DONALD – Fischzucht mit Denitrifikation (Denitrification Of Nitrate using Anaerobic Liquid fish-faeces Digestion DONALD)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 563.21.17

Schlüsselwörter (Deutsch)

Fischzucht, Denitrifikation, Kreislaufanlagen, C-Quelle

Kurzbeschreibung (Deutsch)

 In Fischzucht-Kreislaufanlagen fallen organischer Schlamm aus Fischkot, Futterresten und bakterieller Biomasse sowie nitratreiches Abwasser als Abfall an. Damit das Nitrat das Abwasser nicht belastet, wird es sinnvollerweise vor Ort denitrifiziert. Die bestehenden Technologien zur Denitrifikation sind aber teuer und sie benötigen zugeführten Kohlenstoff in Form von Methanol, Ethanol oder Essigsäure.
Ziel des vorliegenden Projektes ist es, ein Verfahren zur Denitrifikation zu entwickeln, bei dem der anfallende Schlamm als C-Quelle genutzt wird und die beiden Abfallströme so verbunden werden. Dafür soll ein Reaktor – genannt DONALD Reaktor– entwickelt werden, in dem der schwer abbaubare Anteil des Schlamms über verschiedene Schritte in leicht abbaubare C-Verbindungen (flüchtige Fettsäuren) umgewandelt wird und so als C-Quelle für die Denitrifikation verfügbar gemacht wird. Das DONALD-Verfahren besteht aus dem DONALD-Reaktor und einem anschliessenden gängigen Denitrifikationsreaktor. Es sollen zwei Lösungsansätze verfolgt werden: ein High-Tech- Ansatz in zwei Varianten und ein Low-Tech-Ansatz. Grundsätzlich wird bei allen Verfahren der Schlamm zuerst in einem Becken gelagert, in dem der biologische Abbau geschieht. Anschliessend wird das als C-Quelle verwendete Permeat mit einem Filtrationsverfahren abgetrennt. Das zurückbleibende Retentat wird bei den High-Tech Varianten in das Becken zur Vorbehandlung zurückgeführt, in der Low-Tech-Variante nach einer gewissen Aufenthaltszeit aus dem System entfernt. Für die High-Tech-Lösung kommt der Schlamm zuerst in einen Schwebebettreaktor. Anschliessend wird er entweder mittels Ultraschall und Druckfiltration weiterbehandelt oder nur mit Vakuumfiltration aufgetrennt. Bei der Low-Tech-Variante wird ein Schlammsammelbecken mit optimalen Verhältnissen für den organischen Abbau eingesetzt. Die flüssige Phase wird anschliessend mit einem Bandfilter (Porengrösse 200µm) abgetrennt. Die für die Denitrifikation verfügbare C-Menge wird geringer sein als bei den High-Tech-Varianten. Aber die Menge an ausgetauschtem Wasser in der Fischzucht wird kleiner und die Nitratfracht damit reduziert.
Schwerpunkt des vorliegenden Projektes ist die technische Machbarkeit und Bestimmung der besten Variante zur Vorbehandlung des Schlamms für die anschliessende Denitrifikation. Falls die Machbarkeit mit einer bestimmten Variante erwiesen ist, soll das Verfahren in einem Folgeprojekt bis zur Marktreife entwickelt werden.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Der Denitrifikationsreaktor ist betriebsbereit für die Versuche. Verschiedene Betriebsarten und Kohlenstoffquellen wurden untersucht und die für die Leistungsfähigkeit optimalen Betriebsparameter sind gefunden.

 

2. Die beiden «High-Tech» Varianten Schwebebettreaktor zur Vergärung mit anschliessender Druckfiltration (Variante 1) bzw. Schwebebettreaktor mit Vakuumfiltration (Variante 2) sind gebaut und in Betrieb genommen. Erste Abschätzungen zu geeigneten Betriebsparameter und Einstellungen sind gemacht.

 

3.  Die Low-Tech Variante des anaeroben Vergärungsreaktors mit Bandfiltration ist gebaut und in Betrieb genommen. Die Messreihen sind für alle Varianten durchgeführt, und die Menge an verfügbarem Kohlenstoff im Filtrat ist bestimmt. Meilenstein 1

 

4.  Die optimalen Betriebsparameter welche zum maximalen Umbau von Primärschlamm zu Fettsäuren führt sind für beide Reaktoren respektive die drei Filtrationstypen bestimmt. Das Resultat ist reproduzierbar. Die entstehenden Permeate wurden im Denitrifikationsreaktor auf ihre Denitrifikationsleistung untersucht.

