Steigerung der Stickstoffentfernung in Algenabwasserteichen

Abwasserteiche können in gewissen Grenzen Kohlenstoff und Stickstoff aus dem Abwasser entfernen. Algen kommen in der Natur vor, deshalb geht nur ein überschaubarer Umweltschaden von ihnen aus. Wie jede Pflanze können Algen Ammonium als Nährstoff direkt für den Zellaufbau verwenden. Vorhergehende Untersuchungen konnten zeigen, dass für jede produzierte Tonne Algenbiomasse (Trockenmasse), 1,3 bis 1,8 Tonnen Kohlenstoffdioxid assimiliert oder verbraucht werden. Die im Wasser unter günstigen Lichtbedingungen wachsenden Algen treten mit aeroben Bakterien in eine für beide Seiten vorteilhafte Beziehung. Die Algen nutzen Kohlenstoff aus der Luft und absorbieren die Nährstoffe, die durch aeroben bakteriellen Abbau organischen Materials entstehen. Gleichzeitig geben die Algen Sauerstoff durch Photosynthese frei. Der von den Algen produzierte Sauerstoff ist dabei der wichtigste Faktor für das autotrophe aerobe Bakterienwachstum, für die Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe und für den Abbau des organischen Materials. Auf diese Weise können geeignete Bedingungen für das Wachstum von autotrophen nitrifizierenden Bakterien erzeugt werden. Mit diesem Wissen entstand die Idee, das Wachstum von Algen in Abwasserteichen zu erhöhen, um einen gesteigerten Ammoniumabbau zu erzielen. Diese Studie enthält zwei Untersuchungen im Labormaßstab. Die erste Studie beinhaltet Algen- und Wasserlinsenexperimente und die zweite Studie umfasst den Algenreaktor mit Strömungsleitplatten. Diese Experimente wurden durchgeführt, um die Wirkung verschiedener Konfigurationen auf die Ammoniumentfernungsleistung zu bestimmen und zu vergleichen. Im Ergebnis produzierten die Algenreaktoren mit Strömungsleitplatten sehr hohe Sauerstoffkonzentrationen von etwa 6 mg O2/l. In dem Algenreaktor mit der Strömungsleitplatte wurden ca. 90% der NH4+-N-Konzentration (von den 67 mg NH4+-N/l im Zulauf), 81% des CSB’s und 86-89% des BSB5’s eliminiert. Dafür wurde kein Belüftungssystem verwendet und es wurde kein CO2 zugeführt. Weiterhin zeigte die Untersuchung, dass der Schlamm aus dem System rechtzeitig (mindestens alle drei Wochen) entfernt werden muss, damit die Effizienz der Ammonium-Stickstoff-Entfernung nicht reduziert wird. Dieser Effekt kann durch den Abbau der Biomasse erklärt werden, der die Nährstoffe wieder in die Wasserphase überführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Versuchsdesigns weisen darauf hin, dass Licht- und Temperaturbedingungen sowie das Rückführverhältnis die wichtigsten Faktoren sind, um die Reinigungsleistung zu erhöhen. Die Nitrifikations-, Denitrifikations- und Assimilationsprozesse sind die wichtigsten Mechanismen zur Stickstoffentfernung in den Algen/Wasserlinsen-Experimenten und dem Algenreaktor mit den Strömungsleitplatten. Diese Promotion verdeutlicht die Eignung von Algen für die Abwasserreinigung. Auf diese Weise können die Algenreaktoren zum Schutz von Gewässern und Süßwasserressourcen beitragen. Außerdem ermöglicht dieses technisch einfache System die Reduktion der Abwasserbehandlungskosten. Die erzeugte Algenbiomasse kann verwendet werden, um beispielsweise Bioenergie sowie Dünger für die Landwirtschaft zu produzieren.Algae have a minimum environmental impact. Like a plant, algae can directly use ammonia as a nutrient for their growth. It is proved that for every ton of algae biomass (drying weight) produced, 1.3 to 1.8 tons of carbon dioxide has been either biologically fixed, or consumed. The algae grow on wastewater under adequate light conditions establish a mutually beneficial relationship with aerobic bacteria. The algae utilize carbon and nutrient produced through aerobic bacterial by degradation of organic matter. The algae subsequently release oxygen by photosynthesis. Thus, suitable conditions for autotrophic bacteria growth and its assimilation of ammonia nitrogen can be created. Knowing this, the idea came up to use algae to reduce ammonia concentration in wastewater. This study includes two investigations on a laboratory scale. The first setup was established for algal and duckweed experiments; the second are two differently baffled algal reactors. These experiments have been implemented to determine and compare the effect of different setups on ammonia removal efficiencies. As a result, the baffled algal reactors produced very high oxygen concentration of approximately 6 mg O2/l. The oxygen produced by the algae is the most important factor for autotrophic, aerobic bacterial growth, substances oxidation and decomposition of detritus. In the baffled algal reactors approximately 90% of 67 mg NH4+-N/l in the influent, 81% of COD and 86-89% of BOD5 removal efficiencies were observed without any aeration systems or CO2 addition. Furthermore the research revealed that, if the sludge is not removed from the system on time (every three weeks at least), the efficiency of ammonia nitrogen elimination will reduce. This effect could be explained by an increased decay rate of organisms and the recycling of organic matters into the water body. From the investigations with different experimental conditions and different designs, it could be indicated that light regimes, temperature conditions and effluent recycling are the important factors to increase substances removal efficiency from municipal wastewater. The nitrification, denitrification and assimilation processes were the major mechanisms for ammonia nitrogen removal in both algal/duckweed experiments and baffled algal reactors. This study emphasized the feasibility of algae for wastewater treatment. The algal treatment ponds can contribute to the protection of natural water bodies and fresh water resources. In addition, these technically simple systems can reduce the wastewater treatment costs. The produced algal biomass can be used to produce e.g. bio energy or fertilizer for agriculture