Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die prim\u00e4re Zielstellung der Forschungsarbeiten (Phase 2) bestand im Nachweis der Praxistauglichkeit des entwickelten Verfahrens, der Verifizierung und Optimierung der Wirtschaftlichkeit, der Erh\u00f6hung der Prozessstabilit\u00e4t und der Verwendung von nachhaltigen Rohstoffen. Des Weiteren sollte in dem neuen Projektabschnitt eine ausf\u00fchrliche Untersuchung und Aufkl\u00e4rung der Biofilmprozesse (z. B. Bestimmung von Konzentrationsprofilen) erfolgen. Anschlie\u00dfend sollten die Vorg\u00e4nge im Biofilm modelliert werden. Die Kenntnis der Sauerstoffverteilung im Biofilm war auch zur Optimierung der Prozesssteuerung in der halbtechnischen Anlage erforderlich. Zielstellung war hierbei, den Energiebedarf f\u00fcr die Bel\u00fcftung des Reaktors zu minimieren und gleichzeitig die Denitrifikationsleistung zu verbessern. Dar\u00fcber hinaus sollten die Versuche st\u00e4rker auf Problemstellungen der industriellen Abwasserreinigung ausgerichtet werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Einzelnen waren folgende Teilaufgaben zu l\u00f6sen:
\n–\ta) Untersuchungen im halbtechnischen Ma\u00dfstab unter realen (kommunalen) Abwasserbedingungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer der Compounds, Erarbeitung von Strategien zur Prozesssteuerung und Optimierung der Reaktorgestaltung.
\n–\tb) Untersuchungen im Laborma\u00dfstab mit Modellabwasser zur Messung der O2-Konzentrationsprofile in den Biofilmen; Analyse der Zusammensetzung der Biofilme und Modellierung der Biofilmprozesse. Weiterhin sollten alternative Biopolymere \u00fcberpr\u00fcft und das Destruktionsverhalten untergliedert wer-den.
\n–\tc) Werkstofftechnische Untersuchungen zur Optimierung der Textur- und str\u00f6mungsdynamischen Eigenschaften der Biocompounds. Entwicklung von geeigneten biologisch abbaubaren Polymeren aus Rest- und Abfallstoffen bzw. aus nachwachsenden Rohstoffen
\nHinsichtlich der Stabilisierung der Abbauleistungen galt es weiterhin, das Verst\u00e4ndnis der innerhalb des Biofilms ablaufenden Prozesse zu vertiefen. Deshalb wurde in den k\u00fcnftigen Untersuchungen von einer rein empirischen Betrachtung abgegangen und mit geeigneten Methoden der Versuch unternommen, die innerhalb des Biofilms ablaufenden Prozesse qualitativ und quantitativ zu erfassen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurde die Eignung von Biocompoundreaktoren f\u00fcr die industrielle Abwasserreinigung nachgewiesen. So konnte am Beispiel von Regeneraten aus der Kondensatreinigung von Kraftwerken (hohe NH4-N Belastung; kaum (keine) Kohlenstoffverbindungen) gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Biocompounds diese W\u00e4sser auf Direkteinleiterqualit\u00e4t biologisch gereinigt werden k\u00f6nnen. Nach dem Stand der Technik werden f\u00fcr eine separate Behandlung dieser Kondensate Strippanlagen eingesetzt. Diese sind mit einem hohen thermischen Aufwand und Chemikalienverbrauch verkn\u00fcpft, wodurch gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad der Kraftwerke sinkt und somit die Gesamtemissionen (z. B. CO2) erh\u00f6ht werden.
\nEin weiterer Meilenstein des Projektes war die erfolgreiche \u00dcberf\u00fchrung des Verfahrens in den halbtechnischen Ma\u00dfstab. So konnten im Zuge der Optimierung des Bel\u00fcftungssystems und der Prozessstrategie eine ausreichende Vermischung der Biocompounds im Reaktor sichergestellt werden. Die daf\u00fcr ben\u00f6tigte Energie (Lufteintrag) konnte durch die Optimierung der Dichte der Biocompounds soweit reduziert werden, dass der Lufteintrag in den Reaktor ausschlie\u00dflich nach dem O2 – Bedarf der Mikroorganismen gesteuert werden konnte. Somit konnte der Lufteintrag auf das Niveau einer herk\u00f6mmlichen Belebtschlammanlage reduziert werden.
