WASSER + ABWASSER Kommune Verfahrenstechnik Kerstin Wunder; Dr. Sarah Sierig; Dr. Niels Christian Holm Tagesgang Kombination mit Zukunft: Massenalgenkulturen und Abwasserreinigung In einem ausgewählten Tagesgang (Bild 5) ist erkennbar, dass die Werte für O2, Tem peratur und pH im Verlauf des Tages anstei gen. Da die Algen unter Verbrauch von CO2 mithilfe des Sonnenlichts O2 produzieren, kann der O2-Gehalt auf bis zu 60 mg/l stei gen. Dies bietet den Vorteil, dass ein Teil des Klarwasserablaufs in eine vorhandene ae robe Belebungsstufe, die hauptsächlich auf Kohlenstoffabbau ausgelegt ist, zurückge führt werden kann, um Kosten für die me chanische Belüftung einzusparen. Der pH-Wert steigt aufgrund des fotosynthe tisch bedingten CO2-Verbrauchs an. Durch Zugabe von CO2-Gas kann entgegengewirkt werden, wodurch gleichzeitig die Fotosyn theserate der Algen steigt. Bild 2 Schematische Darstellung der Abwasserreinigung mit Algen Mikroskopisch klein, wenig Ansprüche an die Umgebung, rasante Vermehrung, positive Energiebilanz: Algen werden zukünftig aus der modernen Abwasserbehandlung nicht mehr wegzudenken sein. größere Mengen leicht belastetes Abwasser (z. B. Spülwasser) anfallen, ist die Nutzung dieser Technik denkbar. Außerdem kann mit dem gezielten Einsatz von Massenalgen kulturen-Anlagen an Seen der Eutrophie rung dieser Gewässer entgegengewirkt wer den. Forschungsvorhaben nidA200 Bild 1 Pilot-Röhrenanlage der Firma LimnoSun GmbH D ie öffentliche Abwasserbehandlung in Deutschland arbeitet auf hohem Niveau, bekommt jedoch zunehmend Probleme mit organischen Mikroverunreinigungen. Diese in geringen Mengen auftretenden und po tenziell schädlichen Stoffe passieren Klär anlagen ohne spezielle Reinigungsstufen fast vollständig und belasten Gewässer und letztlich auch das Trinkwasser. Daher emp fiehlt das Umweltbundesamt für Klär anlagen der Größenklasse 5 (Kapazität > 100.000 EW) eine vierte Reinigungsstufe einzuführen, um die Ablaufwerte zu verbes sern. Kleineren Kläranlagen, die in trink wasser- oder landwirtschaftlich relevante Gewässer einleiten, wird diese Investition ebenfalls empfohlen /1/. Wünschenswerter positiver sekundärer Effekt einer vierten Rei nigungsstufe wäre zudem die Reduzierung des Phosphatgehalts im Kläranlagenablauf, der einigen Kläranlagen weiterhin Probleme bereitet /2/. Die bisher vorgeschlagenen Ver fahren für die vierte Reinigungsstufe bieten diese Phosphor-Elimination allerdings nicht, sind zudem nicht durchgehend geeignet zur Mikroschadstoffreduzierung und bedeuten in den meisten Fällen eine signifikante Stei gerung des Energiebedarfs /1/. 26 Die innovative Alternative: Massenalgenkulturen Algen sind im Wasser lebende, eukaryoti sche fotosynthesebetreibende Organismen. Makroalgen oder Großalgen können bis zu mehreren Metern groß werden. Die hier im Fokus stehenden Mikroalgen dagegen sind mikroskopisch klein und meistens einzellig. Sie benötigen für ihr Wachstum neben Licht und Kohlendioxid (CO2) insbesondere die Nährstoffe Stickstoff (N) und Phosphor (P). Diese entnehmen sie ihrem Umgebungswas ser und bauen sie in ihre Biomasse ein. Ne benprodukte des Algenstoffwechsels sind die Aufnahme von Kohlendioxid (CO2) bei gleichzeitiger Produktion von Sauerstoff (O2). So können die Algen bei gleichzeitiger Reinigung des Abwassers Biomasse auf bauen (Bild 2). Aufgrund dieser Eigenschaften bietet sich der Einsatz von Mikroalgen in Kulturen mit hoher Stückzahl, also als Massenalgenkultu ren (MAK) vor allem für kleinere kommu nale Kläranlagen mit relativ hohen N- und P-Werten im Ablauf an oder auch für Anla gen mit starken saisonalen Schwankungen. Auch für industrielle Anlagen, in denen Die wissenschaftlichen Grundlagen des hier vorgestellten MAK-Verfahrens wurden in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten For schungsvorhaben „nidA200“ erarbeitet. