Einsatz eines Moving-bed-Denitrifikationsreaktors zur ... Gesellschaft f£¼r Marine...

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  • Einsatz eines Moving-bed-Denitrifikationsreaktors

    zur Nitrat-Elimination in marinen Aquakultur-Kreislaufsystemen

    Johann Torno

    Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH

    Dr. Jan Schröder

    Prof. Dr. Carsten Schulz

    6. Büsumer Fischtag

    11.06.2015

  • Haltungssysteme in der Aquakultur

    Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    1

    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

    Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    2

    NO3 -

    NH4 +

    NO2 -

    NO N2O

    N2

    aerob anaerobic

    Nitrifikation

    Denitrification

    85 %

    15 %

    NO2 -

    Quelle LD-50 Unbedenkliche Konz. ME

    Brownell (1980) Pierce et al. (1993)

    Westin (1974) 573 - 5050 mg/L NO3-N

    Spotte (1970) 20 mg/L NO3-N

    Pierce et al. (1993) 500 mg/L NO3-N

    Russo and Thurston (1991) kein Effekt / nicht toxisch

    Wiederverwendung von Wasser im Kreislauf

    Artspezifische Versuche zur Nitrat-Verträglichkeit!

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    3

    Nitrat Expositions Versuch – Steinbutt & Wolfsbarsch

    0,7

    0,8

    0,9

    1,0

    1,1

    Wolfsbarsch SGR

    1,2

    1,3

    1,4

    1,5

    Wolfsbarsch DFI

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    0 125 250 500

    Steinbutt DFI

    0,0

    0,5

    1,0

    1,5

    2,0

    2,5

    0 125 250 500

    Steinbutt SGR

    0,0

    0 125 250 500

    0,0

    0 125 250 500

    %/d %/d

    %/d %/d

    va n

    B u

    ss el

    et a

    l. (2

    0 1

    2 )

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    4

    Effekt von Nitrat auf Fische

    NO3 -

    NH4 +

    85 %

    15 %

    NO2 -

    Wasseraustausch =

    Kosten

    Denitrifikation

    Nitrat hat einen negativen Effekt auf die Fischperformance!

  • Konventionelle Denitrifikations-Systeme

    Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    5 web.deu.edu.tr/atiksu/ana58/vege.html

    Vorteile

    - Abwasserkosten gesenkt

    - Frischwasserbedarf gesenkt

    - NO3 - Austrag gesenkt

    - Energiekosten gesenkt (Temperierung)

    - Alkalinität erhöht (Kalk Einsatz verringert)

    Belebtschlamm-Verfahren (activated sludge)

    UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

    Getauchtes Festbett (fixed/packed bed reactor)

    Fließbett- / Wirbelschichtreaktor (fluidized bed)

    Autotrophe Schwefel Reaktor

    ?

    ?

    ?

    ?

    ?

    ?

    ?

    Voraussetzungen für Rentabilität

    - Kontinuierlicher Betrieb

    - Geringe Verschlammung

    - Hoher Automatisierungsgrad

    - Kompakte Bauweise

    - Niedriger Energieverbrauch

    - Geringer Wartungsaufwand

    - Effektiver NO3 - - Abbau

    www.grassrootswiki.org

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    6

    Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)

    Projektpartner: Institut für Binnenfischerei e.V. Potsdam- Sacrow (IfB)

    Kunstoff-Spranger GmbH

    Projektleitung: Dr. Andreas Müller-Belecke

    DBU gefördertes Projekt (2010 – 2012)

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    7

    NO2 - NH4

    +

    NO2 -

    NO N2O

    N2

    aerob anaerob

    N2

    Nitrifikation

    Denitrifikation

    NO3 -

    Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    8

    NO3 -  NO2

    -  NO  N2O  N2

    N2

    1 7

    0 c

    m

    80 cm

    Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    9

    KLA Schemazeichnung

    1) Haltungsbecken

    2) Ablaufrinne

    3) Trommelsiebfilter

    4) Pumpensumpf

    5) Pumpe

    6) Sauerstoff Cone

    7) MBBR

    8) SID-Reaktor

    1

    3 2

    4

    5 6

    7

    8

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    10

    Ergebnisse

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    0 7 14 21 28 35 42 49

    M eO

    H [m

    l/ h

    ]

    D u

    rc h

    fl u

    ss [

    l/ h

    ]

    Versuchstag

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    120

    0 7 14 21 28 35 42 49

    Sa u

    er st

    o ff

    sä tt

    ig u

    n g

    [% ]

    Versuchstag

    -400

    -300

    -200

    -100

    0

    100

    200

    300

    400

    0 7 14 21 28 35 42 49

    O R

    P [

    m V

    ]

    Veruschstag

    Biocarrier MeOH Zugabe

  • Selbstreinigender - Intergas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)

    Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    11

    Kohlenstoff-Quelle (Methanol)

    80 - 110 ml MeOH/kg Futter

    1.40 €/L MeOH

    0.11 – 0.15 €/kg Futter

    oxidierte Produkte

    (CO2)

    [H+ + e-]

    anaerobe Atmungskette

    ATP

    NO3 -

    NO2 -

    NO

    N2O

    N2

    n * e-

    (Nitrat)

    (Nitrit)

    (Stickstoff- oxid)

    (Distick- stoffoxid)

    © S

    p ek

    tr u

    m A

    ka d

    em is

    ch er

    V er

    la g

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    12

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0

    200

    400

    600

    800

    1000

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    M eO

    H [m

    l/ h

    ]

    D u

    rc h

    fl u

    ss [l

    /h ]

    Versuchstag

    0

    0,2

    0,4

    0,6

    0,8

    1

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    N H

    4 +-

    N [

    m g/

    L]

    Ablauf

    Zulauf

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    N O

    2 —

    N [

    m g/

    L]

    0

    20

    40

    60

    80

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    N O

    3 —

    N [

    m g/

    L]

    Ergebnisse

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    13

    NO3 Elimination

    Denitrifikations System

    Medium Kohlenstoffquelle Nitrat Abbaurate (mg NO3-N/l/h)

    Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle

    Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Methanol Ø : 9; 20; 33

    max : 27; 34; 49 2; 4; 6

    Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Ethanol, Methanol,

    Essigsäure, Glyzerin

    35 – 41 7 Müller-Belecke

    (2012)

    van Rijn et al. (2006)

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    14

    NO3 Elimination

    Denitrifikations System

    Medium Kohlenstoffquelle Nitrat Abbaurate (mg NO3-N/l/h)

    Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle

    Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Methanol Ø : 9; 20; 33

    max : 27; 34; 49 2; 4; 6

    Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier Ethanol, Methanol,

    Essigsäure, Glyzerin

    35 – 41 7 Müller-Belecke

    (2012)

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    N O

    3 —

    N [

    m g/

    L]

    Versuchstag

    NO3-Ablauf

    NO3-Zulauf

  • Gesellschaft für Marine

    Aquakultur Büsum

    15

    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+ + 10e- = N2 + 6H2O  Bildung von 3,57 mg CaCO3/mg NO3—N SBV

    Ohne Denitrifikationsstufe  160 g NaHCO3 / kg Futter  0.11 € / kg Futter Mit Denitrifikationsstufe  90 g NaHCO3 / kg Futter  0.06€ / kg Futter

     Einsparung von 44 %  0.05€ / kg Futter

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147

    SBV

    Zulauf

    Ablauf

    mmol/l

    va n

    R ijn

    ( 2

    0 0

    6 )