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09.06.2016
Möglichkeiten zum optimierten Nitratabbau in einem
Moving-bed-Denitrifikationsreaktor
Johann Torno
Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH
7. Büsumer Fischtag2016
1
Haltungssysteme in der Aquakultur
Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf
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)
reduzierter Wasserverbrauch
Unabhängigkeit von Standort & Umwelt
Kontrolle aller Haltungsbedingungen
Hygienemanagement
2
Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf
NO3-
NH4+
NO2-
NO N2O
N2
aerobanaerobic
Nitrifikation
Denitrification
85 %
15 %
NO2-
Nitrat kann einen negativen Effekt auf die Fischperformance haben!
Wasseraustausch
Denitrifikation
3
Konventionelle Denitrifikations-Systeme
web
.deu
.ed
u.t
r
Vorteile
- Abwasserkosten gesenkt
- Frischwasserbedarf gesenkt
- NO3- Austrag gesenkt
- Energiekosten gesenkt (Temperierung)
- Alkalinität erhöht (Kalk Einsatz verringert)
UASB-Reaktor(upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Getauchtes Festbett(fixed/packed bed reactor)
Fließbett- / Wirbelschichtreaktor(fluidized bed)
Autotropher Schwefel Reaktor
?
?
?
?
?
?
?
Voraussetzungen für Rentabilität
- Kontinuierlicher Betrieb
- Geringe Verschlammung
- Hoher Automatisierungsgrad
- Kompakte Bauweise
- Niedriger Energieverbrauch
- Geringer Wartungsaufwand
- Effektiver NO3- - Abbau
Belebtschlamm-Verfahren(activated sludge)
ww
w.g
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tsw
iki.o
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4
Projektpartner:Institut für Binnenfischerei e.V. Potsdam-Sacrow (IfB)
Kunststoff-Spranger GmbH
Projektleitung:Dr. Andreas Müller-Belecke
DBU gefördertes Projekt (2010 – 2012)
Selbstreinigender - Inertgas - Denitrifikations - Reaktor
SID – Reaktor
5
N2
17
0 c
m
80 cm
Selbstreinigender - Inertgas - Denitrifikations - Reaktor
0,45 m³
6
Untersuchungsschwerpunkte
I. Aufbau und Startphase
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
III. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche
IV. Bakterienanzahl und –aktivität(aerober Bioreaktor & SID-Reaktor)
± NO3--N
± C-Quelle
± NO3--N
?
IV.III.
I. & II.
?
7
Untersuchungsschwerpunkte
I. Aufbau und Startphase
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
III. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche
IV. Bakterienanzahl und –aktivität(aerober Bioreaktor & SID-Reaktor)
?
?
Fischtag 2015
Fischtag 2015
Fischtag 2015
± NO3--N
± C-Quelle
± NO3--N
IV.
I. & II.
III.
0
200
400
600
800
1.000
10 30 60 90
NO
3- -
N R
edu
ktio
n
g N
O3
- -N
/m³/
d
8
Verschiedene Biocarrier UmwälzzyklenUmwälzzyklus
alle X Min
10
30
60
90
• Umwälzen der Biocarrier alle X Minuten
• 10 Sekunden Initiierung
• 30 Sekunden Umwälzen bei reduziertem Volumenstrom
30 60 90
9
Verschiedene Biocarrier UmwälzzyklenUmwälzzyklus
alle X Min
10
30
60
90
• Umwälzen der Biocarrier alle X Minuten
• 10 Sekunden Initiierung
• 30 Sekunden Umwälzen bei reduziertem Volumenstrom
1,8 t Wolfsbarsch bei einer Futteraufnahme von 1%
18 kg Futter/d (40% Protein) ≈ Eintrag von 800 g NO3--N/d
N2
1 m³Biocarrier
0
200
400
600
800
1.000
10 30 60 90
NO
3- -
N R
edu
ktio
n
g N
O3
- -N
/m³/
d
10
Verschiedene Biocarrier Umwälzzyklen
modifiziert nach Hamlin et al. (2008) & Boley et al. (2000)
Kohlenstoffquelle SystemDenitrifikations Rate
(g NO3--N /m³/d)
Reference
Essigsäure Leitungswasser 1300 - 2000 Aesoy et al. 1998
Essigsäure Künstliches Grundwasser 1630 Kessreu et al. 2002
Methanol Marine Aquakultur (Wolfsbarsch) 409 - 821 aktuelle Studie
Methanol, Essigsäure, Melasse, Hydrolisierte Stärke
Süßwasser Aquakultur 670 - 680 Hamlin et al. 2008
immobilisierte StärkeMarine Aquakultur (Cichliden), Süßwasser Aquakultur (Goldfisch)
62 - 624 Tal et al. 2003
Methanol, Saccharose Grundwasser 240 - 480 Gomez et al. 2000
gelöste Stärke Grundwasser 460 Kim et al. 2002
