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)

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w.g

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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

1

32

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