Flächensensibles Wasserrecycling durch hydroponische Gewächshäuser

Der Landschaftsbaukasten

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Abwassernutzung Klimagerechte Landschaftsplanung
1 HypoWave-System: Module für die kombinierte Wasseraufbereitung und Gewächshausproduktion. Grafik: ISOE

Die letzten beiden Sommer mit Hitzerekorden, Dürren, Waldbränden, Niedrigwasserständen in Flüssen und trockengefallenen Bächen haben auch hierzulande das Thema Wasserknappheit spürbar werden lassen. Die jüngste Studie des World Ressource Institutes betont, dass aktuell bereits ein Viertel der Weltbevölkerung von Wasserknappheit betroffen ist; auch einige EU-Länder sind relativ stark gefährdet, darunter südeuropäische Länder wie Griechenland, Spanien oder Italien, aber auch Teile Belgiens (WRI 2019).

Hiervon besonders betroffen sind die Landwirte, die aufgrund der Trockenheit mit erheblichen Ernteausfällen konfrontiert sind und teilweise ihre Produktionsgrundlagen gefährdet sehen.

Zukünftig wird daher die gezielte Wiederverwendung speziell aufbereiteter kommunaler Abwasserströme von wachsender Bedeutung für ein nachhaltiges Landschafts- und Flussgebietsmanagement sein und - in Form von qualitativ hochwertigen Düngeprodukten und Bewässerungswasser - ein großes Potenzial für den intensiven Gemüse- und Zierpflanzenanbau bieten. In einem hydroponischen System kann die Wasserwiederverwendung besonders effizient gestaltet werden. Als Hydroponie oder Hydroponik bezeichnet man eine bodenlose Produktionsform, die Pflanzen (z. B. Blattsalate, Kräuter, Zierpflanzen) mit Wasser-Nährlösungen anbaut. Häufig wird die Hydroponik in Mitteleuropa in Gewächshäusern betrieben.

Die Etablierung solcher hydroponischer Gewächshaussysteme besonders in ländlichen Regionen kann jedoch auch negative Effekte hervorrufen. Berüchtigt sind die intensiven Gemüsekulturen unter flächendeckenden Folientreibhäusern in Südeuropa, die das Landschaftsbild und den Erholungswert ganzer Küstenlandschaften ruinieren. Große Gewächshausflächen beeinträchtigen zudem die Biodiversität und verschiedene Ökosystemleistungen. Daher ist es wichtig, dass solche Systeme von entsprechenden Gestaltungskonzepten begleitet und in die Landschaft integriert werden.

Der Artikel zeigt auf, welche Möglichkeiten der Gestaltungsansatz "Landschaftsbaukasten" für eine nachhaltige und ästhetische Einbettung von hydroponischen Gewächshäusern zum kommunalen Wasser- und Nährstoffrecycling bietet.

Das Forschungsprojekt HypoWave

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbundprojekt HypoWave untersucht die Bereitstellung von Bewässerungswasser aus aufbereitetem Abwasser für die Beschickung eines hydroponischen Systems zur Gemüse- und Zierpflanzenproduktion. Ziel ist es, ein Wertschöpfungs-Kreislaufsystem zu entwickeln, bei dem möglichst sicher und effizient sowohl das Wasser als auch die enthaltenen Nährstoffe für die regionale Pflanzenproduktion genutzt werden. Die gezielte Wasser- und Nährstoffzufuhr ermöglicht einen circa fünf bis zehnmal produktiveren Anbau im Vergleich zu Gemüse aus dem konventionellen Landbau (Bürgow 2014). Zudem bedarf diese Anbauform nur circa 10 Prozent der Wassermenge im Vergleich zum konventionellen Anbau (Ibid.). Im Gewächshaus ist der hydroponische Anbau vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt und bei optimaler Versorgung der Pflanzen ist die Flächenproduktion um ein Vielfaches höher als unter Freilandbedingungen (Miehe & Germer 2016).