Ethanol, Methanol, Essigsäure, Glyzerin
Süßwasser Aquakultur (Zander) 199 - 235 Müller-Belecke et al. 2012
Methanol Marine Aquakultur (Shrimps) 158 Mensaveta et al. 2001
Methanol Abwasser 145 Hawkins et al. 1978
Ethanol Marine Aquakultur 100 Sautier et al. 1998
PHB, Ethanol Leitungswasser, Trinkwasser 22 - 59 Jestin et al. 1986
Methanol Marine Aquakultur (Aal) 43 Suzuki et al. 2003
Gelöste Organische Substrate Süßwasser Aquakultur 36 Arbiv & Rijin 1995
Essigsäure Trinkwasser 14 - 34 Parots & Richard 1984
PHB Leitungswasser 16 Wurmthaler 1995
PCL Leitungswasser 13 Schick 1998
Glukose Künstliches Süß- und Salzwasser 10 Park et al. 2001
0
0,2
0,4
0,6
0
2
4
6
8
10
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
O2
-Ko
nze
ntr
atio
n [
mg/
L]
O2
-Sät
tigu
ng
[%]
11
Methanol Dosierung
MeOH Dosierung(mg MeOH / mg NO3
--N)
1,1
1,5
1,9
2,3
2,7
3,1
3,5
-200
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
OR
P [
mV
]
SID-Reaktor AblaufSID-Reaktor Ablauf
Stöchiometrisch errechneter Mindestbedarf für Methanol
= 1,9 mg MeOH / mg NO3
--N
Literatur: 2,0 bis 3,3 mg MeOH / mg NO3
--N
00
200
400
600
800
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
NO
3- -
N R
edu
ktio
n[g
/m³/
d]
00
10
20
30
40
50
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
NO
3- -
N [
mg/
L]
12
Methanol Dosierung
Mindestbedarf für Methanol =
>= 2,3 mg MeOH / mg NO3--N
MeOH Dosierung(mg MeOH / mg NO3
--N)
1,1
1,5
1,9
2,3
2,7
3,1
3,5
Je mehr MeOH desto besser/stabiler?
Oder gibt es negative Effekte bei einer Überdosierung?
SID-Reaktor Ablauf
MeOH Dosierung(mg MeOH / mg NO3
--N)
1,1
1,5
1,9
2,3
2,7
3,1
3,5
13
Methanol Dosierung
Methanol Dosierung =
2,3 bis 2,7 x NO3--N Konzentration
< 2,3 = abnehmende NO3--N Reduktion
> 2,7 = erhöhter Austrag von C-Verbindungen
0
20
40
60
80
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
BSB
5[m
g/L]
SID-Reaktor Ablauf
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0,7 1,1 1,5 1,9 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9
TOC
[m
g/L]
SID-Reaktor Ablauf
14
Alternative Kohlenstoffquellen
Müller-Belecke et al. 2013
Methanol
• 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
H225 Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar
H301+H311+H331 Giftig bei Verschlucken, Hautkontakt oder Einatmen
H370 Schädigt die Organe
15
Alternative Kohlenstoffquellen
1) Haltungsbecken
2) Ablaufrinne
3) Trommelsiebfilter
4) Abschäumer
5) Pumpensumpf
6) Pumpe
7) Sauerstoff Cone
8) MBBR
9) SID-Reaktor
1
32
5
6
7
8
4
9
Abwasser aus Trommelsiebfilter & Abschäumer
Gelöste Fraktionen (Überstand) als potentielle Kohlenstoffquelle
MethanolTrommelfilter
Abwasser
Abschäumer
Abwasser
DOC DOC DOC
Kohlenstoff Konzentration
(g/L)375 0,02 0,04
MeOH Äquivalent (in L) 1 18 029 9 665
L/d in SID Reaktor
(HRT von 2 h)9 000
Einsatz als
Kohlenstoffquelle?Ja Nein Nein
16
Alternative Kohlenstoffquellen
1) Haltungsbecken
2) Ablaufrinne
3) Trommelsiebfilter
4) Abschäumer
5) Pumpensumpf
6) Pumpe
7) Sauerstoff Cone
8) MBBR
9) SID-Reaktor
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5
6
7
8
4
9
17
Zusammenfassung
I. Aufbau und Startphase
II. Anpassungen
1) untersch. Hydraulische Beaufschlagungen
2) untersch. Biocarrier Umwälzungszyklen
3) Erhöhte Stickstofflast
4) Kohlenstoffquellen
• MeOH Dosierung
• Acetol Dosierung
• Abwasserrückführung
• bioabbaubare Kunststoffe
5) Abschalten des SID-Reaktors
III. Nitrat Exposition auf Wolfsbarsche
IV. Bakterienanzahl und –aktivität(aerober Bioreaktor & SID-Reaktor)
?
?
Fischtag 2015
Fischtag 2015
Fischtag 2015
MeOH Dosierung(MeOH mg / NO3
--N mg)
1,1
1,5
1,9
2,3
2,7
3,1
3,5
Umwälzzyklusalle X Min
10
30
60
90
09.06.2016
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Vielen Dank für die Mitarbeit Valérie Einwächter Karl Bissa Christopher Naas Phillip Strauß
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