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Mikrobielle Brennstoffzelle im Pilotmaßstab produziert Strom aus Abwasser

Bei der Abwasserbehandlung ist die Belüftung ein energieintensives und notwendiges Verfahren zur Entfernung von Verunreinigungen. Dabei blasen Pumpen Luft in das Abwasser und versorgen so die im Belebtschlammbecken vorhanden Mikroben mit Sauerstoff. Diese Bakterien oxidieren im Gegenzug organische Stoffe zu CO2 und entfernen diese adaurch aus dem Abwasser. Dieses Verfahren is der indutrielle Standard und hat sich seit über einem Jahrhundert bewährt. Geht es nach den Forschern der Washington State University und der University of Idaho, ändert sich das jetzt.

In ihrer Arbeit verwendeten die Forscher ein einzigartiges mikrobielles Brennstoffzellensystem, das sie als Ersatz für den Belebtschlamm entwickelten. Dieses nachhaltige Abwasserbehandlungssystem, reinigt Abwasser mithilfe von Mikroorganismen, die elektrischen Strom produzieren. Solche Mikroben nennt man Elektrophile.

Die Arbeiten sollen eines Tages zu einer geringeren Abhängigkeit von den energieintensiven Klärprozessen führen. Die meiste Energie in solchen Prozessen wird im Belebtschlamm und bei dessen Entsorgung verbraucht. Der Energieverbrauch bei der Wasseraufbereitung produziert weltweit zirka 4-5% des anthropogenen CO2. Zum Vergleich, laut der Air Transport Action Group in Genf produzierte der internationale Luftverkehr Jahr 2019 2,1% CO2. Ihre Arbeit publizierten die Forscher in der Fachzeitschrift Bioelectrochemistry. Zusätzlich zur Senkung der Emissionen, würde eine Senkung des Energieverbrauchs der Abwasserbehandlung jährliche Kostenersparnisse in Milliardenhöhe bringen.

Mikrobielle Brennstoffzellen lassen Mikroben chemische Energie ähnlich wie eine Batterie in Elektrizität umwandeln. Bei der Abwasserbehandlung kann eine mikrobielle Brennstoffzelle die Rolle der Belüftung übernehmen und Elektronen aus dem Abwasser aufnehmen. Diese Elektron sind wiederum ein Abfallprodukt des bakteriellen Stoffwechsels. Alle lebenden Organismen sind bestrebt, ihre ueberschuessigen Elektronen abzugeben. Dieser Prozess wird unter als Atmung oder Gärung bezeichnet. Der von den Mikroben erzeugte Strom kann für nützliche Anwendungen in der Kläranlage selbst verwendet werden. Die Technologie schlägt also zwei Fliegen mit einer Klappe. Einerseits spart die Klärung des Abwasser Energie. Andererseits erzeugt sie zusätzlich Strom.

Bisher wurden die mikrobiellen Brenstoffzellen experimentell in Abwasserbehandlungssystemen unter idealen Bedingungen eingesetzt, aber unter realen und wechselnden Bedingungen versagen sie häufig. Den mikrobiellen Brennstoffzellen fehlt eine interne Regulation, die das Potenzial von Anoden und Kathoden und damit das Zellpotential steuern, was zu einem Systemausfall führen kann.

Die Forscher fügten dem System eine zusätzliche Referenzelektrode hinzu, die die Steuerung ihres Brennstoffzellensystems ermöglicht. Das System ist umschaltbar. Es kann entweder als mikrobielle Brennstoffzelle für sich arbeiten und keine Energie verbrauchen, oder es kann so umgestellt werden, dass weniger Energie zur Belüftung verbraucht wird während es das Abwasser intensiver reinigt. Frontis Energy verwendet ein ähnliches Steuersystem für seine Elektrolysereaktoren.

Das System wurde ein Jahr lang ohne Fehler im Labor sowie im Pilotmaßstab in einer Test-Kläranlage in Idaho betrieben. Das System entfernte Abfälle mit vergleichbaren Raten wie in einem klassischen Belebtschlammbecken. Zusätzlich könnte die mikrobielle Brennstoffzelle möglicherweise völlig unabhängig vom Stromnetz verwendet werden. Die Forscher hoffen, daß es eines Tages für kleine Abwasserbehandlungsanlagen verwendet werden könnte, beispielsweise für die Reinigung von Viehbetrieben oder in sehr ländlichen Gebieten.

Trotz der Fortschritte gibt es immer noch Herausforderungen, die bewältigen müssen. Es handelt sich um komplexe Systeme, die schwer zu bauen sind. Bei Frontis Energy sind wir auf solche System spezialisiert und können bei der Markeinführung helfen.

