Wissenschaftler des Singapore Centre for Environmental Life Sciences Engineering (SCELSE) an der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) und der National University of Singapore haben eine Technik entwickelt, um Phosphor aus Abwasser bei höheren Temperaturen zu entfernen, als dies mit bestehenden Techniken möglich ist, indem Bakterien verwendet werden um die Chemikalie zu lagern.
Gegenwärtige Techniken zur Entfernung von Phosphor funktionieren bei Temperaturen über 25 Grad Celsius, die heute in warmen Ländern auftreten, nicht gut. Es wird erwartet, dass sich dies mit dem Aufkommen der globalen Erwärmung auf weitere Länder ausdehnt.
Aufgrund des Vorhandenseins verschiedener mikrobieller Gemeinschaften in Wasseraufbereitungsanlagen in Singapur würde die von SCELSE entwickelte Innovation, die auf Bakterien basiert, somit dazu beitragen, die Entfernung der Chemikalie „zukunftssicher“ zu machen. So haben die Wissenschaftler gezeigt, dass es bei 30 Grad Celsius und 35 Grad Celsius Phosphor effektiv aus dem Abwasser entfernt hat.
Die Bakteriengattung Candidatus Accumulibacter ist nicht schädlich für Mensch und Umwelt und entfernt Phosphat aus dem Abwasser und speichert es intern als Polyphosphatgranulat. Die Wissenschaftler sagen, dass ihre Methode in Reaktoren im Labormaßstab und in großen Behandlungsanlagen eingesetzt werden könnte.
Es ist wichtig, Phosphor aus dem Abwasser zu entfernen, bevor es in Süßwasserkörper eingeleitet wird, da sein Vorhandensein zu einer Algenblüte führen kann, die eine schnelle Zunahme der Algenpopulation bedeutet. Algenblüten senken den Sauerstoffgehalt in natürlichen Gewässern erheblich, wenn die Algen absterben, und führen manchmal zur Freisetzung hoher Konzentrationen von Toxinen, die Organismen töten, die in den betroffenen Gewässern leben. In Singapur wird Abwasser in Wasseraufbereitungsanlagen in Küstennähe behandelt, bevor es ins Meer eingeleitet wird.
Im Gegensatz zu anderen Verfahren kommen bei der von SCELSE entwickelten Methode zur Entfernung von Phosphor aus Abwasser keine Chemikalien wie Eisen- und Aluminiumkoagulantien zum Einsatz. Bei diesen Verfahren entsteht eine große Menge an inertem Schlamm, der behandelt und anschließend entsorgt werden muss.
Die bakterienbasierte Technologie erweitert den Temperaturbereich der verstärkten biologischen Phosphorentfernung auf 35 Grad Celsius. Dies würde zu einer „zukunftssicheren“ Phosphorentfernung beitragen, da andere Methoden mit biologischen Ansätzen nur bei kühleren Temperaturen funktionieren und weniger effektiv wären, da die Temperaturen weltweit aufgrund der globalen Erwärmung voraussichtlich steigen werden.
Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Wasserforschung im Juni.
NTU-Professor Stefan Wuertz, stellvertretender Zentrumsdirektor von SCELSE, der die Studie leitete, sagte: „Wir haben gezeigt, dass Phosphor in Singapurs Wasseraufbereitungsanlagen stabil entfernt werden kann, selbst wenn wir erwarten, dass die globalen Wassertemperaturen weiter steigen werden und einem ausreichend hohen Kohlenstoffeintrag in biologische Reaktoren haben wir die Kohlenstoffaufnahmeraten konkurrierender Bakterien effektiv begrenzt. Dies ermöglichte Accumulibacter zu gedeihen und begünstigte einen stabilen und effizienten Prozess, der grundlegende Bedingungen darstellt, die für zukünftige großtechnische Behandlungsanlagen geeignet sind. Dies wird Singapur und helfen andere Länder mit hohen Wassertemperaturen, um sich auf die Auswirkungen des Klimawandels vorzubereiten.“ Prof. Wuertz ist auch von der School of Civil and Environmental Engineering der NTU.
Co-Autor Dr. Rohan Williams, Leiter der Integrative Analysis Unit bei SCELSE, sagte: „Wir fanden heraus, dass die Accumulibacter-Stämme in den Reaktoren eng mit denen verwandt waren, die üblicherweise in gemäßigten Systemen vorkommen, was darauf hindeutet, dass die gewählte Strategie die erforderliche Mikrodiversität erfolgreich bewahrt hat für einen stabilen Prozess.“ Er ist außerdem Senior Research Fellow am Life Sciences Institute der National University of Singapore.
Dr. Guanglei Qiu, ein ehemaliger Research Fellow am SCELSE, der auch Co-Autor der Studie war, sagte: „Der Betrieb biologischer Reaktoren Seite an Seite bei unterschiedlichen Temperaturen lieferte die Hinweise für ein mechanistisches Verständnis und zugrunde liegende Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft.“ Heute ist er Associate Professor an der South China University of Technology.
Die von SCELSE entwickelte Innovation spiegelt das Engagement der NTU wider, unsere Auswirkungen auf die Umwelt zu mindern, was eine von vier der großen Herausforderungen der Menschheit darstellt, die die Universität mit ihrem Strategieplan NTU 2025 angehen möchte.
Zu Beginn des Prozesses reicherten die Forscher die Bakterien aus Abwasser in Versuchsreaktoren bei Temperaturen von 30 bis 35 Grad Celsius an und stellten dabei sicher, dass der pH-Wert etwa neutral war. Nach einem sechsstündigen Zyklus haben die Bakterien den Phosphor vollständig aufgenommen.
Über einen Testzeitraum von über 300 Tagen in einer Laborumgebung stellten sie fest, dass Phosphor konsequent entfernt wurde, um die täglichen Infusionen von frischem Abwasser, das das Element enthielt, zu bewältigen.
Die Wissenschaftler werden weitere Forschungen durchführen, um die Wirksamkeit ihrer Methode weiter zu verbessern. Sie versuchen auch, die Bakterien zum Einfangen und Speichern von Phosphor zu verwenden, von dem einige Experten glauben, dass es innerhalb von 50 bis 100 Jahren weltweit erschöpft sein könnte.
Prof. Wuertz fügte hinzu: „Fast der gesamte Phosphor, den Landwirte heute verwenden und den wir in unserer Nahrung zu uns nehmen, wird aus einigen wenigen Phosphatgestein-Quellen abgebaut, hauptsächlich in den Vereinigten Staaten, China und Marokko. Unsere Lösung konnte nicht nur helfen bei der zukunftssicheren biologischen Phosphorentfernung, speichern das Element aber auch und führen es dann wieder in landwirtschaftliche Systeme ein.“
Guanglei Qiu et al, Global warming ready: Machbarkeit einer verbesserten biologischen Phosphorentfernung bei 35 °C, Wasserforschung (2022). DOI: 10.1016/j.waters.2022.118301
Bereitgestellt von der Nanyang Technological University, Singapur