Neue Produkte aus Abwasser gewinnen
Unser Abfall hat eine Menge mit Verschwendung zu tun. Die Abwasserreinigung wurde im Lauf der Jahre erheblich weiterentwickelt. Dadurch werden Umweltschäden minimiert und industrielle Abläufe auf nachhaltigere Wege geführt. Dennoch gelingt die Rückgewinnung von Ressourcen aus Abfall nach wie vor nur in begrenztem Maße. „Das Problem ist nicht der Mangel an Technologie, sondern die Summe mehrerer Faktoren“, sagt David Gabriel Buguña von der Autonomen Universität Barcelona. „Mit RECYCLES wird demonstriert, dass es bereits wirkungsvolle biologische und digitale Lösungen gibt, von denen mehrere im Pilotmaßstab validiert worden sind. Die realen Hindernisse hängen mit dem Reifegrad der Technologien sowie mit wirtschaftlichen, rechtlichen und organisatorischen Faktoren zusammen“, erklärt er. Im Rahmen des Projekts RECYCLES(öffnet in neuem Fenster) entwickelten Buguña und sein Team mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) neue Bioreaktortechnologien, bei denen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Schwefelkreisläufe genutzt sowie Produkte aus flüssigen und gasförmigen Abfällen zurückgewonnen werden.
Entwicklung neuer Bioreaktorkonfigurationen
Im Labor entwickelte und erprobte das RECYCLES-Team mehrere innovative Systeme, angefangen mit Reaktoren, die Schwefel und Stickstoff (mit einer Nitratentfernung von über 90 % und einer nahezu vollständigen Sulfidoxidation) entfernen können. Parallel dazu entwarfen die Forscherinnen und Forscher einen Granulatschlamm-Reaktor mit diskontinuierlicher Einspeisung, um eine partielle Nitrifikation durchzuführen, Ammoniak-oxidierende Bakterien selektiv anzureichern und Nitritanreicherungsraten von über 70 % zu erreichen. In einer dritten Bioreaktorlinie wurde die Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA), den Vorläufern von Biokunststoffen, untersucht. Mit Reaktoren mit diskontinuierlicher Einspeisung konnten bis zu 82 % intrazellulärer Polymergehalte extrahiert werden, was zeigt, dass es möglich ist, mit ihnen hochwertige Produkte aus dem Abwasser zurückzugewinnen. „Um diese Bioreaktorentwicklungen zu unterstützen und zu interpretieren, setzten wir fortgeschrittene mikrobielle Überwachungs- und molekularbiologische Instrumente ein, darunter Metabarcoding und vollständige Genomsequenzierung“, berichtet Buguña. Dadurch konnten das Forschungsteam die Reaktorleistung mit der mikrobiellen Ökologie verknüpfen und letztlich vollständige Behandlungspläne für zwei reale industrielle Fallstudien entwerfen und bewerten. Die Ergebnisse wurden aus dem Labor in einen Demonstrationsversuch im Pilotmaßstab in der Kläranlage Cuoiodepur in der Toskana übertragen, wobei anaerobe Vergärung mit Biogasentschwefelung kombiniert wurde. „Dieses System, das mehrere Monate lang unter realen Bedingungen betrieben wurde, bestätigt die Realisierbarkeit eines der neuartigen, der Rückgewinnung von Ressourcen dienenden Bioreaktorkonzepte von RECYCLES in industriellen Umgebungen“, merkt Buguña an.
Entscheidungshilfe mit fortgeschrittenen Technologien
Das Team des Projekts RECYCLES lieferte mehrere wichtige Resultate, aber zwei Ergebnisse stachen aufgrund ihrer in der nahen Zukunft zu erwartenden potenziellen Auswirkungen hervor, wie es Buguña erläutert. Das erste ist ein Entscheidungsunterstützungsinstrument, das anlagenweite Prozessmodellierung, Ökobilanzierung, Lebenszykluskostenrechnung und multikriterielle Entscheidungsfindung innerhalb eines einzigen, transparenten Rahmens vereint. „Dieses Instrument wurde vollständig entwickelt, validiert und auf reale industrielle Fallstudien angewandt, sodass komplexe Behandlungskonfigurationen auf technischer, ökologischer und wirtschaftlicher Basis verglichen werden können“, fügt Buguña hinzu. Als zweites großes Highlight gilt die Demonstration eines anoxischen Biowäschers im Pilotmaßstab, mit dem Schwefelwasserstoff nahezu vollständig aus dem Biogas entfernt werden konnte, um dessen Potenzial aufzuwerten. „In ihrer Gesamtheit veranschaulichen das Entscheidungsunterstützungsinstrument und der anoxische Biowäscher den doppelten Beitrag von RECYCLES: ein digitales Werkzeug, das die Industrie bei der optimalen Auslegung und Entscheidungsfindung unterstützt, und eine validierte, skalierbare biotechnologische Lösung, die Materialkreisläufe schließt und den Übergang zu kreislaufwirtschaftlichen Behandlungsketten unterstützt“, erklärt Buguña.
Europa auf dem Weg zur stärker kreislauforientierten Wirtschaft unterstützen
Mithilfe der Ergebnisse des Projekts wird der Übergang Europas zu einer stärker kreislauforientierten Wirtschaft unterstützt, indem aufgezeigt wird, wie mit biologischen Prozessen Abfallströme in wertvolle Ressourcen umwandelt und gleichzeitig die Abhängigkeiten von Chemikalien und energieintensiven Behandlungsverfahren verringert werden können. „Mehrere Partner prüfen bereits Folgeprojekte und Industriekooperationen, was auf einen klar vorgegebenen Weg in Richtung Umsetzung und stärkere Maßstabserweiterung in naher Zukunft hindeutet“, hebt Buguña hervor.
