KoalAplan: Kommunales Abwasser als Rohstoffquelle
Kommunales Abwasser ist reich an Rohstoffen wie etwa Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Vor allem organische Kohlenstoffverbindungen haben Potenzial, in höherwertige Produkte umgewandelt zu werden.
Hintergrund
Bei den Bemühungen, Wertstoffe aus Abwasser zu gewinnen, ist die Stickstoffentfernung ein limitierender Faktor, da beim herkömmlichen Belebtschlamm-Verfahren organischer Kohlenstoff für die Denitrifikation benötigt wird. Denitrifikation bedeutet, dass Stickstoffbelastungen im Abwasser biologisch abgebaut werden. Mikroorganismen wandeln die Stickstoffverbindungen zu gasförmigem Stickstoff um, dieser entweicht anschließend ungenutzt in die Atmosphäre. Dazu benötigen die Mikroorganismen Kohlenstoff, der entsprechend nicht mehr als Rohstoff zur Verfügung steht, sondern in Form von CO2 ausgast oder als Biomasse mit dem Klärschlamm ausgetragen wird. Im Projekt werden Möglichkeiten getestet, die im Abwasser enthaltenen Rohstoffe besser zu nutzen und mit bioökonomischen Verfahren vermarktungsfähige Produkte herzustellen.
Pilotprojekt KoalAplan: Die Kläranlage der Zukunft (Audiodeskription)
Projektinhalt
Auf der Kläranlage Büsnau wird ein Verfahren untersucht, mit dem die Denitrifikation umgangen werden kann. Das geplante Konzept besteht aus chemischen, physikalischen und biologischen Prozessschritten. So wird es möglich, die organische Fracht gezielt aus dem Abwasser auszuschleusen. Ein neuartiges Mikrosieb trennt den partikulären organischen Kohlenstoff direkt nach der Vorklärung, um daraus im Nebenstrom – der eigentlichen Bioraffinerie – Wasserstoff (H2) und Rohstoffe für Bio-Kunststoffe zu erzeugen. Der abgetrennte Kohlenstoff wird dazu einer sauren Hydrolyse unterzogen. Es entstehen organische Säuren, die mit mikrobieller Elektrolyse zu Wasserstoff umgesetzt werden. Verbleibender Kohlenstoff wird in einem Fermenter zu Polyhydroxyalkanoaten (PHA), einem Grundstoff für Bio-Plastik, verarbeitet.
Im Hauptstrom wird der Ammoniumstickstoff im Abwasser über einen Zeolithfilter entfernt. Der Stickstoff wird bei der Regeneration des Zeoliths zurückgewonnen und kann als Dünger eingesetzt werden. Das Abwasser wird anschließend über einen Schwachlasttropfkörper behandelt, um verbleibende Inhaltsstoffe abzubauen. Dazu arbeiten Wissenschaftler:innen des Karlsruher Instituts für Technologie, des Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik, der Technischen Universität Hamburg, der Universität Stuttgart und der Technischen Universität Clausthal gemeinsam mit der Landesagentur für Umwelttechnik und Ressourceneffizienz in Baden-Württemberg an einer Bioraffinerie auf dem Lehr- und Forschungsklärwerk (LFKW) in Büsnau.
Projektziel
Das Projekt soll zeigen, dass es möglich ist, aus kommunalem Abwasser die Produkte Ammonium, Wasserstoff und Polyhdroxyalkanoate (PHA) zu gewinnen. Gleichzeitig ist die Einhaltung der Einleitwerte für das LFKW in Büsnau zentraler Bestandteil. Die großtechnische Umsetzung unterstützt die Ziele der Landesstrategie Nachhaltige Bioökonomie. Das Recycling von Kohlenstoff und Stickstoff senkt den notwendigen Einsatz fossiler Rohstoffe. Die Produktion von PHA und Wasserstoff führt indirekt zu einer Minderung der CO2-Emissionen. Die geplante Verknüpfung innovativer Verfahren kann zu einer intensiveren Kreislaufwirtschaft und mehr Klimaschutz beitragen. Neben der Ressourceneffizienzstrategie unterstützt das Vorhaben auch die Nachhaltigkeits- und Innovationsstrategie sowie die Klimaschutzziele des Landes Baden-Württemberg.
Meilensteine
- Projektbewilligung Oktober 2021
- Optimierung der Feststoffabtrennung mit Mikrosieb bis April 2022
- Optimierung der mikrobiellen Elektrolyse des Hydrolysats in Fließzellversuchen bis Januar 2023
- Ammoniumrückgewinnung mit einem Klinoptilolithfilter, Betrieb des Tropfkörpers und Saure Hydrolyse der Feststoffe bis Mai 2023
- Übertrag der Ergebnisse auf eine mikrobielle Elektrolyse im 10 L Scheibentauchkörper bis Juli 2023
- Bandfiltration gekoppelt mit einer Membranmikrofiltration zur Vorbehandlung des Hydrolysats und mikrobielle Umsetzung des Hydrolysats zu PHA bis September 2023
- Machbarkeitsstudie zur biotechnologischen Verwendung des gewonnenen Wasserstoffs und Kombination der einzelnen Prozessschritte in einer Kaskade bis Mai 2024
- Bilanzierung des Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphatstroms in der Bioraffinerie Büsnau, Öffentlichkeitsarbeit und Verwertung der Projektergebnisse und wissenschaftliche Begleitung bis Juni 2024
Abschlussbericht
Das Projekt KoalAplan (Kommunales Abwasser als Rohstoffquelle) erschafft die Vision einer Kläranalage der Zukunft. Hier werden Bioplastik und Wasserstoff aus kommunalem Abwaser gewonnen: Die Kläranlage als Bioraffinerie. Nach fast zweieinhalb Jahren Forschung finden Sie detaillierte Forschungsergebnisse und Informationen nun in der Abschlussbroschüre des Projektes.
Publikationen:
- A Fundamental Study on the Extraction of Particulate Organic Carbon from Municipal Wastewater Treatment Plants
Behnam Askari Lasaki, Peter Maurer und Harald Schönberger
https://www.mdpi.com/2073-4441/15/10/1861
- Effect of coupling primary sedimentation tank (PST) and microscreen (MS) to remove particulate organic carbon (POC): a study to mitigate energy demand in municipal wastewater treatment plants
Behnam Askari Lasaki, Peter Maurer und Harald Schönberger
https://sustainenvironres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s42834-023-00186-7
Das Projekt wird durch das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg gemeinsam mit der EU-Kommission im Rahmen des EFRE-Förderprogramms „Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling“ gefördert.
