Projekt 03347/01

Entwicklung eines Verfahrens und einer Pilotanlage zur Entsorgung anorganischer Frachten, speziell Nitrat und Phosphat, aus Wasser in Aquakulturen zur Gewährleistung geschlossener Wasserkreisläufe

Projektdurchführung

Institut für Getreideverarbeitung (IGV) GmbH
Arthur-Scheunert-Allee 40 - 41
14558 Bergholz-Rehbrücke

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Verfahrens und einer Pilotanlage zur photoautotrophen Wandlung der durch Fischzucht-Kreislaufanlagen (Aquakulturen) auftretenden Umweltbelastungen, insbesondere der eutrophierend wirkenden Nitrat-, Phosphat-, und Ammonium-Ionen in Biowertstoffe. Das auf den assimilatorischen Fähigkeiten von Mikroalgen basierende, zu entwickelnde Verfahren dient ent-sprechend den Förderzielen der Deutschen Bundesstiftung Umwelt der Realisierung von Strategien zur Ressourcenschonung, Schließung der Stoffkreisläufe Wasser und Ionen und damit zur zukunftsorientierten Verminderung von Umweltbelastungen insbesondere in der Aquakultur.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Realisierung des Projekts beinhaltet die Untersuchung von Fischzuchtwasser, den Vergleich der Eliminationsleistungsfähigkeit verschiedener Mikroalgenstämme, die Entwicklung, Bau, Testung und Optimierung einer Pilotanlage, die den besonderen Anforderungen des kontinuierlich zu betreibenden geschlossenen Aquakultur-Kreislaufs gerecht werden muss. Für die Untersuchungen wurden Abwässer aus verschiedenen Fischzuchtanlagen verwendet. Neben den Stämmen Spirulina pl. (85.79 und B-433) und Chlorella v. (C-1) aus internationalen Stammsammlungen wurde der aus Fischzuchtwasser isolierte Stamm IR1, ein autoselektierter Scenedesmus sp. Stamm und Mischpopulationen für Eliminationsuntersuchungen genutzt. In den Versuchen wurden folgende Parameter und deren Zuwachsraten bestimmt: pH-Wert, Suspensionstemperatur, Apsorption bei 750 nm, Trockenmasse, Nitrat, Phosphat, Nitrit und stichprobenweise NH4+, CSB, Gesamtkeimzahl. Folgende Bedingungen wurden eingestellt: im Labor 18°C - 20°C, 24°C - 26°C und 30°C - 33°C, im Freiland nachts 11°C - 22°C und tags 17°C - 38°C; die pH-Werte des Fischabwassers schwankten zwischen 4,0 - 6,9; die C-Versorgung erfolgte über eine CO2-Luft-Gemisch-Begasung kontinuierlich, bei pH<7 wurde der Anteil des CO2 zwischen 1 % - 2 %, bei pH>7 zwischen 2 % - 2,5 % bzw. 100 % CO2 variiert; als Kultivationsverfahren wurden batch-Verfahren über 3 - 22 Tage und semikontinuierliche Kultivationen in verschiedenen Varianten des Wasseraustauschs realisiert.


