Systemleistung des NEWtrient-Verfahrens zur Nährstoffrückgewinnung aus Schlammwasser für die hydroponische Kultivierung

Die Rückgewinnung von Nährstoffen aus Abwasser für die hydroponische Kultivierung schließt Nährstoffkreisläufe und trägt zeitgleich zur Deckung des steigenden Nahrungsmittelbedarfs bei. Hydroponische Systeme erfordern partikelfreie Nährlösungen auf der Basis hochreiner und -löslicher Düngemittel, die Stickstoff überwiegend in Form von Nitrat enthalten. Die Extraktion dieser Düngemittel wie z. B. Kalium- und Calciumnitrat ist jedoch technisch anspruchsvoll. Mit etablierten Verfahren können lediglich ≤11,5 % der benötigten Nährstoffe für Nährlösungen zurückgewonnen werden. Ein innovativer Lösungsansatz ist das NEWtrient®-Verfahren, bestehend aus Membranbioreaktor (MBR) und Elektrodialyse (ED), das speziell für die Rückgewinnung von Nährstoffkonzentraten für hydroponische Anwendungen konzipiert wurde. Das Verfahren wurde jedoch bislang noch nicht praktisch erprobt, auch nicht im Labormaßstab. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die labortechnische Eignung und Leistungsfähigkeit des NEWtrient®-Verfahrens zur Rückgewinnung eines Nährstoffkonzentrats aus Schlammwasser untersucht. Der Fokus der Untersuchung lag auf einer möglichst vollständigen Substitution von Nitrat durch Stickstoff aus Schlammwasser, um eine nachhaltigere Alternative zur industriellen Stickstoffdüngerproduktion zu schaffen. Zwei Verfahrenskonfigurationen wurden untersucht: MBR mit konventioneller ED (KED) und MBR mit neuartiger Mixed-Stack ED (MED). Ein 4-Liter-MBR mit Ultrafiltrationsmodul wurde bei pH 6,0 unter KOH-Dosierung zur vollständigen Nitrifikation sowie Entfernung organischer und partikulärer Stoffe betrieben. Die ED-Anlage (10 Zellen, 8 x 8 cm) diente zur Nährstoffkonzentrierung und Schadstoffelimination. Im Mixed-Stack wurden konventionelle Zellen anteilig durch bipolare Zellen ersetzt, um Kationen als Base abzuscheiden und das Kationen/Anionen-Verhältnis im Konzentrat zu steuern. Die Steuerbarkeit der Nährstoffverhältnisse ist entscheidend, da diese determinieren, inwieweit das Konzentrat industrielle Düngemittel in Nährlösungen substituieren kann. Die Ergebnisse belegen die praktische Eignung des NEWtrient®-Verfahrens im Labormaßstab zur Rückgewinnung eines Nährstoffkonzentrats aus Schlammwasser unterschiedlicher Zusammensetzung. Das Konzentrat erfüllt die Anforderungen an hydroponische Nährlösungen und kann durch die Kombination beider Verfahrenskonfigurationen den Nitratbedarf beliebiger Kulturen vollständig decken. Der MBR gewährleistet eine vollständige Nitrifikation von Ammonium (NH4). Das niedrige Alkalinität/NH4-Verhältnis des Schlammwassers erfordert allerdings eine signifikante Zugabe von KOH, wodurch das K/N-Verhältnis ansteigt. Die ED konzentriert die Nährstoffe um den Faktor 4,0-5,5 auf, wobei die Mixed-Stack ED zusätzlich eine präzise Steuerung des Kationen/Anionen-Verhältnisses im Konzentrat ermöglicht. Dadurch wird ein Nährstoffsubstitutionspotenzial von 58 % erreicht, was dem Fünffachen etablierter Verfahren entspricht. Das Gesamtsystem entfernt über 90 % der organischen Verbindungen sowie der meisten untersuchten Mikroschadstoffe und Schwermetalle. Die Grenzwerte der deutschen Düngemittelverordnung werden eingehalten. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein physikalisch fundiertes Modell, das die negativ lineare Korrelation zwischen dem Bipolaranteil im ED-Stack und dem Kationen/Anionen-Verhältnis im Konzentrat in Abhängigkeit von der Zulaufzusammensetzung beschreibt. Dieses Modell kann auf beliebige Zulaufströme extrapoliert werden. Es ermöglicht die bedarfsgerechte Herstellung hydroponischer Nährlösungen für unterschiedliche Kulturpflanzen unter Maximierung des Substitutionspotenzials von Nitrat. Das NEWtrient®-Verfahren hat somit das Potenzial, den Bedarf an industriellen Stickstoffdüngern zu reduzieren und einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren Nahrungsmittelproduktion in hydroponischen Kultursystemen zu leisten.

Recovering nutrients from wastewater for hydroponic cultivation closes nutrient cycles while simultaneously helping to meet growing food demand. Hydroponic systems require particle-free nutrient solutions based on pure, highly soluble fertilizers, with nitrogen supplied primarily as nitrate. However, the extraction of these fertilizers, such as potassium nitrate and calcium nitrate, is technically challenging. Consequently, current processes can only recover ≤11.5% of the nutrients needed for nutrient solutions from wastewater. An innovative approach to overcome this limitation is the NEWtrient® process, which consists of a membrane bioreactor (MBR) and electrodialysis (ED) specifically designed to recover nutrient concentrates suitable for hydroponic applications. However, this process has not yet been investigated in practice, even at laboratory scale. The present work was the first to investigate the laboratory suitability and performance of the NEWtrient® process for the recovery of a nutrient concentrate from sludge liquor. The study focused on replacing nitrate as completely as possible with nitrogen derived from sludge liquor to provide a more sustainable alternative to industrial nitrogen fertilizer production. Two process configurations were investigated: MBR with conventional electrodialysis (KED) and MBR with an innovative mixed-stack electrodialysis (MED). A 4-liter MBR with an ultrafiltration module was operated at pH 6.0 with KOH dosing for complete nitrification and removal of organic matter and particles. The ED unit (10 cells, 8 x 8 cm) was used for nutrient concentration and contaminant removal. In the mixed-stack configuration, conventional cells were partially replaced by bipolar cells to separate cations as bases and to control the cation/anion ratio in the concentrate. This controllability of the nutrient ratios is crucial as it determines the extent to which the concentrate can replace industrial fertilizers in hydroponic nutrient solutions. The results demonstrate the practical feasibility of the NEWtrient® process at a laboratory scale to recover a nutrient concentrate from sludge liquors of varying composition. The concentrate meets the requirements of hydroponic nutrient solutions and, by combining the two process configurations, can meet the nitrate demand of any crop. The MBR ensures complete nitrification of ammonium (NH4). However, the low alkalinity/NH4 ratio of sludge liquor requires significant KOH addition, which increases the K/N ratio. The ED increases the concentration of nutrients by a factor of 4.0-5.5, while the mixed-stack ED allows precise control of the cation/anion ratio in the concentrate. This enables a nutrient substitution potential of 58%, five times greater than current recovery processes. The complete system removes over 90% of organic matter and most micropollutants and heavy metals. Limits set by the German fertilizer legislation are met. Another result of this study is a physically based model that describes the negative linear correlation between the proportion of bipolar cells in the ED stack and the cation/anion ratio in the concentrate as a function of the feed composition. This model can be extrapolated to different waste streams. It allows for the tailoring of hydroponic nutrient solutions for different crops while maximizing the nitrate substitution potential. The NEWtrient® process, therefore, has the potential to reduce reliance on industrial nitrogen fertilizers and contribute to more sustainable food production in hydroponic systems.