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung ei nes dezentralen Abwasserreinigungskon zepts, bei dem durch den Einsatz alternati ver Sanitärsysteme Gelb-, Grau- und Braun wasser getrennt gesammelt und verwertet werden sollen. Durch die Einführung alter nativer Sanitärsysteme, die Mitbehandlung des Siedlungsbiomülls und den Einsatz von Massenalgenkulturen wird eine sehr weitgehende Abwasserreinigung bei hoher Energieeffizienz und maximaler Nähr stoffrückgewinnung, insb esondere von Phosphat, erreicht. Anwendungsgebiet der Algen ist die Grauwasserreinigung. Grundlagen und Versuchsdurchführung Im hier vorgestellten MAK-Verfahren wer den schnell sedimentierende Algen mit ho her Wachstumsrate benötigt. Dafür wurden Algen aus natürlichen Quellen entnommen und den Anforderungen entsprechend selek tiert. Mithilfe dieser selektierten Algenkul tur wurden wichtige Faktoren für die groß technische Umsetzung (Wachstumsraten, Nährstoffaufnahme, TS-Optimum) ermit telt. Die Versuche erfolgten sowohl mit Pho tobioreaktoren (PBR) im Labormaßstab für detaillierte Analysen als auch mit einem Röhrensystem im Pilotmaßstab. Grundlage aller Versuche war der Betrieb der Photobioreaktoren nach der SequencingBatch-Reactor-Methode (SBR-Methode). Nach Befüllen der Reaktoren mit der selek tierten Algenkultur und Grauwasser-Imitat (einer Mischung aus Rohabwasser und Ab laufwasser einer kommunalen Kläranlage, deren Nährstoffgehalt annähernd Grau Modernisierungsreport 2015/2016 wasser-Werten der Literatur entspricht) und definierter Aufenthaltszeit in Volldurchmi schung, wurde nach einer kurzen Absetz phase (Sedimentation der Algen) die gleiche Menge Überstand wieder entnommen. An schließend wurden die Reaktoren wieder mit Grauwasser befüllt, um den Zyklus er neut zu beginnen. Als Lichtquelle wurde im Labor ausschließlich Tageslicht eingesetzt. Kohlendioxid wurde regelmäßig zugegeben. Auch das Röhrensystem wurde einmal täg lich mit einer definierten Menge Grau wasser-Imitat oder Rohabwasser beschickt. Hier wurde ebenfalls regelmäßig CO2 zuge führt. In beiden Systemen erfolgte zu kei nem Zeitpunkt eine neue Animpfung mit Algen. Ergebnisse Diversität der Algenarten Zu Beginn des Projekts wurde die Kultur mit diversen Algenarten aus natürlichen Quellen angeimpft. Nach einer Selektions phase von 3 bis 4 Monaten dominierten je doch nur noch zwei Arten. Die eine konnte als Scenedesmus, die andere als Ulothrix identifiziert werden (Bild 3). Zwischenzeit lich sind immer wieder weitere Algen- oder Bakterienarten aufgetreten, die sich gegen die dominanten Algenarten allerdings nie dauerhaft durchsetzen konnten. Nährstoffaufnahme Bild 3 Mikroskopiebilder von Scenedesmus (Kolonien) und Ulothrix (Fäden) Zuwachs in Trockensubstanz Über einen Zeitraum von 1,5 Jahren wurde der tägliche Zuwachs der Algentrockenmasse (TS) ermittelt. Die Zuwachsraten lagen in den Sommermonaten (April–September) er wartungsgemäß