Multifunktionale Anwendung von Zeolith zur Entfernung von Ammonium und zur Minderung von Ammoniakemissionen in Abwasser, Aaslauge und Reisfeldern

Warum die Reinigung unsichtbaren Stickstoffs wichtig ist

Ein Großteil der weltweiten Lebensmittelversorgung hängt von stickstoffbasierten Düngern ab, doch derselbe Stickstoff kann zu einem versteckten Schadstoff werden, sobald er in Wasser und Luft entweicht. Zu viel Ammonium in Flüssen und Seen fördert Algenblüten und Fischsterben, während Ammoniakgas aus landwirtschaftlichen Böden die Luftqualität verschlechtert und wertvollen Dünger verschwendet. Diese Studie untersucht, ob ein verbreitetes natürliches Mineral namens Zeolith als wiederverwendbarer Schwamm für überschüssigen Stickstoff dienen kann — Abwasser zu reinigen, Verschmutzungen aus der Zersetzung von Tierkörpern zu binden und Ammoniakverluste aus Reisfeldern zu verringern.

Ein Gestein, das sich wie ein Schwamm verhält

Zeolithe sind vulkanische Minerale mit einer käfigartigen Struktur voller winziger Kanäle, die geladene Teilchen wie Ammonium aufnehmen und austauschen können. Die Forschenden betrachteten zunächst einen natürlichen Zeolith namens Klinoptilolith genauer. Mit Hilfe von Mikroskopen und chemischen Tests bestätigten sie, dass er eine raue, poröse Oberfläche, eine große Innenfläche und viele negativ geladene Stellen besitzt — Eigenschaften, die ihn gut geeignet machen, sich an positiv geladene Ammoniumionen zu binden. Sie untersuchten auch, wie sich eine Wärmebehandlung auf das Mineral auswirkt, weil Erhitzen häufig eingesetzt wird, um Materialien für bessere Leistung zu „aktivieren“.

Den optimalen Bereich für die Reinigung im Wasser finden

Das Team prüfte, wie gut Zeolith Ammonium aus synthetischem Abwasser entfernte. Sie fanden heraus, dass das Mineral schnell wirkt: Der Großteil des Ammoniums wurde innerhalb von 30 Minuten aufgenommen, und die maximale Aufnahmekapazität lag bei etwa 10 Milligramm pro Gramm Zeolith. Detaillierte Analysen zeigten, dass Ammonium sich nicht einfach in einer einzigen glatten Schicht anlagert; stattdessen bindet es in mehreren Schichten an ungleichmäßige Oberflächenstellen, und der Prozess verhält sich eher wie eine chemische Reaktion als wie einfache physikalische Adsorption. Bei Erwärmung des Zeoliths auf bis zu 300 °C blieb die Leistung ähnlich, aber bei höheren Temperaturen begann das Kristallgitter zu kollabieren. Bei 900 °C hatte das Mineral fast seine gesamte Fähigkeit verloren, Ammonium zu binden, was bedeutet, dass unbehandelter, „unveränderter“ Zeolith für die Wasserreinigung am besten geeignet war.

Umgang mit Lauge aus verendeten Nutztieren

Die Entsorgung toter Nutztiere nach Seuchenausbrüchen kann Grabstellen erzeugen, die stickstoffreiche Flüssigkeit in den umgebenden Boden und das Grundwasser leiten. Die Forschenden simulierten Lauge aus thermochemisch behandeltem Schweinekadaver und mischten sie mit Zeolith. Bei einem anfänglichen Ammoniumgehalt von etwa 50 Milligramm pro Liter entfernte eine Zeolithmenge in Höhe von 20 % der Kadavermasse über 84 % des Ammoniums, und eine Erhöhung auf 40 % steigerte die Entfernung auf nahezu 90 %. Eine moderate Erhitzung des Zeoliths (etwa 300–500 °C) verbesserte die Leistung in dieser komplexen Flüssigkeit leicht, aber starkes Erhitzen beschädigte das Mineral erneut. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit Zeolith gefüllte Barrieren um Begräbnisstellen platziert werden könnten, um kontaminiertes Grundwasser abzufangen und zu reinigen, bevor es sich ausbreitet.

Düngemittelverlust und Ammoniakgeruch aus Reisfeldern reduzieren

Die Studie untersuchte außerdem Ammoniakemissionen aus überschwemmtem Reisfeldboden, der mit Harnstoff, einem verbreiteten Stickstoffdünger, gedüngt wurde. In kleinen, kontrollierten Reiskästen bestreuten die Forschenden vor dem Fluten und Düngen unterschiedliche Mengen Zeolith auf die Bodenoberfläche. Über 12 Tage sammelten sie das als Gas entweichende Ammoniak. Mit steigender Temperatur nahmen die Emissionen zu, doch Parzellen, die mit Zeolith behandelt wurden, verloren durchgehend weniger Stickstoff in die Luft. Die höchste getestete Dosis (30 Gramm pro Kammer) verringerte den kumulativen Ammoniakverlust im Vergleich zu unbehandeltem Boden um etwa 46 %. Da die tatsächlich vom Zeolith gehaltene Ammoniummenge in diesem Aufbau weit unter seiner Labor-Kapazität lag, argumentieren die Autorinnen und Autoren, dass reale Felder vermutlich ohne Sättigung des Minerals davon profitieren könnten.

Was das für Landwirtschaft und sauberes Wasser bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt diese Arbeit, dass ein kostengünstiges, natürlich vorkommendes Gestein helfen kann, wertvollen Stickstoff zurückzuhalten, anstatt ihn entweichen oder verdampfen zu lassen. Unveränderter Klinoptilolith-Zeolith reinigt Ammonium schnell aus Abwasser und Aaslauge und kann merklich die aus Reisfeldern entweichenden Ammoniakgase reduzieren. Das bedeutet sauberere Flüsse, weniger Gerüche und Luftschadstoffe sowie eine bessere Nutzung des Düngers, für den Landwirtinnen und Landwirte bereits bezahlt haben. Die Experimente wurden im Labor und in simulierten Feldern durchgeführt, daher sind Langzeit-Feldversuche noch erforderlich, aber die Studie weist auf Zeolith als praktisches Instrument für nachhaltigeres Stickstoffmanagement in Landwirtschaft und Abwasserbehandlung hin.

Zitation: Lee, JI., Lee, CG., Hong, SC. et al. Multifunctional application of zeolite for ammonium removal and ammonia emission mitigation in wastewater, carcass leachate, and paddy. Sci Rep 16, 6327 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37062-4

Schlüsselwörter: Zeolith, Ammoniakverschmutzung, Abwasserbehandlung, Aaslauge von Nutztierkörpern, Emissionen von Reisfeldern