Symbiofilter

 

Neuartig, symbiotisch, aquatisch, mehrebig!
Abwasser- und Abluft Aufreinigung

 

Aqua Light

Kurzer Abriss der Unternehmensgeschichte

Seit 1987 hat sich die Aqua Light GmbH über den Aquaristik Großhandel zu einem hoch innovativen, professionellen, mittelständischen Unternehmen entwickelt. Fokus des Unternehmens ist die biologische Wasserreinigung. In Zusammenarbeit mit der Universität Osnabrück wurde der Symbiofilter entwickelt.

Aufbau und Funktionsweise des Symbiofilters:

Der Symbiofilter wird ganzjährig in unseren Breiten in einem Gewächshaus realisiert.

Optimales Wachstum der im Filter eingesetzten Organismen, setzt neben anderen abiotischen Faktoren, unter anderem ideale Strömungsgeschwindigkeit voraus. Anwendungsorientiert werden die Becken mit einer Kombination aus bestimmten Stoffwechselspezialisten angeimpft.

Einige der von uns eingesetzte Arten zur Nitratbeseitigung:
Lemna spec., Oedogonium spec., Spirogyra spec. Scenedesmus spec., Anabaena spec., Azotobacter spec., Thiobacillus emulsuficans und Thiobacillus denitrificas, diverse Wassermoose

Energetische Betrachtung der Filtermodule/Skalierung
Erzeugung der Biomasse:
Für die Erzeugung von Biomasse (BM) in dem neuartigen Filter gilt wie bei vielen Wachstumsprozessen in der Natur der Ansatz: Der zeitliche Zuwachs d(BM)/dt ist proportional zur Anfangskonzentration (BM0) mit einer bestimmten Wachstumskonstante λi für die Pflanzensorte gemäß der Differentialgleichung:

d(BMi)/dt = BM0 x λix t                                                  (1)

Der Lösungsansatz von Gleichung 1 ist:

BMi(t) = BMi0 x exp( λit)                                                (2)

Dabei ist λi = λi(T,I,pH,P,N,v)  eine Funktion der Parameter:

T = Temperatur

I  = Lichtintensität

pH= pH-Wert, hier meist bestimmt durch CO2-Zufuhr, zugleich C-Quelle

P= Phosphorkonzentration

N= Stickstoffkonzentration, als NO3 oder NH4

v=Fliessgeschwindigkeit


In der Biologie wird die Wachstumskonstante oft durch eine Verdopplungszeit tDi angegeben.

Der Zusammenhang ist:

λi = tDi/ ln2                                          

so das sich für t= tDi  eine Verdopplung der Biomassekonzentration ergibt.

Die Entnahme oder Ernte von Biomasse (EB(t) sollte dem Zuwachs entsprechen, um den Filter am Arbeitspunkt zu halten:

EB(t)≤d(BM)/dt                                                                

In dem vorliegenden System verkompliziert sich das Gleichungssystem dadurch, dass es sich um mehrere Arten handelt, die in Symbiose miteinander leben.

Um den Symbiofilter den jeweiligen Größenverhältnissen der unterschiedlichen Anwender anzupassen muss eine Aufskalierung des Filters je nach Betriebsart und Schadstoffbelastung erfolgen. Die Beispielrechnung bezieht sich auf den Gülleabbau in der Masttierhaltung.

Verwendete Abkürzungen:
W =Watt =VA, 1kW =103W, 1Joule (J) =1Ws
h= Stunde 3600s
d= Tag,
y=Jahr=365d
BM =Biomasse=Trockenmasse
BME= Ernte Biomasse

Annahme: mittlere Einstrahlung für Mitteleuropa 1000W/m 2h

Im Jahresmittel Einstrahlung von 10h/Tag, ergibt eine Energie von 10.000Wh/m2d
oder W= 10.000 x 3600 Ws/m2 =3,6 x 107 Joule/m2. Für Weisslicht liegt der Wirkungsgrad für die Photosynthese bei 11%. Damit kann eine Biomasse (BM) mit 3,96 x 106Joule Energieinhalt pro Tag und m2 erzeugt werden. Im Symbiofilter wird die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) verwendet.

Damit ergibt sich eine Obergrenze für die produzierbare Biomasse von 198 g Biomasse/Tag/Quadratmeter.

Bei der geplanten Fläche von 166 qm sind das 32,9 kg am Tag und im Jahr 12 Tonnen.

Biomasse enthält zu 9% Stickstoff. Es können also entsprechend 17,8 g Stickstoff/ Tag und Quadratmeter verarbeitet werden. Für die Gesamte Filterfläche bedeutet das ein jährlicher Stickstoffentzug aus dem Wasser von 1.080 Kg

(Das ist eine konservative Schätzung, bei PAR Strahlung ist der Ertrag in der Regel doppelt so hoch wie bei normalen Tageslichtlampen.)

Betriebskosten:
In unseren Breiten beträgt die mittlere Bestrahlungsstärke durch die Sonne im Winter: 10.000Lux und im Sommer 50.000Lux.

