Forschungsthema:
Rückgewinnung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in Kläranlagen
Ein Abwasserbehandlungsverfahren, das in Kläranlagen Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor zurückgewinnt
Nach Schätzungen entfallen rund 1 % des weltweiten Stromverbrauchs auf die Abwasserbehandlung. Die Belüftung braucht viel Energie, und bei der Stickstoffentfernung entsteht zudem N₂O (Lachgas). Ein vergrößertes Bloomo soll einen Teil dieser Behandlungskosten durch Ressourcenrückgewinnung ersetzen, und zwar auf vier Ebenen: weniger Belüftung, CO₂-Aufnahme, Rückgewinnung von Stickstoff und Phosphor sowie Minderung von N₂O. Die Anwendung auf kommunales Abwasser befindet sich derzeit im Stadium von Forschung und Validierung im kleinen Maßstab.
Hintergrund, Produkt, Ausblick
Hintergrund
Nach Schätzungen entfallen rund 1 % des weltweiten Stromverbrauchs auf die Abwasserbehandlung. Im Belebtschlammverfahren entfallen 50–60 % der Energie auf die Belüftung, und bei der Stickstoffentfernung entsteht N₂O mit einem Treibhauspotenzial (GWP) von 273.
Produkt
Bloomo for Sewage wird für den Einbau in bestehende Behandlungsverfahren entwickelt. Es verbindet die Sauerstoffversorgung durch Photosynthese, die CO₂-Aufnahme und die Assimilation von NH₄⁺ zu Aminosäuren. Für Stickstoff und Phosphor liegt das Ziel bei einem Eliminationsgrad von jeweils über 90 % (Zielwerte, noch nicht validiert).
Ausblick
Zusammen mit Betreibern der Abwasserinfrastruktur und Instandhaltungsunternehmen in Japan beginnen wir mit gemeinsamer Forschung und bewerten die Technik als Ergänzung der bestehenden Behandlung, sofern die Einleitgrenzwerte eingehalten werden. Zudem prüfen wir, wie sich die CO₂-Aufnahme als Umweltwert ausweisen lässt.
Nutzer und Produkt
USER
Kommunen und Infrastrukturunternehmen
- Hoher Energieverbrauch der Abwasserbehandlung
- Anforderungen, N₂O- und CH₄-Emissionen zu quantifizieren und zu senken
- Rückgewinnung von Stickstoff und Phosphor als Ressourcen
- Dekarbonisierung bei der Erneuerung alternder Anlagen
PRODUCT
Bloomo for Sewage
Integriertes Algenverfahren für den Einbau in bestehende Anlagen (Forschungsstadium)
- Photosynthese ersetzt teilweise die Belüftungsenergie
- Aufnahme von CO₂ aus Rauchgas
- Rückgewinnung von Stickstoff durch Assimilation von NH₄⁺ zu Aminosäuren
- N₂O-Minderung durch Zugabe von Pflanzenkohle (in Prüfung)
Kerntechnologie und Merkmale
Geringere Belüftungsenergie
Photosynthetisch gebildeter Sauerstoff ersetzt einen Teil des O₂, das aeroben Bakterien zugeführt wird (die Nettoenergiebilanz einschließlich Durchmischung und Ernte wird in der Demonstration bewertet)
CO₂-Aufnahme
Nutzt CO₂ aus dem Rauchgas von Industrieanlagen. Als theoretische Aufnahme gelten rund 1,83 t CO₂ je Tonne Biomasse; das ist keine Nettoreduktion
Rückgewinnung von N und P
NH₄⁺ wird zu Aminosäuren und Protein assimiliert. Studien mit PBR+MPBR berichten Eliminationsgrade von über 90 %
N₂O-Minderung
Studien berichten, dass die Zugabe von Pflanzenkohle die N₂O-Emissionen aus der mikrobiellen Denitrifikation senkt (bei Novelgen in Prüfung)
Abwasserbehandlung: von den Reinigungskosten zur Ressourcenrückgewinnung
Die Abwasserbehandlung ist für die öffentliche Gesundheit unverzichtbar, verbraucht nach Schätzungen aber rund 1 % des weltweiten Stroms[1]. Im Belebtschlammverfahren entfallen 50–60 % der Energie auf die Belüftung[2], und bei der Stickstoffentfernung entsteht N₂O (GWP 273)[3][4]. Hier skizzieren wir das Konzept eines Verfahrens, das auf einem vergrößerten Bloomo beruht und einen Teil dieser Kosten durch Ressourcenrückgewinnung ersetzen soll (Forschungsstadium).
