Die Kläranlage als Rohstoffquelle - Winfried Kretschmann zu Besuch im Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität

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Am 6. Juni 2024 war Baden-Württembergs Ministerpräsident Winfried
Kretschmann zu Gast im Lehr- und Forschungsklärwerk Büsnau. Forschende der
Universität Stuttgart und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
zeigten an einer Pilotanlage, wie Kläranlagen durch die Rückgewinnung von
Rohstoffen zur Klimaneutralität beitragen können.

„Das Lehr- und Forschungsklärwerk der Universität Stuttgart verfolgt ein
großes Ziel: Aus Abwasser sollen wertvolle Rohstoffe gewonnen und wieder
in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden. So kann der organische
Kohlenstoff des Abwassers nachhaltig genutzt werden. Zudem arbeitet man im
Forschungsklärwerk daran, den hohen Ausstoß von klimaschädlichen Gasen in
herkömmlichen Klärwerken zu verringern“, so Ministerpräsident Winfried
Kretschmann. „Doch hier wird nicht nur auf hohem Niveau getüftelt.
Schließlich ist das Klärwerk auch eine Ausbildungsstätte für das Personal
in Abwasseranlagen und unterstützt Firmen bei der Entwicklung von
Anlagentechnik. Damit fördert das Klärwerk die wichtige Durchlässigkeit
von der Wissenschaft in die Anwendung.“

In unserem Abwasser stecken nicht nur Schmutz und Ausscheidungen, sondern
auch wertvolle Rohstoffe wie Stickstoff und organische
Kohlenstoffverbindungen. Mithilfe chemischer, biologischer und
physikalischer Verfahren können diese Rohstoffe aus Abwasser
zurückgewonnen werden, um daraus Produkte wie Dünger, Wasserstoff und
Biokunststoff herzustellen. Diesen Prozess erforscht seit 2021 das Projekt
KoalAplan („Kommunales Abwasser als Quelle für Ammoniumstickstoff,
Wasserstoff und Bioplastik – die Bioraffinerie Büsnau“).

Wissenschaftler*innen der DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut
des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Stuttgart,
des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB),
der Technischen Universität Hamburg und der Technischen Universität
Clausthal arbeiten im Projekt KoalAplan gemeinsam mit der Landesagentur
für Umwelttechnik und Ressourceneffizienz in Baden-Württemberg
(Umwelttechnik BW). KoalAplan wird gefördert vom Ministerium für Umwelt,
Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg und dem Europäischen Fonds
für Regionale Entwicklung (EFRE). Es ist Teil der Landesstrategie
„Nachhaltige Bioökonomie für Baden-Württemberg“.

Im Lehr- und Forschungsklärwerk Büsnau der Universität Stuttgart testen
die Forschenden unter realen Bedingungen, wie die Rückgewinnung von
Rohstoffen in Klärwerken großtechnisch realisiert werden kann. Hierfür
wurde eine Bioraffinerie als Pilotanlage eingerichtet, die seit 2023
erfolgreich im Dauerbetrieb ist. Bei seinem Besuch am 6. Juni informierte
sich Baden-Württembergs Ministerpräsident Winfried Kretschmann über
bisherige Projekterkenntnisse.

Bioraffinerie im erfolgreichen Dauerbetrieb

Peter Maurer, Leiter des Lehr- und Forschungsklärwerks der Universität
Stuttgart, und Prof. Dr. Harald Horn, Koordinator des Projekts KoalAplan
und Professor für Wasser und Wassertechnologie am Karlsruher Institut für
Technologie (KIT), führten Ministerpräsident Winfried Kretschmann sowie
eine Gruppe von Medienvertreter*innen durch die Bioraffinerie und
erklärten das angewandte Verfahren.

Normalerweise entsteht aus dem organischen Kohlenstoff beim Durchlaufen
eines Klärwerks Kohlendioxid. „Unser Verfahren reduziert die Entstehung
dieses klimaschädlichen Gases. Gleichzeitig gewinnen wir Rohstoffe, die
dabei helfen, erdölbasierte Stoffe zu ersetzen. Mit dieser zweigleisigen
Strategie könnten die Klärwerke der Zukunft einen wichtigen Beitrag zur
Klimaneutralität leisten“, sagt Prof. Dr. Harald Horn.

