Pflanzen benötigen Stickstoff zum Wachsen. Doch gelangt der Nährstoff in größeren Mengen ins Oberflächen- und Grundwasser, kann das negative Folgen etwa für die Gewässerökologie und Trinkwasserversorgung haben. Kommunale Kläranlagen entfernen daher Stickstoff weitgehend aus dem Abwasser. Eine neue Methode verspricht, den Stickstoff wieder als Dünger nutzbar zu machen und weniger Energie zu benötigen als bisherige Verfahren.

Lea Richter untersucht in ihrer Promotion am Fachbereich Bauingenieurwesen der FH Münster im Institut für Infrastruktur – Wasser – Ressourcen – Umwelt (IWARU) bei Prof. Dr. Jens Haberkamp, wie sogenannte Membrankontaktoren zur Stickstoffrückgewinnung eingesetzt und optimiert werden können. Dafür führt die Promovendin unter anderem Untersuchungen an Deutschlands bisher einziger Kläranlage durch, die diese Technologie einsetzt: der Hauptkläranlage Münster – und zusätzlich an Membrankontaktoren im kleineren Format im Labor der Hochschule.

„Mit diesem Thema habe ich mich bereits in meiner Masterarbeit beschäftigt“, sagt die Bauingenieurin. „Meine Promotion baut darauf auf. Ich finde die Methode interessant, da sie innovativ und im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung bisher weitgehend unerforscht ist.“

Funktionsweise von Membrankontaktoren

Für ihre Forschung bekommt die Bauingenieurin das Promotionsstipendium der zentralen Gleichstellungsbeauftragten der FH Münster. Zudem ist Richters Promotion Teil eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes, das vom Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (LANUV) gefördert wird. Ein Team aus Wissenschaftler:innen der FH Aachen und der FH Münster forscht dazu und begleitet die großtechnische Anlage auf der Hauptkläranlage Münster wissenschaftlich.
Doch wie funktionieren Membrankontaktoren?

„Dafür muss man Folgendes wissen: Innerhalb der Behandlungsstufen in einer Kläranlage fällt Klärschlamm an. Unter Ausschluss von Sauerstoff wird dieser zersetzt, in der Fachsprache ausgefault. Der übrig bleibende Faulschlamm wird entwässert und das anfallende Prozesswasser wieder der Kläranlage zugeführt“, erklärt Richter.

Der entwässerte Schlamm kann anschließend zur Energiegewinnung verbrannt werden. Doch Richter geht es um das anfallende Prozesswasser, denn darin ist viel Stickstoff enthalten. Um die Stickstoffbelastung zu senken, gibt es biologische oder chemisch-physikalische Verfahren. Zu letzteren gehören die Membrankontaktoren. Eine Membran ist in diesem Fall eine polymere, das heißt aus organischem Material bestehende Schicht, die zwei Räume voneinander trennt. Bei der Technologie handelt es sich um Hohlfasermembranen. Man könne sich das vorstellen, als wären ganz viele der Röhrennudeln Makkaroni nebeneinander in Behältern verpackt, sagt Richter. Auf der einen Seite der Membran läuft das Prozesswasser durch, auf der anderen Schwefelsäure. „Der Stickstoff liegt im Prozesswasser in verschiedenen Formen vor, als Ammonium oder als flüchtiges Ammoniak. Beides sind Verbindungen von Stickstoff und Wasserstoff“, so die Promovendin. Allein Ammoniak kann die Membran passieren und verbindet sich dann mit der Schwefelsäure auf der anderen Membranseite zu Ammoniumsulfat – einem Stoff, den die Landwirtschaft als Stickstoffdünger einsetzt.

Methode muss noch wirtschaftlich werden

„Um die Membrankontaktoren optimal zu nutzen, also um viel Stickstoff zurückzugewinnen, sollte möglichst viel Stickstoff in Form von Ammoniak vorliegen. Daher forsche ich daran, wie das gelingt“, sagt Richter. Mögliche Lösungen: Parameter wie die Temperatur oder den pH-Wert verändern. Gibt die Promovendin beispielsweise Lauge zum Prozesswasser hinzu, steigt der pH-Wert, die Lösung wird basischer und mehr Stickstoff liegt als Ammoniak vor. Um herauszufinden, wo die optimalen Werte liegen, führt Richter Versuchsreihen durch. Eine weitere Stellschraube: „Die Membran hat ganz feine Poren, auf denen sich Partikel ablagern. Wir müssen die Membran in regelmäßigen Abständen reinigen, sonst sinkt ihre Leistung. Dafür entwickle ich Reinigungsstrategien, bei denen beispielsweise auch die eingesetzten Reinigungslösungen eine Rolle spielen“, so Richter. Die Bauingenieurin geht davon aus, dass sie ihre Untersuchungen etwa zum Ende des Jahres abschließen kann. Bisher wird deutlich: „Wir müssen noch daran arbeiten, dass die Methode wirtschaftlich wird. Dafür leistet sie einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft, da wir den rückgewonnenen Stickstoff wieder als Pflanzendünger verwerten können. Das ist bei biologischen Verfahren zur Prozesswasserbehandlung nicht der Fall“, sagt Richter.