DOI: 10.13140/RG.2.2.10734.98888
Wachsende städtische Bevölkerungen und steigende Anforderungen an die Wasserinfrastruktur machen die dezentrale Abwasserbehandlung zu einer dringenden Forschungspriorität. Konventionelle zentrale Anlagen sind oft energieintensiv und in ihrer Fähigkeit zur Rückgewinnung wertvoller Ressourcen begrenzt.
Die Erforschung integrierter bioelektrischer Systeme eröffnet einen Weg, nicht nur die Nährstoffentfernung zu verbessern, sondern auch nützliche Nebenprodukte wie Biogas oder Wasserstoff zu erzeugen. Studien im Pilotmaßstab sind notwendig, um die Machbarkeit zu demonstrieren, das Reaktordesign zu optimieren und die Leistung unter realistischen Betriebsbedingungen zu bewerten.
Forscher am Mexikanischen Institut für Wassertechnologie (IMTA) in Jiutepec, Mexiko, gingen auf den dringenden Bedarf an nachhaltigen, modularen Lösungen ein. Sie veröffentlichten kürzlich ihren Pilotversuch in der Fachzeitschrift Bioprocess and Biosystems Engineering. Ihr System könnte möglicherweise Haushalten, Hotels und anderen Einrichtungen dienen, in denen sowohl Abwassermengen als auch Energiebedarf zusammenfallen.
Ein integriertes, dezentrales Behandlungssystem, bestehend aus einem Elektrolyse-Reaktor, einem anaeroben Biofilmreaktor und einem aeroben Moving-Bed-Reaktor, wurde im Pilotmaßstab getestet. Das Gesamtvolumen betrug 50 Liter, wobei 10,4 Liter der Elektrolysekammer zugeordnet waren. Häusliches Abwasser wurde behandelt, während gleichzeitig Wasserstoff erzeugt wurde.
Das System umfasste die folgenden Einzelreaktoren:
- Eine Elektrolysekammer mit Graphitfilz-Anode und -Kathode sowie einer Kationenaustauschmembran (CMI‑7000S),
- Einen Festbettreaktor mit Polyurethanschaum als Trägermaterial,
- Einen aeroben Moving-Bed-Reaktor mit modifizierten LDPE-Trägerelementen (≈1.500 m²/m³ spezifische Oberfläche) und gezielter Belüftung,
- Eine Hochleistungs-Sedimentationseinheit.
**Das System wurde in einem Tank installiert und unter kontinuierlichem Durchfluß mit zwei unterschiedlichen Raten betrieben. Die hydraulische Verweilzeit betrug 0,75 oder 1,5 Tage. Die angelegten Spannungen lagen zwischen 0,7 und 1,0 V. Verschiedene organische Belastungen (chemischer Sauerstoffbedarf, COD) von 0,2–0,44 kg/m³/d wurden ebenfalls untersucht.**
| Kontamination | Abbau |
|---|---|
| CSB | 81–84% |
| BOD₅₀ | 84–85% |
| TSS | 76–88% |
| TN | 53–68% |
| NH₄⁺ | 88–98% |
| TP | 11–30% |
Mit zunehmender Belastung nahm die Abbaurate dazu ab. Die Stromdichten erreichten bis zu 0,41 A/m² bei einer maximalen Wasserstoffproduktion von 0,007 L/L/d (absolut: 0,072 L/d). Die höhere Spannung von 1,0 V förderte sowohl die Wasserstoffbildung als auch die Umwandlungen von Stickstoff und Phosphor. Eine Kontrolle ohne angelegte Spannung wurde genutzt, um den Beitrag der Spannung zur Behandlungsleistung zu isolieren.
Diese spannungsfreie Kontrolle quantifizierte den tatsächlichen Beitrag des elektrochemischen Anteils. Es trat kein Stromfluß und keine Wasserstoffproduktion auf. Die Entfernung der organischen Belastung setzte sich fort, jedoch nur durch konventionelle Schritte. Stickstoff- und Phosphorumwandlungen waren deutlich reduziert, insbesondere die Ammoniumentfernung. Insgesamt zeigte das System ohne angelegte Spannung eine geringere Behandlungsleistung.
Die mikrobielle Elektrolyse im kombinierten System fügte nicht nur passives Biofilmvolumen hinzu. Unter angelegter Spannung lieferte sie einen unabhängigen funktionalen Beitrag zur Stickstoff- und Phosphorumwandlung sowie zur Energierückgewinnung. Ohne Spannung verhielt sich die mikrobielle Elektrolysezelle hydraulisch wie zusätzlicher Reaktorraum, verlor jedoch ihren Mehrwert als bioelektrische Einheit.
Die Studie zeigt, daß integrierte Bioelektrolyse in Kombinationen mit klassischen Systemen im kleinen Pilotmaßstab hohe organische Abbauraten und relevante Stickstoffumwandlungen erreichen können. Gleichzeitig wurde Wasserstoff oder Biogas erzeugt. Dies macht den Ansatz geeignet als energiearme, modulare Vor- und Hauptbehandlung für häusliches Abwasser mit Potenzial zur nützlichen Gasrückgewinnung. Besonders interessant ist, wegen der gegebenen Durchflußmengen und des entsprechenden Gasbedarfs, die Hotelbranche als Markt.
Die Phosphatentfernung dagegen war zu gering (11–30 %), um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Eine Nachbehandlung in kommunalen Kläranlagen blieb notwendig. Höhere organische Belastungen verschlechterten die Nährstoff- und Feststoffentfernung, sodaß das System nur teilweise für industrielles Abwasser mit höheren Belastungen geeignet war. Für Einleitungs- und Wiederverwendungsstandards waren in industriellen Anwendungen ebenfalls zusätzliche Nachbehandlungsschritte erforderlich.
Die Integration bioelektrischer Reaktoren im Pilotmaßstab in die kommunale Abwasserbehandlung markiert einen spannenden Schritt in Richtung Industrialisierung nachhaltigen Wassermanagements. Durch die Kopplung hoher organischer Entfernungseffizienzen mit gleichzeitiger Wasserstofferzeugung zeigte dieser Ansatz, wie sich Behandlungssysteme von reinen Verbrauchern zu ressourcengewinnenden Plattformen entwickeln können.
Bei Frontis Energy sind wir der Ansicht, daß trotz verbleibender Herausforderungen modulare, energiearme Systeme, die sowohl sauberes Wasser als auch nutzbare Energie liefern, überzeugen. Die nächste Phase wird die Verfeinerung der Nährstoffumwandlung, die Optimierung des Reaktordesigns für größere Volumina und die Erkundung realer Anwendungen in Bereichen wie Hotellerie und dezentralen Kommunen umfassen. Diese Entwicklung weist auf eine Zukunft hin, in der Abwasserbehandlung nicht nur eine Notwendigkeit ist, sondern ein Treiber für Innovationen der Kreislaufwirtschaft.
Estrada-Arriaga, et al. 2024, Performance of a pilot-scale microbial electrolysis cell coupled with biofilm-based reactor for household wastewater treatment: simultaneous pollutant removal and hydrogen production. Bioprocess and Biosystems Engineering, 47, 1929–1950, DOI: 10.1007/s00449-024-03079-0
Der Beitrag ist auch in English verfügbar.
