Symbiotische Abwasserreinigung mit Algen-Bakterien-Aktivschlamm Prof. Uwe Neis

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Emilia Hoch
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1 Symbiotische Abwasserreinigung mit Algen-Bakterien-Aktivschlamm Prof. Uwe Neis TU Hamburg-Harburg (TUHH) Institut für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz

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3 Seminar Technik und Umwelt TUHH, Mai

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7 Potenziale von Mikroalgen (aquatischer Biomasse) Algenbiomasse = Energieträger => Kraftstoff? Nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion Viel schnelleres Wachstum und höherer Ertrag als NaWaRo Mikroalgen-Öl: L/ha Palm-Öl: L/ha Sonnenblumen-Öl: 952 L/ha Quelle: Chisti Algenbiomasse = CO 2 -Reduzierer => Rauchgasreinigung??? Algenbiomasse = Energieträger => Biogasanlagen Voraussetzung: ausreichende Sonneneinstrahlung 7

8 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Annual average Solar Radiation high medium low Global Water and Sanitation Assessment 2000 Report, WHO & UNICEF (2000) 8

9 Teiche zur Abwasserreinigung Courtesy: Prof. Duncan Mara, UK Samambaia, Federal District, Brazil Note highly baffled primary maturation pond 9

10 Facultative and maturation ponds are GREEN because of the ALGAE that grow in them 10

11 Algenbecken (raceway pond) 11

12 low-tech Verfahren zur Abwasserreinigung Konventionell high-tech Neuer Ansatz algae-bacteria-biomass 12

Flockenbildung Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Schema eines Systems mit symbiotischer Algen-Bakterien-Biomasse atmosph. O 2 Sonnenstrahlung atmosph.

13 Flockenbildung Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Schema eines Systems mit symbiotischer Algen-Bakterien-Biomasse atmosph. O 2 Sonnenstrahlung atmosph. CO 2 Algen Photosynthese Institute of Wastewater Management Zufluss Abwasser O 2 CO 2 Abfluss gereinigtes Abwasser Faculty of Biology Institute of General Botany and Botanical Garden Bakterien Heterotrophe C-Oxidation Überschussbiomasse 13

14 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Belebtschlamm (Lichtmikroskop) Chlorella vulgaris (Lichtmikroskop) µm Entwicklung von Algen-Bakterien Aggregaten 14

Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse M Rührwerk 40 U/min Thermostat 30 C T L1 L2 Strahlungsquelle 2 Lampen: HQI-TS 150 W Zufluss 15 l/d Laborreaktor Batch-Modus /

15 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse M Rührwerk 40 U/min Thermostat 30 C T L1 L2 Strahlungsquelle 2 Lampen: HQI-TS 150 W Zufluss 15 l/d Laborreaktor Batch-Modus / kontinuierlicher Betrieb Krählwerk 1 U/min M 0,3 x 0,3 x 0,3 m Volumen: 30 l Nachklärbecken Abfluss Volumen: 12 l Rücklaufschlamm Überschussbiomasse Unsere Laboranlage 15

Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Rührwerke (20 U min -1 ) L1 M1 L2 L3 M2 L4 L5 M3 Strahlungsquelle 6 x PHILIPS HPI-T Plus 400 W (500 µmol s -1 m -2 ) bei WSP-Niveau) L6 Reaktionsbecken

16 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Rührwerke (20 U min -1 ) L1 M1 L2 L3 M2 L4 L5 M3 Strahlungsquelle 6 x PHILIPS HPI-T Plus 400 W (500 µmol s -1 m -2 ) bei WSP-Niveau) L6 Reaktionsbecken Pilotanlage ( l d -1 ) max. Tiefe = 0,95 m Länge x Breite = 2,0 x 0,6 m gewählte Konfiguration: - Reaktortiefe = 0,5 m - Volumen = 580 l Rücklaufschlamm (Volumen = 120 l) Abfluss Nachklärung Abwasserzufluss Überschussbiomasse Container Freilandbetrieb Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab 16

