Zum Einfluss verfahrenstechnischer und wasserchemischer Parameter auf die

Nitrifikationsleistung eines Bewegtbett-Filters

Dr. Jan Schröder Dipl.-Biol.

Gesellschaft für Marine Aquakultur, Büsum

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

- DBU-Projekt -

Verfahrenstechnische und mikrobiologische Optimierung von

Biofiltersystemen in marinen Aquakulturanlagen

Umwelt

Belüftung

Abrieb Biofilm

Verwirbelung

Reaktor

Anheftung

Hemmende

Inhaltsstoffe

Aufwuchskörper

Dominierende

Arten ?

Organismen

Wasser

Umgebendes Medium

Chemische und

Physikalische

Wasserparameter

1

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Reaktor

Umwelt

Wasser

Umgebendes Medium

2

Belüftungs

intensität

Belüftungsintensität

O3

Ozonisierung

NO3

Nitratkonzentration

Einfluss auf Nitrifikation im Biofilter

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Einfluss der Ozonisierung auf Nitrifikation im

Biofilter

O3

3

Ozon

Nitrat

Belüftung

Vorsicht in Meerwasser!

Bildung sekundärer reaktiver Verbindungen

Total Residual Oxidants (TRO)

Toxisch!

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Ozon in Aquakultur-Kreislaufsystemen

Optimierung der

Wasserqualität

Prophylaktische

Keimreduktion

Ozon bewirkt:

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

4

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

AOB: Nitrosomonas marina

NOB: Nitrospira spec.

Flüssigkultur Füllkörper Füllkörper

aus Kreislaufanlage

1 h Exposition

0,3 0,2 0,1 0,05 0,6 0

TRO (mg/l Cl2)

• Anschließend Aktivitätstests unter konstanten Bedingungen

• Ermittlung der Aktivitäten anhand der Ammonium- bzw. Nitritabbaurate

Ozon

Nitrat

Belüftung

Methoden

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Laborversuche (Kurzzeit-Exposition)

Einleitung

5

Reinkulturen Mixkultur

1) 2) 3)

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Ergebnisse Laborversuche I und II (Reinkulturen)

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

6

Flüssigkultur

Time [h]

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

NO

2- -

N [

mg

/l]

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Control

0.05 mg/l TRO

0.1 mg/l TRO

0.2 mg/l TRO

0.3 mg/l TRO

0.6 mg/l TRO

TRO [mg Cl2/l]

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

NO

B a

ctivity [m

g N

O2

-N / h

/ m

2]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Füllkörper

Time [h]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

NO

2- -N

[m

g/l]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Control

0.05 mg/l TRO

0.1 mg/l TRO

0.2 mg/l TRO

0.3 mg/l TRO

0.6 mg/l TRO

TRO [mg Cl2/l]

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

NO

B a

ctivity [m

g N

O2

- -N /

l / h

]

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

TRO [mg Cl2/l]

0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.6

AO

B / N

OB

activity [m

g N

/ h

/ m

2]

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

AOB

NOB

Biofilm bietet Schutz gegenüber Restoxidantien

Ergebnisse Laborversuch III (RAS-Füllkörper)

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

7

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

21 Tage Exposition

Sal.: 20 psu

In-Situ -Versuch Chronische Exposition

Ozon

Nitrat

Belüftung

Methoden

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

8

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

0

50

100

150

200

2

AO

B-a

ctiv

ity (

mg

TA

N /

m²

/ d)

0

50

100

150

200

250

300

2

NO

B-a

ctivity (

mg N

O 2

/ m

² /

d)

0 0.05 0.10 0.15 0 0.05 0.10 0.15

TRO (mg/l Cl2) TRO (mg/l Cl2)

NOB AOB

a

b b b

Positiver Effekt auf Abbauleistung bei TRO-Konz.: ≤ 0,15 mg/l Cl2

Ergebnisse In situ-Versuch (chronische Exposition)

21 Tage Exposition

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

9

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Organische

Materie

O3

Partikuläre organische Substanzen

Gelöste organische Substanzen

Heterotrophe Bakterien

Autotrophe Bakterien (Nitrifizierer)

Wettbewerbsvorteil der Nitrifikanten gegenüber heterotrophen Bakterien

Ozonisierung fördert Nitrifikation im Biofilter

Einfluss von Ozon auf die Nitrifikation

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

10

Organische

Materie

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

TRO

Schroeder et al., 2010

Reiser et al., 2010, 2011

≤ 0,06 mg/l Cl2

Klatt, 2012

≤ 0,15 mg/l Cl2

Fischgesundheit ist limitierender Faktor für Ozondosierung

Fazit

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

11

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Einfluss von Nitrat auf Nitrifikation im Biofilter

