Schlagwort: Bioelektrochemische Systeme

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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

DOI: 10.13140/RG.2.2.24268.68488

Mit dem weltweiten Bevölkerungswachstum und der damit einhergehenden zunehmendem Umweltbelastung wird der Bedarf an nachhaltiger Abwasserbehandlung immer dringlicher. Herkömmliche Verfahren konzentrieren sich auf die Entfernung von Schadstoffen, übersehen jedoch oft die Chance, wertvolle Ressourcen zurückzugewinnen. Eine dieser Ressourcen ist Ammonium.Dieses Stickstoff enthaltende Molekül ist wachstumsfördernd und ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Bei unsachgemäßer Handhabung, wie z.B Überdüngung ist Ammonium einer der Hauptverursacher von Stickstoffverschmutzung.

Eine vielversprechende Lösung bieten bioelektrische Systeme. Das ist ein Sammelbegriff für innovative Technologien, die nicht nur Abwasser reinigen, sondern auch Ressourcen wie Ammonium zurückgewinnen. Gleichzeitig erzeugen bioelektrische System saubere Energie wie z.B. elektrischen Strom oder Biogas. Die Technologie basiert auf galvanischen Zellen, wobei die beiden Zellkammern oft durch eine Membran getrennt sind. 115-Leistungsstarke Kationenaustauschmembran ermöglichen präzisen Ionentransport und Systemstabilität. Das Premiumprodukt unter den Kationenaustauschmembranen ist Nafion, wie z.B. unsere Nafion 115 Membran.

Bei Frontis Energy haben wir gezeigt, daß bioelektrochemische Systeme Ammonium aus Abwasser entfernen können und damit eine energieeffiziente Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren bieten. Zur Validierung dieses Konzepts entwickelten wir mikrobiologische Elektrolysezellen, die mit Mikroorganismen aus sauerstoffreien marinen Sedimenten vor der Küste Namibias besiedelt wurden. Diese Sedimente sind von Natur aus reich an Ammoniak und arm an organischem Kohlenstoff. Das sind ideale Bedingungen für Mikroben, die zur anaeroben Ammoniumoxidation befähigt sind. Zum Vergleich nahmen wir gewöhnliches kommunales Abwasser zur Besiedelung der Elektroden.

Die Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen war entscheidend, um Nitrifikation zu vermeiden. Dabei handelt es sich um einen Prozeß, der Elektronen direkt auf Sauerstoff überträgt und die Anode umgeht, was zu Energieverlust und verminderter Wasserstoffproduktion führt. Stattdessen regulierten wir das Anodenpotenzial zwischen +150 mV und +550 mV. Das war – deutlich unter dem für Wasseroxidation erforderlichen Redox-Potential von +820 mV. Diese Konfiguration ermöglichte die Oxidation von Ammonium zu Stickstoffgas (N₂) an der Anode, während an der Kathode Wasserstoff (H₂) erzeugt bzw. Methangas wurde.

Zentral für diesen Prozeß ist Nafion 115. Dabei handelt sich um eine Membran aus Perfluorsulfonsäurepolymeren (PFSA-Polymere). Ihre außergewöhnliche Protonenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und mechanische Robustheit machen sie ideal für anspruchsvolle Abwasserumgebungen. Nafion 115 funktioniert wie ein selektives Tor, das Ammoniumionen (NH₄⁺) von der Anode zur Kathode wandern läßt, während konkurrierende Ionen blockiert und anoxische Bedingungen aufrechterhalten werden. Dieser selektive Transport, getrieben durch elektrische Feldgradienten und Konzentrationsunterschiede, gewährleistet eine effiziente Nährstoffrückgewinnung und stabile Leistung des bioelektrischen Systems.

Eine praktische Validierung dieser Technologie stammt aus unserem früheren Bericht, in dem Forscher einen zweikammerigen, anoxischen bioelektrischen Reaktor entwickelten, der Ammonium kontinuierlich mit einer Rate von etwa 5 g/m³/Tag entfernte. Ihr System wandelte über 97 % des Ammoniums direkt in Stickstoffgas um. Diese Umwandlung konnte ohne die Bildung schädlicher Zwischenprodukte wie Nitrit oder NOx-Gase durchgeführt werden. Besonders beeindruckend war der Energieverbrauch von nur 0,13 kWh pro Kilogramm entferntem Stickstoff. Das war eine 35-fache Reduktion im Vergleich zur konventionellen Belüftung, die typischerweise etwa 5 kWh/kg benötigt.

