Innovative Bioreaktoren für die effiziente anaerobe Aufbereitung von Bilgenwasser
Das Bilgenwasser von Schiffen ist eine Mischung aus Meerwasser und Abfallflüssigkeiten wie Kraftstoffen, Reinigungsmitteln, Feststoffpartikeln und Ölen. Die Entsorgung dieser Ölrückstände in die maritime Umgebung ist durch die Vorschriften des MARPOL.aspx (Internationalen Seeschiffahrts-Organisation) und die EU-Gesetzgebung verboten. Daher werden verschiedene Methoden zur Behandlung von Bilgenwasser eingesetzt. Dazu gehören Membranabscheidung, Elektrokoagulation, Zentrifugation und chemische Mittel. Diese führen jedoch häufig zu einer Sekundärverschmutzung und verursachen zudem hohe Kosten. Während die anaerobe biologische Aufbereitung nachhaltiger ist, hat das EU-finanzierte Projekt ElectroSAnMBR herausgefunden, dass die organischen Verbindungen im Bilgenwasser anaerobe Mikroorganismen beeinträchtigen, insbesondere Methanbildner, wodurch sich ihre Effizienz verringert. ElectroSAnMBR hat eine innovative Technologie entwickelt, die eine Einzelkammer-Elektrolysezelle in einen Submerged Anaerobic Membrane Bioreactor (SAnMBR) integriert, genannt e-SAnMBR. „Da die Membranen die anaerobe Biomasse zurückhalten, anstatt sie wegzuschwemmen, passen sich die Mikroorganismen, einschließlich der Methanogene, an das schwer abbaubare Abwasser an, werden quasi angeimpft und bleiben so aktiv“, erklärt Projektkoordinator Ioannis Vyrides. Diese Wirkung der Einzelkammer-Elektrolysezelle wurde in zwei Pilot-Bioreaktoren nachgewiesen.
Mikrobielle Elektrolysezelle als anaerober Bioreaktor
Der anaerobe Bioreaktor von e-SAnMBR besteht aus zwei Elektroden. Die Anode trägt dazu bei, mikroaerobische Bedingungen zu schaffen, die zum biologischen Abbau sogenannter resistenter Verbindungen, also schwer abbaubarer Verbindungen, beitragen. Die Kathode dient der Erzeugung von Wasserstoff, woraufhin Mikroorganismen Kohlendioxid in Methan umwandeln. Der e-SAnMBR enthält außerdem eine getauchte Mikrofiltrationsmembran, welche die Mikroorganismen und organischen Stoffe auffängt. Um dieses elektrochemische System zu entwickeln, testete das Team zunächst, wie das Bilgenwasser mit der Biomasse interagiert, in der die biologisch abbauenden anaeroben Mikroorganismen enthalten sind, in diesem Fall mit Granulatschlamm. Da die Biomasse-Granulate von e-SAnMBR in der Regel einen Durchmesser von über 500 Mikrometern haben, kann der Sauerstoff nicht tief genug eindringen, damit die Methanogene in den Granulaten die notwendigen aeroben Bedingungen schaffen können. „Erfreulicherweise stellten wir fest, dass die Zugabe der mikrobiellen Elektrolysezelle zum Schlamm den Bioreaktor in die Lage versetzte, den für mikroaerobe Bedingungen erforderlichen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen, was den biologischen Abbau von resistenten Verbindungen beschleunigte“, erklärt Vyrides. Zwei Pilot-Bioreaktoren wurden drei Monate lang in fünf Versuchszyklen betrieben. e-SAnMBR enthielt eine Membran und Edelstahlelektroden unter einem Volt, während SAnMBR nur eine Membran enthielt. Beide SAnMBRs zeigten relativ hohe Abbauraten organischer Verbindungen – bekannt als CSB-Abbauraten – von etwa 75 %, wenn sie mit einer hohen hydraulischen Verweilzeit von etwa 12 Tagen betrieben wurden. Das ist die Gesamtzeit, während der die Bilge im Bioreaktor verbleibt. Bei einer niedrigeren hydraulischen Verweilzeit (etwa 4 Tage) zeigte der e-SAnMBR jedoch eine CSB-Abbaurate von etwa 50 %, während sie beim SAnMBR etwa 40 % betrug. Die Mikrofiltrationstauchmembran in beiden Bioreaktoren trug zwar nur zu einer CSB-Entfernung von etwa 10-15 % bei, dafür waren die Abwässer dann aber partikelfrei.
Zukünftige Möglichkeiten
Die europäische Richtlinie 2000/59/EG sieht vor, dass Schiffe mit einem Gewicht von über 400 Tonnen Öl und Wasser trennen und das Wasser über Bord ablassen müssen, wobei das verbleibende Abwasser unter 15 g/l liegt und an Land behandelt werden muss. Schiffe mit einem Gewicht von weniger als 400 Tonnen sollen das Bilgenwasser an Bord behalten, damit es in den Hafenanlagen behandelt werden kann. Der e-SAnMBR könnte auf Schiffen installiert werden, um das Bilgenwasser vorzubehandeln, sodass die zu behandelnde Menge an Land verringert wird. „Da der Biofilm der Anode das Bilgenwasser teilweise biologisch abbaut und unverdünntes Bilgenwasser die Methanogenese bei niedrigen hydraulischen Verweilzeiten hemmt, könnten wir anstelle von Methan, einem Treibhausgas, Wasserstoff als Endkathodengas erzeugen – eine wertvolle erneuerbare Energiequelle“, fügt Vyrides hinzu. Dies würde bedeuten, dass das System bei einer niedrigen hydraulischen Verweilzeit von weniger als 24 Stunden ohne zusätzliche Chemikalien betrieben werden könnte, um Bilgenwasser wirksam zu behandeln und gleichzeitig Wasserstoff zu erzeugen. Derzeit testet Ecofuel Cyprus den e-SAnMBR. Diese Forschungsarbeit wurde mit Unterstützung der Marie Skłodowska-Curie Maßnahmen durchgeführt.
Schlüsselbegriffe
ElectroSAnMBR, Bioreaktor, biologischer Abbau, Bilge, Schiff, Methanogene, Mikroorganismen, Wasserstoff, Methan, Elektrolysezelle, Biomasse, resistente Verbindung
