2020 · De Paepe — Bioelektrochemische CSB-Entfernung für eine energieeffiziente, maximale und robuste Stickstoffrückgewinnung aus Urin durch membranbelüftete Nitrifikation
Kurzfassung
Diese Studie entwickelt ein zweistufiges elektrochemisches Urinbehandlungssystem zur nachhaltigen Stickstoffrückgewinnung — primär für Anwendungen in der Weltraumforschung. In der ersten Stufe entfernt eine mikrobielle Elektrolysezelle bis zu 85 % des organischen Materials und produziert Wasserstoffgas als Nebenprodukt; die zweite Stufe wandelt Ammoniumstickstoff in Nitrat um. Diese Forschung konzentriert sich auf Abwassertechnik und Bioelektrochemie, nicht auf therapeutischen Wasserstoff. (Water Research, 2020.)
Kommentar
Dieses Paper ist grundlegend eine Studie aus dem Bereich Umwelttechnik und Bioelektrochemie. Das Kernziel ist die effiziente Nährstoffrückgewinnung aus quellgetrenntem Urin für den Einsatz in regenerativen Lebenserhaltungssystemen für die Weltraumforschung. H₂-Gas tritt hier als Nebenprodukt des Schritts in der mikrobiellen Elektrolysezelle (MEC) auf — eine Folge der Umwandlung organischer Verbindungen — und nicht als Gegenstand therapeutischen Interesses. Das System erreicht vollständige Stickstoffrückgewinnung als Nitrat bei gleichzeitiger Verhinderung von Denitrifikationsverlusten, was einen soliden ingenieurtechnischen Fortschritt darstellt. Diese Studie hat keine direkte Relevanz für therapeutischen H₂ für die menschliche Gesundheit.
Wichtige Zitate
- „Bis zu 85 % des CSB wurden in einer mikrobiellen Elektrolysezelle (MEC) entfernt, wobei ein Teil der Energie in organischen Verbindungen (27–46 %) in Wasserstoffgas umgewandelt wurde.“ Original (EN): „up to 85% of the COD was removed in a microbial electrolysis cell (MEC), converting part of the energy in organic compounds (27-46%) into hydrogen gas.“ — H₂ als elektrochemisches Nebenprodukt der organischen Oxidation
- „Die bioelektrochemische Vorbehandlung ermöglichte die vollständige Stickstoffrückgewinnung als Nitrat im MABR bei einem gelösten Sauerstoffgehalt in der Bulkphase unter 0,1 mg O₂ L⁻¹.“ Original (EN): „Bio-electrochemical pre-treatment allowed to recover all nitrogen as nitrate in the MABR at a bulk-phase dissolved oxygen level below 0.1 mg O2 L-1.“ — das zentrale ingenieurtechnische Ergebnis: vollständige Stickstoffrückgewinnung unter nahezu anaeroben Bedingungen
- „Die Ressourcenrückgewinnung aus quellgetrenntem Urin kann Nährstoffkreisläufe auf der Erde verkürzen und ist für regenerative Lebenserhaltungssysteme für die Tiefraumforschung unerlässlich.“ Original (EN): „Resource recovery from source-separated urine can shorten nutrient cycles on Earth and is essential in regenerative life support systems for deep-space exploration.“ — der Anwendungskontext: Weltraum-Lebenserhaltungssysteme
Unsere Einordnung
Dies ist eine In-vitro-/Reaktor-Ingenieurstudie ohne Relevanz für therapeutischen Wasserstoff beim Menschen. H₂-Produktion ist ein Nebeneffekt des elektrochemischen Prozesses, nicht der Studienfokus. Die Forschung ist solide durchgeführt und befasst sich mit einer echten ingenieurtechnischen Herausforderung in geschlossenen Lebenserhaltungssystemen. Sie liefert keine Belege für einen gesundheitlichen Nutzen von molekularem Wasserstoff. Ihre Aufnahme in eine H₂-Medizin-Datenbank ist randständig — der Bezug ist die zufällige H₂-Produktion im MEC-Schritt.
