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

2

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

14

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

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mb

H, 2

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Vielen Dank für die Mitarbeit Valérie Einwächter Karl Bissa Christopher Naas Phillip Strauß