(Foto: Wikipedia / National University of Singapore)

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Biokohle aus Abfall entfernt Arzneimittel aus Abwasser

Biokohle ist eine kohleähnliche Substanz, die hauptsächlich aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten hergestellt wird. Sie kann Verunreinigungen wie Arzneimittel aus vorbehandeltem Abwasser entfernen. Zu diesem Ergebnis kam eine Forschergruppe, der Pennsylvania State University und dem Arid Lands Agricultural Research Centerin Arizona. Die Biokohle wurde aus zwei in den USA gängigen landwirtschaftlichen Reststoffen aus der Baumwoll- und Kautschukverarbeitung hergestellt.

Um die Fähigkeit der Biokohle zur Adsorption von Arzneimitteln aus behandeltem Abwasser zu testen, erglichen die Wissenschaftler drei gängige pharmazeutische Verbindungen. Bei der Adsorption haftet ein Material wie eine pharmazeutische Verbindung an der Oberfläche fester Biokohlepartikel. Bei der Absorption dagegen wird ein Material intern in ein anderes aufgenommen, wie z.B. in einem Schwamm.

Guayule, ein Strauch, der im trockenen Südwesten der USA wächst, lieferte den Abfall für die getestete Biokohle. Unter Bonatikern auch Parthenium argentatum genannt, wird der Strauch als Quelle für Gummi und Latex kultiviert. Die Pflanze wird zu Boden gehackt und ihre Zweige zerdrückt, um den Latex zu extrahieren. Der trockene, breiige, faserige Rückstand, der nach dem Zerkleinern der Stiele zur Extraktion des Latex zurückbleibt, wird als Bagasse bezeichnet.

Die Ergebnisse sind von Bedeutung, da sie das Potenzial von Biokohle aus reichlich vorhandenen landwirtschaftlichen Abfällen aufzeigen. Diese Abfälle müßten ansonsten teuer entsorgt werden. Die Herstellung von Biokohle ist eine kostengünstige Zusatzbehandlung zur Reduzierung von Verunreinigungen in behandeltem Abwasser, das zur Bewässerung verwendet wird.

Gleichzeitig sind die meisten Kläranlagen derzeit nicht für die Entfernung neu auftretender Verunreinigungen wie Pharmazeutika ausgerüstet. Wenn diese toxischen Verbindungen durch Biokohle entfernt würden, könnte das Abwasser in Bewässerungssystemen wiederaufbereitet werden. Diese Wiederverwendung ist von entscheidender Bedeutung in Regionen, in denen ein Wassermangel die landwirtschaftliche Produktion behindert.

Die in der Studie verwendeten pharmazeutischen Verbindungen waren: Sulfapyridin, ein antibakterielles Medikament, das üblicherweise in der Veterinärmedizin verwendet wird; Docusat, ein weit verbreitetes Abführmittel und Stuhlweichmacher, sowie Erythromycin, ein Antibiotikum zur Behandlung von Infektionen und Akne.

Die im Fachmagazin Biochar veröffentlichten Ergebnisse legen nahe, daß Biokohle landwirtschaftliche Abfälle wirksam Arzneimittel adsorbieren kann. Dabei war die aus Abfällen der Baumwollverarbeitung gewonnene Biokohle jedoch wesentlich effizienter. Die Biokohle adsorbierte es 98% des Docusats, 74% des Erythromycins und 70% des Sulfapyridins aus wäßriger Lösung. Im Vergleich dazu adsorbierte die aus Guayulerückständen gewonnene Biokohle 50% des Docusats, 50% des Erythromycins und nur 5% des Sulfapyridins.

Die Forschung ergab, daß ein Temperaturanstieg von ungefähr 340ºC auf zirka 700ºC im sauerstoffreien Pyrolyseprozeß, der zur Umwandlung der landwirtschaftlichen Abfallmaterialien in Biokohle verwendet wurde, zu einer stark verbesserten Kapazität der Adsorption führte.

Bisher gab es keine Studien zur Verwendung von Guayulerückständen zur Herstellung von Biokohle und zur Entfernung von Verunreinigungen, ebenso wie für Baumwollverarbeitungsabfälle. Es wurden zwar Untersuchungen zur möglichen Entfernung anderer Verunreinigungen durchgeführt. Doch ist dies die erste Studie, in der Baumwollverarbeitungsabfälle speziell zur Entfernung von Arzneimitteln aus Wasser verwendet werden.

