Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Phosphor (P) ist eine nicht-erneuerbare Ressource, die weltweit knapp wird. Sein Einsatz erfolgt haupts\u00e4chlich in der Landwirtschaft als D\u00fcnger. Je nach Modell reichen die P-Reserven noch 50-330 Jahre. Die Qualit\u00e4t des gef\u00f6rderten Phosphors sinkt zunehmend, da der Anteil von Uran, Cadmium und anderen Schwermetallen zunimmt. Deshalb ist es das Ziel des Projektes, eine Pilotanlage zur R\u00fcckgewinnung von Phosphor aus dem Kl\u00e4rschlamm einer Kl\u00e4ranlage aufzubauen, und ihren Betrieb zu optimieren. Dabei sollen Hefen aus Endf\u00fchrungen einer Brauerei als Phosphatakkumulierer eingesetzt werden. Die mit Phosphor angereicherten, schadstoffarmen Hefen k\u00f6nnen als biologischer Phosphatd\u00fcnger und zur Verbesserung der Bodenqualit\u00e4t eingesetzt werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr eine R\u00fcckgewinnung des Phosphates aus der Kl\u00e4ranlage muss eine Pilotanlage, bestehend aus 2 Einheiten, aufgebaut werden. Beide Einheiten bestehen aus IPC-Tanks mit 1 m\u00b3 Volumen. Der erste Tank enth\u00e4lt ein R\u00fchrwerk und dient der R\u00fcckl\u00f6sung von Phosphor aus Schl\u00e4mmen und Prozessw\u00e4ssern. Der r\u00fcckgel\u00f6ste Phosphor wird dann mit der zellarmen Fl\u00fcssigkeit in den Tank 2 transportiert, wo eine Bel\u00fcftungseinheit daf\u00fcr sorgt, dass die zugesetzten Hefen den Phosphor aus der w\u00e4ssrigen L\u00f6sung aufnehmen. Nach Beendigung des Aufnahmevorganges wird die Hefe geerntet und hinsichtlich ihrer Eignung als D\u00fcnger untersucht. Der Aufbau der Pilotanlage und deren initiale Tests waren Bestandteil von Arbeitspaket (AP) 1 und 2. Die Hochskalierung und Untersuchung des R\u00fcckgewinnungsprozesses war Bestandteil von AP 3 – 5. Die Optimierung des Betriebes mittels Tests verschiedener Schl\u00e4mme und Prozessw\u00e4sser stand in den APs 7 – 11 im Vordergrund. P-Bilanzen (AP13) sollten sowohl zur Auswahl P-reicher Schl\u00e4mme bef\u00e4higen, den Einfluss von F\u00e4llungsmitteln auf den stabilen Betrieb der Anlage (AP 12) verfolgen und beurteilen, ob sich Strukturen und Funktionen von mikrobiellen Gemeinschaften in den verschiedenen Becken und Reaktoren der Abwasseranlage sich ver\u00e4ndern (AP 14). Das entstandene Produkt wurde in den APs 15 und 16 untersucht. Parallel zu den Versuchen an der Pilotanlage sollten ein Dichte- und ein Ultraschallsensor der Firma Centec den Phosphorgehalt im Medium und den Hefezellen \u00fcberwachen(AP6).<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Projektverlauf wurde die Pilotanlage zur P-R\u00fcckgewinnung geplant und aufgebaut. Das Betreiben der Pilotanlage zeigte, dass diese in wesentlichen Parametern funktioniert und alle Grundvoraussetzungen f\u00fcr einen erfolgreichen Betrieb vorliegen. Anf\u00e4ngliche Probleme wie die starke Schaumentwicklung und Hefeverluste bei der Ernte konnten gel\u00f6st werden. Nach umfangreichen Untersuchungen zu (i) den P-Bilanzen in den Becken und Reaktoren der Abwasseranlage, zu (ii) dem Einfluss von Phosphor-F\u00e4llungsmitteln auf die P-Bilanz und zu (iii) den Ver\u00e4nderungen von Strukturen und Funktionen der 16 beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften nach \u00c4nderung des Regimes bez\u00fcglich Phosphor-F\u00e4llung und Zeit (1,5 Jahre Datenerhebung zur P-Bilanz) wurden \u00dcberschuss- bzw. R\u00fccklaufschlamm, Tr\u00fcbwasser, Faulschlamm und Kl\u00e4rschlamm als vielversprechende Substrate f\u00fcr die P-R\u00fcckgewinnung ausgew\u00e4hlt (Vucic et al. 2021a). Bis auf den \u00dcberschuss- und Kl\u00e4rschlamm liegt bei allen Substraten der Anteil des gel\u00f6st vorliegenden Phosphors \u00fcber der \u00f6konomisch wichtigen Konzentrationsgrenze von 0.05 kg P\/m\u00b3 (Vucic et al 2021a). Aus dem \u00dcberschuss- und Kl\u00e4rschlamm kann eine entsprechend hohe Konzentration an Phosphor freigesetzt werden.