Im süd-östlichen Niedersachsen wird auf den leichten, sandigen Böden mit ihrem geringen Wasserhaltevermögen bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts traditionell Beregnungslandbau mit Klarwasser aus kommunalen Kläranlagen in der Region praktiziert. Die Pilotforschungsanlage (siehe Abb. 1 und 2) auf dem Gelände der niedersächsischen Kläranlage Hattorf bei Wolfsburg liefert nach nunmehr drei Betriebsjahren vielversprechende Ergebnisse. Die hier betrachteten Optionen der Abwasseraufbereitung können eine hohe Qualität des Bewässerungswassers für die Gewächshausproduktion sicherstellen (Karwat 2018) und liefern für die Versuchspflanze Salat sehr gute Aufwuchsergebnisse.

Um die Übertragbarkeit und Machbarkeit des HypoWave-Konzeptes unter unterschiedlichen landschaftlichen, klimatischen und sozio-ökonomischen Gegebenheiten zu testen, wurden vier Machbarkeitsstudien durchgeführt: Gifhorn/Niedersachsen; Hessisches-Ried/Hessen; Evora/Portugal und Raeren/Belgien/Teil des Dreiländerparks (Mohr et al. 2018). Der Landschaftsbaukasten ist ein Ergebnis dieser Fallstudien, insbesondere der planerisch-gestalterischen Fragestellung im landschaftlich schönen Ostbelgien.

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2 Bildreihe der HypoWave-Pilotanlage Hattorf in landwirtschaftlicher Trockenregion Niedersachsen. Foto: Grit Bürgow
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3 Bildreihe der HypoWave-Pilotanlage Hattorf in landwirtschaftlicher Trockenregion Niedersachsen. Foto: Grit Bürgow
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4 Bildreihe der HypoWave-Pilotanlage Hattorf in landwirtschaftlicher Trockenregion Niedersachsen. Foto: Paul Miehe

Herausforderung'landschaftliche Einbettung'

Neben der Energiefrage und der verkehrstechnischen Anbindung in Bezug auf regionale Logistik und Vertriebsstrukturen stellt eine attraktive und ökosystemsensible Einbettung von Gewächshäusern in die umgebende Landschaft die größte Herausforderung dar. Um dem HypoWave-Ansatz in der Planungs- und Umsetzungspraxis gerecht zu werden, sollte von Anfang an mit allen Akteursgruppen offen diskutiert werden, in welchen Dimensionen die Landschaft "überdacht" werden kann beziehungsweise darf. Denn erste theoretische Beispielrechnungen zeigen, dass bei einer mittelgroßen Gemeinde mit circa 20.000 Einwohnern eine Gewächshausfläche von circa 50-115 Hektar nötig wäre, um die anfallenden Nährstoffe beziehungsweise das produzierte Bewässerungswasser komplett zu recyceln (Zimmermann/Fischer, in Vorbereitung).

Eine 'Maximallösung' im Sinne einer vollständigen Kreislaufwirtschaft ist jedoch weder notwendig noch erstrebenswert. Auch wenn aktuelle Projektentwicklungen im hochproduktiven Gartenbau in den Niederlanden oder Ungarn Gewächshauslandschaften von 100 Hektar und darüber vorsehen, ist dies nicht nur in Bezug auf die stark beeinträchtigten Ökosystemleistungen überaus kritisch zu beurteilen. Flächeninanspruchnahmen in dieser Größenordnung sind gestalterisch und ökosystemisch wohl schwer ausgleichbar.

