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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
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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
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Gesellschaft für Marine
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!
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Gesellschaft für Marine
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)
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Gesellschaft für Marine
AquakulturBüsum
4
Effekt von Nitrat auf Fische
NO3-
NH4+
85 %
15 %
NO2-
Wasseraustausch=
Kosten
Denitrifikation
Nitrat hat einen negativen Effekt auf die Fischperformance!
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Konventionelle Denitrifikations-Systeme
Gesellschaft für Marine
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
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Gesellschaft für Marine
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)
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Gesellschaft für Marine
AquakulturBüsum
7
NO2- NH4
+
NO2-
NO N2O
N2
aerobanaerob
N2
Nitrifikation
Denitrifikation
NO3-
Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)
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Gesellschaft für Marine
AquakulturBüsum
8
NO3- NO2
- NO N2O N2
N2
17
0 c
m
80 cm
Selbstreinigender - Innertgas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)
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Gesellschaft für Marine
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
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Gesellschaft für Marine
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
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Selbstreinigender - Intergas - Denitrifikations - Reaktor (SID – Reaktor)
Gesellschaft für Marine
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
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Gesellschaft für Marine
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
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Gesellschaft für Marine
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)
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Gesellschaft für Marine
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
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Gesellschaft für Marine
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)
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Anforderungen an Bioreaktoren zur Denitrifikation
Gesellschaft für Marine
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
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Ausblick
Gesellschaft für Marine
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
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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!