Diese Ergebnisse unterstreichen das transformative Potential von bioelektrischen Systemen. Wie eingangs erwähnt, wird viel Energie aufgewendet, um Stickstoff aus Abwasser zu entfernen, nur um ihn anschließend über das Haber-Bosch-Verfahren erneut verfügbar zu machen. Das macht 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs aus. Bioelektrische Systeme bieten eine zirkuläre Alternative: Durch die Kopplung von Ammoniumoxidation mit Wasserstoffproduktion könnten Kläranlagen zu Nettoenergieerzeugern werden. Erzeugte Wasserstoff und Biogas können direkt zur Stromerzeugung und letztendlich zur Reduktion von Treibhausgasen genutzt werden.

Mit den richtigen Biofilmen, gut kontrollierten Elektrodenpotenzialen und robusten Membranen wie Nafion 115 kann Ammonium als saubere, ressourcenschonende Alternative zur Wasserelektrolyse dienen. Dies verdeutlicht das Potential bioelektrischer Systeme, eine zirkuläre Wasserwirtschaft aufzubauen, wobei Abfall als Ressource genutzt wird.

Diese Technologie spiegelt das Engagement von Frontis Energy wider, saubere, effiziente und zirkuläre Lösungen zu fördern, die ökologische Herausforderungen in nachhaltige Chancen verwandeln.

Siegert and Tan, 2019, Electric stimulation of ammonotrophic methanogenesis. Frontiers in Energy Research 7:17. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00017

Bild: Abwasserreinigungsanlage Bern

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Fortschritte bei der Ammoniumrückgewinnung mit bioelektrischen Systemen

DOI: 10.13140/RG.2.2.30016.19204

In den letzten Jahrzehnten hat sich der Schwerpunkt der Abwasserbehandlung von der reinen Entsorgung hin zur Rückgewinnung von Ressourcen verlagert. Dabei werden im Abwasser enthaltene Energie und Nährstoffen erschlossen. Unter den aufkommenden Technologien befinden sich auch bioelektrische Systeme. Neben Energie und Kohlenstoff können auch wertvolle Verbindungen wie Ammonium zurückgewonnen werden. In Ammonium gebundener Stickstoff ist ein zentraler Bestandteil von Düngemitteln. Zwei Drittel dieser Ressource werden heute im sehr energieaufwendigen Haber-Bosch-Verfahren mithilfe von Erdgas aus Luft gewonnen. Die Düngemittelherstellung trägt damit wesentlich zu anthropogenen CO2-Emmissionen und schlußendlich zur globalen Erwärmung bei.

Bioelektrische Systeme zur Ammoniumrückgewinnung werden in mikrobielle Brennstoffzellen und mikrobielle Elektrolysezellen unterteilt. In beiden oxidieren elektrogene Mikroorganismen im Abwasser enthaltenes organisches Material zu Kohlendioxid und Protonen. Elektrogene Mikroorganismen werden auch als anodenatmende Bakterien bezeichnet. Im Gegensatz zu sauerstoffatmenden Bakterien nutzen Elektrogene die Anode als Elektronenakzeptor und gewinnen dadurch Energie für ihren Stoffkreislauf.

Durch die Verbindung mikrobieller Aktivität mit elektrochemischen Prozessen werden die chemischen Reaktionen bei der Abwasserreinigung effektiv katalysiert. Diese neuartige biokatalytische Anwendung steht jedoch vor Herausforderungen bei der Optimierung für den praktischen Einsatz. Bei Frontis Energy haben wir in einem patentierten Verfahren schon gezeigt, daß Ammonium in bioelektrischen Systemen effektiv aus Abwasser entfernt werden kann. Wir arbeiten derzeit daran, das Verfahren für den industriellen Einsatz zu skalieren. Allerdings fehlt derzeit noch das Verständnis sowohl der genauen Prozesse, als auch der für mögliche Rückgewinnung von Ammonium.