Das für die zwei Siedlungsgebiete in Raeren vorgeschlagene hydroponische Gewächshaus sieht in der Pilotphase der Planung zunächst 6000 Quadratmeter Gewächshausfläche (0,6 ha) als wirtschaftliche Zielgröße zur Produktion von Schnittblumen, zum Beispiel Chrysanthemen vor. Hierfür sollen insgesamt fünf 1200 Quadratmeter oder 0,1 Hektar Gewächshausmodule mit je zwei Gewächshausschiffen von 600 Quadratmeter Grundfläche errichtet werden. Vorteil dieser modularen Bauweise ist die Flexibilität. Wechselnde Anbaukulturen oder auch die bauliche Erweiterung nach erfolgreichen Testläufen sind möglich. In der weiteren Projektplanung müssten weitere Materialitäten untersucht und evaluiert werden. Produktionsgewächshäuser können relativ kostengünstig standardisiert gebaut werden, zum Beispiel als energieoptimiertes Doppelfoliengewächshaus. In der angewandten Forschung sind inzwischen auch neuartige Schattiermaterialien und Glas-Folien-Kombinationen (GFK) wie etwa eine Kombination von Antireflexglas und Ethylentetrafluoroethylen (ETFE) Folie im Einsatz, die den Heizbedarf um 50 Prozent senkt und eine hohe Lichttransmission zulässt.

Im Falle des HypoWave-Konzeptes kann überschüssiges Wasser oder ein Zuviel an Nährstoffen, welche bei konventioneller Abwasserklärung teils auch über die Vorfluter in die Gewässer gelangen, zum Beispiel auch über Teiche und Feuchtgebiete in der Landschaft weiter umgesetzt werden und vor Ort für eine bessere Wasserqualität und ein verbessertes Mikroklima sorgen.

Als sogenannte Nature Based Solutions können sie den stärker technisch-basierten Hydroponikanbau im Gewächshaus landschaftsgestalterisch und produktiv ergänzen oder auch - je nach Bedingungen vor Ort - als alternative blau-grüne Infrastruktur fungieren.

Gestaltungsansatz 'Landschaftsbaukasten'

Die Verbesserung der Wasserqualität im grenzüberschreitenden Flussgebiet der Göhl war Ausgangspunkt für die Fallstudie in Raeren, einer ostbelgischen Gemeinde im Dreiländerpark der EUREGIO Maas-Rhein (Fischer et al. 2018). Hier wurde ein Set von blau-grünen Infrastrukturen als Landschaftsbaukasten konzipiert: das hydroponische Gewächshaus als zentrales Produktionssystem mit spezialisierter Intensivnutzung ist über die Wasserzu- und -abflüsse mit weiteren offenen Landschaftsbausteinen vernetzt, dazu gehören Teiche, Schilfpolder und Kurzumtriebsplantagen (KUP). Weitere Elemente wie Gewächshäuser mit spezieller Gründung oder Kondenswasser Rückgewinnung sind möglich und angedacht. Der große Vorteil dieses Settings ist die Multifunktionalität. So können Teiche, KUPs oder Schilfpolder als nachhaltige Energie- und Rohstoffsysteme wirken, in dem sie im Ablauf noch enthaltene Nährstoffe in Biomasse umwandeln beziehungsweise eine Speicher- und Pufferfunktion für Wasser und Nährstoffe sicherstellen. Zum anderen können diese Retentionsstrukturen den lokalen Wasserkreislauf stärken und somit klimapositiv, hochwasserschützend und temperierend wirken (Brüll et al. 2001, Brüll 2015).

Die Elemente des Landschaftsbaukastens

1. Teiche und Schilfpolder

Eine Möglichkeit der landschaftlichen Einbettung des HypoWave-Systems sind Teiche inklusive ihrer Uferränder und Polderflächen. In einem erweiterten Verständnis können gebaute Biomasse-Teiche auch als Teichkläranlagen verstanden werden. Vom Prinzip funktionieren sie ähnlich wie eine Hydroponik, da hier wasserbasiert Biomasse produziert wird (Bürgow 2014). Der Teichanbau ist aufgrund der dreidimensionalen Anbaumöglichkeiten (z. B. Schwimm- und Unterwasserpflanzen) besonders flächeneffektiv und produktiv (Ibid.).