am höchsten (Bild 4). Be merkenswert ist allerdings, dass selbst im ertragsschwächsten Wintermonat der durch schnittliche Ertrag immer noch ca. 20 % des bisher ertragsstärksten Monats war. Dies er öffnet die Möglichkeit eines ganzjährigen Betriebs eines MAK-Röhrensystems selbst in Nordeuropa. Für ihr Wachstum nehmen Algen vor allem N und P auf. Die hier verwendeten Algen sind auf eine impulsweise Aufnahme der Nährstoffe selektiert. Daher erfolgt die Auf nahme des größten Teils von N und P in den ersten Minuten nach der Zugabe von nähr stoffreichem Abwasser zur Algensuspen sion. Danach ist die Aufnahmerate geringer (Bild 6). Nach nur 300 min sind die N- und P-Gehalte i. d. R. unterhalb des Messbereichs (< 0,01 mg/l). Maximal kann eine Auf nahmerate von 0,04 – 0,14 g P/m 2 * d und 0,3 – 1,0 g N/m2 * d erreicht werden. Biogasertrag Da die Nährstoffaufnahme durch die Algen nicht nur zu gereinigtem Abwasser führt, sondern auch zum Aufbau von Algenbio masse, kann regelmäßig Algenmasse aus den Reaktoren und Röhren entnommen wer den. Eine mögliche Nutzungsmöglichkeit der Algenbiomasse ist die Fermentation zur Biogasgewinnung. Sedimentation Der Algenschlamm, der im MAK-Verfahren eingesetzt wird, bietet ähnliche Vorteile wie Belebtschlamm aus Kläranlagen bei gleich zeitig deutlich geringerem Schlammvolu menindex (ISV). Während der ISV des Belebtschlamms häu fig zwischen 75 – 150 ml/g liegt /3/, erreicht der ISV des Algenschlamms nur einen Wert von 30 – 35 ml/g. Dieser niedrige ISV bietet erhebliche Vorteile im MAK-Verfahren, da der Schlamm ähnlich wie in einer Nachklä rung sedimentieren kann und der Klarwas serüberstand abläuft. Eine Ernte durch Filt ration oder Zentrifugation z. B. im Biodie selsektor kann bis zu 20 – 30 % der gesamten Prozesskosten betragen /4/, was durch die einfache Sedimentation im MAK-Verfahren vermieden werden kann. Modernisierungsreport 2015/2016 Bild 4 Zuwachsrate der Algenbiomasse im Verlauf des Projekts wwt-online.de 27 WASSER + ABWASSER Kommune Verfahrenstechnik Im Forschungsvorhaben zeigte sich, dass ein maximaler Biogasertrag von 300 m3/t oTS zu erreichen war, was in etwa dem Ertrag von Mist entspricht /5/. Vermutlich ist das eine Folge der spezifischen Selektion: Nur die Algen-Subpopulationen, die die nächtli chen, anaeroben Sedimentationszeiten über leben, werden überhaupt positiv selektiert. Diese Algenpopulationen können somit län gere Anaerobphasen überdauern. Da eine Einzelfermentation der Algen somit wenig wirtschaftlich sein dürfte, könnte eine Ver gärung in einer Co-Fermentation sinnvoll sein. Wenn möglich, ist der Einsatz des Gär rests als nährstoffreicher Dünger vorteilhaft. Verfahrenstechnik Röhrensystem Verfahrensprinzip Bild 5 Tagesgang von O2 , Temperatur und pH am 12. 4.2015 in einem Photobioreaktor (PBR) Bild 6 Nährstoffaufnahme der Algenkulturen Die PBR dienten ausschließlich Versuchen im Labormaßstab. Das Röhren-MAK-Ver fahren dagegen (Bild 7) wurde als Pilotan lage für spätere großtechnische Realisie rung mit einer Größe von 2 m2 getestet. Das Gesamtvolumen beläuft sich dabei auf 909 l, wovon 107 l in den Röhren (aktive Fläche) ent halten sind. Die Fließgeschwindigkeit kann zwischen 0,07 und 0,2 m/s variiert werden. Bei dem Verfahren wird die Algensuspen sion durch horizontale Röhren (1 – Klam merausdrücke beziehen sich auf Bild 7) ge pumpt, die in Südausrichtung installiert