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Microbial Desalination for Low Energy Drinking Water

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Bakterien liefern die Energie für ein Entsalzungsverfahren

In einigen Regionen ist Wasserknappheit ein großes Problem, das sich mit dem Klimawandel noch verschärft. Entsalzung und Wiederverwendung von Wasser stellen Möglichkeiten dar, diesen Schwierigkeiten entgegenzutreten, aber derzeit gängige Entsalzungstechnologien verschlingen riesige Mengen an Energie.

Klimawandel und Umwelt
Lebensmittel und natürliche Ressourcen

Das EU-finanzierte Projekt MIDES ging jene Herausforderung an. In diesem Zusammenhang entwickelte und betrieb es den weltweit ersten industriellen Demonstrator für eine revolutionäre Technologie, die sich auf mikrobielle Entsalzungszellen stützt. „Wir verwendeten die mikrobiellen Entsalzungszellen in einer Vorbehandlungsstufe für die Umkehrosmose. Das gestattete uns, das Verfahren für die Salzabtrennung und den Wasseraufbereitungsprozess zeitgleich ablaufen zu lassen“, so Projektkoordinator Frank Rogalla. Die Umkehrosmose ist die gängigste Entsalzungsmethode. Jedoch erfordert sie hohe Drücke, wodurch pro Kubikmeter Meerwasser eine Energiemenge von mindestens 3 kWh verbraucht wird; andere Technologien sind sogar noch energieintensiver. Um dieses Hindernis zu überwinden, setzte das Projektteam neben der Umkehrosmose auch mikrobielle Entsalzungszellen ein und konnte damit sowohl Abwasser behandeln als auch Energie für die Durchführung der Entsalzung gewinnen. In mikrobiellen Entsalzungszellen kommen bioelektroaktive Bakterien namens Geobacter zum Einsatz. Die in Abwasser vorhandene organische Materie enthält Energie, welche von diesen Bakterien in elektrische Energie umgewandelt wird. Die zwischen den Elektroden entstehende Potentialdifferenz führt in Zusammenwirkung mit den Ionenaustauschmembranen zu einer Abtrennung des Salzes und ermöglicht so die Entsalzung von Meer- und Brackwasser, ohne dass externe Energie zugeführt werden müsste. „Auf diese Weise ist im Vergleich zu herkömmlichen Entsalzungsverfahren mittels Umkehrosmose eine Senkung des Energiebedarfs um mindestens eine Größenordnung zu erreichen“, erläutert Rogalla.

Vom Labor zur Pilotanlage

Die Projektpartner überwanden bisherige Einschränkungen der Technologie, auf der die mikrobiellen Entsalzungszellen basieren, wie eine geringe Entsalzungsrate, hohe Produktionskosten sowie biologischer Bewuchs auf und Skalierungsprobleme mit den Membranen. Zudem konnten sie die von den Bakterien hervorgerufenen elektrochemischen Prozesse optimieren. Dies gelang im Rahmen einer umfangreichen Maßstabsvergrößerung, bei der neuartige, mit einem Schutz vor biologischem Bewuchs versehene Ionenaustauschmembranen und neue kohlenstoffbasierte Elektroden zur Anwendung kamen. Die Forschenden griffen zur Konfiguration der Zellen bzw. dem aus den einzelnen mikrobiellen Entsalzungszellen zusammengestellten Zellstapel auf recycelten Kunststoff zurück und setzten damit das Konzept einer Kreislaufwirtschaft um. Außerdem konzipierten sie mathematische Simulationsmodelle, die zu einer Optimierung des Prozesses führen sollen. Dabei stützten sie sich auf experimentelle Ergebnisse aus dem Projektstadium, in dem im Labormaßstab gearbeitet wurde, sowie aus der Vorstudie und der Pilotphase. Darüber hinaus wurden zur Verstärkung der bioelektrischen Reaktionen neue Betriebsparameter und Protokolle zur Reinigung der Membranen implementiert. Im Anschluss an die erfolgreiche Maßstabsvergrößerung entwickelte und baute das Team von MIDES zwei Geräte mit mikrobiellen Entsalzungszellen, die als Prototyp fungierten. Jedes davon enthielt einen Zellstapel mit 15 Einzelzellen, wobei jede Einzelzelle über eine Gesamtfläche von 0,4 m2 verfügte. „Beide Prototypen sind in der Lage, pro Tag tausende Liter Brack- und Meerwasser zu verarbeiten. Dabei verbrauchen sie nur sehr wenig Energie“, eröffnet Rogalla. An der ersten Pilotanlage von MIDES im spanischen Dénia erprobte das Projektteam die Vorbehandlung von Brack- und Meerwasser, setzte dabei die mikrobiellen Entsalzungszellen ein und wendete die Niederdruck-Umkehrosmose an. Der zweite Pilotstandort befand sich auf der spanischen Insel Teneriffa. Dort fanden die mikrobiellen Entsalzungszellen bei der Teilentsalzung von Meerwasser Anwendung und die anschließende Nachbehandlung wurde mittels Umkehrosmose realisiert. Damit gewannen die Forschenden aus Meerwasser Trinkwasser ohne dabei externe Energie zuzuführen.

Vorteile für Land und Stadt

Dank der Entwicklung eines Systems, das gleichzeitig Wasser entsalzt und Abwasser behandelt, erleichtert MIDES den kostengünstigen Zugang zu sicherem Trinkwasser, das sowohl nationalen als auch EU-weit geltenden Verordnungen entspricht. Zudem ist das System in der Lage, behandeltes Abwasser bereitzustellen, das zur Bewässerung und bei sonstigen landwirtschaftlichen Anwendungen nochmals verwendet werden kann. Dies entlastet derzeit genutzte Wasserquellen. MIDES ebnet den Weg für dezentrale Anlagen mit geringerer Kapazität, die Abwasser reinigen und eine positive Energiebilanz aufweisen. Das bedeutet, dass diese durch die mikrobiellen Entsalzungszellen gestützte Technologie an entlegenen industriellen Standorten, auf Aussiedlerhöfen und in Landgemeinden, denen nur begrenzte Stromversorgung zur Verfügung steht, installiert werden kann. Auch darf nicht vergessen werden, dass Küstenstandorte von MIDES profitieren können. Diese Lösung befähigt sie nämlich, multifunktionale Abwasseraufbereitungsanlagen einzurichten, die Strom erzeugen, Wasser entsalzen und über intelligente Verwaltungs- und Steuerungssysteme verfügen. „Dem Erfolg von MIDES kommt eine hohe Bedeutung zu, denn die Bevölkerungszahlen wachsen, besonders in Küstengebieten. Daher werden dringend Strategien benötigt, die die Versorgung aller mit nachhaltigem und bezahlbarem, qualitativ hochwertigem Trinkwasser sicherstellen“, so Rogalla abschließend.

Schlüsselbegriffe

MIDES, mikrobielle Entsalzungszelle, Entsalzung, Abwasser, Umkehrosmose, Geobacter

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