03/09/2013 - Ein neues Wasserreinigungssystem mit Mikroalgen in der Nacht

Menéame

Stickstoff und Phosphor aus den Abwasser durch ein einfacheres und kostengünstigeres Verfahren mit Mikroalgen war der Ausgangspunkt der Forschung mehrerer Wissenschaftler der Universität Cádiz, die in die Gruppe TEP-181 integriert sind: Umwelttechnologie, die dem Internationalen Meeresexzellenzcampus (ICES.Mar) zugeordnet ist.

Unter der Koordinierung von Professor José Antonio Perales Vargas-Machuca hat ein Expertenteam an einem neuen System von Entfernung von Abwassernährstoffen durch Photobiotherapie mit Mikroalgen, ein Prozess, der auch den Betrieb in der Nacht und die Energiegewinnung durch die daraus resultierende Biomasse ermöglicht.  

Das Abwasser weist hohe Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen auf, die vor dem Ende der Wassermündung oder an den Umhängen eines Naturparks beseitigt werden müssen, um Probleme zu vermeiden, die zu einer Verschlechterung der Umweltqualität in einem gesamten Gebiet führen können. Derzeit gibt es wirksame Verfahren zur Beseitigung dieser Schadstoffe aus kommunalem Abwasser, doch sind diese Technologien aufgrund ihrer hohen Betriebskosten und ihrer Komplexität, ihrer Entstehung von Abfällen (Schlamm) oder ihres hohen Energieverbrauchs benachteiligt. Um diesen Nachteilen ein Ende zu setzen, konzentrierten sich verschiedene Wissenschaftler auf die Reinigung von Mikroalgenwasser wie z.B. das Forschungsteam der AAU, das sich auf die Arbeit an Mikroalgenfotobiodefulierungsprozessen konzentriert, eine Biotechnologie, die Licht benötigt, um durchgeführt werden zu können. "Diese Technologie zur Nährstoffentsorgung in Abwasser hat zwei Handicaps, die eine Optimierung der von Reaktoren besetzten Fläche und die Trennung von Biomasse von Kultur- oder Erntemedium erfordern," so Professor José Antonio Perales. "Mikroalgen erfordern Stickstoff, Phosphor, Wasser und Licht im Grunde. Die ersten drei Elemente finden wir in städtischen Abwässern, aber um die notwendige Energie zu erhalten, müssen die Reaktoren der Sonne ausgesetzt sein, ebenso wie eine Solaranlage. Wir können nicht zu tief gehende Reaktoren bauen, weil die Mikroalgen kein Licht bekommen würden, diese Begrenzung der Lichtwege muss gerettet werden, um den Raum zu reduzieren, den diese Photobioreduktoren einnehmen würden," erklärt der Koordinator der Gruppe.

Je niedriger der Lichtweg ist, desto höher ist die Konzentration der Mikroalgen, die im Kulturmedium erreicht wird, aber wenn ein Reaktor mit einem zu kurzen (wenig tiefen) Lichtweg verwendet wird, dann wäre das Problem die zu große Oberfläche. Am häufigsten wird daher Photobioreaktoren mit höheren Lichtpfaden verwendet, "diese haben den Vorteil, weniger Investitionskosten zu haben, aber niedrigere Biomassekonzentrationen werden erreicht. Was uns zu einem anderen Problem führt: dem Ernten." Die Ernte oder Trennung ist der Prozess, durch den die festen Elemente (Algalbiomasse) des Wassers abgesenkt werden. All diese Technik "besteht aus einem hohen Energieverbrauch, der nur dann rentabel ist, wenn das Ziel darin besteht, Produkte mit hoher Wertschöpfung aus Biomasse zu erhalten, wie es bei Carotinoiden und Xantofilen (beide organische Pigmente) der Fall ist, aber nicht, wenn es darum geht, Abwasser zu reinigen," wie sie von der AAU behauptet werden.

