Einsatz eines Moving-bed-Denitrifikationsreaktors zur Nitrat-Elimination in marinen -Kreislaufsystemen Johann Torno mbh Dr. Jan Schröder Prof. Dr. Carsten Schulz 6. er Fischtag 11.6.215
Haltungssysteme in der Haltungssysteme Frischwasser (m³ / kg Futter) Durchfluss - System > 5 Teilkreislauf 1 5 Konventionelle KLA/RAS.1 1 Innovative KLA/RAS <.1 Martins et al. (21) Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf reduzierter Wasserverbrauch Unabhängigkeit von Standort & Umwelt Kontrolle aller Haltungsbedingungen Hygienemanagement 1
Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf NO 2 - NH 4 + NO 3-85 % 15 % aerob anaerobic NO 2 - NO Nitrifikation Denitrification Quelle LD-5 Unbedenkliche Konz. ME Brownell (198) Pierce et al. (1993) Westin (1974) N 2 O N 2 573-55 mg/l NO3-N Spotte (197) 2 mg/l NO3-N Pierce et al. (1993) 5 mg/l NO3-N Russo and Thurston (1991) kein Effekt / nicht toxisch 2 Artspezifische Versuche zur Nitrat-Verträglichkeit!
Nitrat Expositions Versuch Steinbutt & Wolfsbarsch van Bussel et al. (212) %/d 2, Steinbutt DFI %/d 2,5 Steinbutt SGR 1,5 1,,5 2, 1,5 1,,5, 125 25 5, 125 25 5 %/d 1,5 Wolfsbarsch DFI %/d 1,1 Wolfsbarsch SGR 1,4 1,,9 1,3,8 3 1,2, 125 25 5,7, 125 25 5
Effekt von Nitrat auf Fische Nitrat hat einen negativen Effekt auf die Fischperformance! NO 2 - NH 4 + NO 3-85 % 15 % Wasseraustausch = Kosten Denitrifikation 4
Konventionelle Denitrifikations-Systeme Belebtschlamm-Verfahren (activated sludge) UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) Vorteile - Abwasserkosten gesenkt - Frischwasserbedarf gesenkt www.grassrootswiki.org - NO 3- Austrag gesenkt - Energiekosten gesenkt (Temperierung) - Alkalinität erhöht (Kalk Einsatz verringert) Autotrophe Schwefel Reaktor Getauchtes Festbett (fixed/packed bed reactor) 5 web.deu.edu.tr/atiksu/ana58/vege.html Fließbett- / Wirbelschichtreaktor (fluidized bed) Voraussetzungen für Rentabilität - Kontinuierlicher Betrieb - Geringe Verschlammung??? - Hoher Automatisierungsgrad - Kompakte Bauweise - Niedriger Energieverbrauch - Geringer Wartungsaufwand - Effektiver NO 3- - Abbau????
Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID Reaktor) DBU gefördertes Projekt (21 212) Projektpartner: Institut für Binnenfischerei e.v. Potsdam- Sacrow (IfB) Kunstoff-Spranger GmbH Projektleitung: Dr. Andreas Müller-Belecke 6
Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID Reaktor) NO 2 - NH 4 + N 2 NO 3 - aerob anaerob Nitrifikation Denitrifikation NO 2 - N 2 NO N 2 O 7
Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID Reaktor) 17 cm NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 N 2 8 8 cm
3 5 6 KLA Schemazeichnung 2 1 7 4 8 9 1) Haltungsbecken 2) Ablaufrinne 3) Trommelsiebfilter 4) Pumpensumpf 5) Pumpe 6) Sauerstoff Cone 7) MBBR 8) SID-Reaktor
ORP [mv] Sauerstoffsättigung [%] Durchfluss [l/h] MeOH [ml/h] 1 Ergebnisse 1 8 6 4 8 6 4 2 2 7 14 21 28 35 42 49 Versuchstag 12 1 8 6 4 2 4 3 2 1-1 -2-3 -4 7 14 21 28 35 42 49 Versuchstag 7 14 21 28 35 42 49 Veruschstag 1 Biocarrier MeOH Zugabe
Spektrum Akademischer Verlag Selbstreinigender - Intergas - Denitrifikations - Reaktor (SID Reaktor) Kohlenstoff-Quelle (Methanol) oxidierte Produkte (CO 2 ) anaerobe Atmungskette [H + + e - ] ATP 8-11 ml MeOH/kg Futter 1.4 /L MeOH.11.15 /kg Futter (Nitrat) NO 3 - n * e - (Nitrit) NO 2 - NO (Stickstoffoxid) (Distickstoffoxid) N 2 O N 2 11
Durchfluss [l/h] NH4+-N [mg/l] NO2 N [mg/l] NO3 N [mg/l] Ergebnisse MeOH [ml/h] 1 8 6 4 2 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147 Versuchstag 1 Ablauf,8 Zulauf,6,4,2 1 8 6 4 2 5 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147 4 3 2 1 8 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147 12 6 4 2 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147
NO3 Elimination van Rijn et al. (26) Denitrifikations System Medium Kohlenstoffquelle Nitrat Abbaurate (mg NO3-N/l/h) Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Methanol Ø : 9; 2; 33 max : 27; 34; 49 2; 4; 6 Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Ethanol, Methanol, Essigsäure, Glyzerin 35 41 7 Müller-Belecke (212) 13
NO3 N [mg/l] NO3 Elimination 8 7 6 5 4 NO3-Ablauf NO3-Zulauf 3 2 1 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147 Versuchstag Denitrifikations System Medium Kohlenstoffquelle Nitrat Abbaurate (mg NO3-N/l/h) Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Methanol Ø : 9; 2; 33 max : 27; 34; 49 2; 4; 6 Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Ethanol, Methanol, Essigsäure, Glyzerin 35 41 7 Müller-Belecke (212) 14
van Rijn (26) SBV / Alkalinität Säure-Bindungs-Vermögen - Ausdruck dafür, wie gut das Wasser gepuffert ist - Stabilität des ph-wertes Nitrifikation : NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O Verbrauch von 7.14 mg CaCO3/mg NH4+-N SBV Denitrifikation: 2NO3- + 12H+ + 1e- = N2 + 6H2O Bildung von 3,57 mg CaCO3/mg NO3 N SBV Ohne Denitrifikationsstufe 16 g NaHCO3 / kg Futter.11 / kg Futter Mit Denitrifikationsstufe 9 g NaHCO3 / kg Futter.6 / kg Futter Einsparung von 44 %.5 / kg Futter mmol/l 7 SBV 6 5 4 3 2 Zulauf Ablauf 1 15 7 14 21 28 35 42 49 56 63 7 77 84 91 98 15 112 119 126 133 14 147
Anforderungen an Bioreaktoren zur Denitrifikation Kontinuierlicher Betrieb seit 5 Monaten im Dauerbetrieb Geringe Verschlammung kurzes Ablassen von sedimentiertem Schlamm Hoher Automatisierungsgrad vielversprechend Kompakte Bauweise passt auf eine Europalette Niedriger Energieverbrauch,22 kwh/d 8 kwh/a (Seitenkanalverdichter),6 /d 22,5 /a Geringer Wartungsaufwand tägliche Routine ca. 5 min (ohne Datenerhebung) Effektiver NO 3- - Abbau Abbauraten bis zu 1 % Kalk Einsparung Kalkeinsatz um 44% gesenkt 16
Ausblick Maximale Nitratentfernung Höhere Nitratlast im System Zugabe von Harnstoff Laufende Bakterienpopulationsanalysen Bakteriengemeinschaften Aktivität Annamox Ökonomische Berechnungen Ökologische Berechnungen Test weiterer Kohlenstoffquellen Abbaubare Biocarrier Schlammrückführung 17
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!