Teiche können zudem die geschlossenen Gewächshausstrukturen sensibel in die Landschaft einbetten. Neben der möglichen Biomasse-, Algen-, Tierfutter- oder Zierpflanzenproduktion durch die Restnährstoffkonzentration im Wasser können sie auch weitere Ökosystemleistungen übernehmen. Teiche dienen sowohl der vor- und nachbereitenden Speicherung und Filterung des Bewässerungswassers für Gewächshaus- und landschaftliche Anbaukulturen. An den Teichrändern sind Polderflächen als Brut- und Nistplatz für verschiedenste Tierarten angelegt. Süßgräser wie Schilf (Phragmites spec.) oder Rohrkolben (Typha spec.) sind besonders produktiv. Als robuste, natürliche Monokulturen können diese Pflanzen bis zu 15-20 Tonnen Trockenmasse pro Hektar produzieren oder umgerechnet circa 150-250 Kubikmeter Baustoff (Krus 2014, S. 33). Im Vergleich dazu lag der Hektarertrag Weizen im Trockenjahr 2018 bei durchschnittlich 6,2 Tonnen Trockenmasse pro Hektar (BMVEL 2018, S. 10) gegenüber 9 bis 10 Tonnen Trockenmasse pro Hektar in Jahren mit "üblichen" Niederschlagsmengen. Röhrichte mit ihrem Rhizobiom sind zudem besonders wertvolle Wasserfilterer und -verdunster wie auch die Wasserfläche selbst erheblich zur Verdunstung beiträgt. Als beispielhafte Kennzahl sei die durchschnittliche Verdunstungsrate von 1000 bis 2000 Millimeter pro Jahr genannt (Rodewald-Rudescu 1974). Im Vergleich zu Ackerland verdunstet Schilf das bis zu 1,5-fache des jährlichen Niederschlags und kann so zum kostengünstigen ökologischen Wasser- und Nährstoffmanagement in ländlichen und auch urbanen Räumen beitragen (Franck 2016). Eine Biomasse-Bewirtschaftung in den gebauten Feuchtgebieten trägt auch dazu bei, dem Ökosystem Nährstoffe wieder zu entziehen und die Retentionskapazität für Wasser, Nähr- und Mineralstoffe zu erhalten (Brüll 2015). Schilf mit seinem sehr schnellen Wachstum zählt zu den effektivsten Retentionspflanzen. In Bezug auf den Nährstoffrückhalt sei beispielhaft die Zahl von 1200 Kilogramm Stickstoff pro Hektar und Jahr (Rodewald-Rudesco 1974) genannt, was in etwa der Umwandlung von Stickstoff im hydroponischen Gewächshaus beim Anbau von Blumen (Zierpflanze Chrysantheme) entspricht (Fischer et al. 2019).

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5 Landschaftsbaustein Teiche und Schilfpolder.Grafik: aquatectura
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6 Landschaftsbaustein Kurzumtriebsplantage Grafik: aquatectura
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7 Kurzumtriebsplantagen bewirtschaftet mit aufbereiteten kommunalen Abwässern in Londonderry/Nordirland. Quelle: BIOPROS 2008, Foto: Steffen Föllner

2. Kurzumtriebsplantage (KUP)

Kurzumtriebsplantagen sind wie auch die traditionelle Niederholz- und Heckenbewirtschaftung Elemente der Agroforstwirtschaft. KUPs bezeichnen schnellwachsende Baumarten, meist Weichhölzer wie Weide (Salix spec.) und Pappel (Populus spec.), die in kurzen Umtriebszyklen bewirtschaftet werden; meist wird nach drei bis fünf Jahren geerntet. Aufgrund ihrer hohen Verdunstungsleistung und Biomasseproduktivität eignen sich KUPs im Besonderen auch für die Bewässerung mit vorgereinigtem Abwasser inklusive nährstoffhaltigen Restwässern aus dem Gewächshaus (Biopros 2008).

