Erhöhte Biomethanproduktion aus aus kommunalem Abwasser zurückgewonnenen organischen Stoffen durch eine Pilotanlage mit kontinuierlichem Hochgeschwindigkeits-Kontakt-Stabilisierungsprozess

Abwasser in eine Energiequelle verwandeln

Jeden Tag transportiert das Wasser, das wir spülen und ableiten, nicht nur Abfall, sondern auch verborgene Energie. Diese Studie untersucht, wie kommunale Kläranlagen so umgestaltet werden können, dass sie mehr dieser Energie in Form von Methangas gewinnen — einem Brennstoff, der Strom erzeugen kann. Durch das Feinabstimmen eines frühen Behandlungsschritts zeigen die Forschenden, dass es möglich ist, mehr der organischen Substanz im Abwasser zu erfassen und in Biomethan umzuwandeln, wodurch Kläranlagen energieautarker werden und ihre Klimaauswirkung verringern.

Warum Klärwerke so viel Strom verbrauchen

Das Sammeln und Reinigen von kommunalem Abwasser verbraucht bereits etwa 1 % des weltweiten Stroms, und dieser Anteil wird voraussichtlich steigen, wenn mehr Menschen an die Kanalisation angeschlossen werden. Traditionelle Anlagen sind hauptsächlich darauf ausgelegt, Schadstoffe zu entfernen, nicht Energie zu sparen oder zu erzeugen. Typischerweise umfasst eine Anlage einen Primärklärbehälter zur Entfernung schwererer Feststoffe, gefolgt von einem großen belüfteten Becken, in dem Mikroben die verbleibende organische Substanz abbauen — das konventionelle Belebtschlammverfahren. Obwohl dieses Vorgehen Flüsse und Küsten schützt, werden dabei viele der im Abwasser enthaltenen potenziellen Energien als Wärme und Kohlendioxid „verbrannt“, anstatt sie als nutzbaren Brennstoff zu gewinnen.

Ein neuer Weg, mehr Brennstoff aus Wasser zu gewinnen

Die Studie konzentriert sich auf ein Verfahren namens High-Rate Contact Stabilization oder HiCS, das direkt nach der Primärklärung eingesetzt wird. Anstatt den Mikroben mehrere Tage zu geben, um organische Substanz langsam zu oxidieren, verbleiben sie im HiCS-System weniger als zwei Tage in den Becken. In dieser kurzen Zeit produzieren die Mikroben klebrige Substanzen, die kleine Partikel und gelöste Organika zu größeren Flocken verklumpen lassen, die durch Schwerkraft absetzbar sind. Die zentrale Idee ist, diese energiehaltigen Klumpen schnell zu entfernen, bevor sie vollständig von den Mikroben „verbrannt“ werden, und sie dann in einen anaeroben Fermenter zu leiten, wo sie ohne Sauerstoff in Methan umgewandelt werden. Die Forschenden installierten eine pilotmaßstäbliche HiCS-Anlage in einer realen Kläranlage, um zu prüfen, wie gut diese Strategie unter praktischen Bedingungen funktioniert.

Die Pilotanlage unter realen Bedingungen testen

Die Pilotanlage erhielt echtes Abwasser, das bereits die Primärklärung passiert hatte. Sie umfasste einen Stabilisierungsbehälter mit Belüftung, einen Kontaktbehälter ohne Belüftung und einen Sekundärklärer zur Rückhaltung des neu gebildeten Schlamms. Das Team betrieb das System in zwei Perioden mit unterschiedlichen Schlammaltersprofilen und Wassertemperaturen, beide typisch für reale Anlagen. Sie maßen sorgfältig, wie viel organische Substanz in das System ein- und aus ihm austrat, wie viel in dem durch HiCS zusätzlich erzeugten Schlamm landete und wie schnell dieser Schlamm sich absetzte. Diese Werte wurden zudem mit den Erwartungen an herkömmliche High-Rate- und konventionelle Belebtschlammsysteme verglichen, um zu prüfen, ob die neue Konfiguration die Kohlenstoffrückgewinnung tatsächlich verbessert.

Vom eingefangenen Schlamm zum zusätzlichen Methan

Um zu bestimmen, wie viel nutzbare Energie der zurückgewonnene Schlamm liefern könnte, führten die Forschenden Biomethanpotenzialtests durch. Sie gaben Proben des HiCS-Schlamms, des traditionellen Belebtschlamms und des Primärschlamms in verschlossene Gefäße mit aktiver Mikrobenkultur aus einem Fermenter und verfolgten die Methanbildung über 28 Tage. Der HiCS-Schlamm erzeugte pro Einheit organischer Substanz durchgängig mehr Methan als der Schlamm aus dem konventionellen System und das zudem schneller, was ihn für die in großtechnischen Anlagen üblichen Vergärungszeiten geeignet macht. Auch die Menge an organischer Substanz, die pro Einheit des aus dem Wasser entfernten Materials zurückgewonnen wurde, war bei HiCS höher als bei der konventionellen Behandlung — ein Hinweis darauf, dass das Verfahren nicht nur die Ablaufqualität schützt, sondern mehr energiehaltiges Material für die spätere Gewinnung bewahrt.

Was das für künftige Kläranlagen bedeutet

Zusammengefasst zeigen die Pilotversuche, dass das Hinzufügen eines kontinuierlichen HiCS-Schritts nach dem Primärklärer den Anteil des Abwasserkohlenstoffs, der in Methan umgewandelt wird, im Vergleich zum reinen konventionellen Prozess um etwa ein Drittel erhöhen kann, ohne übermäßig empfindlich auf übliche Schwankungen der Wassertemperatur oder Betriebsbedingungen zu reagieren. Einfach gesagt: Die Anlage kann mehr „Brennstoff“ aus derselben Abwassermenge gewinnen und dabei unnötigen biologischen Abbau in den frühen Behandlungsstufen reduzieren. Die Integration dieser Art von Hochrate-Erfassungsstufe in bestehende Anlagen könnte Städten helfen, mehr erneuerbaren Strom aus ihrem Abwasser zu erzeugen und sowohl Stromkosten als auch Treibhausgasemissionen eines wichtigen öffentlichen Dienstes zu senken.

Zitation: Sakurai, K., Abe, C. Enhanced biomethane production from organic matter recovered from municipal wastewater by a pilot-scale plant continuous high-rate contact stabilization process. Sci Rep 16, 11078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41598-w

Schlüsselwörter: Abwasser Energie, Biomethan, Hochgeschwindigkeits-Kontakt-Stabilisierung, anaerobe Vergärung, Kohlenstoffrückgewinnung