Mikrobielle Brennstoffzellen
Mikrobielle Brennstoffzellen (MBZ) funktionieren auf Basis von elektroaktiven Mikroorganismen (z.B. Geobacter), die in solchen Systemen als Biofilm auf Oberflächen fixiert und angereichert werden. Elektroaktive Mikroorganismen sind in der Lage, beim Abbau von organischen Stoffen Elektronen abzugeben. Es kommt darauf an, diese Elektronen möglichst effizient „abzufangen“ und im Rahmen eines geschlossenen Stromkreislaufes zu nutzen bzw. zu speichern. Letzteres wurde im Projekt BioBZ im Pilotmaßstab erfolgreich umgesetzt.
Der Aufbau solcher MBZ-Systeme gleicht im Prinzip denen von rein chemischen Brennstoffzellen mit Anode und Kathode. Im Gegensatz zur klassischen Brennstoffzelle ist die Anode (negativ geladene Elektrode) von einem dichten Biofilm bewachsen und das Abwasser strömt im anaeroben Milieu, d.h. es ist kein Gelöst-Sauerstoff vorhanden, an der Elektrode vorbei. Im anaeroben Milieu werden organische Abwasserinhaltsstoffe (Summenparameter Chemischer Sauerstoffbedarf = CSB) von der Bakterien-Gemeinschaft im Biofilm verstoffwechselt und die elektroaktiven Mikroorganismen geben Elektronen an die Anode ab.
Um den elektrischen Stromkreis zu schließen, fließen die Elektronen über Stromleiter (Kupferkabel etc.) zu der Kathode. Dort findet eine gekoppelte Gegenreaktion statt und die an der Anode entstandenen Elektronen werden wieder „verbraucht“. Die Elektronen reagieren dabei zusammen mit den im Wasser verbliebenen Wasserstoffprotonen (H+-Ionen) in der Regel mit Luftsauerstoff zu Wasser, welches im Abwasser verbleibt.
Die Zuführung von Luftsauerstoff kann auf unterschiedliche Art erfolgen. Meist werden zwei verschiedene Systeme verwendet, einmal das Zweikammer-System mit einer in Wasser getauchten Kathode (rechtes Bild), die über eine Belüftung des Wassers Gelöst-Sauerstoff bereitstellt und einmal ein Einkammersystem, bei der die Kathode als Gasdiffusionselektrode ausgeführt ist (linkes Bild). Die eine Seite der Gasdiffusionselektrode wird vom Abwasser umspült, die andere Seite ist von Luft umgeben. Beide Systeme, das Einkammer- und das Zweikammersystem, haben Vor- und Nachteile, auf die hier nicht weiter eingegangen wird. Einer der wesentlichen Unterschiede ist, dass das Einkammersystem keine Energie benötigt für die Bereitstellung von Luftsauerstoff, während das Zweikammersystem Belüftungsenergie erfordert. Aus energetischen Gesichtspunkten ist das Einkammersystem deshalb vorzuziehen.
