Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das \u00fcbergeordnete Ziel des beantragten Projektes ist die vereinfachte Aufbereitung von separat erfasstem menschlichem Urin zu einem hochwertigen und sicheren D\u00fcngemittel. Dabei soll der Urin in einem biologischen Filtrationsverfahren (C.R.O.P.\u00ae) nitrifiziert werden. Im Anschluss an die Nitrifikation muss die produzierte L\u00f6sung von pathogenen Keimen und organischen Mikroschadstoffen wie
\nMedikamentenr\u00fcckst\u00e4nden befreit werden. Gesucht wird eine verfahrenstechnische L\u00f6sung, die dies im Gegensatz zur \u00fcblichen Kombination aus Aktivkohlefiltration und Erhitzen in einem Schritt und wenn m\u00f6glich ohne reststoffverursachende Verbrauchsmaterialien und Chemikalien durchf\u00fchren kann.
\nUntergeordnete Ziele des Projekts:
\n–\tIdentifizierung von Verfahren zur Nachbehandlung von biologisch hergestellten urinbasierten Recyclingd\u00fcnger mittels physikochemischer Verfahren wie der Diamantelektrolyse oder der photokatalytischen Oxidation.
\n–\tZuverl\u00e4ssige Entfernung von Pathogenen und Medikamentenresten, somit ist eine Nutzung als
\nSpurenstoffeliminationsverfahren bspw. f\u00fcr Krankenhausurin denkbar
\n–\tAnwendung von Verfahren ohne Verbrauchsmaterialien und Gefahrenstoffe wie Laugen oder S\u00e4uren.
\n–\tAuswahl wartungsarmer Ger\u00e4te zur Einsparung von Personalstunden bei Einsatz in kommerziellen Betrieben.
\n–\tVielseitige Verwendbarkeit, ggf. auch zur Desinfektion von D\u00fcngerl\u00f6sungen, die in
\nGew\u00e4chsh\u00e4usern mit erdfreien Kultivierungssystemen mehrfach verwendet werden (rezyklierende Systeme) <\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden<\/p>\n
Im Projekt wurde ein kombiniertes Verfahren zur Nachbehandlung biologisch nitrifizierter C.R.O.P.L\u00f6sungen untersucht, bestehend aus Diamantelektrolyse (BDD) und nachgeschalteter Photokatalyse. Hierf\u00fcr wurden entsprechende Laborreaktoren aufgebaut und betrieben.
\nDie Diamantelektrolyse wurde in einem Durchflussreaktor mit variabler Verweilzeit und einstellbarem Energieeintrag (Wh\/L) untersucht. Die photokatalytischen Versuche erfolgten in einem ger\u00fchrten Batchreaktor unter UV-A-LED-Bestrahlung. Die Katalysatoren wurden mittels Sol-Gel-Verfahren auf geeigneten Tr\u00e4gern mit TiO\u2082 beschichtet.
\nAls Matrix wurden reale C.R.O.P.-L\u00f6sungen eingesetzt. Zur Bewertung der Spurenstoffelimination wurden ausgew\u00e4hlte Arzneimittel gezielt zudosiert. Die Untersuchungen umfassten die Variation relevanter Betriebsparameter sowie die Analyse der resultierenden Stoffumwandlungen.
\nDie analytische Auswertung erfolgte mittels HPLC-DAD f\u00fcr Arzneimittel sowie \u00fcber Summen- und Standardparameter (u. a. CSB, pH, Stickstoffspezies). Die Desinfektionsleistung wurde \u00fcber Keimzahlbestimmungen (KBE\/100 ml) bewertet.
\nAuf Basis der Laborergebnisse wurden zentrale Einflussgr\u00f6\u00dfen identifiziert und erste Zielparameter f\u00fcr die Systemauslegung abgeleitet. Diese dienen als Grundlage f\u00fcr die weiterf\u00fchrenden Untersuchungen im halbtechnischen Ma\u00dfstab. <\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die im Projekt untersuchten Verfahren zur elektrochemischen und photokatalytischen Nachbehandlung zeigen ein hohes Potenzial f\u00fcr eine ressourcenschonende Aufbereitung von urinbasierten D\u00fcngerl\u00f6sungen ohne den Einsatz zus\u00e4tzlicher Chemikalien. Insbesondere die Diamantelektrolyse (BDD) erwies sich als zentrale Verfahrensstufe zur gleichzeitigen Oxidation organischer Inhaltsstoffe und Desinfektion.
\nIm Laborma\u00dfstab konnte eine deutliche Reduktion des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) von initial >40 mg\/L auf etwa 18 mg\/L erreicht werden. Gleichzeitig wurde \u00fcber alle untersuchten Betriebszust\u00e4nde hinweg eine vollst\u00e4ndige Desinfektion nachgewiesen (0 KBE\/100 ml). Dar\u00fcber hinaus zeigte sich eine Verschiebung der Stickstoffspezies in Richtung Nitrat, mit Konzentrationen im Bereich von ca. 10.500\u201312.400 mg\/L, w\u00e4hrend Ammonium tendenziell abnahm. Dies ist im Hinblick auf die Stabilit\u00e4t und pflanzenbauliche Verwertbarkeit der L\u00f6sung positiv zu bewerten.
