Entwicklung eines ressourcenschonenden Verfahrens zur elektrochemischen Nachbehandlung von biologisch hergestelltem Urindünger für die Lebensmittelproduktion (EULe)
Projektdurchführung
Synantik GmbH
Suhler Str. 11
99885 Ohrdruf
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das übergeordnete Ziel des beantragten Projektes ist die vereinfachte Aufbereitung von separat erfasstem menschlichem Urin zu einem hochwertigen und sicheren Düngemittel. Dabei soll der Urin in einem biologischen Filtrationsverfahren (C.R.O.P.®) nitrifiziert werden. Im Anschluss an die Nitrifikation muss die produzierte Lösung von pathogenen Keimen und organischen Mikroschadstoffen wie
Medikamentenrückständen befreit werden. Gesucht wird eine verfahrenstechnische Lösung, die dies im Gegensatz zur üblichen Kombination aus Aktivkohlefiltration und Erhitzen in einem Schritt und wenn möglich ohne reststoffverursachende Verbrauchsmaterialien und Chemikalien durchführen kann.
Untergeordnete Ziele des Projekts:
- Identifizierung von Verfahren zur Nachbehandlung von biologisch hergestellten urinbasierten Recyclingdünger mittels physikochemischer Verfahren wie der Diamantelektrolyse oder der photokatalytischen Oxidation.
- Zuverlässige Entfernung von Pathogenen und Medikamentenresten, somit ist eine Nutzung als
Spurenstoffeliminationsverfahren bspw. für Krankenhausurin denkbar
- Anwendung von Verfahren ohne Verbrauchsmaterialien und Gefahrenstoffe wie Laugen oder Säuren.
- Auswahl wartungsarmer Geräte zur Einsparung von Personalstunden bei Einsatz in kommerziellen Betrieben.
- Vielseitige Verwendbarkeit, ggf. auch zur Desinfektion von Düngerlösungen, die in
Gewächshäusern mit erdfreien Kultivierungssystemen mehrfach verwendet werden (rezyklierende Systeme)
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden
Im Projekt wurde ein kombiniertes Verfahren zur Nachbehandlung biologisch nitrifizierter C.R.O.P.Lösungen untersucht, bestehend aus Diamantelektrolyse (BDD) und nachgeschalteter Photokatalyse. Hierfür wurden entsprechende Laborreaktoren aufgebaut und betrieben.
Die Diamantelektrolyse wurde in einem Durchflussreaktor mit variabler Verweilzeit und einstellbarem Energieeintrag (Wh/L) untersucht. Die photokatalytischen Versuche erfolgten in einem gerührten Batchreaktor unter UV-A-LED-Bestrahlung. Die Katalysatoren wurden mittels Sol-Gel-Verfahren auf geeigneten Trägern mit TiO₂ beschichtet.
Als Matrix wurden reale C.R.O.P.-Lösungen eingesetzt. Zur Bewertung der Spurenstoffelimination wurden ausgewählte Arzneimittel gezielt zudosiert. Die Untersuchungen umfassten die Variation relevanter Betriebsparameter sowie die Analyse der resultierenden Stoffumwandlungen.
Die analytische Auswertung erfolgte mittels HPLC-DAD für Arzneimittel sowie über Summen- und Standardparameter (u. a. CSB, pH, Stickstoffspezies). Die Desinfektionsleistung wurde über Keimzahlbestimmungen (KBE/100 ml) bewertet.
Auf Basis der Laborergebnisse wurden zentrale Einflussgrößen identifiziert und erste Zielparameter für die Systemauslegung abgeleitet. Diese dienen als Grundlage für die weiterführenden Untersuchungen im halbtechnischen Maßstab.
Ergebnisse und Diskussion
Die im Projekt untersuchten Verfahren zur elektrochemischen und photokatalytischen Nachbehandlung zeigen ein hohes Potenzial für eine ressourcenschonende Aufbereitung von urinbasierten Düngerlösungen ohne den Einsatz zusätzlicher Chemikalien. Insbesondere die Diamantelektrolyse (BDD) erwies sich als zentrale Verfahrensstufe zur gleichzeitigen Oxidation organischer Inhaltsstoffe und Desinfektion.
Im Labormaßstab konnte eine deutliche Reduktion des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) von initial >40 mg/L auf etwa 18 mg/L erreicht werden. Gleichzeitig wurde über alle untersuchten Betriebszustände hinweg eine vollständige Desinfektion nachgewiesen (0 KBE/100 ml). Darüber hinaus zeigte sich eine Verschiebung der Stickstoffspezies in Richtung Nitrat, mit Konzentrationen im Bereich von ca. 10.500–12.400 mg/L, während Ammonium tendenziell abnahm. Dies ist im Hinblick auf die Stabilität und pflanzenbauliche Verwertbarkeit der Lösung positiv zu bewerten.