Im Raerener Systemdesign ist zunächst eine circa 0,3 Hektar drainierte KUP vorgesehen, die als ergänzendes Filtersystem für das Restwasser aus dem Gewächshaus dient. Bewässerte KUPs erreichen, ähnlich wie Schilfpolder, Produktivitäten von 10 bis 15 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr (Ibid.). Eine erste überschlägige Rechnung ergibt für bewässerte KUPs, dass eine ein Hektar große Weidenplantage Hackschnitzel für die jährliche Beheizung eines circa 1000 Quadratmeter großen Gewächshauses produzieren kann. Ähnlich den Schilfpolderflächen kann die KUP als potentielles Überflutungsgebiet einen Beitrag zur Pufferung von Starkregenereignissen leisten. Die zunächst vorgeschlagene Größe von 0,3 Hektar gewährleistet eine naturnahe, zusätzliche Wasserklärung und bietet zudem auch ein Habitat für diverse Pflanzen und Tiere. Eine professionell bewirtschaftete KUP kann sich zu einer eigenständigen wirtschaftlichen Einheit, zum Beispiel als Energielieferant für das Gewächshaus entwickeln.

3. Punktfundamente

Die Gewächshäuser können und sollten auf Punktfundamenten errichtet werden. Dadurch kann die Versiegelung wertvollen Bodens deutlich reduziert werden und die Versickerung abfließenden Regenwassers besser gewährleistet werden.

4. Kondenswassernutzung

Um weitere alternative Bewässerungsquellen zu erschließen, kann sich das zusätzliche Kondenswasserrecycling im Gewächshaus anbieten. Mit Blick auf zunehmende Dürreperioden können darüber wertvolle Grund- und Oberflächenwässer, die einem zunehmenden Nutzungsdruck unterliegen, geschont werden.

5. Schwarze Netze

Je nach Landschaftsregion und klimatischen Bedingungen kann an südlicheren Standorten der offene beziehungsweise semi-offene Anbau unter Netzen sinnvoll und nachhaltiger sein. Netzsysteme bieten im Vergleich zu den beispielsweise aus der Region Almeria in Spanien bekannten "Folienlandschaften" ein ästhetisch attraktiveres Landschaftsbild und sind auch aus materialökologischer Sicht zu bevorzugen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jeder Standort aufgrund seines eigenen Charakters, klimatischer und kultureller Eigenheiten einer individuellen, standortspezifischen Gestaltung bedarf. Dennoch kann der beschriebene "baukastenartige" Wechsel von geschlossenen und offenen Modulen als übergreifender Gestaltungsgrundsatz verstanden werden. Dadurch können neben der verbesserten Wasserqualität auch neue Landschaftsbilder geschaffen werden.

Gestaltungsregeln zur Übertragbarkeit

Landschaftliche Monotonie vermeiden

Der beschriebene Landschaftsbaukasten-Ansatz hilft, die Landschaft vielseitig zu halten. Der ausgewogene Wechsel von geschlossenen, semi-offenen und offenen Landschaftsstrukturen sollte daher in jede HvpoWave Planung einfließen. So können neben den Gewächshausprodukten Biomasserohstoffe gewonnen werden, deren Produktion die Landschaft im Sinne einer nachhaltigen Bioökonomie bereichert.

Blau-grüne Infrastrukturen für vielfältige Ökosystemleistungen etablieren

Das Recyceln des gebrauchten Wassers über landschaftliche Module sollte genutzt werden, um weitere Ökosystemleistungen in Siedlungsnähe zu etablieren. Insbesondere die Speicherung und Verdunstung des Wassers trägt bei Umsetzung an weiteren dezentralen Standorten, wie es in der Gemeinde Raeren beispielsweise auch ohne Gewächshausstrukturen denkbar ist, zur regionalen Stabilisierung des Wasserhaushaltes und zur Pufferung von Hitzeinseln bei. Im Zuge notwendiger und in der EU derzeit diskutierter 'climate actions' erhalten diese Landschaftsfunktionen wieder mehr Bedeutung.

Ökosystemsensible Landschaftsgestaltung parallel zur Technikgestaltung

Parallel zur technischen Auslegung des HypoWave-Systems sollte die landschaftliche Tragfähigkeit (z. B. Grenzen der Aufnahmefähigkeit für Nährstoffe) im Planungsverfahren analog zu baustatischen Berechnungen geprüft werden. Die Technik sollte der Landschaft angepasst und nicht die Landschaft der Technik unterworfen werden. Weitere Module zur Aufkonzentrierung der Düngesalze könnten beispielsweise sinnvoll sein, um damit die Speicherung oder auch einen leichteren Transport an andere Verbrauchsorte zu ermöglichen und damit der flächendeckenden Gewächshaus-Überdachung der Landschaft vorzubeugen.