Dieses Team begann, Teile zusammenzufügen, und während verschiedener Experimente, die Mikroalgen in Abwasser kultivierten, stellten sie fest, daß "Mikroalgen, wie jeder Organismus sich ernährt, und ein Teil dessen, was sie schlucken, zum Wachstum verwendet werden, während andere Teile es als Reserve speichern. Bei Stickstoff und Phosphor, den im Abwasser enthaltenen Schadstoffnährstoffen, werden Mikroalgen schneller aufgenommen, als es für das Wachstum erforderlich wäre. Sie nehmen das gesamte Phosphor und Stickstoff auf und wenn diese Nährstoffe aus dem Abwasser verschwinden, sind die Mikroalgen noch nicht so groß geworden, wie man erwarten würde, was erklärt, dass sie intern mit diesen Elementen gesättigt sind. Die Mikroalgen wachsen später auf Kosten dieser Reserven," betont der AAU-Professor, der die gesamte Forschung koordiniert hat.

Nahrung im Dunkeln

Mit dieser Idee führten sie verschiedene Experimente durch und stellten fest, dass Mikroalgen Stickstoff und Phosphor auch in der Dunkelheit aufnehmen. "Um die Algen zu wachsen, brauchten wir Licht, aber um die Nährstoffe nicht zu integrieren, können wir diese Kapazität in Reaktoren ohne Begrenzung der Tiefe (ohne Licht) nutzen, wodurch wir das Problem des erforderlichen Platzes in den Photobioreaktoren teilweise beheben."

Der nächste Schritt wäre die Trennung oder Ernte. Das bereits gereinigte Wasser trennen und eine hohe Konzentration an Mikroalgen im Photobioreaktor halten, wo es auf Kosten der Vorräte wachsen würde, so dass es wieder verwendet werden kann, um einen kontinuierlichen Reinigungsprozess durchzuführen. So "können wir entscheiden, ob wir je nach Prozessziel, Wasserreinigung oder Biomasseproduktion wenig Stickstoff- und Phosphor-reiche Biomasse oder eine große Menge an Biomasse in diesen Nährstoffen erzeugen," so der Forscher der AAU. "Dieses Problem wird durch Membrantrennungstechnologie gelöst."

Und das alles ohne dass man den Prozess in der Nachtphase unterbrechen muss. Wie José Antonio Perales sagt, " funktioniert das System, das wir entwickelt haben, Tag und Nacht kontinuierlich gegenüber konventionellen Systemen, die nur tagsüber betrieben werden können. Alle Algen, die wir in der (Tages-) Lichtphase mit Restwasser produzieren, assimilieren Stickstoff und Phosphor und wachsen auf Kosten der Nährstoffreserven, während sie in der dunklen (Nacht-) Phase nur durch die Aufnahme von ungewachsenen Nährstoffen gereinigt werden," so der Forscher.

Dieses Patent, an dem Sie neben Perales, Jesus Ruiz, Pablo Alvarez, Zouhayr Arbib, Carmen Garrido und Jesus Barragán gearbeitet haben, ist der Anfang eines Weges, der das Team der AAU dazu bringen wird, einen Prototyp zu erstellen und ihn kontinuierlich zu betreiben. "Bis heute haben wir nur experimentelle Beweise dafür, dass der Prozess funktionieren kann, aber es muss durch einen Prototyp überprüft werden, der kontinuierlich für einen angemessenen Zeitraum arbeitet. Sobald die Betriebsvariablen unter kontrollierten Laborbedingungen angepasst sind, installieren wir sie in unseren Außenräumen und überprüfen ihre Stabilität gegenüber saisonalen Licht-, Temperatur- und anderen Variablen, indem wir unser System mit traditionellen Photobioreaktoren vergleichen."

Diese Arbeit war das Ergebnis zweier Forschungsprojekte: eines des Nationalen Plans, der mit dem Titel Verwendung von Mikroalgen zur Entfernung von Abwassernährstoffen und zur Herstellung von Biokraftstoffen; und ein weiteres Mal von der Exzellenz der Andalusien Junta, genannt Untersuchung der Durchführbarkeit der Verwendung von Mikroalgen bei der Abwasserreinigung: Biofixierung von CO₂ und Produktion von Biokraftstoff.

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UCA.

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