 

          5.   Redaktion eines Schlussberichtes mit Darstellung der Ergebnisse aus 1. bis 4.

 

6.   Bereitstellung von Textbausteinen, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 3) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen

 

          7.   Präsentation der Ergebnisse an einem wissenschaftlichen Kolloquium beim BAFU mit entsprechender Power-Point Darstellung

Projektziele (Deutsch)

Der DONALD-Reaktor zur Schlammvorbehandlung ist in zwei High-Tech- und einer Low-Tech-Variante entwickelt. Die High-Tech Varianten werden an der ZHAW Wädenswil und die Low-Tech Variante im Tropenhaus Frutigen getestet. Im anschliessenden Denitrifikationsreaktor eingesetzt, können die Schlämme die Nitratfracht im Abwasser der Fischzucht um 95% (High-Tech Varianten ) bzw. 80% (Low-Tech- Variante) reduzieren.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Der hier geprüfte DONALD-Prozess sieht vor, den in einer Fischzucht anfallenden Schlamm als Kohlenstoffquelle für eine Denitrifikation des anfallenden Nitrats zu nutzen. In der hightech Variante des Prozesses wird der Schlamm teilvergärt, um die Verfügbarkeit der organischen Substanz zu verbessern. In der lowtech Variante wird ein geeignetes Filtrat direkt aus der Schlammeindickung der Fischzucht bezogen.
Die hightech Variante des DONALD-Prozesses konnte erfolgreich Fischzuchtschlamm vergären, ultrafiltrieren und in einem Labor-Denitrifikationsreaktor einsetzen. Die Teilvergärung fiel nicht völlig zufriedenstellend aus und die im Schlammabbau erreichten Werte waren tiefer als erwartet. Dies ist einerseits mit logistischen Umständen erklärbar (der Schlamm war bereits vorvergärt) und andererseits auf eine mangelnde Optimierung des Prozesses zurückzuführen. Beides sind lösbare Probleme.
Das für die lowtech Variante verwendete Filtrat erwies sich als für die Denitrifikation ungeeignet, da der nutzbare Anteil an organischer Substanz zu tief war. Es konnten keine anoxischen Bedingungen in den Denitrifikationsreaktoren erreicht werden.
Mit den in den Versuchen gemessenen Werten könnten in einer 100-t Anlage der Wasseraustausch um 24.2 %, die Nitrat-Emission um 34.5 %, die Schlammmenge um 24% und das Schlammvolumen um 80 % reduziert werden. Werden realistische Optimierungen angenommen, könnte problemlos das
gesamte anfallende Nitrat reduziert werden.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Mittelfristig tragen die Resultate dazu bei, dass der DONALD-Prozess zu einer technologisch umsetzbaren und wirtschaftlich tragbaren Technologie entwickelt werden kann. Dafür muss die Schlammvergärung weiter optimiert werden. Dadurch wird langfristig dazu beigetragen, dass die Stickstoff- und Schlammemissionen (Umweltauswirkungen) von Kreislaufanlagen signifikant reduziert werden können. Ebenfalls zeigen erste Berechnungen, dass die Wirtschaftlichkeit des DONALD-Prozesses attraktiv ist und Einsparungen ermöglicht.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Bei beiden geprüften Variante liegt das Optimierungspotential bei der Verfügbarmachung von leicht abbaubarer organischer Substanz. Die Resultate der anschliessenden Denitrifikation sind sehr gut. Die verbleibende Herausforderung der hightech Variante liegt in der mangelnden Abbauleistung, die im Vergärungsreaktor erreicht werden kann. Jene der lowtech Variante ist der zu tiefe Anteil an Kohlenstoff im Substrat.
Die low- und hightech Variante sollen kombiniert weiter entwickelt werden. Zuerst sollen in Laborversuchen die optimalen Bedingungen für eine anaerobe Vergärung von Fischschlamm gefunden werden (pH, TS-Gehalt, Temperatur, Animpfen des Substrates). Dann soll mit Schlamm gearbeitet werden der direkt nach dem Trommelfilter bezogen wird, was die Leistung der anaeroben Vergärung erhöht und keine zusätzliche Schlammeindickung benötigt.