Vollständige Rückgewinnung der Nährstoffe aus Urin

Die meisten Nährstoffe werden mit dem Urin ausgeschieden: ca. 90% des Stickstoffs und Kaliums, ungefähr 60% des Phosphors und beinahe 100% des Schwefels. Es wäre ökologisch aber auch wahrscheinlich wirtschaftlich sinnvoll, die Nährstoffe aus dem Urin direkt in die Landwirtschaft zu rezyklieren, aber eine direkte Ausbringung von Urin ist nur für einige ländliche Gebiete eine gangbare Lösung: der hohe Wassergehalt macht den Urintransport teuer und die hohen Konzentrationen an Ammoniak (NH3) verursachen Geruchsbelästigungen und Nährstoffverlust. Der Urin muss vorgängig behandelt werden, um ihn zu stabilisieren und die Nährstoffe aufzukonzentrieren. Struvitausfällung (STUN) ist eine einfache und effektive Technologie, um Phosphor als festen Dünger wiederzugewinnen, aber abgesehen von einem kleinen Anteil Ammonium, wird eben nur ein Nährstoff aus dem Urin wiedergewonnen. Eine vollständige Wiedergewinnung aller Nährstoffe ist jedoch in einem Verdampfungsreaktor möglich.

Festes Düngerprodukt aus stabilisiertem Urin, nachdem 98% des Wassers verdampft wurde. (Photo: Stefan Kubli, Zürich)

Salzproduktion mittels Verdampfung ist ein bekannter und vergleichsweise einfacher Prozess, aber Urin muss zuerst vorbehandelt werden. Falls gelagerter Urin direkt in einem Verdampfungsreaktor behandelt wird, bildet sich wegen der hohen Mengen organischer Stoffe eine viskose Masse und der Stickstoff verflüchtigt sich als Ammoniak. Diese Probleme lassen sich lösen, wenn der Urin zuerst nitrifiziert wird (Stickstoffstabilisierung). Während der Nitrifikation wird die Hälfte des Ammoniums zu Nitrat oxidiert, der pH sinkt auf Werte zwischen 6 und 7 und 90% der organischen Stoffe werden abgebaut.

In Laborexperimenten konnten wir zeigen, dass bei der Verdampfung von nitrifiziertem Urin praktisch alle Nährstoffe in einem trockenen Pulver wiedergewonnen werden können; weniger als 3 % des ursprünglichen Stickstoffs gehen während der Verdampfung verloren. Dank der hohen Temperaturen im Verdampfungsreaktor ist das Produkt auch frei von Krankheitserregern. Der theoretische Energiebedarf ist ungefähr 700 Wh/L, er kann aber mit modernen Verfahren (Brüdenkompression) bis zu 90% reduziert werden. In unserer weiteren Forschung werden wir die thermische Stabilität des produzierten Düngers (Ammoniumnitrat) untersuchen und Möglichkeiten zur Reduktion des Energiebedarfs abklären.

Vorträge

Udert, K.M., Waechter, M. (2010) Complete Nutrient Recovery from Source-Separated Urine. 7th IWA Leading-Edge Conference on Water and Wastewater Technologies, 2-4 June 2010, Phoenix, Arizona.