Kombination eines anaeroben Membranbioreaktors (AnMBR) mit Mikroalgenproduktion zur dezentralen Abwasserbehandlung

Autor: Foix-Cablé, Mathilde
Přispěvatelé: Kraume, Matthias, Technische Universität Berlin, Drews, Anja
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Popis: Most of the world’s inhabitants still do not have access to sanitation facilities, particularly in remote or poor regions. Consequently, efficient solutions for decentralized wastewater treatment are urgently needed. This study investigates the technical feasibility of the coupling of an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) process with microalgae cultivation for decentralized domestic wastewater treatment. The results presented in this work are based on the 327-days operation of an 850-L AnMBR pilot-plant installed in a residential building in Hamburg, Germany, as well as on lab-scale and full-scale experiments conducted with the effluent of the AnMBR process (permeate) and with three microalgae species (Acutodesmus obliquus, Chlorella vulgaris and Chlorella sorokiniana). Over the eight main experimental phases of the AnMBR operation, chemical oxygen demand (COD) concentration in wastewater amounted to between 0.97 and 2.49 g∙L-1. Since between 86 % and 94 % of the COD was removed during the process, this showed a higher performance than other small decentralized wastewater treatment plants (WWTPs) and even competed with conventional German WWTPs. However, the organic loading rate, methane production and the hydraulic retention time were in the lower range of reported AnMBR-related values. This was due to a lower microorganism concentration in the reactor. Overall, 95 - 99 % of total nitrogen (TN) and 79 - 87 % of total phosphorus (TP) present in the wastewater were recovered in the permeate. During the lab-scale and full-scale experiments, the three microalgae species were able to assimilate the nutrients contained in the permeate and grow in this culture medium. Altogether, a similar performance to synthetic fertilizers was achieved. During the lab-scale experiments with Acutodesmus obliquus and Chlorella vulgaris, initial TN and TP concentrations were 64 - 115 mg∙L-1 and 7.1 - 14 mg∙L-1 respectively. During these experiments, a decrease of TN removal and biomass growth was punctually observed. This was due to a lack of iron in the permeate and could be easily counterbalanced by the supply of an iron salt and a chelating agent into the culture. Initial TN and TP concentrations were comparatively higher during the experiments conducted with Chlorella sorokiniana and ranged from 98 to 160 mg∙L-1 and 16 to 37 mg∙L-1 respectively. The reduced TN/TP ratio in the permeate led to an incomplete TP removal. For unfavorable TN/TP ratios, a solution leading to a complete TP removal must be implemented, such as the use of another microalgae species capable of adapting to low TN/TP ratios, pH increase or the use of iron or aluminum salts leading to TP precipitation. During the two full-scale experiments conducted with two flat panel photobioreactors in the fall and summer, ammonium and TP were completely removed. However, TN was totally assimilated only during the summer. The incomplete TN removal during the fall season was caused by the supply of flue gas containing NOx combined with a low irradiance making the assimilation of NOx by the microalgae impossible. Nutrient uptake was usually higher than and biomass production similar to the values for similar light conditions reported in the literature. Overall, the results related to nutrient removal during microalgae cultivation indicate that this new process can compete with conventional WWTPs. In this study, the technical feasibility of the combination of an AnMBR process and microalgae cultivation was proved. If the different processes, especially the cultivation and harvesting of microalgal biomass, are energetically optimized, this new technology will be an adequate solution to the need for efficient decentralized wastewater treatment technologies.