Als verfahrenstechnisch kritisch ist der deutliche pH-Abfall von etwa 3,8 auf Werte bis ca. 1,7–2,1 zu bewerten. Zusätzlich wurde eine ausgeprägte Bildung von chlorhaltigen Spezies beobachtet, die zur Oxidations- und Desinfektionsleistung beitragen, jedoch insbesondere in gasförmiger Form eine potenzielle Gefährdung darstellen und daher eine geeignete Abluft- bzw. Nachbehandlung (z. B. Gaswäsche) erforderlich machen.
Die Untersuchungen zur Spurenstoffelimination zeigen, dass mit der BDD-Behandlung Abbauraten von bis zu ca. 80 % für ausgewählte Arzneimittel erreicht werden können. Die nachgeschaltete Photokatalyse zeigte für 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 vollständige Zielerreichung von 80 % erzielt werden. Die Photokatalyse ist daher primär als ergänzende Verfahrensstufe zur weiteren Reduktion verbleibender Mikroschadstoffe zu bewerten.
Für Summenparameter wie CSB, mikrobiologische Kenngrößen und Stickstoffspezies konnten im Rahmen der photokatalytischen Behandlung keine signifikanten Veränderungen festgestellt werden, sodass kein zusätzlicher Synergieeffekt hinsichtlich der Nitrifikation zu erwarten ist.
Insgesamt bestätigen die Ergebnisse das Potenzial der kombinierten Verfahren zur energieeffizienten und chemikalienfreien Behandlung von urinbasierten Düngerlösungen. Während für die elektrochemische Behandlung bereits belastbare Zielparameter, insbesondere ein Energieeintrag im Bereich von etwa 40 Wh/L, abgeleitet werden konnten, besteht für die photokatalytische Stufe weiterhin Optimierungsbedarf.
Die halbtechnischen Versuche bestätigen grundsätzlich die im Labormaßstab beobachteten Effekte, zeigen jedoch Einschränkungen bei der Übertragbarkeit der Betriebsparameter. Insbesondere konnte aufgrund des deutlich geringeren Energieeintrags der BDD (max. ca. 1,6 Wh/L gegenüber ca. 40 Wh/L im Labor) die Oxidationsleistung für organische Inhaltsstoffe und Spurenstoffe nur eingeschränkt erreicht werden.
Die Desinfektionsleistung der BDD blieb hingegen auch im halbtechnischen Maßstab zuverlässig erhalten, sodass diese weiterhin als zentrale Verfahrensstufe bewertet werden kann. Die nachgeschaltete Photokatalyse führte zu einer zusätzlichen Reduktion einzelner Mikroschadstoffe, konnte jedoch auch unter praxisnahen Bedingungen keine vollständige Elimination erreichen.
Auffällig ist zudem ein teilweise abweichendes Verhalten von Summenparametern wie TOC und Trübung, was auf matrixbedingte Effekte und Zwischenproduktbildung im größeren Maßstab hinweist. Die Bildung chlorhaltiger Spezies konnte ebenfalls bestätigt werden und bleibt ein zentraler Aspekt für die technische Umsetzung.
Insgesamt zeigen die halbtechnischen Ergebnisse, dass das Verfahren grundsätzlich übertragbar ist, jedoch insbesondere für die elektrochemische Leistungsdichte und die Prozessführung weiterer Optimierungsbedarf besteht.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Im Rahmen des Projekts erfolgte keine gesonderte externe Öffentlichkeitsarbeit. Die erzielten Ergebnisse wurden jedoch kontinuierlich in internen Formaten kommuniziert. Hierzu zählen insbesondere die Präsentation 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.
Fazit
Im Projekt konnte gezeigt werden, dass die Diamantelektrolyse eine effektive und chemikalienfreie Verfahrensstufe zur Oxidation organischer Inhaltsstoffe und vollständigen Desinfektion von C.R.O.P.Lösungen darstellt. Ergänzend ermöglicht die nachgeschaltete Photokatalyse eine weitere Reduktion ausgewählter Mikroschadstoffe. Die Kombination beider Verfahren stellt somit einen vielversprechenden Ansatz zur Aufbereitung urinbasierter Düngerlösungen dar. Für die technische Umsetzung sind insbesondere der Umgang mit pH-Absenkung und chlorhaltigen Nebenprodukten sowie die weitere Optimierung der photokatalytischen Stufe zu berücksichtigen.