\nIn den werkstofftechnischen Untersuchungen wurden weiterhin Substituenten f\u00fcr die leicht abbaubare Komponente PHB auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen \/ Abfallprodukten entwickelt. So konnten ein Gelatineprodukt und zwei Caseinprodukte hergestellt und erfolgreich getestet werden.
\nIm Rahmen der mikrobiologischen Untersuchungen konnte sowohl indirekt als auch direkt nachgewiesen werden, dass die Nitrifikanten im Biofilm der Biocompounds angesiedelt waren und nicht in der frei suspendierten Biomasse. Die Untersuchungen mittels konfokaler Laserscanning Mikroskopie (CLSM) wiesen innerhalb der Poren in erster Linie EPS nach. Die f\u00fcr die Produktion dieser Matrix verantwortlichen Bakterien waren vom EPS \u00fcberdeckt. Diese gro\u00dfen Mengen an extrazellul\u00e4rem polymeren Material (bzw. Glycokonjugaten) ist auch aus den tieferen Schichten heterotropher Biofilme bekannt und wird oft auf eine Substratlimitierung der Bakterien zur\u00fcckgef\u00fchrt. Nicht von EPS \u00fcberdeckte Bakterien waren vor allem an der Biofilmoberfl\u00e4che zu finden. Diese unterschiedlichen Strukturen sind als Best\u00e4tigung f\u00fcr das Schichtenmodell des Biofilms auf den Biocompounds zu interpretieren. Mittels Mikroelektrodentechnik konnten O2 – Konzentrationsprofile in den Biofilmen aufgenommen werden. Somit konnte nachgewiesen werden, dass in den Biofilmen Zonen existieren, in denen kein gel\u00f6ster Sauerstoff vorhanden ist. Somit konnten auch hier die Modellvorstellungen best\u00e4tigt werden.
\nDie Modellierung des Biocompoundreaktors erfolgte auf der Basis des Activated Sludge Modells (ASM). Im Ergebnis der Modellierung konnten die Kohlenstoffelimination, die Nitrifikation und die submerse Biomasse schon recht gut abgebildet werden.
\nEin Gesamtkostenvergleich zeigte, dass der Einsatz der Biocompounds in der industriellen Abwasserreinigung (insbesondere f\u00fcr die untersuchten Regenerate aus Kondensatreinigungsanlagen) bereits bei der derzeitigen Kostenstruktur als aussichtsreich erscheint; ein kommunaler Einsatz erfordert noch eine Kostenoptimierung.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ver\u00f6ffentlichungen:
\n1.\tAndrea Hille, Mei He, Clemens Ochmann, Thomas R. Neu, Harald Horn (2007) Application of biodegradable carriers in a Particle Fixed Biofilm Airlift Reactor, Bioprocess and Biosystems Engineering, wird eingereicht.
\n2.\tAndrea Hille, Mei He, Clemens Ochmann, Thomas R. Neu, Harald Horn (2008), Behaviour of biodegradable carriers in biofilm reactors for treatment of waste water , Wat. Sci. Techn. Eingereicht.
\n3.\tNobert Schwarzenbeck, Clemens Ochmann, Andrea Hille, Mei He, Harald Horn (2007) Aerobe Biofilmaggregate zur Ert\u00fcchtigung von Kl\u00e4ranlagen? ; Berichte aus der Siedlungswasserwirtschaft, Band 192, 189 – 214.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Der Einsatz des Biocompoundverfahrens erm\u00f6glicht eine zeitlich und r\u00e4umlich simultane Nitrifikation und Denitrifikation sowie die Elimination von Kohlenstoffverbindungen, in einem vollst\u00e4ndig bel\u00fcfteten Wirbelbettreaktor. Weiterer Forschungsbedarf besteht im Bereich der Biofilmprozesse, die noch nicht vollst\u00e4ndig erfasst und modelliert werden k\u00f6nnen. Dazu sind weitere Versuchsreihen (z.B. Batchexperimente in Kombination mit der Mikroelektrodentechnik bei verschiedensten Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen) durchzuf\u00fchren. Weiterhin m\u00fcssen alternative (billigere) Materialien f\u00fcr die Matrixkomponente entwickelt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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