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Entwicklung eines Verfahrens zur Stickstoffelimination aus kommunalen Abwässern mit Hilfe einschlussimmobilisierter Bakterien sowie zur Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs von Kläranlagen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Die Nitrifikation in kommunalen Kläranlagen wird zur Zeit durch eine unselektive Schlammrückführung und vergleichsweise starke Belüftung erzielt. Hierdurch wird neben der gewünschten Ammoniumoxidation ein bedeutender Anteil des vorliegenden Kohlenstoffs durch heterotrophe Mikroorganismen ungewollt oxidiert, sodass er in der anschließenden Denitrifikationsstufe nicht mehr zur Verfügung steht. Besonders in der kalten Jahreszeit erfordert das langsame Wachstum der nitrifizierenden Bakterien ein hohes Schlammalter. In einer Pilotanlage soll untersucht werden, ob durch den selektiven Einschluss von Nitrifizierern in synthetische Hydrogele die Nitrifikationsleistung bei gleichzeitiger Verringerung der Belüftung erhöht werden kann. Fazit: Das Ziel einer energiereduzierten Nitrifikation auf Basis immobiliserter Nitrifizierer scheint aus unserer Sicht weiterhin erreichbar. Folgende Schritte sind hierfür notwendig: Vermeidung der Biofilmbildung auf den Immobilisaten durch Optimierung des Reaktorkonzepts - Voranzucht der Biomasse innerhalb der Immobilisate unter optimalen Bedingungen - Kombination dieser beiden Schritte

Wechselwirkungen zwischen N2-Fixierung und Denitrifizierung in einem Erdsystem-Modell mit flexibler Stöchiometrie und deren Einfluss auf das marine Stickstoffinventar in einem sich wandelnden Klima

Der Schlüssel zu Verständnis und Projektion des künftigen Stickstoffinventars des Ozeans und der Veränderung der Biologischen Pumpe im globalen Klimawandel liegt in der Frage, wie und wie stark die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff und die Denitrifizierung im Ozean gekoppelt sind. Während in bisherigen Modellstudien Stickstofffixierung und Denitrifizierung eng gekoppelt sind, zeigt ein neu entwickeltes optimalitätsbasiertes Ökosystemmodell mit flexibler Stöchiometrie (OPEM) im globalen UVic-ESCM eine deutlich schwächere Kopplung. In diesem Projekt sollen die Faktoren und Mechanismen, die die Kopplung steuern, identifiziert und ihre Veränderung in ver- schiedenen Klimaszenarien untersucht werden. Hierzu wird OPEM in einem vorindustriellen Szenario, einem Szenario der Maximalphase der letzen Eiszeit und einem heutigen Szenario angewendet und die Sensitivität der Modellergebnisse in Bezug auf das ozeanische Stickstoffinventar und die biolo- gische Kohlenstoffpumpe bewertet. Das Ziel des Projekts ist es, die Steuerungsprozesse des marinen Stickstoffinventars genauer abzubilden, um bessere Projektionen der biogeochemischen Kreisläufe im Ozean und ihrer Auswirkungen auf den CO2-Gehalt der Atmosphäre zu ermöglichen.

Biogeochemie von Spurenelementen im Südost-Atlantik; ein deutscher Beitrag zum internationalen GEOTRACES-Programm

Unsere bewilligte Forschungsfahrt M121 mit FS Meteor im Südostatlantik wird im November/Dezember 2015 stattfinden. Mit dem vorliegenden Antrag beantragen wir Mittel für Personal zur Teilnahme an der Fahrt und Kosten für die Auswertephase nach der Fahrt. Der Fokus des Projektes liegt auf der Biogeochemie und chemischen Ozeanographie von Spurenmetallen, wofür aber auch physikalische und biologisch-ozeanographische Informationen gesammelt werden. Die Untersuchungsschwerpunkte sind die detaillierte Erfassung der Verteilung von Spurenelementen in der Wassersäule des Südostatlantiks, die Untersuchung von Eintrags- und Austragsmechanismen, die biogeochemischen Zyklen dieser Spurenelemente, und deren Zusammenhänge mit dem Stickstoffkreislauf im Untersuchungsgebiet. Die Ausfahrt wird als offizieller Bestandteil in das international koordinierte GEOTRACES-Programm eingebettet sein. Der erste Schwerpunkt wird die detaillierte Untersuchung der Verteilung der Spurenelemente in der Wassersäule des Benguela-Auftriebs sein, von denen einige als limitierende Mikronährstoffe der Bioproduktivität und der Diazotrophie fungieren. Wir werden die Beziehung zwischen Makro- und Mikronährstoffkonzentrationen und den Flüssen dieser Nährstoffe untersuchen sowie die Beziehung zur biologischen Produktivität und dem Stickstoffzyklus. Die Spurenmetallverteilung soll auch mit der Verteilung und Mischung der Wassermassen im Benguela-Auftriebsgebiet und deren Eigenschaften in Verbindung gebracht werden, insbesondere den Sauerstoffgehalten und dem Austausch mit dem anoxischen Schelf. Weiterhin werden wir den Eintrag und die Eintragswege der Spurenmetalle über Staub (Wüste Namib), Sediment und große Flüsse (hauptsächlich Orange und Kongo) erfassen. Den Abschluss der Projektarbeiten wird die Verteilung der Spurenmetalle in der gesamten Wassersäule im offenen Ozean des Südostatlantiks als Funktion der großskaligen Ozeanzirkulation und Wassermassenmischung sein; diese Arbeiten werden in enger Kooperation mit J. Scholten und M. Frank (Kiel) stattfinden, die einen komplementären Antrag einreichen. Die Arbeiten dieses Projektes haben eine Bedeutung für das globale Verständnis der Rolle unterschiedlicher Prozesse, die die chemischen Umweltbedingungen im Ozean, mit dem Fokus auf Spurenmetalle, steuern und in denen die Ökosysteme funktionieren.

