Etter hat das Projekt in den vergangenen vier Jahren vor Ort begleitet: «Durban ist eine sehr durchmischte Stadt mit Hochhäusern, achtspurigen Strassen und Villenvierteln, aber auch Slums und verstreuten Siedlungen, die sich über ein sehr hügeliges Gebiet erstrecken», beschreibt er die Metropole am Indischen Ozean an der Ostküste Südafrikas. «Vor allem aber ist Durban sehr progressiv.» Deshalb steht VUNA auch für eine Erfolgsgeschichte, die zeigt, wie sich Technologietransfer für alle Beteiligten lohnt.

Vor zehn Jahren wuchs Durban extrem schnell, hatte plötzlich über drei Millionen Einwohner, aber keine Kanalisation, die das weite Siedlungsgebiet abdeckte. Weil in Südafrika nach dem Ende der Apartheid das Recht auf eine Toilette in der neuen Verfassung gesetzlich verankert wurde, entschlossen sich die Behörden Trockentoiletten aufzustellen. Inzwischen stehen in den Vororten von Durban 90 000 WC-Häuschen mit Klosetts ohne Wasserspülung, in denen Kot und Urin getrennt werden. Während die Feststoffe getrocknet und vergraben werden, versickert die flüssige Ausscheidung an den meisten Orten und belastet so längerfristig Bäche, Flüsse und das Grundwasser. Nicht so bei aktuell rund 700 Familien, die bei VUNA mitmachen. Bei ihnen sammeln Gemeindemitarbeitende den Urin mit Kanistern ein, damit er weiterverwendet werden kann.

Forschende selbst liefern den Rohstoff

«Urin ist ein Rohstoff», sagt Kai Udert, VUNA-Projektleiter an der Eawag. «50 bis 90 Prozent der Nährstoffe scheiden wir nicht mit den Feststoffen, sondern mit dem Urin aus.» Dazu zählen Stickstoff, Kalium, Schwefel und Phosphor, aber auch Spurenelemente wie Bor und Mangan. Die Verarbeitung des Urins ist denn auch das eigentliche Spezialgebiet der Eawag-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler. «Bei der Verfahrenstechnik bringen wir am meisten Know-how von der Schweiz nach Südafrika», sagt Kai Udert. Ebenso tragen eine Vielzahl von Eawag-Expertinnen und -Experten zum Projekt bei. Neben Umweltchemikerinnen und Sozialwissenschaftlern sind auch Fachleute für Automation oder Daten-Modellierung mit im Boot.

Im Hauptgebäude der Eawag in Dübendorf liefern die Mitarbeitenden via NoMix-Toiletten selbst den Rohstoff für die Schweizer Testanlage. Im Keller des Gebäudes befinden sich zwei grosse, schwarze Tanks, in denen die Flüssigkeit aus den darüberliegenden WCs gesammelt und gelagert wird. Im Raum davor stehen zwei rund zwei Meter hohe Plastiksäulen – die Reaktoren. Darin blubbern Tausende von kleinen, hellen Plastikteilchen in einer braunen Flüssigkeit. In einem ersten Schritt wird in diesen Reaktoren der Stickstoff stabilisiert, der im Urin in Form von übel riechendem Ammoniak vorkommt. Diese Arbeit besorgen Bakterien, die auf den Plastikteilchen sitzen. Es handelt sich dabei um Belebtschlamm von Kläranlagen. Doch was beim verdünnten Abwasser funktioniert, müssen die Forschenden den Kleinstlebewesen in ihrer Pilotanlage erst beibringen: «Die Urinkonzentration in unserem Reaktor ist viel höher als in der Kläranlage», sagt Kai Udert. «Wir müssen die Bakterien deshalb langsam auffüttern und jeden Tag etwas mehr Urin dazugeben, bis sie nach zwei Monaten die hohe Konzentration verarbeiten können.» Statt flüchtigen Ammoniaks entsteht so gelöstes, geruchloses Ammoniumnitrat.

Blütenpracht im Büro

In einem zweiten Schritt wird die Ammoniumnitrat-Lösung in eine Destillationsanlage geleitet. Sie steht im selben Raum gleich neben den Reaktorsäulen und entfernt 97% des Wassers. Übrig bleibt eine braune Flüssigkeit, in der neben der Stickstoffverbin-dung auch die anderen Nährstoffe enthalten sind. «Das ist ein Dünger, wie man ihn im Supermarkt oder Gartencenter kaufen kann», sagt Bastian Etter und öffnet eine abgefüllte Flasche. Der unangenehme Uringeruch ist tatsächlich verschwunden. Er giesse damit die Pflanzen in seinem Büro, erzählt der Verfahrens ingenieur. Sein Chili-Topf habe seither besonders viele Schoten, und eine Pflanze blühe wie nie zuvor.