\nDie vorhandenen Konzentrationen an gel\u00f6stem Phosphor in Tank 1 des Moduls waren generell ausreichend f\u00fcr eine R\u00fcckgewinnung mittels Brauhefen. Die h\u00f6chsten Werte an r\u00fcckgel\u00f6stem Phosphor aus \u00dcberschussschlamm, Faulschlamm, Kl\u00e4rschlamm, Tr\u00fcbwasser lagen bei jeweils 0,086, 0,219, 0,068 und 0,061 kg free P\/m\u00b3. Der Wert des gel\u00f6st vorliegenden Phosphors innerhalb eines Versuchsdurchganges von 4 h kann um bis zu 75% des anf\u00e4nglichen Wertes reduziert werden. Die durchschnittliche Effizienz in der Reduktion liegt bei 53.85%. Die Aufnahme in Hefen ist bei Tr\u00fcbwasser und \u00dcberschussschlamm deutlich besser (54-75%) als bei Faulschlamm und Extrakt aus Kl\u00e4rschlamm (34-60%). Damit k\u00f6nnen durch einen entweder dauerhaften bzw. mehrfachen Einsatz des Moduls oder ein up-scaling der Anlage die Vorgaben der Kl\u00e4rschlammverordnung von P < 20 g\/kg TM f\u00fcr den Kl\u00e4rschlamm eingehalten werden (AbfKl\u00e4rV, 2017). Der in den Hefen akkumulierte Phosphor wurde bez\u00fcglich seiner Eignung als D\u00fcngemittel untersucht und ist besonders auf Verwitterungsboden gut Pflanzen-verf\u00fcgbar, wie der Vergleich des Hefed\u00fcngers mit einem mineralischen D\u00fcnger zeigt. Bis auf die Keimzahl sind die Ergebnisse der Hefevarianten denen des mineralischen D\u00fcngers ebenb\u00fcrtig bzw. liegen in den N\u00e4hrstoffgehalten teils deutlich dar\u00fcber. Die Qualit\u00e4tsuntersuchungen ergaben ebenfalls ein positives Bild. In keiner der getesteten Proben konnten Salmonellen oder Schadstoffe in signifikanter Konzentration nachgewiesen werden. Die Arzneimittel Ciprofloxacin, Levofloxacin, Clarithromycin, Carbamazepin, Diclofenac, Cefuroxim, Sulfamethoxazol, Metoprolol und Bezafibrat wurden ebenfalls in den Substraten und dem Produkt untersucht. Sowohl die Susbtrate, als auch die Produkte (Faulschlamm, Kl\u00e4rschlamm und \u00dcberschussschlamm) zeigen sehr geringe Konzentrationen von Clarithromycin, Carbamazepin, Diclofenac und Metoprolol. In den geernteten Hefen konnte nur bei einem Produkt aus Kl\u00e4rschlamm Ciprofloxacin und Metoprolol nachgewiesen werden. Die von der Centec GmbH zur Verf\u00fcgung gestellten Sensoren (Dichte und Ultraschallsensor) wurden in einem Bypass am Tank 2 installiert und haben die Versuche in Tank 2 soweit m\u00f6glich begleitet. Dabei zeigte sich, dass besonders die Bestimmung des free P sehr nah an den mit einer chemischen Methode bestimmten Werten liegt (Abweichung 0,002-0,004 kg\/m\u00b3). Auch das bound P kann gut dargestellt werden, jedoch mit einer h\u00f6heren Abweichung zu den chemisch gemessenen Werten (Abweichung 0,006-0,037 kg\/m\u00b3). Eine Reduzierung des Eintrages von Luftblasen kann zu einer weiteren Erh\u00f6hung der Bestimmungsgenauigkeit beitragen und die Einsetzbarkeit auch an anderen Stellen der Kl\u00e4ranlage, die bisher von chemischen Messsystemen \u00fcberwacht werden (Zulauf, Ablauf) erlauben.\n\n\n\n\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation\n\nIm Rahmen des Projektes wurde eine Ver\u00f6ffentlichung in der Zeitschrift Science of the Total Environment publiziert (Vucic et al. 2021a). Zwei weitere Publikationen wurden zum Thema Allgemeine \u0096 P R\u00fcckgewinnungsmethoden (G\u00fcnther et al., 2018) und Biologische P R\u00fcckgewinnungsmethoden (Vucic und M\u00fcller, 2021b) in der Zeitschrift Engineering in Life Sciences ver\u00f6ffentlicht. Die Daten der Pilotanlage sind ein Teil einer weiteren, in Vorbereitung befindlichen Ver\u00f6ffentlichung. Zudem wurden 4 Artikel in regionalen Zeitschriften ver\u00f6ffentlicht (2x Leipziger Volkszeitung, 1x Dresdner Morgenpost, 1x Tag24). Die Artikel in der Zeitschrift Science of the Total Environment und in Engineering in Life Sciences sowie die Links zu den regionalen Zeitschriften sind dem Abschlussbericht beigef\u00fcgt.\n\n\nFazit\n\nEine R\u00fcckgewinnung von gel\u00f6stem Phosphor unter Einsatz von Resthefen aus der Brauerei ist aus wissenschaftlicher Sicht machbar. Jedoch bedarf es ingenieurstechnischer Weiterentwicklungen im Bereich des up-scalings der Prozessf\u00fchrung sowie der Produkternte, um den R\u00fcckgewinnungsprozess weniger arbeitsaufwendig und zunehmend rentabel zu gestalten. Schwerpunkt der weiteren Entwicklung sollte eine semi-kontinuierliche R\u00fcckgewinnung gekoppelt mit einer schonenden und schnellen Trocknung des Produktes sein.\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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