sind. Nachdem die Suspension die Röhren durchströmt hat, fließt sie wieder in den Vorlagebehälter (2), wo die Algen wieder se dimentieren. Über Position (3) oder (4) wer den sie wieder abgezogen. Das klare Wasser läuft über den Ablauf (5) ab. In den Röhren sedimentieren die Algen auf grund der Strömung nicht. Das Röhrensys tem ist mit diversen (online-)Messsonden (6) ausgestattet. Zur Reinigung der Röhren kann bedarfsweise ein Reinigungsschwamm durch die Röhren gefahren werden (7). Fazit Die Untersuchungen bestätigen, dass Mik roalgen zukünftig eine wichtige Rolle in der Wasser- und Abwasserbehandlung spielen können. Phosphor- und Mikroschadstoffeli minierung durch Massenalgenkulturen be sitzt ein großes Potenzial für den Einsatz als vierte Reinigungsstufe in großen (kommu nalen) Kläranlagen. Auch dezentrale kleine Kläranlagen können von MAK profitieren, da hierdurch relativ einfach Nährstoffe zu rückgewonnen werden können und durch die Produktion von Sauerstoff die aerobe Biologie stark entlastet werden kann. Wie bei jeder Technologie bestehen auch bei der Abwasserreinigung durch Massenalgen kulturen je nach Standort mögliche Nut zungseinschränkungen. Elementare Stand ortbedingung ist das Vorhandensein von ausreichend Sonnenlicht, in der Regel wird der Betrieb einer MAK-Anlage nur nach Sü den ausgerichtet und ohne Beschattungsef fekte durch andere Gebäude möglich sein. Aufgrund einer großen Hitzeempfindlich keit der Algen ist eine Kühlung in den meis ten Fällen dringend erforderlich, selten wird auch eine Heizung empfohlen. Dieser Nach teil kann je nach Standort allerdings durch die Weiternutzung der Abwärme aufgefan gen werden. DIE AUTOREN B.Sc. Kerstin Wunder Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Fachgebiet Abwasser- und Biogastechnik Dr. P. H. Sarah Sierig Projektkoordinatorin, Fachgebiet Abwasserund Biogastechnik Bild 7 Verfahrensprinzip des MAK-Röhrensystems Dr. rer. nat. Niels Christian Holm Geschäftsführer, Fachgebiet Abwasser- und Biogastechnik sowie Verfahrenstechnik Aktuelle Projekte: ❘❘Forschungsvorhaben nidA200, BMBF-Fördermaßnahme INIS ❘❘Algen-Röhren-Module in der Aquakultur 28 Modernisierungsreport 2015/2016 Modernisierungsreport 2015/2016 Des Weiteren muss beachtet werden, dass die Abbaurate im Winter aufgrund der Licht intensität verringert ist. Somit sind Wasser durchsätze oder Nährstoffkonzentrationen mit jahreszeitlichen Schwankungen ideal geeignet (z. B. Urlaubsregionen). Ebenso ist zu beachten, dass nachts vermutlich nur eine Absorption der Nährstoffe an die Algen je doch keine Aufnahme in die Algenbiomasse erfolgt und somit die Eliminationsraten ge ringer sind. Weiterhin spielt das Material der Röhren eine wichtige Rolle, da Kunst stoffe sowie auch Glas verschiedene Vorund Nachteile bieten. Grundsätzlich zeigt sich das Verfahren als sehr geeignet, große Mengen an gering be lastetem Wasser effektiv zu reinigen. Es konnte durchgehend ein guter Abbau von N und P nach nur kurzen Aufenthaltszeiten er zielt werden, zudem besteht die Möglich keit, Nährstoffe zurückzugewinnen. Die in anderen Projekten oft sehr aufwändige und teure Ernte der Algen ist durch die Sedimen tationsfähigkeit der Algen einfach und kos tengünstig. Eine kostengünstige Verfahrens technik und geringe Betriebskosten runden die Beschreibung der Vorteile einer MAKAnlage ab. Damit erweitert sich das MAK-Anwendungs gebiet auf