Ergebnisse und Diskussion

Die Analysen der Fischzuchtwässer zeigten, dass sich ohne Frischwasserzufuhr 5 - 11 mg·l-1.d-1 Nitrat und 0,7 - 6,6 mg.l-1·d-1 Phosphat akkumulieren. Harnstoff, Nitrit- und Ammonium-Ionen treten nur in geringen Konzentrationen im Kreislaufwasser auf. Die unzureichende bakterielle Denitrifikation soll durch die Mikroalgenkultivation ergänzt werden.
An das native Fischzucht-Kreislaufwasser mit seinen besonderen Nährstoffbedingungen und Stressoren konnten die Spirulina pl.- und Aphanizomenon flos aquae-Stämme nicht stabil adaptiert werden. Die Chlorella sp. Stämme und deren Mischpopulation mit Scenedesmus sp. bzw. mit Microcystis sp. adaptierten sich erfolgreich. Die Wachstums- und Eliminationsraten steigerten sich im Verlauf der Adaptionszeit von mehreren Wochen um über 100 %. Unter Nutzung vielfältiger Labor-Kultivationstechniken (300 ml - 2000 ml Küvetten, 2,5 l Platten- und 50 l Röhren-Photobioreaktor) konnte nachgewiesen werden,
- dass die niedrigen pH-Werte von 4-5 bei Optimierung der C02-Versorgung das Wachstum und die Nährstoffverwertung nicht verhindern,
- dass die Wachstumsprozesse das Medium neutralisieren,
- dass sowohl Nitrat als auch Phosphat des Kreislaufwassers vollständig durch Mikroalgen verwertet werden können, wobei das Phosphat zuerst verbraucht ist,
- dass in batch-Versuchen die Eliminationsraten in den ersten Versuchstagen am höchsten sind und mit sinkender Konzentration der Ionen und steigenden Biomassekonzentrationen sinken,
- dass im batch-Versuch (Labor-Platten-PBR) 141,7 mg l-1.d-1 NO3-, 88,3 mg l-1.d-1 PO43- eliminiert werden konnten.
Den Laborergebnissen entsprechend wurde eine 2500 l Freiland-Pilotanlage konzipiert und gebaut. 1995 wurde die Pilotanlage erprobt, 1996 weiterentwickelt, optimiert und einem Dauertest unterzogen. Es konnte auch unter Freilandbedingungen eine biologische Wandlung von bis zu 131,8 mg.l-1.d-1 NO3- und bis zu 50,4 mg.l-1.d-1 PO43- und die Elimination bis zur Nachweisgrenze erreicht werden. Das von den anorganischen Frachten entsorgte und von der Biomasse separierte Fischzuchtwasser wurde in den Kreis-lauf zurückgeführt. Die aus den anorganischen Frachten gebildete Biomasse wurde geerntet, getrocknet und chemisch analysiert. Eine Nutzung im Futtermittelbereich ist entsprechend dem vorliegenden Negativ-Toxin-Attest und den analysierten Wertstoffen wie essentielle Amino- und Fettsäuren, Vitamine, biologisch gebundene Mineralstoffe zu empfehlen. Eine weitere Schließung des Kreislaufs ist damit möglich.
1996 wurden PBR-Platten ohne Mittelsteg entwickelt, Demobilisierungsgranulate, eine automatisierte Biomasse-Ernte und Wasser-Rückführung in den Photobioreaktor getestet. Diese neuen technischen Lösungen ermöglichten eine kontinuierliche 130-Tage-Langzeit-Kultivation der adaptierten Mikroalgen und die entsprechende semikontinuierliche biologische Wandlung der anorganischen Frachten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Mitarbeiter des IGV und der Fa. IBAU nahmen an Tagungen, Konferenzen und Messen zur Mikroalgenbiotechnologie und Aquakultur teil. In Vorträgen auf dem 2 nd European Workshop Biotechnology of microalgae (Rehbrücke, 1995) und dem VDI/MEG Kolloquium Agrartechnik (Potsdam, 1996) und mit Postern in Trondheim (1995), Wadenswil (1996) und Rehbrücke (1997) wurden die Ergebnisse veröffentlicht. Es wurden Prospekt- und Angebotsmaterialien erarbeitet. Eine Zusammenarbeit zur Vermarktung wurde mit der Fa. Braun Biotech und der Fa. Fischtechnik begonnen.


Fazit

- Die Eignung photoautotropher Prozesse zur biologischen Entfernung von anorganischen Frachten aus Aquakultur-Prozesswasser konnte im Labor- und Pilotmaßstab nachgewiesen werden.
- Die entwickelte Aquakultur- und Photobioreaktor-Technik entspricht sowohl wissenschaftlichen Ansprüchen als auch Dimensionen praktischer Umsetzung.
- Die monatelange, kontinuierliche Kultivation konnte gewährleistet werden.
- Die mit dieser Pilotanlage erzielten Eliminationsraten von NO3- und PO4 3- sind auch unter Freilandbedingungen praxisrelevant und erlauben Überlegungen zum Technologie-Transfer.
- Die beabsichtigte Entlastung der Umwelt durch Kreislaufsysteme im Aquakulturbereich mit der projektgemäßen Lösung ist realistisch und angesichts der wachsenden Bedeutung der Aquakultur-Fischproduktion richtungsweisend.
- Das Know How auf dem Gebiet der PBR-Optimierung ist Basis für Entwicklungen und Anlagenbau auch auf den Gebieten der Aquakultur, Bereich Fischernährung, der Prozesswasseraufbereitung im landwirtschaftlichen Bereich und der biologische Reinigung CO2 - und NH3-haltiger Abluft.