Aktuelle Publikation in WATER SCIENCE & TECHNOLOGY

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojektes „Automatisierte mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) mit weitergehender Gasverwertung auf kommunalen Kläranlagen“ konnte WTE als eines der ersten Unternehmen weltweit den Langzeitbetrieb von mikrobiellen Brennstoffzellen im industriellen Maßstab unter realen Bedingungen demonstrieren.

In abteilungsübergreifender Zusammenarbeit konnte das Team der WTE und WTEB unter Koordinierung der Forschungs- und Entwicklungsabteilung die vielversprechenden Ergebnisse aus sechs Monaten Betriebszeit innerhalb der international renommierten, peer-review Fachzeitschrift „Water Scienece & Technonogy“ der International Water Assossiation veröffentlichen. In der Open Access Ausgabe Volume 87, Issue 8 (15. April 2023) findet sich unter dem zugegebenermaßen langen Titel „On-site performance evaluation of a 1,000-litre microbial fuel cell system using submergible multi-electrode modules with air-cathodes for sustainable municipal wastewater treatment and electricity” eine zusammenfasende Darstellung zum Betriebsverhalten unserer Pilotanlage der Mikrobiellen Brennstoffzelle.

Die bis heute eine der weltweit größten Anlagen wurde unter realen Einsatzbedingungen auf der kommunalen Kläranlage Hecklingen über mehrere Monate betrieben. Mithilfe der Pilotanlage wurden die Integrationsmöglichkeit der Brennstoffzellentechnologie in bereits vorhandene Kläranlagenbauwerke untersucht. Konstruktiver Grundgedanke waren hierbei Tauchmodule, welche einfach zum Beispiel nahe der Ablaufrinne in Vorklärbecken platziert werden können. Dem Fachpublikum werden die Einflüsse auf die Leistungsfähigkeit des neuartigen Verfahrens aufgrund der Größenskalierung sowie dem Kläranlagenzulauf mit Mischkanalisation nähergebracht.

Was wurde gemacht …

Die Publikation thematisiert den Einsatz eines der weltweit größten mikrobiellen Brennstoffzellensysteme (1.000 L) zur energiepositiven Behandlung von kommunalem Abwasser auf der Kläranlage Hecklingen. Eintauchbare Multielektroden-Module bildeten das Grundkonzept für die Hochskalierung. Hierzu wurden zehn raster-segmentierte Gasdiffusionskathoden (85 cm x 85 cm) und 60 Graphitfaserbürsten (Anode, Ø 6 cm; 80 cm Länge) auf fünf Eintauchmodule montiert. Die Multielektrodenmodule wurden anschließend in einem 1.000 L Reaktor platziert, der kontinuierlich mit vorgeklärtem Abwasser beschickt wurde. Die hydraulische Aufenthaltszeit lang zwischen 11 und 20 Stunden.

Ergebnisse in aller Kürze …

Einhergehend mit der Abwasserreinigung konnten bis zu 113 mW/m²Kat (2,6 A) an elektrischer Energie aus dem Abwasser gewonnen werden. Zur Einordung, bislang gibt es keine andere Studie, die diese Energieausbeute mit einem System in dieser Größenordnung dokumentiert!

Erwähnenswert ist nicht nur die Möglichkeit der biologischen CSB-Elimination (34 %, T = 14°C) ohne nennenswerte Verschiebung der CSB-Fraktionen, sondern auch der identifizierte Stickstoffeliminationsweg über die physikalische Strippung von Ammonium (13 %, T = 14°C). Auch konnte die Resilienz des Systems nach Regenevents gezeigt werden.

Dringendste Herausforderungen im Betrieb sind allerdings die Ablagerung von Salzen auf den Kathoden, die zu einem sukzessiven Abfall der MBZ-Performance führten. Eine chemische Behandlung konnte die Leistungsfähigkeit jedoch teilweise (im Labor vollständig) wiederherstellen.

Abbildung:
(a) Exzessive Bildung von weißen Salzablagerungen unterhalb der entfernten Glasfaserschicht auf der katalytisch aktiven Seite der Luftkathoden nach 91 Tagen Betrieb.
(b) Kathode nach mechanischer und chemischer Reinigung mit einer 15%igen HCl-Lösung.

Zusammenfassend konnte mit diesem Verbundprojekt ein Meilenstein gelegt werden, der die generelle Einsatzfähigkeit der MBZ-Technologie als nachhaltige Abwasserbehandlungstechnologie, mit dem Potential der Ressourcenrückgewinnung, aufgezeigt hat.

Danksagung

Die Autoren dieser Arbeit bedanken sich für die Projektförderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Unterstützung durch den Projektträger Karlsruhe. Außerhalb der WTE-Arbeitspakete sind unsere Projektpartner Firma AWITE Bioenergie GmbH und die Ruhruniversität Bochum, Lehrstuhl Siedlungswasserwirtschaft und Umwelttechnik von Prof. Dr.-Ing. Marc Wichern zu nennen. Ohne deren Hilfe wäre unsere Teilnahme an der Fördermaßnahme KMU-innovativ, Technologiefeld „Ressourceneffzienz und Klimaschutz“, Anwendungsbereich „Nachhaltiges Wassermanagement“ des BMBF nicht möglich gewesen.