KNOXVILLE, TN, 23. Juli 2026 /24-7PressRelease/ -- Abwasser ist nicht länger nur ein Strom, der gereinigt und abgeleitet werden muss. Es kann auch rückgewinnbares Wasser, Düngernährstoffe und nutzbare Energie enthalten – wenn Behandlungssysteme diese zurückgewinnen können, ohne den externen Energiebedarf zu erhöhen. Eine neue Studie berichtet über eine selbstversorgende Plattform, die elektrisch unterstützte Vorwärtsosmose (eFO) mit einer mikrobiellen Entsalzungszelle (MDC) verbindet, sodass von abwasserbesiedelten Mikroben erzeugter Strom den Nährstoff- und Wasserrückgewinn antreibt. In Tests mit synthetischem Viehabwasser nutzte das geschlossene System intern erzeugte Bioelektrizität, um die Magnesiumionenwanderung anzutreiben, die Struvitbildung zu fördern, den Wassertransport zu steigern und die Entsalzung zu verbessern. Die Arbeit bietet einen Weg zu kompakten Abwasserraffinerien, die Ressourcen zurückgewinnen und gleichzeitig die Abhängigkeit von externem Strom verringern.

Herkömmliche Abwasserbehandlung hat sich weitgehend auf die Schadstoffentfernung konzentriert, aber zunehmende Wasserknappheit, Energiebeschränkungen und Düngernachfrage treiben das Feld in Richtung Ressourcenrückgewinnung. Vorwärtsosmose (FO) kann Wasser mit niedrigem hydraulischem Druck durch eine Membran ziehen, während bioelektrochemische Systeme wie mikrobielle Entsalzungszellen organische Stoffe in Strom umwandeln und Salze bewegen können. Doch diese Werkzeuge werden oft getrennt betrieben: FO-Systeme haben immer noch mit Konzentrationspolarisation und umgekehrtem Salzfluss zu kämpfen, und elektrisch unterstützte FO benötigt normalerweise eine kontinuierliche externe Stromversorgung. Basierend auf diesen Herausforderungen sind tiefgehende Forschungen zu integrierten Behandlungsdesigns erforderlich, die Wasser, Nährstoffe und Energie in einem stabilen, energiearmen Prozess zurückgewinnen können.

Forscher der Temple University und des New Jersey Institute of Technology veröffentlichten (DOI: 10.1016/j.ese.2026.100730) die Studie in Environmental Science and Ecotechnology im Jahr 2026; das Manuskript wurde am 4. Juli 2026 angenommen. Der Artikel stellt ein integriertes System aus elektrisch unterstützter Vorwärtsosmose (eFO) und mikrobieller Entsalzungszelle (MDC) vor, das Bioelektrizität, die während der Oxidation organischer Stoffe erzeugt wird, nutzt, um Ionenwanderung anzutreiben, Struvitdünger zurückzugewinnen, den Wasserfluss zu verbessern und die Entsalzung aus synthetischem Viehabwasser zu steigern.

Das System verwandelt eine Behandlungsherausforderung in die Energiequelle für eine andere. Im eFO-Modul zieht ein osmotischer Gradient Wasser von der Abwasserseite zu einer Magnesiumsulfat-Zuglösung. Wenn ein mildes elektrisches Feld angelegt wird, wandern Magnesiumionen zurück zur Abwasserseite, wo sie mit Ammonium und Phosphat reagieren und als Struvit ausfallen, Magnesium-Ammonium-Phosphat-Hexahydrat, ein langsam freisetzender Dünger. In der MDC oxidieren elektroaktive Mikroorganismen organische Stoffe, erzeugen Elektronen und unterstützen die Entsalzung. Die Forscher ernteten diese mikrobielle Elektrizität, speicherten sie in einem 400-Farad-Superkondensator, regulierten die Spannung und speisten sie zurück in die eFO-Einheit. Im Labormaßstab erzeugte die MDC mehr als 7,0 Milliwatt, während das eFO-Modul weniger als 1,0 Milliwatt verbrauchte. Im Vergleich zur Kontrolle stieg der Wasserfluss um 57%, die Struvitrückgewinnung erhöhte sich von 0,25 auf 0,71 Gramm bei 1,8 Volt, und die Gesamtentsalzungseffizienz verbesserte sich um 45%. Bei höherer Spannung erreichte die Struvitrückgewinnung 1,03 Gramm bei 3,8 Volt. Zur Betriebsführung entwickelte das Team auch ein hybrides Modell, das mechanistische Transportgleichungen mit einer Support Vector Machine (SVM) kombinierte und die Vorhersage von Struvitrückgewinnung, chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), Leitfähigkeit und Leistungsabgabe unter verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglichte.

Die Autoren sagten, die Studie zeige, wie Abwasserbehandlung als ein verbundener Ressourcenrückgewinnungskreislauf neu gestaltet werden kann, anstatt als eine Reihe separater Betriebseinheiten. Sie sagten, der wichtige Schritt liege nicht nur in der Kopplung eines Membranprozesses mit einem bioelektrochemischen Prozess, sondern auch darin, dass die von Mikroorganismen erzeugte Elektrizität direkt die Ionenbewegung und Düngerbildung steuere. In ihrer Sichtweise macht diese interne Rückkopplung den Ansatz praktikabler für nährstoffreiche Ströme wie Viehabwasser, wo Wasserrückgewinnung, Salzkontrolle und Phosphorrückgewinnung alle Wert schaffen können.

Die Ergebnisse weisen auf Anwendungen in der dezentralen Abwasserbehandlung, dem landwirtschaftlichen Abfallmanagement und zukünftigen Ressourcenrückgewinnungsanlagen hin. Das Papier stellt auch klar, dass die Skalierung technische Arbeit erfordern wird: Die MDC erzeugte genug Strom für das eFO-Modul, aber hydraulische Verweilzeiten, Modulgrößen, Struviternte, Membranverkalkung und Elektrodenhaltbarkeit müssen noch optimiert werden. Eine technisch-wirtschaftliche Bewertung (TEA) schätzte die Nettobehandlungskosten im Labormaßstab auf 10,2 US-Dollar pro Kubikmeter, die in einem technischen Skalierungsszenario auf 3,3 US-Dollar pro Kubikmeter fielen.

Referenzen
DOI
10.1016/j.ese.2026.100730

Original-Quellen-URL
https://doi.org/10.1016/j.ese.2026.100730

Förderinformationen
Die Studie wurde teilweise unterstützt durch das U.S. Bureau of Reclamation (Auszeichnung#: 13761566 und R22AC00433) und das NSF/BSF-Projekt (Auszeichnung#: 2215387). Die Veröffentlichung dieses Artikels wurde teilweise durch den Temple University Libraries Open Access Publishing Fund finanziert.

Über Environmental Science and Ecotechnology
Environmental Science and Ecotechnology (ISSN 2666-4984) ist eine internationale, peer-reviewte Open-Access-Zeitschrift, die von Elsevier veröffentlicht wird. Die Zeitschrift veröffentlicht bedeutende Ansichten und Forschungsergebnisse aus dem gesamten Spektrum der Ökologie und Umweltwissenschaften, wie Klimawandel, Nachhaltigkeit, Biodiversitätsschutz, Umwelt & Gesundheit, grüne Katalyse/Verarbeitung zur Schadstoffkontrolle und KI-gesteuerte Umwelttechnik. Der neueste Impact Factor von ESE beträgt 14,3, laut den Journal Citation ReportsTM 2024.

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