Mikroalgen als grüne Reinigungskraft

Deponiesickerwasser in Nordrhein-Westfalen: Eine Herausforderung für die Umwelt

„Allein in Nordrhein-Westfalen gibt es 428 Deponien, auf denen jährlich etwa sechs Millionen Kubikmeter Deponiesickerwasser anfallen. Dabei handelt es sich um Niederschlag, der durch die Deponie sickert und dabei große Mengen an umweltschädlichen Stoffen wie Ammonium aufnehmen kann“, erklärt die Projektleiterin Prof. Dr. Miriam Sartor vom :metabolon Institute.

In vielen kommunalen Kläranlagen wird ein Großteil des Sickerwassers geleitet. Vor der Einleitung in diese Anlagen muss es jedoch aufwendig aufbereitet werden, abhängig von seiner Belastung. Dies erfordert erhebliche Ressourcen und Energie.

Nachhaltige Lösungen

Im Projekt „ERA³“ wird die Kultivierung von Mikroalgen erforscht, um den Prozess der Abwasseraufbereitung nachhaltiger zu gestalten. Diese winzigen Organismen können wesentliche abwasserrelevante Inhaltsstoffe aufnehmen und in ihrer Biomasse speichern. Ein großer Vorteil der Mikroalgen ist ihre energieeffiziente Aufbereitung durch Photosynthese. Während sie wachsen, binden sie CO2 in ihrer Biomasse und produzieren gleichzeitig Sauerstoff, was die Wasserqualität verbessert. Zusätzlich können Mikroalgen auch als Energieträger dienen, so Alexander Kuß, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt.

Im vorherigen Projekt „ERA³ – Phase I“ (2019 bis 2021) konnte das Forschungsteam bereits nachweisen, dass Mikroalgen auch in hochbelasteten Deponiesickerwässern kultiviert werden können. Bisher wurden Mikroalgen hauptsächlich in stark verdünntem Abwasser eingesetzt. Das aktuelle Vorhaben „ERA³ – Phase II“ zielt darauf ab, im Pilotmaßstab zu ermitteln, wie die Algen als ergänzendes Verfahren in der Behandlung von Abwässern aus der Abfallwirtschaft effektiv genutzt werden können.

Mit einer Pilotanlage testen die Forschenden, unter welchen Bedingungen Mikroalgen in Deponiesickerwasser effizient wachsen können. (Bild: Monika Probst/TH Köln)

Kultivierung von Mikroalgen

„Bisher werden Mikroalgen im industriellen Maßstab überwiegend in suspensions-basierten Systemen kultiviert. Das bedeutet, dass die Algen gezüchtet werden, indem sie sich freischwimmend durch eine Nährlösung – im konkreten Fall Abwasser – bewegen, Nährstoffe aufnehmen, verarbeiten und wachsen. Solche Systeme sind vergleichsweise kostengünstig, leicht zu bewirtschaften und weisen moderate Wachstumsraten auf“, erklärt Sartor.

Die Effizienz ist jedoch begrenzt, da die im Deponiesickerwasser schwimmenden Algen nicht ausreichend dem Sonnenlicht ausgesetzt sind. Daher sind große, flache Becken für ihre Kultivierung erforderlich. Die Integration dieser Becken in die bestehende Aufbereitungsinfrastruktur gestaltet sich jedoch schwierig.

Im Projektteam verfolgen wir einen innovativen Ansatz: Die Kultivierung der Mikroalgen erfolgt in sogenannten biofilm-basierten Kultivierungssystemen. Hierbei heften sich die Algenstämme an eine Oberfläche fest und wachsen dort. Das Besondere ist, dass die Biofilme sowohl über als auch unter der Wasseroberfläche angebracht werden können. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Anlagenplanung.

Ein vielversprechender Ansatz

Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass sich die Biomasse natürlicherweise in den Biofilmen konzentriert. Dadurch wird die Ernte und Weiterverarbeitung der Algen deutlich erleichtert. Zusätzlich sind die Kulturen resistenter gegenüber Stressfaktoren in extremen Lebensräumen wie belastetem Deponiesickerwasser. Die Biofilme ermöglichen den Algen eine bessere Abgrenzung von ihrer Umwelt.

In einem ersten Schritt wurde eine Pilotanlage in Betrieb genommen, in der Mikroalgen in einem Biofilm kultiviert und Deponiesickerwasser ausgesetzt werden. Die Anlage wird nun mit Blick auf den Abbau von Nährstoffen, Stoffwechselaktivitäten anderer relevanter Mikroorganismen wie Cyanobakterien, nitrifizierende und denitrifizierende Bakterien, die Produktion und Verwertbarkeit der Biomasse sowie die Betriebskosten kontinuierlich überwacht und optimiert.

„Am Ende des Projekts wollen wir fundierte Erkenntnisse darüber erhalten, ob und wie eine großtechnische Umsetzung ökologisch sinnvoll, effektiv und wirtschaftlich realisierbar ist“, sagt Sartor.

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