Traditionelle Verfahren der Abwasserbehandlung werden durch neue Bausteine
erweitert

Das von der Projektgruppe angewandte Konzept zur Abwasserbehandlung
besteht aus chemischen, physikalischen und biologischen Prozessschritten.
Im Rahmen der Vorklärung findet zunächst eine mechanische Reinigung statt.
Grober Schmutz wird beseitigt, hier wird bereits ein Drittel des
organischen Kohlenstoffs abgetrennt. Mithilfe von feinsten Mikrosieben
wird im Anschluss ein weiteres Drittel des Kohlenstoffs aus dem
Hauptabwasserstrom abgetrennt. „Die Mikrosiebe sind ein Kernstück unserer
Idee. Der Kohlenstoff, der uns nach diesem Schritt vorliegt, ist so
hochkonzentriert, dass er in der Biotechnologie eingesetzt werden kann“,
sagt Professor Horn.

In der Folge wird im Hauptstromverfahren Ammoniumstickstoff mittels
Ionentauscher entfernt. Dabei entsteht ein Produkt, das als Düngemittel
eingesetzt werden kann. Die abfiltrierten Feststoffe sowie der
Primärschlamm werden im Nebenstromverfahren durch saure Hydrolyse zunächst
in organische Säuren umgewandelt, dabei entstehen auch Biowasserstoff und
CO2.

Das Hydrolysat wird filtriert und mittels mikrobieller Elektrolyse zu
Wasserstoff umgesetzt. Wasserstoff findet vielfältige Anwendung in der
chemischen Industrie und gilt als zukünftiger Energieträger. Die Gasströme
aus mikrobieller Elektrolyse und Dunkelfermentation werden in einer
Machbarbarkeitsstudie in einem biotechnologischen Prozess für die
Produktion wertvoller Chemikalien verwertet, dabei wird auch das
enthaltene Kohlenstoffdioxid wieder fixiert. Der im Ablauf der
mikrobiellen Elektrolysezelle verbleibende organische Kohlenstoff wird
anschließend zu einem Grundstoff für Bioplastik fermentiert. Zum Schluss
geht das Abwasser im Hauptstrom den in einer traditionellen Kläranlage
üblichen Weg: Verbleibender Stickstoff und Kohlenstoff wird in mehreren
Schritten abgebaut, anfallende Schlämme landen im Nachklärbecken, in dem
Methan gewonnen wird.

„Unsere Bioraffinerie hat seit dem letzten Jahr im Dauerbetrieb gezeigt,
dass die Prozesskette funktioniert. Das Verfahren könnte also auch in
anderen Klärwerken umgesetzt werden“, sagt der Leiter des
Forschungsklärwerks Peter Maurer. „Wir hoffen, dass wir mit dem
Pilotprojekt andere Unternehmen für die Potenziale von bioökonomischen
Strategien sensibilisieren können. Unser Beispiel zeigt, dass man den
Verbrauch fossiler Rohstoffe reduzieren und dadurch sogar Kosten sparen
und neue Produkte vermarkten kann.“

Das Lehr- und Forschungsklärwerk Büsnau

Im Lehr- und Forschungsklärwerk Büsnau forschen und experimentieren
Studierende, Doktorand*innen und Forschungsgruppen seit 1965 im
halbtechnischen und großtechnischen Maßstab zu innovativen Verfahren für
die Abwasserbehandlung. Das Lehr- und Forschungsklärwerk ist angegliedert
an das Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft
der Universität Stuttgart. Es dient nicht ausschließlich der Forschung,
sondern behandelt auch die Abwässer von 8500 Einwohner*innen eines
Stuttgarter Stadtteils. Ein Teilstrom des kommunalen Abwassers wird durch
die KoalAplan- Pilotanlage des Projekts geleitet.