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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

AquakulturBüsum

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


AquakulturBüsum

2

NO3-

NH4+

NO2-

NO N2O

N2

aerobanaerobic

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!


AquakulturBüsum

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

van

Bu

ssel

et a

l. (2

01

2)


AquakulturBüsum

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


AquakulturBüsum

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


AquakulturBüsum

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)


AquakulturBüsum

7

NO2- NH4

+

NO2-

NO N2O

N2

aerobanaerob

N2

Nitrifikation

Denitrifikation

NO3-



AquakulturBüsum

8

NO3- NO2

- NO N2O N2

N2

17

0 c

m

80 cm



AquakulturBüsum

9

KLA Schemazeichnung

1) Haltungsbecken

2) Ablaufrinne

3) Trommelsiebfilter

4) Pumpensumpf

5) Pumpe

6) Sauerstoff Cone

7) MBBR

8) SID-Reaktor

1

32

4

56

7

8


AquakulturBüsum

10

Ergebnisse

0

20

40

60

80

100

0

200

400

600

800

1000

0 7 14 21 28 35 42 49

MeO

H[m

l/h

]

Du

rch

flu

ss [

l/h

]

Versuchstag

0

20

40

60

80

100

120

0 7 14 21 28 35 42 49

Sau

erst

off

sätt

igu

ng

[%]

Versuchstag

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

0 7 14 21 28 35 42 49

OR

P [

mV

]

Veruschstag

Biocarrier MeOH Zugabe

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


AquakulturBüsum

11

Kohlenstoff-Quelle(Methanol)

80 - 110 ml MeOH/kg Futter

1.40 €/L MeOH

0.11 – 0.15 €/kg Futter

oxidierteProdukte

(CO2)

[H+ + e-]

anaerobe Atmungskette

ATP

NO3-

NO2-

NO

N2O

N2

n * e-

(Nitrat)

(Nitrit)

(Stickstoff-oxid)

(Distick-stoffoxid)

© S

pek

tru

mA

kad

emis

cher

Ver

lag


AquakulturBüsum

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

MeO

H[m

l/h

]

Du

rch

flu

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

NH

4+-

N [

mg/

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

NO

2—

N [

mg/

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

NO

3—

N [

mg/

L]

Ergebnisse


AquakulturBüsum

13

NO3 Elimination

DenitrifikationsSystem

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

Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle

Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier MethanolØ : 9; 20; 33

max : 27; 34; 492; 4; 6

Moving Bed Biofilter Kunststoff BiocarrierEthanol, Methanol,

Essigsäure, Glyzerin

35 – 41 7Müller-Belecke

(2012)

van Rijn et al. (2006)


AquakulturBüsum

14

NO3 Elimination

DenitrifikationsSystem

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

Reaktoraufenthaltszeit (h) Quelle

Moving Bed Biofilter Kunststoff Biocarrier MethanolØ : 9; 20; 33

max : 27; 34; 492; 4; 6

Moving Bed Biofilter Kunststoff BiocarrierEthanol, Methanol,

Essigsäure, Glyzerin

35 – 41 7Müller-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

NO

3—

N [

mg/

L]

Versuchstag

NO3-Ablauf

NO3-Zulauf


AquakulturBüsum

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 FutterMit 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

van

Rijn

(2

00

6)

Anforderungen an Bioreaktoren zur Denitrifikation


AquakulturBüsum

16

• 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 0,22 kWh/d 80 kWh/a(Seitenkanalverdichter) 0,06 €/d 22,5 €/a

• Geringer Wartungsaufwand tägliche Routine ca. 5 min (ohne Datenerhebung)

• Effektiver NO3- - Abbau Abbauraten bis zu 100 %

• Kalk Einsparung Kalkeinsatz um 44% gesenkt

Ausblick


AquakulturBüsum

17

Maximale Nitratentfernung Höhere Nitratlast im System Zugabe von Harnstoff

Laufende Bakterienpopulationsanalysen Bakteriengemeinschaften Aktivität Annamox

Ökonomische Berechnungen

Ökologische Berechnungen

Test weiterer Kohlenstoffquellen Abbaubare Biocarrier Schlammrückführung

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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