Stickstoffstabilisierung in Urin

Während der Lagerung von getrennt gesammeltem Urin wird Harnstoff, der mengenmässig wichtigste gelöste Stoff in Urin, zu Ammonium und Bikarbonat abgebaut. In gelagertem Urin macht Ammonium (NH4+/NH3) deshalb 90% des Stickstoffs aus und der pH Wert erreicht Werte um 9. Unter diesen Voraussetzungen ist die Gefahr von Stickstoffverlusten durch Ammoniakausgasung gross  . Urin kann allerdings mit einem biologischen Prozess − Nitrifikation − stabilisiert werden, indem Ammonium zu Nitrat oxidiert wird. Das Ausmass der Ammoniumoxidation hängt von der Alkalinität ab. In gelagertem Urin reicht die Alkalinität aus, um 50% des Ammoniums zu Nitrat zu oxidieren.

Die beiden für die Nitrifikation notwendigen Bakterienarten – Ammoniumoxidierer und Nitritoxidierer – reagieren empfindlich auf starke Schwankungen des pH und der Ammoniumkonzentration. Da Bakterien in einem Biofilmreaktor besser geschützt sind, ist dieser Reaktortyp eher für die Nitratproduktion geeignet als ein Belebtschlammreaktor. In einem Wirbelbettreaktor (moving bed biofilm reactor, MBBR) konnten Nitratproduktionsraten von 380 gN/m3/d erreicht werden, ohne dass der pH kontrolliert werden musste. Weniger als 1% des Stickstoffs im Ablauf trat als Nitrit auf.

Membran-belüfteter Biofilmreaktor (membrane aerated biofilm reactor, MABR). Ein sauerstoffdurchlässiger Silikonschlauch wird gleichzeitig als Biofilmaufwuchsfläche und Belüfter verwendet (Foto: Kai Udert)

In weiteren Experimenten konnten wir zeigen, dass Biofilmreaktoren mit entgegengesetzter Diffusion von Sauerstoff und Ammonium das Wachstum von säure-toleranten Ammoniumoxidierern begünstigen. In einem Membran-belüfteten Biofilmreaktor, der mit einer Ammoniumnitrit Lösung beschickt wurde, sank der pH durch biologische Ammoniumoxidation und chemische Nitritoxidation auf Werte unter 2.5. Dabei wurde das gesamte Nitrit nach folgendem Mechanismus zu Nitrat oxidiert:

2 HNO₂ ↔ NO + NO₂ + H₂O

NO + 0.5 O₂ → NO₂

2 NO₂ + H₂O → HNO₂ + NO₃^- + H⁺

Ein alternativer Prozess zur Nitrifikation könnte eine Kombination aus vorgeschalteter biologischer Oxidation von Ammonium zu Nitrit und nachgeschalteter chemischer Nitritoxidation mittels Säuredosierung sein. Dieser Prozess verspricht sehr störungsresistent zu sein, weil die biologische Nitritproduktion in einem SBR (sequencing batch reactor) ohne grosse Komplikationen möglich ist. Ein mögliches Problem ist aber die Ausgasung von umweltschädigenden Gasen wie Stickstoffmonooxid (NO) und Lachgas (N2O) aus dem chemischen Reaktor.

Nitrifikation ist eine ideale Vorbehandlung für die Produktion eines konzentrierten Urindüngers mittels Evaporation. Nachdem der gelagerte Urin mittels Nitrifikation stabilisiert wurde, ist es möglich, ohne signifikanten Ammoniakverlust das Wasser vollständig zu verdampfen und alle Nährstoffe in einem Pulver zu konzentrieren.

Literatur:

Udert K.M., Larsen T.A., and Gujer W. (2005) Chemical nitrite oxidation in acid solution as a consequence of microbial ammonium oxidation. Environmental Science and Technology 39(11), 4066-4075.

Udert K.M., Fux C., Münster M., Larsen T.A., Siegrist H., and Gujer W. (2003) Nitrification and autotrophic denitrification of source-separated urine. Water Science and Technology 48(1), 119-130.