08.06.2017 Denitrifikation in geschlossenen Kreislaufanlagen – so einfach und sicher wie Nitrifikation? M.Sc. Johann Torno Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH 8. Büsumer Fischtag 2017
08.06.2017
Denitrifikation in geschlossenen Kreislaufanlagen
–so einfach und sicher wie Nitrifikation?
M.Sc. Johann TornoGesellschaft für Marine Aquakultur mbH
8. Büsumer Fischtag2017
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Warum brauchen wir Denitrifikationsreaktoren?
reduzierter Wasserverbrauch
Unabhängigkeit von Standort & Umwelt
Kontrolle aller Haltungsbedingungen
Hygienemanagement
Wiederverwendung von Wasser in KLA
- strengere Umweltauflagen im Hinblick auf Aquakultur-Abwässer
- Kreislaufanlagen mit entsprechender Klärung sind zukunftsweisend
- Einzelfallprüfung durch lokale Behörden Maßgeschneiderte Lösungen
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Warum brauchen wir Denitrifikationsreaktoren?
NO3-
NH4+
NO2-
NO N2O
N2
aerobanaerobic
Nitrifikation
Denitrification
85 %
15 %
NO2-
Nitrat kann einen negativen Effekt auf die Fischperformance haben!
van Bussel, 2012; Steinberg, 2017; Torno, 2015
Wasseraustausch
Denitrifikation
3
NO2- NH4
+
NO2-
NO
N2
aerobNitrifikation
anoxischDenitrifikation
NO3-
Denitrifikation in natürlichen Gewässern
N2O
N2
4
NO2- NH4
+
NO2-
NO N2O
aerobanoxisch
N2
Nitrifikation
Denitrifikation
NO3-
NO3-
NO2-
NO N2O
N2N2
Denitrifikation in Kreislaufanlagen
Voraussetzungen für Denitrifikation:
- Nitrat
- Bakterien (Denitrifikanten)
- oxidierbare organische Stoffe
- Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2)
XX
5
NO2- NH4
+
NO2-
NO N2O
aerobanoxisch
N2
Nitrifikation
Denitrifikation
NO3-
N2
Denitrifikation in Kreislaufanlagen
Voraussetzungen für Denitrifikation:
- Nitrat
- Bakterien (Denitrifikanten)
- oxidierbare organische Stoffe
- Abwesenheit von molekularem Sauerstoff (O2)
Herausforderung:
- effiziente und sichere Kohlenstoffquelle
- akkurate Dosierung
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Selbstreinigender - Inertgas - Denitrifikations - Reaktor
• Kontinuierlicher Betrieb 2 Jahre Dauerbetrieb
• Geringe Verschlammung selbstreinigend
• Hoher Automatisierungsgrad vielversprechend
• Kompakte Bauweise passt auf eine Europalette
• Niedriger Energieverbrauch 0,22 kWh/d 0,06 €/d 80 kWh/a 22,5 €/a
• Geringer Wartungsaufwand tägliche Routine ca. 5 min
(ohne Datenerhebung)
• Effektiver NO3- - Abbau
Abbauraten bis zu 95 % bzw. 800 g NO3
--N/m³/d
• Kalkeinsparung Kalkeinsatz um bis zu 50 % gesenkt
C 6
Kohlenstoff©
Ku
nst
sto
ffSp
ran
ger
Gm
bH
, 201
7
7
4 NO3- + 5 {CH2O} + 4 H+
2 N2(g) + 5 CO2(g) + 7 H2O
Denitrifikation
Kohlenstoff-Quelle(Methanol)
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
Kohlenstoffquellen
8
Kohlenstoffquellen
Müller-Belecke et al. 2013• Ethanol (vergällt)• Methanol • Essigsäure• Glyzerin
• Kein neg. Effekt auf Futteraufnahme
• geringer Preis
Alternative Kohlenstoffquellen (Torno, 2016)
Acetol (Acetat + Alkohol)• Einsatz in kommunalen Kläranlagen• Gute Denitrifikationsraten• Kein Gefahrstoff
Abwasserrückführung aus der Anlage• Keine zusätzlichen Kosten• Reduktion des Abwassers• Kein Gefahrstoff
H225
H301 + H311 + H331
H370
Methanol Flüssigkeit und Dampf leicht entzündbar
Giftig bei Verschlucken, Hautkontakt oder Einatmen
Schädigt die Organe
biologisch abbaubarer Kunststoff
9
Kohlenstoffquellen
9
NO3-
N2 MeOH
Dosierung:
NO3-
N2
biologisch abbaubarerKunststoff
MeOH
NO3- NO3
-
10
Biologisch abbaubare Kunststoffe
PHA(Polyhydroxyalkanoate bzw. Polyhydroxyfettsäuren)