Ein Großteil der Weltbevölkerung hat keinen Zugang zu sanitären Einrichtungen, insbesondere in abgelegenen oder armen Regionen. Daher sind effiziente Lösungen für dezentrale Abwasserbehandlung dringend erforderlich. Diese Studie untersucht die Machbarkeit der Kopplung eines anaeroben Membranbioreaktors (AnMBR) mit Mikroalgenkultivierung zur dezentralen häuslichen Abwasserbehandlung. Die vorgestellten Ergebnisse basieren auf einem 327-Tage langen Betrieb einer 850-L AnMBR Pilotanlage in einem Hamburger Wohnhaus, sowie auf Labor- und Full-Scale-Versuchen mit dem Ablauf des AnMBR Prozesses (Permeat) und drei Mikroalgenarten (Acutodesmus obliquus, Chlorella vulgaris und Chlorella sorokiniana). Während der acht Hauptversuchsphasen des AnMBR-Betriebs betrug der chemische Sauerstoffbedarf (COD) im Abwasser zwischen 0,97 und 2,49 g∙L-1. Mit einer Entfernung des COD zwischen 86 % und 94 % zeigte der Prozess eine höhere Leistung als dezentrale Kleinkläranlagen und kann diesbezüglich auch mit konventionellen deutschen Kläranlagen konkurrieren. Die Leistung bezüglich Raumbelastung, Methanproduktion und hydraulischer Verweilzeit war jedoch im unteren Bereich der Literaturwerte. Dies ist auf eine geringere Konzentration von Mikroorganismen im Reaktor zurückzuführen. Insgesamt wurden 95 - 99 % des gesamten Stickstoffs (TN) und 79 - 87 % des gesamten Phosphors (TP) im Permeat zurückgewonnen. Während der Labor- und Full-Scale-Versuche konnten die drei Mikroalgenarten die Nährstoffe erfolgreich aufnehmen und wachsen. Insgesamt wurde eine ähnliche Leistung wie bei synthetischen Düngemitteln erzielt. Während der Laborversuche mit Acutodesmus obliquus und Chlorella vulgaris lagen die TN- und TP-Konzentrationen zunächst bei 64 - 115 mg∙L-1 bzw. 7.1 - 14 mg∙L-1. Während dieser Experimente wurde zum Teil eine Senkung der TN-Entfernung und des Biomassewachstums durch Eisenmangel im Permeat beobachtet, was durch die Zufuhr eines Eisensalzes und eines Chelatbildners problemlos ausgeglichen werden konnte. Die anfänglichen TN- und TP-Konzentrationen während der Laborversuche mit Chlorella sorokiniana waren im Vergleich höher und betrugen 98 - 160 bzw. 16 - 37 mg∙L-1. Das reduzierte TN/TP-Verhältnis führte zu einer unvollständigen TP-Entfernung. Für ungünstige TN/TP-Verhältnisse sind daher entsprechende Konzepte nötig, wie z.B. die Verwendung einer anderen Mikroalgenart, die sich an niedrige TN/TP Verhältnisse anpassen kann, eine pH-Erhöhung oder die Verwendung von Eisen- oder Aluminiumsalzen um TP-Ausfällungen herbeizuführen. Bei zwei Full-Scale-Versuchen im Herbst und im Sommer mit zwei Flach-Photobioreaktoren wurden Ammonium und TP vollständig entfernt. Allerdings wurde TN nur während des Sommers vollständig aufgenommen. Eine unvollständige TN-Entfernung im Herbst wurde durch die Zufuhr von NOx-haltigem Rauchgas in Verbindung mit schlechten Lichtverhältnissen verursacht. Im Vergleich zu Literaturwerten für ähnliche Lichtverhältnisse war die Nährstoffaufnahme höher und die Biomasseproduktion ähnlich. Bezüglich der Nährstoffentfernung konnte der Prozess mit konventionellen Kläranlagen konkurrieren. In dieser Studie wurde die technische Machbarkeit der Kombination eines AnMBR-Verfahrens mit Mikroalgenkultivierung nachgewiesen. Wenn die verschiedenen Prozesse, insbesondere die Kultivierung und Ernte von Mikroalgenbiomasse, energetisch optimiert werden, wird diese neue Technologie eine adäquate Lösung für den Bedarf an effizienten dezentralen Abwasserbehandlungstechnologien werden.
Databáze: OpenAIRE
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