PROBLEMStrukturelle Probleme der herkömmlichen Abwasserbehandlung
Hoher Energieverbrauch und CO₂-Emissionen
Im Belebtschlammverfahren entfallen 50–60 % des Stromverbrauchs auf die Belüftung. Die Abwasserbehandlung verbraucht weltweit rund 1 % des Stroms; bis 2030 dürfte dieser Verbrauch um 20 % steigen.
Literatur: [2][5]
N₂O-Emissionen
Bei unvollständiger Nitrifikation und Denitrifikation entsteht N₂O als Nebenprodukt. N₂O ist ein äußerst klimawirksames Treibhausgas mit einem 100-Jahres-GWP von 273, und sein Emissionsfaktor unterscheidet sich stark von Anlage zu Anlage.
Literatur: [3][4][6]
Rückgewinnung von Stickstoff und Phosphor
Bei Nitrifikation und Denitrifikation entweicht ein Großteil des Stickstoffs als N₂ in die Atmosphäre. Für Phosphor wird die Verwertung aus Klärschlamm bereits vorangetrieben. Die Rückgewinnung durch Algen prüfen wir als Ergänzung zur bestehenden Verwertung des Schlamms.
Literatur: [7]
SOLUTIONEin Konzept mit vier Ebenen auf Basis von Bloomo
Belüftungsenergie senken
Photosynthetisch gebildeter Sauerstoff ersetzt einen Teil des Sauerstoffs, der aeroben Bakterien zugeführt wird. Aus Systemen, in denen Algen und Belebtschlamm gemeinsam kultiviert werden, wird über die Entfernung von Stickstoff, Phosphor und CSB berichtet. Photosynthetischer Sauerstoff entsteht jedoch nur bei Tageslicht, und die Nettoenergiebilanz einschließlich Durchmischung und Ernte wird in der Demonstration bewertet.
Literatur: [8]
CO₂-Aufnahme
Mikroalgen nehmen CO₂ durch Photosynthese in ihre Biomasse auf. Bei einem angenommenen Kohlenstoffanteil von 50 % der Trockenmasse beträgt die theoretische Aufnahme rund 1,83 t CO₂ je Tonne Biomasse (Bruttowert, keine Nettoreduktion). Aus Rauchgas lässt sich CO₂ in hoher Konzentration zuführen; einige Studien verwenden auch Rauchgas mit NOx/SOx, doch dessen Auswirkungen müssen mitbewertet werden.
Literatur: [9]
Rückgewinnung von Stickstoff und Phosphor
Die Algen assimilieren NH₄⁺ zu Aminosäuren und Protein. Studien mit einem PBR mit Membrantrennung (MPBR) und ähnlichen Aufbauten berichten Eliminationsgrade von über 90 % für Stickstoff und Phosphor. Ziel ist es, den größten Teil des Stickstoffs als Biomasse zurückzugewinnen; die Stickstoffbilanz einschließlich des von den Algen selbst gebildeten N₂O und der Ammoniakverflüchtigung prüfen wir in der Demonstration. Biomasse aus kommunalem Abwasser ist nicht als Futtermittel vorgesehen; wir erwarten eine Nutzung für Dünger, Pflanzenkohle und Ähnliches (vorausgesetzt werden Analysen auf Schwermetalle, Krankheitserreger und Ähnliches sowie die Einhaltung der einschlägigen Gesetze).
Literatur: [10][11][14]
Zur Verwertung der zurückgewonnenen BiomasseN₂O-Emissionen senken
Für Pflanzenkläranlagen, denen Pflanzenkohle zugegeben wurde, werden geringere N₂O-Emissionen berichtet. Wir prüfen, ob sich aus der von Bloomo zurückgewonnenen Biomasse Pflanzenkohle herstellen und in das Behandlungssystem zurückführen lässt (die Wirkung ist nicht validiert).
Literatur: [12][13]
System architecture comparison
BENCHMARKLeistungskennzahlen (Zielwerte, in Validierung)
| Kennzahl | Herkömmliches Verfahren | Bloomo integriert (Ziel) |
|---|---|---|
| Stickstoffentfernung | Abhängig vom Behandlungsverfahren | > 90 % (Ziel) |
| Phosphorentfernung | Abhängig vom Behandlungsverfahren | > 90 % (Ziel) |
| Anteil der Belüftung am Energiebedarf | 50–60 % des Gesamtbedarfs | Teilweise durch Photosynthese ersetzt (Nettowert wird bewertet) |
| N₂O-Emissionsfaktor | 1,01 % kg N₂O-N/kg TN (Median) | Minderung angestrebt (auch das von Algen gebildete N₂O wird bewertet) |
Hinweis: Die Spalte „Bloomo integriert“ nennt Zielwerte, die noch nicht validiert sind (die Quellen sind die Studien, auf denen die Ziele beruhen). Die Anwendung auf kommunales Abwasser befindet sich im Stadium von Forschung und Validierung im kleinen Maßstab; Erfahrungen aus einem Einsatz im großen Maßstab gibt es nicht.
