Schlagwort: Nährstoffrückgewinnung

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Fortschritt für nachhaltige Abwasserbehandlung: Ammoniumrückgewinnung mit Nafion-Membranen

Abwasserreinigungsanlage Bern

DOI: 10.13140/RG.2.2.25254.59202

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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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)

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Eine Landkarte für Energie aus Abfall

Den meisten Lesern unseres Blogs ist bekannt, daß Abfälle leicht in nutzbare Energie umgewandelt werden können, z.B. in Biogasanlagen. Biogas, Biowasserstoff und Biodiesel sind Biokraftstoffe, weil sie biologisch durch Mirkoorganismen oder Pflanzen produziert werden. Anlagen, die Biokraftstoffe produzieren, sind weltweit in Betrieb. Allerdings weiß niemand wo genau sich diese Biokraftstoffanlagen befinden und wo sie am wirtschaftlichsten betrieben werden können. Diese Wissenslücke behindert den Marktzugang von Biokraftstoffproduzenten.

Wenigstens für die Vereinigten Staaten − den größten Markt für Biokraftstoffe − gibt es nun eine Landkarte. Eine Forscherguppe des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und des National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat nun eine detaillierte Analyse des Potenzials für Energie aus Abfällen in den USA im Fachmagazin Renewable und Sustainable Energy Reviews veröffentlicht.

Dabei konzentriete sich die Gruppe auf flüssige Biokraftstoffe, die aus Klärschlämmen durch das Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnen werden können. Das industrielle Verfahren wurde ursprünglich in Nazi-Deutschland zur Kohleverflüssigung eingesetzt, kann aber auch auf andere organische Materialien, wie z.B. Biomasse, angewendet werden. Das resultierende Öl ähnelt Erdöl, enthält aber auch geringe Mengen an Sauerstoff und Wasser. Dabei können Nährstoffe, wie Phosphat zurückgewonnen werden.

Die Forschergruppe koppelte die besten verfügbaren Informationen zu diesen organischen Abfällen aus einer bestehenden Datenbank mit Computermodellen, um die Mengen und die beste geografische Verteilung der potenziellen Produktion von flüssigen Biokraftstoff abzuschätzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß die Vereinigten Staaten jährlich mehr als 20 Milliarden Liter flüssigen Biokraftstoff produzieren könnten.

Zudem fand die Gruppe heraus, daß das Potenzial für flüssigen Biokraftstoff aus Klärschlamm öffentlicher Kläranlagen 4 Milliarden Liter pro Jahr beträgt. Diese Ressource wurde im ganzen Land verbreitet gefunden − mit einer hohen Dichte an Standorten in den östlichen Vereinigten Staaten, sowie in den größten Städten. Tierdung hat ein Potenzial für 10 Milliarden Liter flüssigen Biokraftstoff pro Jahr. Besonders im Mittleren Westen befinden sich die größten unerschlossenen Ressourcen.

Das Potenzial für flüssigen Biokraftstoff aus Lebensmittelabfällen folgt ebenfalls der Bevölkerungsdichte. Für Ballungsräume wie Los Angeles, Seattle, Las Vegas, New York usw. wird geschätzt, daß deren Abfälle mehr als 3 Milliarden Liter pro Jahr produzieren könnte. Allerdings hatten Lebensmittelreste auch die niedrigste Umwandlungseffizienz. Dies ist auch die größte Kritik am Fischer-Tropsch-Verfahren. Anlagen zur Produktion von signifikanten Mengen Flüssigkraftstoff sind bedeutend größer, als herkömmliche Raffinerien, verbrauchen viel Energie und produzieren mehr CO2, als sie einsparen.

Bessere Verfahren zur Biomasseverflüssigung und eine effizientere Verwertung von Biomasse bleiben also nach wie vor eine Herausforderung für Industrie und Wissenschaft.

(Foto: Wikipedia)