\nAls verfahrenstechnisch kritisch ist der deutliche pH-Abfall von etwa 3,8 auf Werte bis ca. 1,7\u20132,1 zu bewerten. Zus\u00e4tzlich wurde eine ausgepr\u00e4gte Bildung von chlorhaltigen Spezies beobachtet, die zur Oxidations- und Desinfektionsleistung beitragen, jedoch insbesondere in gasf\u00f6rmiger Form eine potenzielle Gef\u00e4hrdung darstellen und daher eine geeignete Abluft- bzw. Nachbehandlung (z. B. Gasw\u00e4sche) erforderlich machen.
\nDie Untersuchungen zur Spurenstoffelimination zeigen, dass mit der BDD-Behandlung Abbauraten von bis zu ca. 80 % f\u00fcr ausgew\u00e4hlte Arzneimittel erreicht werden k\u00f6nnen. Die nachgeschaltete Photokatalyse zeigte f\u00fcr die untersuchten Substanzen ein Abbauverhalten pseudo-erster Ordnung, wobei Naproxen deutlich effizienter abgebaut wurde als Venlafaxin. Innerhalb der betrachteten Reaktionszeit von 180 Minuten konnte jedoch im Mittel keine vollst\u00e4ndige Zielerreichung von 80 % erzielt werden. Die Photokatalyse ist daher prim\u00e4r als erg\u00e4nzende Verfahrensstufe zur weiteren Reduktion verbleibender Mikroschadstoffe zu bewerten.
\nF\u00fcr Summenparameter wie CSB, mikrobiologische Kenngr\u00f6\u00dfen und Stickstoffspezies konnten im Rahmen der photokatalytischen Behandlung keine signifikanten Ver\u00e4nderungen festgestellt werden, sodass kein zus\u00e4tzlicher Synergieeffekt hinsichtlich der Nitrifikation zu erwarten ist.
\nInsgesamt best\u00e4tigen die Ergebnisse das Potenzial der kombinierten Verfahren zur energieeffizienten und chemikalienfreien Behandlung von urinbasierten D\u00fcngerl\u00f6sungen. W\u00e4hrend f\u00fcr die elektrochemische Behandlung bereits belastbare Zielparameter, insbesondere ein Energieeintrag im Bereich von etwa 40 Wh\/L, abgeleitet werden konnten, besteht f\u00fcr die photokatalytische Stufe weiterhin Optimierungsbedarf.
\nDie halbtechnischen Versuche best\u00e4tigen grunds\u00e4tzlich die im Laborma\u00dfstab beobachteten Effekte, zeigen jedoch Einschr\u00e4nkungen bei der \u00dcbertragbarkeit der Betriebsparameter. Insbesondere konnte aufgrund des deutlich geringeren Energieeintrags der BDD (max. ca. 1,6 Wh\/L gegen\u00fcber ca. 40 Wh\/L im Labor) die Oxidationsleistung f\u00fcr organische Inhaltsstoffe und Spurenstoffe nur eingeschr\u00e4nkt erreicht werden.
\nDie Desinfektionsleistung der BDD blieb hingegen auch im halbtechnischen Ma\u00dfstab zuverl\u00e4ssig erhalten, sodass diese weiterhin als zentrale Verfahrensstufe bewertet werden kann. Die nachgeschaltete Photokatalyse f\u00fchrte zu einer zus\u00e4tzlichen Reduktion einzelner Mikroschadstoffe, konnte jedoch auch unter praxisnahen Bedingungen keine vollst\u00e4ndige Elimination erreichen.
\nAuff\u00e4llig ist zudem ein teilweise abweichendes Verhalten von Summenparametern wie TOC und Tr\u00fcbung, was auf matrixbedingte Effekte und Zwischenproduktbildung im gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab hinweist. Die Bildung chlorhaltiger Spezies konnte ebenfalls best\u00e4tigt werden und bleibt ein zentraler Aspekt f\u00fcr die technische Umsetzung.
\nInsgesamt zeigen die halbtechnischen Ergebnisse, dass das Verfahren grunds\u00e4tzlich \u00fcbertragbar ist, jedoch insbesondere f\u00fcr die elektrochemische Leistungsdichte und die Prozessf\u00fchrung weiterer Optimierungsbedarf besteht. <\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Im Rahmen des Projekts erfolgte keine gesonderte externe \u00d6ffentlichkeitsarbeit. Die erzielten Ergebnisse wurden jedoch kontinuierlich in internen Formaten kommuniziert. Hierzu z\u00e4hlen insbesondere die Pr\u00e4sentation von Zwischenergebnissen in institutsinternen Seminaren sowie die Einbindung der Projektergebnisse in Lehrveranstaltungen an der Hochschule Hof. Auf diese Weise konnte ein Wissenstransfer in Forschung und Lehre sichergestellt werden. <\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Diamantelektrolyse eine effektive und chemikalienfreie Verfahrensstufe zur Oxidation organischer Inhaltsstoffe und vollst\u00e4ndigen Desinfektion von C.R.O.P.L\u00f6sungen darstellt. Erg\u00e4nzend erm\u00f6glicht die nachgeschaltete Photokatalyse eine weitere Reduktion ausgew\u00e4hlter Mikroschadstoffe. Die Kombination beider Verfahren stellt somit einen vielversprechenden Ansatz zur Aufbereitung urinbasierter D\u00fcngerl\u00f6sungen dar. F\u00fcr die technische Umsetzung sind insbesondere der Umgang mit pH-Absenkung und chlorhaltigen Nebenprodukten sowie die weitere Optimierung der photokatalytischen Stufe zu ber\u00fccksichtigen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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