Die Masse eines open top Containers sind: Länge L=12,2m , Höhe H=2,9m und Breite B=2,3m Bei einer Deckenbebauung aus Plexiglas von 12,5mx3m erreichen wir eine Deckfläche von 37,5m2 für die oberste Filterterasse. Innerhalb des Containers soll LED-Pflanzenlicht verwendet werden. Dabei wird erstens nur PAR-Strahlung erzeugt (50% vom natürlichen Spektrum) und zweitens können wir unsere Filterterassen von beiden Seiten, insbesondere von der Wasserseite her beleuchten (spezielle Expertise von Aqualight) Moderne Pflanzen LED´s sind erhältlich mit einer Leistung von 140 lm/W. Damit müssen wir mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von:

6883.9 W oder 6,884 kW rechnen

Bei einer Betriebsdauer von 10h/ Tag oder der optimalen Beleuchtungsdauer unseres biologischen Systems von 10h wären das 68,8kWh pro Tag oder bei einem Preis von 0,23€/kWh Stromkosten für Beleuchtung des Filters von

15,8 €/Tag

Im Jahr sind das 5.767 Euro.

Für den Wasserkreislauf wird eine ATK die mit 75 Watt über 2000 Liter auf 3 Meter Höhe fördert verwendet. Das sind 1800 Watt/Tag oder 1,8 KWh/Tag, also 0,41€/Tag: x 365:  150 Euro/Jahr.

Dem gegenüber steht ein Ertrag durch die Verwertung (Verkauf) von Biomasse in der Höhe 12.000 kg mal 0,3 Euro (Preis für Biomasse) 3.600 Euro.

Die Betriebskosten liegen somit bei rund 5.900 Euro abzgl. eines Biomasseertrags von 3.600 Euro, so dass die resultierenden Kosten rund 2.300 Euro betragen.

Der Symbiofilter kann vom Anwender selbst gewartet werden.

Referenzen zu den obigen Berechnungen:

  1. Ammoniak und Ammonium, Bayrisches Landesamt für Umweltschutz, Seite 8,

Stand 2004(Zitat für Schwellwert 15mg/m3)

  1. Bachelorarbeit von Inga Vanessa Kirstein, 2011, Univ. Duisburg-Essen (Brennwert, Algen)

3 Internet: statistische Zusammensetzung der Biomasse

4 www.dlr.rlp.de: Die Rindergülle optimal in der Grünlandschaft einsetzen“

5.Ewald Grimm,  KTBL (Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft):Anforderungen der TA Luft für den Stallbau

Steuerung der Anlage:

Der Symbiofilter wird in einem bestimmten pH-Bereich betrieben. Regelparameter für pH, Leitfähigkeit und optimale Temperatur wird über Sensoren erfasst und geregelt.

Funktionalitäten und relevante Parameter mit zugehörigem Lösungsweg

Das Gesamtentwicklungsziel ist ein modulares System, dass Abwässer reinigen kann. Dazu haben wir verschiedene Einzelziele realisiert.

Kaskadenförmige Geometrie. Der Symbiofilter besteht aus mehreren Kunstoffbehältnissen, in denen das Wasser raumsparend den Filter durchläuft. Artenbezogen ist die Höhe der einzelnen Filterbecken an Durchflussrate und Sonneneinstrahlung angepasst. Bei der Auslegung der Verrohrung und Dimensionierung und Form der einzelnen Ebenen, wird durch strömungsmechanische Betrachtungen Turbulenzen umgangen und laminare Strömung realisiert. Das neue biologische Filtersystem wird sowohl für hohe als auch niedrige Temperaturen optimiert. Im Winter werden bei herkömmlichen Wurzelholzanlagen nach Stand der Technik die Sprühsysteme eingestellt.

Erntemechanismus. Die entstandene Biomasse wird durch eine energiearme Erntetechnik von der Wasseroberfläche der einzelnen Filterstufen „geerntet“. Diese Oberflächenabsaugung ist sehr wartungsfrei. Automatisierung des Erntesystems ist möglich. Freischwimmendes Plankton wird einfach mitgeerntet. Anschließend wird die Biomasse durch ein Lochbrett vom gereinigten Abwasser getrennt. Die so gewonnene Biomasse wird vom Lochbrett mechanisch abgeschabt und der Weiterverwertung zugeführt.

Verwertbarer Biomasse. Durch den Symbiofilter wird verwertbarer Biomasse aus Abwässern und mit einem Luftwäscher, Abluft aus Mastställen gereinigt. Der Symbiofilter ermöglicht die mechanische Ernte von 32 kg Biomasse pro Tag.

Innerhalb 24 Stunden können folgende Mengen Nährstoffe abgebaut werden:

Stickstoff            2,96 kg

Phosphat            1,56 kg

Um das Ziel zu erreichen, wird stark beanspruchtes Wasser in einem Mischer in eine optimale Konzentration überführt. Der pH-Wert des Wassers im Mischer wird über Zugabe von CO2-haltige Abluft oder durch einen Luftwäscher eingestellt.

Organismen:

Die isolierten Organismen sind zu 100% monoalgal. Die isolierten Organismen sind genetisch identifiziert. Es werden mindestens 6 Gattungen mit je 4 Linien verwendet. Die einzelnen Arten werden mikrobiologisch gezüchtet und identifiziert. Die Artbestimmung erfolgt durch DNA Sequenzierung.

Aqualight entwickelte den Schwefelfilter der unter Lichtabdeckung anaerob arbeitet. Dieser Filter wird mit verschiedene Bakterien aus unserem Labor wie zum Beispiel Thiobacillus emulsuficans und Thiobacillus denitrificas, die Nitrat anaerob abbauen betrieben. Im Symbiolfilter reduzieren wir hohe Mengen von Nitrat auf rein natürliche Weise aus Abwässern.