17 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Modellbetrachtung Autotrophe Reaktion (Photosynthese, Mikroalgen) 106 CO H 2 O + 16 NH 3 + PO 4 C 106 H 180 O 45 N 16 P + 118,5 O 2 Heterotrophe Reaktion (Abwasser, Bakterien) 2,45 O 2 + C 6 H 12 O 6 + 0,71 NH 3 0,71 C 5 H 7 O 2 N + 4,58 H 2 O + 2,45 CO 2 Sauerstoffproduktion durch Mikroalgen/Photosyntheserate: mgo 2 gts -1 h -1 Sauerstoffverbrauch Abwasserbakterien/Atmungsrate: mgo 2 gts -1 h -1 Gleichgewichtsbedingungen hinsichtlich des Gasaustauschs theoretisch bei einem Algen:Bakterien-Masseverhältnis ca. 2:1. 17

18 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse 18

19 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse erzielte Reinigungsleistung (C, N, P): CSB: von 470 mg/l auf 50 mg/l (89 %) N ges : von 78 mg/l auf 12 mg/l (85 %); 10 g N/(m² * d) P ges : von 11 mg/l auf 5 mg/l (55 %); 0,9 g P/(m² * d) Betriebsparameter: Hydraulische Verweilzeit: > 48h Biomassekonzentration: < g TR/l Biomasseproduktion: g TR/(m² * d) 19

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21 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse 0 min Beginn 1 min Absetzen 10 min Absetzen Flockengröße: 50 µm - 1 mm (vorwiegend µm) Schlammvolumenindex: I SV = ml/g Flockengröße und Absetzeigenschaften 21

22 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse 22

23 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Sauerstoffkonzentration in Lösung und in der symbiotischen Flocke 23

24 Findings on symbiotic biomass Suggested model: Bacteria Charged group Bivalent cation EPS Source: Sobeck et al., 2002

25 Findings on symbiotic biomass 25

26 Findings on symbiotic biomass 26

27 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse 1. Abwasserbehandlung Nutzung von Sonnenlicht als Energiequelle Elimination von organischem C, N and P Reduktion von Krankheitserregern 2. Produktion Biogas Proteine Dünger 3. Wiederverwendung Bewässerung Aquakultur Grundwasseranreicherung Abwasser Ablauf Algen-Bakterien-Biomasse Überschüssige Algen-Bakterien- Biomasse 27

28 ALBAQUA project CORNET 6th call ALBAQUA: Combined ALgal and BActerial waste water treatment for high environmental QUAlity effluents Duration of the project: 09/ /2011 Consortium leader: Papiertechnische Stiftung (PTS), München Project partners: TU Hamburg-Harburg (in Koop. mit Universität Hamburg, Biozentrum), Deutsche Partner finanziert über AiF/BMWi ICP-TCP, Slovenia CELABOR, Belgium PRI, Hungary 28

29 ALBAQUA - Targets Cultivation of suitable algae species Sufficient O 2 -supply (generation) Sessile or ability of fixing on/at activated sludge flocs Tolerant versus waster water conditions No emission of inhibitory or refractory substances Operating conditions of algae-bacteria-bioreactors Suspended or fixed algae-bacteria-biomass range of operating parameters algae-bioreactor as polishing process Degradation performance Different waste waters and partial streams Nitrogen and phosphor elimination Quality of effluent Excess sludge/waste Amount Utilisation: energy recovery, bio-fuel, disposal Quality Economics Evaluation of energy saving versus energy consumption Requirements for refitting or expansion of existing plants Requirements for partial stream treatment 29

30 3 m 1 m Zulauf Abwasser ( l/h) Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse horizontale Rührwerke (5-15 U/min) Ablauf gereinigtes Abwasser Reaktionsbecken (modifizierter Teich) Absetzbecken Seitenansicht Zulauf Abwasser ( l/h) 11 m 1 m Ablauf gereinigtes Abwasser M Rührwerke (5-15 U/min) M Rückführung Aktivschlamm, ( l/h) Draufsicht

31 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Was machen wir noch? Laufende Forschung Labortests zur Desintegration von Mikroalgen-Biomasse mit diversen Mikroalgenspecies Sonotrode Ultraschall- - Generator Kühlmantel Magnetrührfisch Ständer Kühlwasser Vorlage Umwälzpumpe Magnetrührer 31

32 Symbiotische Algen-Bakterien-Biomasse Wirkung der Beschallung von Mikroalgen-Biomasse auf die Biogasproduktion 32

33 Danke für Ihre Aufmerksamkeit und Gruß aus Hamburg 33

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