nahezu alle Formen der Wasserund Abwasserbehandlung. Zu beachten bleibt dabei allerdings der relativ große Platzbe darf. Für LimnoSun wird das Thema „MAK“ auch nach Beendigung des Forschungsvor habens hohe Priorität haben. Es wird davon ausgegangen, dass der Betrieb der MAKAnlagen durch weitere Ergebnisse optimiert werden kann, so dass z. B. der Platzbedarf und die Investitionskosten weiter gesenkt werden können und der Nachhaltigkeits aspekt, der aktuell schon beispielhaft ist, weiter ausgebaut werden kann. Ausblick auf die großtechnische Implementierung der Algen-Techno logie Ende 2014 hat LimnoSun den Auftrag erhal ten, das MAK-Modul als Komponente der Abwasserreinigung einer Großbiogasanlage zu planen. Auf der im Bau befindlichen dä nischen Großbiogasanlage Tonder (Gesamt feuerungsleistung 44 MW, 2.500 t/d Subst rate, vor allem Gülle) soll eine großtechni sche Röhren-MAK-Anlage installiert werden. Es handelt sich dabei um drei 40 m2 Module mit insgesamt ca. 2.900 m transpa renten Röhren (DN 60), angebracht an der Südseite eines der Lagerbehälter. Auf der Biogasanlage wird eine Sanitärtren nung realisiert. Nur das relativ gering belas tete Grauwasser (geringe Konzentrationen an N und P) wird der Algenanlage zugeführt. Zudem soll die Algenanlage ca. 40 m 3/d Lkw-Spülwasser reinigen, das für die LkwWäschen wiederverwendet werden soll. Forschungsvorhaben nidA200 nidA200 – „nachhaltige, innovative und dezentrale Abwasserreinigung inklusive der Mitbehandlung des Biomülls auf Basis alternativer Sanitärkonzepte“ ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Fördermaßnahme „INIS“ gefördertes dreijähriges Forschungsvorhaben. Als Projektleiter koordiniert LimnoSun die Arbeit von den drei beteiligten Projektpartnern: ❙❙Institut für Hygiene und Umwelt Hamburg ❙❙Institut für Automation und Kommunikation e. V. Magdeburg (ifak) ❙❙Gemeinde Hille Weiterführende Informationen: http://www.bmbf.nawam-inis.de/de/ inis-projekte/nida200 L I T E R AT U R /1/ UBA (2015): Organische Mikroverunreinigungen in Gewässern. Vierte Reinigungsstufe für weniger Einträge. Position März 2015. Umweltbundesamt Dessau-Roßlau. http://www. umweltbundesamt.de/publikationen/ organische-mikroverunreinigungen-ingewaessern. Letzter Zugriff 14. 7. 2015 /2/ UBA (2014): Maßnahmen zur Verminderung des Eintrages von Mikroschadstoffen in die Gewässer. Texte 85/2014. Umweltbundesamt Dessau-Roßlau. https://www.umweltbundesamt.de/sites/ default/files/medien/378/publikationen/ texte_85_2014_massnahmen_zur_ verminderung_des_eintrages_von_ mikroschadstoffen_in_die_gewaesser. pdf. Letzter Zugriff 22. 7. 2015 /3/ Willi Gujer (2007): Siedlungswasserwirtschaft. 1. Auflage. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, S. 314 /4/ Gudin C, Therpenier C. (1986): Bioconversion of solar energy into organic chemicals by microalgae. Adv. Biotechnol. Processes; 6: 73 – 110 /5/ FNR (2006): Handreichung – Biogasgewinnung und –nutzung, Institut für Energetik und Umwelt gGmbH, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft, Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V., 3. überarbeitete Auflage, Gülzow, S. 95 K O N TA K T LimnoSun GmbH B.Sc. Kerstin Wunder Dr. Sarah Sierig Dr. Niels Christian Holm Eickhoster Straße 3 | 32479 Hille Tel.: 05703/51554-0 E-Mail: [email protected] www.limnosun.de wwt-online.de 29
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