Projekt 18678/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Stickstoffelimination aus kommunalen Abwässern mit Hilfe einschlussimmobilisierter Bakterien sowie zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs von Kläranlagen

Projektträger

geniaLab (R) Bio Technologie - Produkte undDienstleistungen GmbH
Büchnerstr. 7
38118 Braunschweig
Telefon: 0531/129998-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Nitrifikation in kommunalen Kläranlagen wird zur Zeit durch eine unselektive Schlammrückführung und vergleichsweise starke Belüftung erzielt. Hierdurch wird neben der gewünschten Ammoniumoxidation ein bedeutender Anteil des vorliegenden Kohlenstoffs durch heterotrophe Mikroorganismen ungewollt oxidiert, sodass er in der anschließenden Denitrifikationsstufe nicht mehr zur Verfügung steht. Besonders in der kalten Jahreszeit erfordert das langsame Wachstum der nitrifizierenden Bakterien ein hohes Schlammalter.
In einer Pilotanlage soll untersucht werden, ob durch den selektiven Einschluss von Nitrifizierern in synthetische Hydrogele die Nitrifikationsleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Belüftung erhöht werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine stabile, natürliche Mischkultur von Nitrifizierern wird extern angezogen und die Zellen anschließend in ein synthetisches Hydrogel auf Basis von Polyvinylalkohol unter schonenden Bedingungen bei Raumtemperatur eingeschlossen. Innerhalb der entsprechenden Immobilisate können sich die Zellen vermehren, sind geschützt und können selektiv im Nitrifikationsbecken zurückgehalten werden.
Im Bypass zu einer im Betrieb befindlichen Kläranlage soll eine Pilotanlage aufgebaut werden, in der entsprechende Immobilisate eingesetzt und auf ihre Aktivität untersucht werden. Zum einen sollen hierfür die Immobilisate selber optimiert werden, zum anderen sollen die Auswirkungen unterschiedlicher Fahrweisen bzgl. Verweilzeit und Belüftungsraten- und profilen untersucht werden.
Eine Gesamtbilanz soll aufzeigen, inwieweit der Einsatz entsprechend verkapselter Bakterien den Betrieb einer Kläranlage durch Energieeinsparung rentabler machen kann.


Ergebnisse und Diskussion

Die Versuche in der Pilotanlage haben gezeigt, dass Immobilisate auf Basis von Polyvinylalkohol nach Dichteerhöhung mit Quarzsand ohne Sieb sowohl im Prallstrahlreaktor als auch im Schlaufenreaktor sicher zurückgehalten werden können. Dies gilt für linsenförmige als auch für kugelförmigen Immobilisate.
Unter Verwendung des Prallstrahlreaktors zeigte sich nach fünfmonatigem Dauerbetrieb eine Abnahme der Füllhöhe der sedimentierten Linsen im Reaktor. Mikroskopische Untersuchungen zeigten deutliche Deformierungen und Abscherungen der Linsen, sowie wenige oder nur schwach ausgebildete Kolonien innerhalb der Immobilisate. Dieses kann darauf zurückzuführen sein, dass die Kreislaufpumpe die Linsen trotz des großen Kugeldurchgangs zerteilt. Da jedoch das Zerschneiden der Gesamtheit der Linsen ein langsamer Prozess zu sein scheint, war er in den Vorversuchen zum Betrieb des Prallstrahlreaktors nicht ersichtlich. Es wurde daher auf einen Schlaufenreaktor gewechselt, da dieser keinen entsprechenden Pumpendurchgang für die Immobilisate erfordert. Außerdem wurde von der am äußeren Rand relativ angreifbaren Linsenform auf die Kugelform für die Immobilisate gewechselt.
Beim kontinuierlichen Betrieb des Schlaufenreaktors zeigte sich im Gegensatz zu der erwarteten und gewünschten Steigerung des Ammoniumabbaus auch über einen langen Zeitraum keine wesentliche Veränderung. Da die Immobilisate direkt nach der Herstellung eine der eingesetzten Fermenterkultur entsprechende Aktivität hatten, muss es Gründe geben, die innerhalb des Praxiseinsatzes eine Vermehrung der Zellen innerhalb der Gelmatrix verhinderten.
Um zu klären, welche Einflüsse auf die verkapselten Zellen wirken, wurden Immobilisate mikroskopisch untersucht und in Labor definierten Aktivitätstests unterworfen. Hierbei wurden folgende Beobachtungen gemacht:
1. Auf den Immobilisaten hatte sich ein stabiler Biofilm gebildet, der durch die mechanischen Kräfte im Schlaufenreaktor nicht abgeschert wurde; erst im Laborversuch beim Rühren mit einem Magnetkern - eine sehr abrasive Methode - löste er sich ab.
2. Die (geringe) Nitrifikationsleistung, die die Immobilisate zeigten, blieb auch nach Abtrennung des abgescherten Biofilms erhalten. Es handelte sich also tatsächlich um die Abbauleistung der eingeschlossenen Zellen.
3. Innerhalb der Immobilisate waren nur relativ wenige Kolonien entstanden.
Insgesamt haben die Versuche gezeigt, dass die gewählte Form der Verkapselung in Polyvinylalkoholhydrogele zu sehr stabilen Produkten führt, die nur durch stark scherende Belastung zerstört werden können. Das Konzept der Hauptvermehrung der Biomasse direkt im Abwasserstrom ließ sich nicht realisieren. Es gelang nicht, die Biomasse in ausreichend hoher Konzentration zu etablieren.
In einer Modellkalkulation wurde gezeigt, dass sich das oben beschriebene Konzept finanziell rechnet, da die Mehrkosten durch die Herstellung der Immobilisate durch die zu erzielende Energieeinsparung


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt wurde bei folgenden Gelegenheiten der Öffentlichkeit vorgestellt:
· Encapsulation Workshop 2002, Vortrag und Proceedings Significant reduction of energy consumption for sewage treatment by using LentiKat® encapsulated nitrifying bacteria, Landbauforschung Völkenrode, Sonderheft 2002
· Enviro 2002, Vortrag und Proceedings Pre-Nitrification By Encapsulated Nitrifiers - A Possibility For Self-sufficient Energy Operation Of Domestic WWTPs, Melbourne, Australien April 2002, Water Science and Technology 47 (11) 2003
· Environmental Biotechnology, Vortrag und Proceedings Advanced Nitrogen Elimination By Encapsulated Nitrifiers, Palmerston, Neuseeland April 2002, Water Science and Technology 48 (8) 2003
· Terratec, Leipzig März 2003, Messe Flyer und Ausstellungsstück


Fazit

Das Ziel einer energiereduzierten Nitrifikation auf Basis immobiliserter Nitrifizierer scheint aus unserer Sicht weiterhin erreichbar. Folgende Schritte sind hierfür notwendig:
· Vermeidung der Biofilmbildung auf den Immobilisaten durch Optimierung des Reaktorkonzepts
· Voranzucht der Biomasse innerhalb der Immobilisate unter optimalen Bedingungen
· Kombination dieser beiden Schritte

Übersicht

Fördersumme

95.199,99 €

Bundesland

Niedersachsen

Schlagwörter

Umwelttechnik