Möglichkeiten zum optimierten Nitratabbau in einem Moving-bed-Denitrifikationsreaktor

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1 Möglichkeiten zum optimierten Nitratabbau in einem Moving-bed-Denitrifikationsreaktor Johann Torno Gesellschaft für Marine Aquakultur mbh 7. Büsumer Fischtag

2 Haltungssysteme in der Aquakultur Haltungssysteme Frischwasser (m³ / kg Futter) Durchfluss - System > 50 Teilkreislauf 1 50 Konventionelle KLA/RAS 0,1 1 Innovative KLA/RAS < 0,1 Martins et al. (2010) Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf reduzierter Wasserverbrauch Unabhängigkeit von Standort & Umwelt Kontrolle aller Haltungsbedingungen Hygienemanagement 1

3 Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf NO 2 - NH 4 + NO 3-85 % 15 % aerob anaerobic Nitrifikation Denitrification NO 2 - Nitrat kann einen negativen Effekt N 2 auf die Fischperformance haben! NO Wasseraustausch N 2 O Denitrifikation 2

4 Konventionelle Denitrifikations-Systeme web.deu.edu.tr UASB-Reaktor (upflow Anaerobic Sludge Blanket) Belebtschlamm-Verfahren (activated sludge) Vorteile - Abwasserkosten gesenkt - Frischwasserbedarf gesenkt - NO 3- Austrag gesenkt - Energiekosten gesenkt (Temperierung) - Alkalinität erhöht (Kalk Einsatz verringert) 3 Autotropher Schwefel Reaktor Getauchtes Festbett (fixed/packed bed reactor) Fließbett- / Wirbelschichtreaktor (fluidized bed) Voraussetzungen für Rentabilität - Kontinuierlicher Betrieb - Geringe Verschlammung - Hoher Automatisierungsgrad - Kompakte Bauweise - Niedriger Energieverbrauch - Geringer Wartungsaufwand - Effektiver NO 3- - Abbau

5 Selbstreinigender - Inertgas - Denitrifikations - Reaktor DBU gefördertes Projekt ( ) SID Reaktor Projektpartner: Institut für Binnenfischerei e.v. Potsdam- Sacrow (IfB) Kunststoff-Spranger GmbH Projektleitung: Dr. Andreas Müller-Belecke 4

6 170 cm Selbstreinigender - Inertgas - Denitrifikations - Reaktor N cm 0,45 m³

7 Untersuchungsschwerpunkte I. Aufbau und Startphase I. & II. II. Anpassungen 1) verschiedene Hydraulische Beaufschlagungen (HRT) 2) verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen 3) verschiedene Stickstofflasten 4) Kohlenstoffquellen MeOH Dosierung Acetol Dosierung Abwasserrückführung bioabbaubare Kunststoffe 5) Abschalten des SID-Reaktors ± C-Quelle ± NO 3- -N III. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche III. ± NO 3- -N IV. IV. Bakterienanzahl und aktivität (aerober Bioreaktor & SID-Reaktor) 6

8 Untersuchungsschwerpunkte I. Aufbau und Startphase Fischtag 2015 I. & II. II. Anpassungen 1) verschiedene Hydraulische Beaufschlagungen (HRT) 2) verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen 3) verschiedene Stickstofflasten 4) Kohlenstoffquellen MeOH Dosierung Acetol Dosierung Abwasserrückführung bioabbaubare Kunststoffe 5) Abschalten des SID-Reaktors Fischtag 2015 ± C-Quelle ± NO 3- -N III. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche Fischtag 2015 III. ± NO 3- -N IV. IV. Bakterienanzahl und aktivität (aerober Bioreaktor & SID-Reaktor) 7

9 NO - 3 -N Reduktion g NO - 3 -N/m³/d Verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen Umwälzen der Biocarrier alle X Minuten 10 Sekunden Initiierung 30 Sekunden Umwälzen bei reduziertem Volumenstrom Umwälzzyklus alle X Min

10 NO - 3 -N Reduktion g NO - 3 -N/m³/d Verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen Umwälzen der Biocarrier alle X Minuten 10 Sekunden Initiierung 30 Sekunden Umwälzen bei reduziertem Volumenstrom N 2 Umwälzzyklus alle X Min ,8 t Wolfsbarsch bei einer Futteraufnahme von 1% 18 kg Futter/d (40% Protein) Eintrag von 800 g NO 3- -N/d 1 m³ Biocarrier 9