Eine neue Studie der Autonomen Universität Barcelona wurde die Entwicklung und Optimierung bioelektrischer Systeme untersucht. Ziel war es, Ammonium aus Abwasser energieeffizient und in konzentrierter Form zurückzugewinnen. Die Ergebnisse wurden kürzlich im Fachblatt Bioelectrochemistry veröffentlicht. Mithilfe einer Drei-Kammer-Konfiguration mit hydrophober Membran untersuchten die Forscher systematisch den Einfluß unterschiedlicher Stromstärken und Ammoniumkonzentrationen auf die Rückgewinnung. Das System erreichte seine höchste Ammoniumrückgewinnungsrate von 55 g / m² / Tag bei einem Strom von 75 mA. Insgesamt wurde eine 97%ige Entfernung des Ammoniums aus einer 0.3%igen Lösung erzielt.

Bemerkenswerterweise fließen Elektronen vom Anoden- zum Kathodenbereich über einen externen Stromkreis, wo sie mit einem Elektronenakzeptor reagieren. In Systemen zur Rückgewinnung von Ammonium wandern Ammoniumionen durch eine Kationenaustauschmembran von der Anode zur Kathode, angetrieben durch Konzentrationsgradienten und das elektrische Feld, wodurch sie sich in der Kathodenkammer anreichern können.

Während dieser Ionentransportmechanismus eine effiziente Ammoniumrückgewinnung unterstützt, beobachteten die Forscher, daß ein Betrieb mit hoher Leistungsfähigkeit zu einem Materialverschleiß an der Kathode führte. Das unterstreicht die Notwendigkeit, Betriebsintensität mit Materialbeständigkeit in Einklang zu bringen. Folglich untersuchten die Forscher verschiedene Kathodenmaterialien und Spannungen. Dabei zeigte sich, daß Edelstahlkathoden bei 1,4 V die besten Ergebnisse lieferten – mit einer Entfernungsrate von 21 g / m² / Tag und einer Rückgewinnungsrate von 17 g / m² / Tag, vor allem aufgrund der verbesserten Kationenmigration infolge höherer Stromdichte.

Langzeitversuche zeigten, daß eine höhere Ammoniumkonzentration im Anolyt die selektive Migration von Ammoniumionen durch die Kationenaustauschmembran deutlich verbessert. Diese Verbesserung steigert wiederum die Gesamtleistung des Systems. Der Betrieb bei 1,4 V erhöhte die Rückgewinnungseffizienz und senkte den Energieverbrauch pro Gramm Stickstoff – was den Prozeß kosteneffizienter und umweltfreundlicher machte.

Diese Erkenntnisse unterstreichen das praktische Potential bioelektrischer Systeme als wegweisend zur nachhaltigen Stickstoffrückgewinnung. Durch die Abstimmung von Materialwahl, Systemdesign und Betriebsparametern lassen sich hohe Ammoniumentfernungs- und Rückgewinnungsraten bei minimalem Energieeinsatz erzielen.

Aus industrieller Sicht stelt diese Studie einen skalierbaren Fortschritt in Richtung Ressourcengewinnung bestehender Abwasserbehandlungssysteme dar. Skaliert könnte die Technologie die Abhängigkeit vom energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren reduzieren.

Da es sich bei Ammonium in konzentrierter Form um ein marktfähiges Produkt handelt, senkt seine Rückgewinnung die Betriebskosten von Kläranlagen. Sollte das skalierte Produkt durch die selbe stabile Langzeitleistung und geringen Energiebedarf überzeugen, wären dies starke Argumente für den Einsatz bioelektrischer Technologien im Rahmen der Kreislaufwirtschaft.

Bei Frontis Energy sehen wir großes Potential darin, diese Technologie zu skalieren und einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Abwasserbehandlung zu leisten.

Ul, et al. 2025, Electrochemical and bioelectrochemical ammonium recovery from N-loaded streams using a hydrophobic membrane, Bioelectrochemistry, Volume 166, 109013, DOI: 10.1016/j.bioelechem.2025.109013.

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