PCL (Polycaprolacton)
Chitosan
Chitin
diverse Compounds verschiedener Hersteller
Lignin
Stärke & Stärkederivate
Cellulose & Cellulosederivate
Bio-Polyester
PHV (Polyhydroxyvalerat)
PLA (Polylactide bzw. Polymilchsäure)
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PHA basiertes Granulat
- empfohlen für Denitrifikation
- aus erneuerbaren pflanzlichen Rohstoffen (ASTM D6866)
- kompostierbar & biologisch abbaubar (ASTM D6400)
- unbedenklich beim Kontakt mit Lebensmitteln(1935/2004/EEC & Plastics Regulation 10/2011)
- alle Bestandteile gelistet in der Verordnung überMaterialien und Gegenstände aus Kunststoff, diedazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührungzu kommen (Tabelle 1, Anhang 1 der Verordnung (EU) Nr. 10/2011)
- für alle Bestandteile keine SML(spezifische Migrationsgrenzwerte - specific migration limits)
Ø 3 mm
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Funktion SID-Reaktor (angepasster Versuchs-Reaktor)
NO3-
30 cm
Wasservolumen gesamt: 27 L
Wasservolumen bis Sieb: 22 L
86
cm
©K
un
stst
off
Spra
nge
r G
mb
H, 2
017
13
Funktion SID-Reaktor (angepasster Versuchs-Reaktor)
N2
30 cm
Wasservolumen gesamt: 27 L
Wasservolumen bis Sieb: 22 L
86
cm
©K
un
stst
off
Spra
nge
r G
mb
H, 2
017
NO3- NO2
- NO N2O N2
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Funktion SID-Reaktor (angepasster Versuchs-Reaktor)
N2
30 cm
Wasservolumen gesamt: 27 L
Wasservolumen bis Sieb: 22 L
86
cm
©K
un
stst
off
Spra
nge
r G
mb
H, 2
017
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Funktion SID-Reaktor (angepasster Versuchs-Reaktor)
30 cm
Wasservolumen gesamt: 27 L
Wasservolumen bis Sieb: 22 L
86
cm
©K
un
stst
off
Spra
nge
r G
mb
H, 2
017
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Versuchsaufbau
SID
1: Haltungsbecken 5: Abschäumer2: Filtereinheit 6: UV-Filter3: Feststoff-Filter 7: SID-Reaktor4: Bewegtbett-Filter
1
2
3 4
5
6
7
Kontrolle
- Zander- 30 kg/m³ Besatzdichte- DFI 1 %BM/d
- jede Stunde für 30 SekundenUmwälzung
- NH4+, NO2
-, NO3-
- pH, SBV - Temperatur, Sauerstoff, ORP- NTU- u.a.
- TC, TOC, TIC & TN
1 m³
PHA GranulatMethanol
0
5
10
15
20
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
We
rt x
y
Versuchstag
Versuchs-PhaseUmstell-Phase
Einlauf-Phase
Akkumulation von Nitrat
Besiedeln der Aufwuchskörper & PHA Granulat mit Bakterien
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Versuchsablauf
Kontrolle
PHA GranulatMethanol
0
200
400
600
50 60 70 80 90 100 110
NO
3- -
N [
mg/
L]
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Ergebnisse
• ohne SID-Reaktor: 140 500 mg NO3--N [mg/L]
• MeOH SID-Reaktor: 140 100 mg NO3--N [mg/L]
• PHA SID-Reaktor: 140 160 mg NO3--N [mg/L]
MeOHohne SIDMeOH – SIDPHA – SID
0.00
0.02
0.04
50 60 70 80 90 100 110
NH
3-N
[m
g/L]
Versuchstag
19
Ergebnisse
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
Einlauf-Phase Umstell-Phase Versuchs-Phase
NaH
CO
3/F
utt
er[k
g/kg
]ohne SIDMeOH – SIDPHA – SID
0,60 – 0,70 €/kg NaHCO3
Versuchsphase:• MeOH SID-Reaktor: NaHCO3 Einsatz um 77% reduziert • PHA SID-Reaktor: NaHCO3 Einsatz um 71% reduziert
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Denitrifikation in geschlossenen Kreislaufanlagen
–so einfach und sicher wie Nitrifikation?
fast
JA©K
un
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off
Spra
nge
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mb
H, 2
017
08.06.2017
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Vielen Dank für die Mitarbeit Valérie Einwächter Karl Bissa Christopher Naas Phillip Strauß