NO3

12

Nitrat

Belüftung

Ozon

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

65 Tage Exposition

In Situ – Versuch (Chronische Exposition)

Einfluss des Nitrat-Gehalts auf die Nitrifikation

Nitrat akkumuliert in vielen Kreislaufsystemen zu relativ

hohen Konzentrationen (100 – 300 mg/l NO3-N)

Labor - Aktivitätstests

Ermittlung der Aktivitäten anhand der

Abbauraten von TAN und NO2-N

Nitrat

Belüftung

Methoden

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Ozon

13

Beeinträchtigt Nitrat-Akkumulation die Nitrifikation im Biofilter?

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Einfluss des Nitrat-Gehalts auf die Nitrifikation

Signifikante Beeinträchtigung bei ≥ 500 mg/l NO3-N

AOB

0

50

100

150

200

2

AO

B-a

ctivity (

mg T

AN

/ m

2 / d

)

0 125 250 500

NO3-N (mg/l)

NOB

0

50

100

150

200

250

300

2

NO

B-a

ctivity (

mg

NO

2 -

N / m

2 / d

)

0 125 250 500

NO3-N (mg/l)

b

a

ab ab a a a

b

Nitrat

Belüftung

Ozon

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

14

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

NO3-

Van Bussel et al., 2012

< 125 mg/l NO3-N

< 500 mg/l NO3-N

Klatt, 2012

Fischperformance ist limitierender Faktor für Nitratkonzentration

Fazit

Ozon

Nitrat

Belüftung

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

15

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Verfahrenstechnische Optimierung des

Movingbed-Reaktors durch reduzierte

Belüftung

16

Belüftung

Ozon

Nitrat

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Verfahrenstechnische Optimierung des MB-Reaktors

durch reduzierte

Belüftung

Lufteintrag

Energie

Kosten

Kontrolle Konv. Belüftung

Reduzierte Einblastiefe

Intervall-Belüftung

Mechanische Durchmischung

Nitrat

Belüftung

Methoden

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Ozon

17

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Verfahrenstechnische Optimierung des MB-Reaktors

durch reduzierte

Belüftung

Nitrat

Belüftung

Ozon

Ergebnisse

Diskussion

Fazit

Einleitung

Methoden

18

• keine Abnahme der Nitrifikationsleistung bei halbierter Einblastiefe

• AOBs beeinträchtigt bei reduzierter Belüftungsintensität (Rührer / Intervall)

• Geringere Turbulenz hat scheinbar positiven Effekt auf NOBs

Reduzierte Einblastiefe: halbiert

Rührer: nur Kreisbewegung / geringer Lufteintrag

Intervallbelüftung: 1 Min an / 10 Min aus

Anlauf-Phase: Besiedelung der FK

Kontrolle red. Tiefe Rührer Intervall

AO

B-A

ktivitä

t [m

g T

AN

/ h

/ m

2]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

14 Tage

21 Tage

Kontrolle red. Tiefe Rührer Intervall

NO

B-A

ktivitä

t [m

g N

O2

-N /

h /

m2

]

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

14 Tage

21 Tage

AOB NOB

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Zusammenfassung

Biofilm bietet effektiven Schutz gegenüber Restoxidantien

Keine Beeinträchtigung der Nitrifizierung bei TRO-Konz. ≤ 0,15 mg/l

Ozonisierung hat positiven Effekt auf Nitrifizierung

Ozon

Fischgesundheit wirkt limitierend auf Ozon-Dosierung

Nitrat

Bei sehr hohen Nitratgehalten ist Nitrifizierung beeinträchtigt

Steinbutt empfindlicher als Biofiltration gegenüber Nitrat

19

Belüftung

Geringe Belüftungsintensität in der Startphase: AOB NOB

Reduktion der Einblastiefe steigert Effizienz des Biofilters

Gesellschaft für

Marine

Aquakultur

Büsum

Christian Albrechts

Universität zu Kiel

Prof. Dr. Carsten Schulz

Dr. Eva Spiek

Simon F. Klatt

Michael Schlachter

Yury Zablotski

Dr. Sabine Keuter

Chris van Bussel

Gerrit Quantz

And everybody else

involved…

Universität Hamburg

Vielen Dank !