BUSINESSMögliche Form des Angebots (Konzept)
Wir stellen uns vor, Bloomo for Sewage über Kooperationen und Lizenzen mit Infrastrukturunternehmen und Kommunen anzubieten. Konkrete Bedingungen besprechen wir im Rahmen gemeinsamer Forschung.
- ▸ Technologiepaket Algal Bloom Capture (Stammbibliothek, Kultivierungsprotokolle, Know-how zur KI-Steuerung)
- ▸ Bloomo Cloud Service (Fernüberwachung und Optimierung)
- ▸ Kooperationsmodelle mit Partnerunternehmen (Infrastrukturunternehmen, Kommunen)
ROADMAPEntwicklungs-Roadmap
- 1.Demonstration in der Aquakultur: Leistung der Anlagen und der Kultivierungssteuerung mit Bloomo für Aquakulturbetriebe und Brutanlagen bestätigen
- 2.Validierung mit Industrieabwasser und kommunalem Abwasser (aktuell): Die Anwendung auf kommunales Abwasser befindet sich im Stadium von Forschung und Validierung im kleinen Maßstab. Nach der Demonstration mit realem Abwasser streben wir die Betriebsreife an
- 3.Einführung und Angebot: Bereitstellung über Lizenzen oder als Dienstleistung, Prüfung der Konformität mit den japanischen Einleitgrenzwerten und Untersuchung von Berechnungsmethoden für Umweltwerte
Literatur
- Maktabifard M., et al. Achieving energy neutrality in wastewater treatment plants. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol., 2018, 17, 655–689. DOI →
- Pathways to a net-zero-carbon water sector through energy-extracting wastewater technologies. npj Clean Water, 2022, 5, 49. DOI →
- Kampschreur M.J., Temmink H., Kleerebezem R., Jetten M.S.M., van Loosdrecht M.C.M. Nitrous oxide emission during wastewater treatment. Water Research, 2009, 43(17), 4093–4103. DOI →
- Stylianou M., et al. Factors Affecting N₂O Emissions from Activated Sludge WWTP — A Review. Resources, 2023, 12(10), 114. DOI →
- Mizuta K., Shimada M. Benchmarking energy consumption in municipal WWTPs in Japan. Water Science and Technology, 2010, 62(10), 2256–2262. DOI →
- Song C., et al. Oversimplification and misestimation of nitrous oxide emissions from WWTPs. Nature Sustainability, 2024, 7, 1348–1358. DOI →
- Mayer B.K., et al. Total Value of Phosphorus Recovery. Environ. Sci. Technol., 2016, 50(13), 6606–6620. DOI →
- Abdelfattah A., et al. Microalgae-based wastewater treatment: Mechanisms, challenges, recent advances, and future prospects. Environmental Science and Ecotechnology, 2022, 13, 100205. DOI →
- Cheah W.Y., Show P.L., Chang J.-S., Ling T.C., Juan J.C. Biosequestration of atmospheric CO₂ and flue gas-containing CO₂ by microalgae. Bioresource Technology, 2015, 184, 190–201. DOI →
- Goh P.S., et al. Microalgae-Enabled Wastewater Remediation and Nutrient Recovery through Membrane Photobioreactors: Recent Achievements and Future Perspective. Membranes, 2022, 12(11), 1094. DOI →
- Bezerra S.S., Fontana L., Arantes C.C., de Jesus T.A. Phosphorus removal from wastewater by microalgal cultivation in photobioreactors: a systematic literature review and multivariate analysis. Environ. Monit. Assess., 2025, 197(11), 1182. DOI →
- Huang L., Xiong H., Jiang C., He J., Lyu W., Chen Y. Pathways and biological mechanisms of N₂O emission reduction by adding biochar in the constructed wetland based on ¹⁵N stable isotope tracing. J. Environ. Manage., 2023, 342, 118359. DOI →
- Zhang Y., Zhang Z., Chen Y. Biochar Mitigates N₂O Emission of Microbial Denitrification. Environ. Sci. Technol., 2021, 55(12), 8068–8078. DOI →
- Plouviez M., et al. The biosynthesis of nitrous oxide in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. The Plant Journal, 2017, 91(1), 45–56. DOI →
Verbesserung der Abwasserbehandlung besprechen
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