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
15
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]
18
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
stst
off
Spra
nge
r G
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