Urinash-Verfahren: Kombinierte Verwertung zweier Abfallarten
Forschende der Universität des Saarlandes haben mit Urinash ein Verfahren entwickelt, in dem aus Urin und Asche grüner Ammoniak und Phosphatdünger entstehen. Dafür kombinieren sie eine Reihe einfacher biologischer und chemischer Prozesse.
Die Umwandlung von Abfall in Wertstoffe ist essenziell für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft. Doch nicht selten muss einem einzelnen Abfallstrom mindestens ein weiterer Stoff zugegeben werden, um seine Inhaltsstoffe vollständig nutzen zu können. Wenn diese wichtige Substanz ebenfalls aus Abfall stammt, kann der Gesamtprozess nachhaltiger werden.
Warum gerade Tierurin und Holzasche?
Die Kombination gerade dieser beiden Abfallarten erschien den Projektbeteiligten besonders vielversprechend, weil beide bevorzugt im ländlichen Raum anfallen, so dass sie dort gegebenenfalls über kurze Wege zur gemeinsamen Verarbeitung gelangen können.
Tierurin (der Flüssigkeitsanteil separierter Gülle oder Jauche) ist reich an den Nährstoffen Stickstoff und Phosphor. Die direkte Ausbringung von Gülle als Düngemittel auf landwirtschaftliche Flächen ist aber mit gesetzlichen Auflagen verbunden, beispielsweise mit Einschränkungen der Zeitfenster, in denen die Ausbringung erlaubt ist. Diese Auflagen sollen den Eintrag von Nitrat und Phosphor in Grundwasserreservoirs und Flüsse verhindern. Das gelingt aber bisher nur unzureichend, wie beispielsweise der Nitratbericht des Bundes aus dem Jahr 2024 verdeutlicht.
Darüber hinaus fällt in großen Mastbetrieben weitaus mehr Gülle an, als regional Fläche für die erlaubte Ausbringung zur Verfügung steht.
Die Wissenschaftler:innen gehen in ihrer Publikation davon aus, dass allein in Deutschland jährliche Mengen von etwa 74 Millionen Tonnen Tierurin und etwa 1 Million Tonnen Holzasche anfallen. Diese Urinmenge enthält etwa 1,1 Millionen Tonnen Harnstoff und 164.400 Tonnen Phosphat. Der Kalziumgehalt von Holzasche kann bis zu 18 % betragen.
Abgrenzung zu bekannten Techniken der Gülleverwertung
Bisherige Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bereich der Gülleaufbereitung haben zu diversen Verfahren geführt, mit denen vor allem die düngeaktiven Substanzen Stickstoff (in Form von Ammoniak oder Ammoniumsalzen) und Phosphor gewonnen werden können. Dazu gehören Struvitfällung oder Ammoniakstrippung, Membranverfahren, elektrochemische Verfahren sowie auch die biologische Nitrifikation/Denitrifikation. Manche davon sind noch nicht in der großtechnischen Anwendung angekommen und die meisten benötigen verhältnismäßig viel technische Ausrüstung und sind kosten- bzw. energieintensiv, so die Einschätzung der Entwickler:innen des Urinash-Verfahrens.
Das Urinash-Verfahren
Der neue Prozess, mit dem grünes Ammoniak und Kalziumphosphat gewonnen werden, wurde bisher im Labormaßstab entwickelt. Als Eingangsstoffe dienten ein künstlich hergestellter Urin (MPAU für multipurpose artificial urine) und die Asche eines nahegelegenen kleinen Heizwerks, das mit Hackschnitzeln befeuert wird.
Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte:
- Abbau des im Urin enthaltenen Harnstoffs zu Ammoniak und CO2. Diese Reaktion wird in Gang gesetzt in Gegenwart von Urease oder ureasebildenden Bakterien.
- Extraktion des Kalziums aus der Asche, wo es als Kalziumkarbonat vorliegt, durch Zugabe von Salzsäure.
- Zugabe der aus der Asche gewonnenen Kalziumchloridlösung zu dem an Harnstoff verarmten Urin. Dort reagieren die Kalziumionen mit dem im Urin verbliebenen Phosphat zu Kalziumphosphat.
Als Reststoffe aus den verschiedenen Prozessen verbleiben in geringfügigen Mengen die unlöslichen Ascheanteile, Mineralstoffe aus dem Urin, außerdem Biomasse aus der biologischen Umsetzung von Harnstoff und eine mineralreiche Flüssigkeit, die aus der Aschebehandlung stammt.
Optimierung der Prozessschritte
Vorrangiges Zielprodukt des Prozesses war Ammoniak, weshalb bei der Optimierung der enzymatischen Umsetzung des Harnstoffs auf eine möglichst hohe Ausbeute geachtet wurde. Daneben ging es aber auch um die Kosten: Während der Einsatz kommerziell verfügbarer Urease teuer ist und auch aus ökologischen Gründen schwer skalierbar ist, wurde der der biologische Prozess mit ureasebildenden Bakterien als Alternative untersucht. Die höchste Ammoniakausbeute, die während dieser Studie erreicht wurde, lag bei 68 % und wurde durch direkte Zugabe von Urease erreicht. In beiden Fällen, der enzymatischen oder der biologisch-enzymatischen Umsetzung mittels Bakterien, muss der Ammoniak anschließend durch Destillation aus der Reaktionsbrühe gewonnen werden .
Bei der Gewinnung des Kalziums aus der Holzasche hängt dessen Ausbeute von der Konzentration der zugegebenen Salzsäure ab. Ausgehend von destilliertem Wasser, das auch schon Kalzium in geringen Mengen aus dem Resturin auszuwaschen vermag, konnte die zu gewinnende Kalziummenge durch die Zugabe von 5M HCl auf das Zehnfache erhöht werden.
Wie kann es weiter gehen mit dem Urinash-Verfahren?
Bisher konnten die Forschenden im Labormaßstab die Machbarkeit des Prozesses nachweisen und eine Abschätzung darüber geben, welche jährlichen Ausbeuten an Kalziumphosphat und NH3 möglich sind.
Für eine genauere Bewertung sind weitere Untersuchungen im größeren Maßstab erforderlich, dann auch mit realem Tierurin. Unter anderem verweisen die Autor:innen der Studie darauf, dass die Verwendung von 5 M HCl im Labormaßstab zwar kein Problem darstellt, im großtechnischen Prozess aber schon. Hier könnten die Chemikalienkosten, der nötige Korrosionsschutz für die Anlagentechnik und auch die Handhabung entstehender Abfälle problematisch werden.
Neben den Fragen einer möglichen industriellen Skalierung des Prozesses untersuchen die Forschenden auch die Rahmenbedingungen für eine praktische Umsetzung. Dazu gehören die Sammlung, der Transport und die Verarbeitung der beiden Abfallströme.
Die Forschungsarbeiten wurden in der Zeitschrift Bioengineering publiziert.
Beitragsbild: Matthias Böckel / Pixabay