11 Verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen Kohlenstoffquelle System Denitrifikations Rate (g NO 3 - -N /m³/d) Reference Essigsäure Leitungswasser Aesoy et al Essigsäure Künstliches Grundwasser 1630 Kessreu et al Methanol Marine Aquakultur (Wolfsbarsch) aktuelle Studie Methanol, Essigsäure, Melasse, Hydrolisierte Stärke immobilisierte Stärke Süßwasser Aquakultur Hamlin et al Marine Aquakultur (Cichliden), Süßwasser Aquakultur (Goldfisch) Tal et al Methanol, Saccharose Grundwasser Gomez et al gelöste Stärke Grundwasser 460 Kim et al Ethanol, Methanol, Essigsäure, Glyzerin Süßwasser Aquakultur (Zander) Müller-Belecke et al Methanol Marine Aquakultur (Shrimps) 158 Mensaveta et al Methanol Abwasser 145 Hawkins et al Ethanol Marine Aquakultur 100 Sautier et al PHB, Ethanol Leitungswasser, Trinkwasser Jestin et al Methanol Marine Aquakultur (Aal) 43 Suzuki et al Gelöste Organische Substrate Süßwasser Aquakultur 36 Arbiv & Rijin 1995 Essigsäure Trinkwasser Parots & Richard 1984 PHB Leitungswasser 16 Wurmthaler 1995 PCL Leitungswasser 13 Schick 1998 Glukose Künstliches Süß- und Salzwasser 10 Park et al modifiziert nach Hamlin et al. (2008) & Boley et al. (2000)

12 O2-Sättigung [%] Methanol Dosierung O2-Konzentration [mg/l] ORP [mv] MeOH Dosierung (mg MeOH / mg NO 3- -N) 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 Stöchiometrisch errechneter Mindestbedarf für Methanol = 1,9 mg MeOH / mg NO 3- -N Literatur: 2,0 bis 3,3 mg MeOH / mg NO 3- -N 10 8 SID-Reaktor Ablauf 0, SID-Reaktor Ablauf 6 0, , ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3, ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 11

13 NO 3 - -N [mg/l] Methanol Dosierung NO 3 - -N Reduktion [g/m³/d] MeOH Dosierung (mg MeOH / mg NO 3- -N) 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 Mindestbedarf für Methanol = >= 2,3 mg MeOH / mg NO 3- -N Je mehr MeOH desto besser/stabiler Oder gibt es negative Effekte bei einer Überdosierung 50 SID-Reaktor Ablauf ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3, ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 12

14 BSB 5 [mg/l] Methanol Dosierung TOC [mg/l] MeOH Dosierung (mg MeOH / mg NO 3- -N) 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 Methanol Dosierung = 2,3 bis 2,7 x NO 3- -N Konzentration < 2,3 = abnehmende NO 3- -N Reduktion > 2,7 = erhöhter Austrag von C-Verbindungen 80 SID-Reaktor Ablauf ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 80 SID-Reaktor Ablauf ,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 13

15 Alternative Kohlenstoffquellen Methanol H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar H301+H311+H331 Giftig bei Verschlucken, Hautkontakt oder Einatmen H370 Schädigt die Organe Müller-Belecke et al Ethanol (vergällt) Methanol Essigsäure Glyzerin Kein neg. Effekt auf Futteraufnahme Alternative Kohlenstoffquellen Acetol (Acetat + Alkohol) Einsatz in kommunalen Kläranlagen Gute Denitrifikationsraten Kein Gefahrstoff Abwasserrückführung aus der Anlage Keine zusätzlichen Kosten Reduktion des Abwassers Kein Gefahrstoff 14

16 Alternative Kohlenstoffquellen ) Haltungsbecken 2) Ablaufrinne 3) Trommelsiebfilter 4) Abschäumer 5) Pumpensumpf 6) Pumpe 7) Sauerstoff Cone 8) MBBR 9) SID-Reaktor Abwasser aus Trommelsiebfilter & Abschäumer Gelöste Fraktionen (Überstand) als potentielle Kohlenstoffquelle 15

17 Alternative Kohlenstoffquellen ) Haltungsbecken 2) Ablaufrinne 3) Trommelsiebfilter 4) Abschäumer 5) Pumpensumpf 6) Pumpe 7) Sauerstoff Cone 8) MBBR 9) SID-Reaktor Kohlenstoff Konzentration (g/l) Methanol Trommelfilter Abwasser Abschäumer Abwasser DOC DOC DOC 375 0,02 0,04 MeOH Äquivalent (in L) L/d in SID Reaktor (HRT von 2 h) Einsatz als Kohlenstoffquelle Ja Nein Nein 16

18 Zusammenfassung I. Aufbau und Startphase II. Anpassungen 1) untersch. Hydraulische Beaufschlagungen 2) untersch. Biocarrier Umwälzungszyklen 3) Erhöhte Stickstofflast 4) Kohlenstoffquellen MeOH Dosierung Fischtag 2015 Acetol Dosierung Abwasserrückführung bioabbaubare Kunststoffe 5) Abschalten des SID-Reaktors Fischtag 2015 Fischtag 2015 Umwälzzyklus alle X Min MeOH Dosierung (MeOH mg / NO 3- -N mg) 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 III. IV. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche Bakterienanzahl und aktivität (aerober Bioreaktor & SID-Reaktor) 17

19 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vielen Dank für die Mitarbeit Valérie Einwächter Karl Bissa Christopher Naas Phillip Strauß