Das vorgeschlagene Systemdesign greift die EU-Strategie "Grüne Infrastruktur" auf, die bereits Bestandteil der aktuellen Planungen (LP3LP 2014) für den Dreiländerpark ist.

Das hydroponische Gewächshaus wird nachhaltig in ein breiteres landschaftliches Infrastrukturkonzept eingebettet, welches das wasser- und nährstoffliche Qualitäts- und Risikomanagement zwischen dem HypoWave-System und dem Flussgebiet leisten kann.

Ausblick

Mit Blick auf die Veränderungen in der Wasserverfügbarkeit bei sich gleichzeitig verändernden landwirtschaftlichen Praktiken und Produktionszweigen, ist davon auszugehen, dass der Wasserbedarf der Landwirtschaft wachsen und der Intensivanbau in Gewächshäusern zunehmen wird. Die Vorteile von hydroponischen Gewächshäusern, Produktionsbedingungen stark steuern zu können, die Umweltgeschlossenheit und somit Effizienz des Systems werden dieser Methode zu deutlichem Wachstum verhelfen und einen entsprechenden Flächenverbrauch induzieren. Aus diesem Grund sollte man sich frühzeitig darauf verständigen, wie solche Systeme nachhaltig in unser Landschaftsbild, unsere Ökosysteme und unsere Wassereinzugsgebiete integriert werden können.

Hier möchte der Artikel Anregung sein und gleichzeitig Anlass bieten, weitere Praxis- und Forschungsthemen hiermit zu vernetzen.

Abwassernutzung Klimagerechte Landschaftsplanung
9 Skizzierung einer produktiven tertiären Abwasserreinigung im Dreiländerpark. Quelle: LP3LP 2014
Abwassernutzung Klimagerechte Landschaftsplanung
8 Mögliches neues Landschaftsbild – Collage des modularen Hydroponik-Gewächshauses im ausgewogenen Wechselspiel mit blau-grüner Infrastruktur und landschaftlich eingebettet in das angrenzende NATURA-2000-Gebiet. Grafik: aquatectura

Literatur

Referenzen

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Brüll, A./Bürgow, G./Küddelsmann, I. (2001): Nachhaltiges Qualitätsmanagement von Landschaft. Visionen, Strategien und Instrumente für die Entwicklung einer regenerativen und kreativen Landschaft. In: Raumforschung & Raumordnung 59 (2/3), 98-110, Akademie für Raum- und Umweltplanung (ARL), Hannover. ISSN 0034-0111.

Brüll, A. (2015): Biomass - a renewable energy source? Sustainable complementary biomass (re)production through Landscape Quality Management. Dissertation 10.06.2015, Leuphana Universität Lüneburg. Schriftenreihe der Reiner-Lemoine-Stiftung, Herzogenrath: Shaker Verlag. ISBN 978-3-8440-3959-7.

Bürgow, G. (2014): Urban Aquaculture - Water-sensitive transformation of cityscapes via blue-green infrastructures. Dissertation 25.11.2013, Technische Universität Berlin. Schriftenreihe der Reiner-Lemoine-Stiftung, Herzogenrath: Shaker Verlag. ISBN 978-3-8440-3262-8. doi:10.2370/9783844032628.

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Zimmermann, M./Fischer, M. (in Vorbereitung): Assessment of social, ecological and economic impacts of water reuse for hydroponic systems in using Bayesian Networks. Water Reuse and Desalination.

Dr.-Ing. Grit Bürgow
Autorin

Landschaftsarchitektin

aquatectura – Studios für regenerative Landschaften
Dr. Anja Brüll
Autorin

Landschaftsarchitektin

EVTZ Euregio Maas-Rhein / Dreiländerpark
 Michaela Fischer
Autorin

ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung
Dr.-Ing. Martina Winker
Autorin

Mitglied der Institutsleitung

ISOE – Institut für sozial-ökologische Forschung

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