Projekt 28741/01

Entwicklung eines integrierten Verfahrens zum Einsatz von Algen zur Steigerung der Energiebereitstellung und -effizienz und zur Verringerung der CO2-Emissionen von Vergärungsanlagen

Projektträger

Gesellschaft zur Verwertung organischer Abfälle mbH & Co. KG (GVoA)
Pohlsche Heide
32479 Hille
Telefon: 05703/980241

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Produktion von Algenbiomasse sowohl als Energieträger als auch als Grundlagebiomasse für die chemische und pharmazeutische Industrie ist in den letzten Jahren stark angestiegen. Zurzeit konzentriert sich die Forschung auf die Auswahl der richtigen Algenart und die Optimierung der Photobioreaktoren. Für die Wachstumsmedien werden künstlich hergestellte Nährlösungen eingesetzt, die vorwiegend Phosphat aus fossilen Quellen und energieintensive Stickstoffverbindungen beinhalten. Im Gegensatz dazu sollte das Vorhaben der Bereitstellung nachhaltiger Nährstoffe dienen. Dafür sollte zunächst untersucht werden, inwieweit sich Fermenteroutput von unterschiedlichen Vergärungsanlagen für die Substitution von fossilen Nährstoffen eignet. Des Weiteren lag ein Schwerpunkt in der Behandlung von Deponiesickerwässern. Die darin enthaltenden Schadstoffe, wie Schwermetalle sollten gebunden und enthaltende Stickstofffrachten reduziert werden, um Kosten für deren Behandlung zu senken.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenLiteraturrecherche zur Auswahl geeigneter Salzwasseralgen und Photobioreaktoren
Aufbau einer Versuchsanlage
Labortechnische Untersuchungen in folgenden Bereichen:
Nährstoffversorgung der Algen
Wachstumsgeschwindigkeit und Biomassezuwachs
Kohlenstoffdioxidversorgung
Ernte der Algenbiomasse
Eliminierung von Schwermetallen und Schadstoffen aus Sickerwässern
up-Scale Versuche
Interpretation der Ergebnisse und Planung einer halbtechnischen Anlage
Aufbau halbtechnische Anlage zur Erzeugung von Biomasse bzw. zur Reinigung der Abwässer


Ergebnisse und Diskussion

Zunächst bestand die vorrangige experimentelle Aufgabe darin, geeignete Algen zu finden und deren Eignung für ein ungehemmtes Wachstum in den hochgradig verschmutzten Abwässern zu überprüfen.
Als Modellorganismus für die Laborsimulationen wurde die Mikroalge Nannochloropsis salina ausgewählt. Der Organismus zeichnet sich durch folgende Vorteile aus:
seine Wachstumsbedingungen sind besonders gut bekannt,
sein schnelles Wachstum, seine hohen Erträge und vor allem sein robuster Stoffwechsel prädestinie-ren ihn für einen Einsatz in hoch belasteten Abwässern,
limnische Fraßfeinde (Zooplankton) fehlen völlig.

In der anschließenden halbtechnischen Phase wurden zusätzlich natürliche Mischbiozönosen (in erster Linie Fadenalgen) in die Untersuchungen mit einbezogen. Dabei stand die Frage nach einer kostengünstigen Biomasse-Rückhaltung im Vordergrund.
Im Rahmen von mehreren Versuchsreihen wurde im ersten Schritt eine Substitution der Hauptnährstoffe Phosphat und Stickstoff durch Deponiesickerwasser und Fermenteroutput experimentell untersucht.
Im Einzelnen konnten folgende Ergebnisse erzielt werden:
1. Eine Massenentwicklung der Mikroalge Nannochloropsis salina ist sowohl in Deponiesickerwasser wie auch Fermenterinput möglich. Im Zuge dieser Algenentwicklung werden unter anderem die Nährstoffe Phosphat und Stickstoff vollständig in die Biomasse überführt.
2. Dabei kann der für das Wachstum erforderliche Stickstoff vollständig und das Phosphat bis zu 75 % durch Deponiesickerwasser substituiert werden.
3. Für ein optimales Massenwachstum der Mikroalgen ist eine CO2-Begasung mit 1,5 % CO2 erforderlich. In der Praxis kann dies mit Hilfe der Abgase aus der Biogasverstromung erreicht werden und damit ein zusätzlichen Beitrag zur Emissionsminderung bewirkt werden.
4. Als maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Mikroalge N. salina konnte eine Generationszeit von g = 37 h gemessen werden, d.h. die Biomasse verdoppelt sich etwa alle 1,5 Tage unter Laborbedin-gungen. Theoretisch ist dieser Wert noch bis auf g = 23 h steigerungsfähig.
5. Die N-Elimination des Deponiesickerwassers erfolgt am schnellsten, wenn der Stickstoff als Ammonium vorliegt.
6. Die P-Elemination des Sickerwassers ist ebenfalls ganz außergewöhnlich hoch. Im Vergleich mit kommunalen Kläranlagen (8 - 10 mg/l PO43- Phosphat), lässt sich erkennen, dass N. salina etwa die vierfache Menge Phosphat aufnehmen kann.

Als einzige Hemmfaktoren des Deponiesickerwassers haben sich der hohe Trübstoffanteil sowie die Eigenfärbung herausgestellt. Beide Faktoren führen zu deutlichen Lichtverlusten und bewirken, dass das Sickerwasser nicht unverdünnt als Substrat eingesetzt werden kann. Dieser Tatsache muss Rechnung getragen werden und könnte beispielsweise durch eine Reaktorform mit vollständiger Durchmischung begegnet werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Eine Präsentation über das Projekt erfolgte im Rahmen der Praxistagung Deponie am 04.12.2012 in Hannover-Langenhagen. Das Projekt wurde zudem auf der Messe Energie und Umwelt in Minden-Lübbecke im Januar 2013 vorgestellt. Eine Publikation in der Fachzeitschrift Müll und Abfall befindet sich in Vorbereitung.


Fazit

Die generelle Eignung des Systems Mikroalge/Deponiesickerwasser konnte mit dem durchgeführten Projekt bereits nachgewiesen werden. Damit ist der Weg frei, die verfahrenstechnischen Bedingungen weiter zu optimieren und die technisch, wirtschaftliche Machbarkeit des Vorhabens zu verifizieren. Folgende Punkte sollten dabei vorrangig untersucht werden:
1. Optimierung des flächenbezogenen Biomasseertrages,
2. Optimierung des flächenbezogenen Biogas- und Energieertrages,
3. Entwicklung eines ökonomischen Biomasserückhalte(-rückführungs-)systems,
4. energetische und wirtschaftliche Bilanzierung der Algenbiomasseproduktion auf der Deponie Pohlsche Heide,
5. Bilanzierung der Emissionsminderung sowie Ressourceneffizienz.