Studiendesign
- Typ: In-vitro-bioelektrochemische Ingenieurstudie · System: zweistufiges MEC + MABR-Reaktorsystem zur Behandlung von realem menschlichem Urin · H₂-Kontext: H₂-Gas als MEC-Nebenprodukt (nicht therapeutisch)
- Ergebnis: bis zu 85 % CSB-Entfernung in MEC; 27–46 % der Energie aus Organik in H₂-Gas umgewandelt; vollständige Stickstoffrückgewinnung als Nitrat im MABR; mikrobielle Gemeinschaft charakterisiert (Geobacter dominant in MEC; Nitrosomonas dominant in MABR)
Abstract (deutsche Übersetzung)
Die Ressourcenrückgewinnung aus quellgetrenntem Urin kann Nährstoffkreisläufe auf der Erde verkürzen und ist für regenerative Lebenserhaltungssysteme für die Tiefraumforschung unerlässlich. In dieser Studie wurde ein robustes, zweistufiges, energieeffizientes und schwerkraftunabhängiges Urinbehandlungssystem entwickelt, um frischen, echten menschlichen Urin in eine stabile Nährstofflösung umzuwandeln. In der ersten Stufe wurden bis zu 85 % des CSB in einer mikrobiellen Elektrolysezelle (MEC) entfernt, wobei ein Teil der Energie in organischen Verbindungen (27–46 %) in Wasserstoffgas umgewandelt und eine vollständige Stickstoffrückgewinnung durch Verhinderung von Stickstoffverlusten durch Denitrifikation in der zweiten Stufe ermöglicht wurde. Neben der CSB-Entfernung wurde der gesamte Harnstoff in der MEC hydrolysiert, was einen an Ammoniumstickstoff und Alkalinität reichen, aber CSB-armen Strom ergab. Dieser Strom wurde in einen membranbelüfteten Biofilmreaktor (MABR) geleitet, um den flüchtigen und toxischen Ammoniumstickstoff durch Nitrifikation in nicht-flüchtiges Nitrat umzuwandeln. Die bioelektrochemische Vorbehandlung ermöglichte die vollständige Stickstoffrückgewinnung als Nitrat im MABR bei einem gelösten Sauerstoffgehalt in der Bulkphase unter 0,1 mg O₂ L⁻¹. Im Gegensatz dazu führte die direkte Einspeisung des MABR mit rohem Urin (ohne erste Stufe) bei gleicher Stickstoffbelastungsrate zu Stickstoffverlusten (18 %) durch Denitrifikation. MEC und MABR zeichneten sich durch sehr unterschiedliche und diverse mikrobielle Gemeinschaften aus. Während in der MEC (strikt) anaerobe Gattungen wie Geobacter (elektroaktive Bakterien), Thiopseudomonas, ein Lentimicrobiaceae-Mitglied, Alcaligenes und Proteiniphilum vorherrschten, wurde der MABR von aeroben Gattungen dominiert, darunter Nitrosomonas (ein bekannter Ammoniumoxidierer), Moheibacter und Gordonia. Der zweistufige Ansatz lieferte eine stabile, nitratreiche, CSB-arme Nährstofflösung, die für den Anbau von Pflanzen und Mikroalgen geeignet ist.
Original-Abstract (englisch)
Resource recovery from source-separated urine can shorten nutrient cycles on Earth and is essential in regenerative life support systems for deep-space exploration. In this study, a robust two-stage, energy-efficient, gravity-independent urine treatment system was developed to transform fresh real human urine into a stable nutrient solution. In the first stage, up to 85% of the COD was removed in a microbial electrolysis cell (MEC), converting part of the energy in organic compounds (27-46%) into hydrogen gas and enabling full nitrogen recovery by preventing nitrogen losses through denitrification in the second stage. Besides COD removal, all urea was hydrolysed in the MEC, resulting in a stream rich in ammoniacal nitrogen and alkalinity, and low in COD. This stream was fed into a membrane-aerated biofilm reactor (MABR) in order to convert the volatile and toxic ammoniacal nitrogen to non-volatile nitrate by nitrification. Bio-electrochemical pre-treatment allowed to recover all nitrogen as nitrate in the MABR at a bulk-phase dissolved oxygen level below 0.1 mg O2 L-1. In contrast, feeding the MABR directly with raw urine (omitting the first stage), at the same nitrogen loading rate, resulted in nitrogen loss (18%) due to denitrification. The MEC and MABR were characterised by very distinct and diverse microbial communities. While (strictly) anaerobic genera, such as Geobacter (electroactive bacteria), Thiopseudomonas, a Lentimicrobiaceae member, Alcaligenes and Proteiniphilum prevailed in the MEC, the MABR was dominated by aerobic genera, including Nitrosomonas (a known ammonium oxidiser), Moheibacter and Gordonia. The two-stage approach yielded a stable nitrate-rich, COD-low nutrient solution, suitable for plant and microalgae cultivation.
Quelle & Links
Screenshot der PubMed-Seite
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