Aus Urin kann effizienter Dünger gewonnen werden: links die vorbehandelte Lösung, rechts das konzentrierte Endprodukt.

Nachdem sich die beiden Reaktoren in einem ersten Test in Dübendorf bewährt hatten, bauten die Forschenden in Zusammenarbeit mit der Universität von Durban gleiche Anlagen auch in Südafrika auf. Ein Reaktor wurde im modernen Kundenzentrum des Wasserwerks mitten in Durban installiert. «Das zeigt das Engagement der Stadtbehörden», sagt Bastian Etter. Zudem will man so beweisen, dass sich die neue Technologie nicht nur für die Armenviertel, sondern auch für die Hochhäuser im dichten Stadtzentrum eignet, was die Akzeptanz in der Bevölkerung weiter fördern soll. Umfragen ergaben, dass das Urinsammeln kaum auf Ablehnung aus kulturellen Gründen stösst. Mehr Probleme verursache die Erwartungshaltung der Menschen, sagt Kai Udert: «Viele wollen aus Prestigegründen ausschliesslich wassergespülte Toiletten und sind der Meinung, dass der Staat ihre Forderung erfüllen muss.»

Wegen mangelhafter Qualität gehen zudem viele der neu aufgestellten WC-Häuschen schnell kaputt, was die Sammelanstrengungen zunichtemacht. Positiv wirken sich aber die Informationsbemühungen der Behörden aus. «Fachleute gehen in die Vororte von Durban und erklären den Leuten, was Hygiene bewirkt», erzählt Bastian Etter und lobt diese Anstrengungen. «Man gibt sich wirklich sehr viel Mühe damit.» Dabei werde auch erklärt, wie man aus Urin Wertstoffe gewinnen könne. «Das macht dieses System attraktiver.» Forschende der ETH Zürich untersuchen zudem, ob sich zusätzlich Anreize schaffen lassen, wenn die Bewohner ihren Urin selbst sammeln, abliefern und dafür ein Entgelt beziehen.

Medikamentenreste im Dünger

Noch gibt es offene Fragen. «Urin ist zwar sehr rein, aber nicht ganz steril», sagt Kai Udert. Die meisten Krankheitserreger werden mit dem Kot ausgeschieden, doch eine Querverschmutzung des Urins ist möglich. Forschende an der EPFL prüften, ob sich Bakterien und Viren während der Düngerproduktion abtöten lassen. Ein wirksames Verfahren zur Abtötung der Krankheitserreger ist die Destillation, weil der Urin dabei auf 80 Grad erhitzt wird. Neben Krankheitserregern kann der Urin aber auch Arzneimittelrückstände enthalten. «In Südafrika ist das wegen HIV ein Riesenthema», sagt Kai Udert. Bei Messungen in Durban wurde eine deutlich höhere Konzentration von Antibiotika und antiretroviralen Stoffen nachgewiesen als bei Vergleichsanalysen in Dübendorf. Ob dies ein Problem sei, wisse man noch nicht, sagt der Fachmann. Er ist aber überzeugt, dass sich die Urinverwertung auf jeden Fall lohnt: «Wir haben so die Möglichkeit, die Schadstoffe viel gezielter herauszuholen.»

Die Forschenden sind nun auf der Suche nach neuen Partnern, die Reaktoren bauen und verkaufen wollen. Die Technologie eignet sich nicht nur für Länder mit mangelnder Siedlungswasserwirtschaft. «Es gibt auch viel Potenzial in Europa», sagt Bastian Etter. In der Schweiz plant der Bund eine neue Verordnung, die das Phosphor-Recycling aus Klärschlamm vorschreiben will. Den Nährstoff dort zurückgewinnen, wo er zuerst anfällt – also im Urin – wäre verfahrenstechnisch ebenso sinnvoll, argumentieren die Expertinnen und Experten, auch wenn unsere flüssigen Ausscheidungen nur die Hälfte des Phosphors wegschwemmen.

Die Verwertung des Urins würde sich vor allem dort lohnen, wo bereits heute wasserlose Toiletten aufgestellt werden, zum Beispiel in Sportstadien. Aber auch auf Autobahnraststätten oder in Bahnhöfen, wo besonders viel Urin anfällt, könnte die Düngerproduktion wirtschaftlich interessant sein. Der Grundstein für die Kommerzialisierung der Technologie wurde durch VUNA gelegt. «Wir konnten beim Aufbau des Projekts in Durban zusammen mit unseren südafrikanischen Partnern viel lernen», zieht Bastian Etter Bilanz.