Die Forschung mehr als theoretisch. Bei Frontis Energy hoffen wir, daß die Technologie schon bald im industriellen Maßstab verfügbar sein wird. Da Baumwollverarbeitungsabfälle auch in den ärmsten Regionen weit verbreitet sind, sind wir der Ansicht, daß diese Quelle für Biokohle zur Dekontamination von Wasser vielversprechend ist. Der nächste Schritt wäre die Entwicklung einer Mischung aus Biokohlematerial, um eine Vielzahl von Verunreinigungen aus Wasser zu adsorbieren.

(Foto: Wikipedia)

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Abwasser ist eine global unterschätzte Resource

In unserem letzten Beitrag zur Wasserqualität in China haben wir auf eine Studie hingewiesen, die zeigt, wie sich eine verbesserte Abwasserbehandlung positiv auf die Umwelt und letztendlich auf die öffentliche Gesundheit auswirkt. Abwasserbehandlung erfordert jedoch eine ausgeklügelte und kostspielige Infrastruktur. Diese ist nicht überall verfügbar. Die Gewinnung von Ressourcen aus Abwasser kann jedoch einen Teil der Kosten ausgleichen, die durch den Bau und Betrieb von wolchen Anlagen entstehen. Die offene Frage ist, wieviele Ressourcen sind im Abwasser enthalt?

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Natural Resources Forum veröffentlichte Studie versucht, diese Frage zu beantworten. Es ist die erste dieser Art, die abschätzt, wie viel Abwasser alle Städte der Erde pro Jahr produzieren. Die Menge ist enorm, wie die Autoren sagen. Derzeit fallen weltweit jährlich 380 Milliarden m³ Abwasser an. Die Autoren ließen bei ihrer Untersuchung nur 5% der städtischen Gebiete aus.

Die wichtigsten Ressourcen im Abwasser sind Energie, Nährstoffe wie Stickstoff, Kalium und Phosphor sowie das Wasser selbst. In kommunalen Kläranlagen stammen sie aus menschlichen Exkrementen. In Industrie und Landwirtschaft enthält Abwasser Überreste der Produktionsprozesse. Das Forscherteam berechnete, wie viele Nährstoffe aus kommunalen Abwässern wahrscheinlich in den globalen Abwasserstrom gelangen. Dabei errechneten sie erreichen eine Gesamtzahl von 26 Millionen Tonnen pro Jahr. Das ist fast das Achtzigfache des Gewichts des New Yorker Empire State Buildings.

Wenn man die gesamte Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumbelastung zurückgewinnen würde, könnte man theoretisch 13% des weltweiten Düngemittelbedarfs decken. Die Forscher gingen davon aus, daß das Abwasservolumen wahrscheinlich weiter zunehmen wird, da auch die Weltbevölkerung, die Urbanisierung und der Lebensstandard zunehmen. Sie schätzen weiter, daß es im Jahr 2050 fast 50% mehr Abwasser geben wird als im Jahr 2015. Es wird notwendig sein, so viel wie möglich davon zu behandeln und die Nährstoffe in diesem Abwasser stärker zu nutzen! Wie wir in unserem vorherigen Beitrag betont haben, verursacht Abwasser immer mehr Umwelt- und Gesundheitsprobleme.

Abwasser enthält auch viel Energie. Kläranlagen in Industrieländern nutzen sie seit langem in Form von Biogas. Die meisten Kläranlagen fermentieren Klärschlamm in großen anaeroben Fermentern und produzieren daraus Methan. Infolgedessen sind einige dieser Kläranlagen jetzt energieunabhängig.

Die Autoren berechneten in ihrer Studie das Energiepotential, das im Abwasser aller Städte weltweit verborgen liegt. Grundsätzlich reicht die Energie aus, um 500 bis 600 Millionen Durchschnittsverbraucher mit Strom zu versorgen. Die einzigen Probleme sind: Abwasserbehandlung und Energietechnologie sind teuer und werden daher in nicht Schwellen- und Entwicklungsländern wenig eingesetzt. Laut den Wissenschaftlern wird sich dies ändern. Gelegentlich passiert dies bereits.

Singapur ist ein prominentes Beispiel. Dort wird das Abwasser so gründlich geklärt, daß es in das normale Wassernetz zurückgeführt wird. In Jordanien gelangt das Abwasser aus den Städten Amman und Zerqa durch ein Gefälle in die kommunale Kläranlage. Dort sind kleine Turbinen installiert, die seit ihrem Bau Energie liefern. Solche Projekte zeigen, daß eine Rückgewinnung von Ressourcen möglich ist. Sie macht die Abwasserbehandlung effizienter und kostengünstiger.

Die Frontis-Technologie basiert auf der mikrobiellen Elektrolyse, bei der viele Schritte in Kläranlagen in einem einzigen Reaktor kombiniert werden, um sowohl Nährstoffe als auch Energie zurückzugewinnen.

(Foto: Wikipedia)