Nitratreduzierende mikrobielle Gemeinschaften aus porösem Gestein und Klüften im verkarsteten und geklüfteten Grundwasserleiter des Einzugsgebiets der Bronnbachquelle (Südwestdeutschland)

Verkarstete, zerklüftete unterirdische Aquifere sind wichtige Trinkwasserquellen. Der Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft hat jedoch zu einer Nitratinfiltration geführt. Der Konsum von nitrathaltigem Trinkwasser könnte zu gesundheitlichen Problemen führen, und die Europäische Union hat festgelegt, dass die Stickstoffkonzentration im Trinkwasser weniger als 50 mg/L betragen muss, um trinkbar zu sein. In landwirtschaftlich genutzten Regionen liegen die Nitratkonzentrationen jedoch häufig über diesem Grenzwert. So wurden beispielsweise im Einzugsgebiet der Ammer (Deutschland) Nitratkonzentrationen von bis zu 60 mg/l gemessen, während die Abflussgebiete nur 1 mg/l Nitrat enthielten. Diese Konzentrationsunterschiede lassen auf eine intensive Denitrifikation schließen. In unterirdischen oligotrophen Umgebungen können Mikroorganismen die Nitratreduktion mit der Eisen-/Schwefeloxidation koppeln. Die Bestimmung räumlicher Hot Spots, in denen Mikroben eine wichtige Rolle bei der Denitrifikation im Untergrund spielen, ist eine Herausforderung, und es ist daher nicht bekannt, ob die Denitrifikation nur in Klüften oder auch in der porösen Gesteinsmatrix stattfindet. Wir haben Gesteinskerne aus 70 m Tiefe entnommen - der gesättigten Zone der Bronnbachquelle (Deutschland). Das einzigartige Bohrloch ohne Verrohrung diente der Errichtung einer Grundwassermessstelle. Das erste Ziel dieses Projekts besteht darin, die Taxonomie und die funktionellen Fähigkeiten der denitrifizierenden Mikroorganismen zu bestimmen, die das Karbonatgestein bewohnen. Das zweite Ziel ist die Charakterisierung der mikrobiellen Besiedlung Pyrit-haltiger künstlicher und natürlicher poröser Gesteinsmatrixen und der Pyritoxidationsrate durch Laborexperimente. Für diese In-vitro-Studie werden Mikroorganismen verwendet, die zuvor aus Karbonatgestein angereichert wurden und die die Nitratreduktion mit (Eisen/Schwefel)-Oxidation verbinden. Das dritte Ziel besteht darin, die In-situ-Pyrit-Oxidationsrate in den künstlichen und natürlichen porösen Gesteinsmatrixen zu bestimmen. Dies wird durch die langfristige Inkubation von Pyrit-haltigen mikrobiellen Fallen (MTDs; mit Gesteinsmatrixen) im neu installierten Grundwasserbrunnen und durch die Überwachung der Veränderungen in der Zusammensetzung und der Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften, die die MTDs besiedeln, erreicht. Mittels der kombinierten Ergebnisse der Feld- und Laborarbeiten werden wir Folgendes ermitteln: i) die ökologischen Nischen der nitratreduzierenden Mikroorganismen im Grundwasserleiter des Einzugsgebiets der Bronnbachquelle, ii) die wichtigsten Mikroorganismen, die für den Nitratumsatz verantwortlich sind, iii) die Stoffwechseleigenschaften und Funktionen der nitratreduzierenden Mikroorganismen, iv) das Potenzial der Denitrifikanten, die poröse Gesteinsmatrix zu besiedeln, v) die Faktoren, die die Effizienz der Denitrifikation beeinflussen, und v) die Pyritoxidationsrate innerhalb der porösen Gesteinsmatrix.

Nährstoffrückgewinnung aus Klärschlamm

Der Abwasserverband Braunschweig optimiert mit einer technischen Innovation die Energiebilanz seiner Kläranlage und gewinnt wertvolle Nährstoffe aus dem Klärschlamm zurück. Das Bundesumweltministerium fördert dieses Vorhaben mit knapp 2 Millionen Euro aus dem Umweltinnovationsprogramm. Ziel des Vorhabens ist eine energetisch optimierte Schlammbehandlung mit erhöhter Faulgasausbeute und damit erhöhter Stromproduktion sowie die Rückgewinnung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser für den späteren Einsatz als Düngemittel. Das Vorhaben leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz in der Abwasserwirtschaft und ist insbesondere in Hinblick auf die Nährstoffrückgewinnung auf andere Abwasserbehandlungsanlagen übertragbar. Das jährliche Einsparpotenzial an CO2-Emissionen beträgt circa 430 Tonnen. Zudem führt das Verfahren zu einer Verbesserung der energetischen Bilanz der Kläranlage. Und so funktioniert das neue Verfahren: In einer Zentrifugenanlage wird ausgefaulter Überschussschlamm auf circa 15 Prozent Trockenrückstand entwässert und direkt einer thermischen Desintegration zugeführt, in der mittels Druckhydrolyse eine Erhöhung des abbaubaren Anteils des Schlamms erreicht wird. Damit fällt eine höhere Menge an Faulgas an, gleichzeitig sinkt die zu entsorgende Schlammmenge. Die beim Zentrifugieren anfallende hoch nährstoffreiche Flüssigkeit - das Zentrifugat - wird nacheinander den beiden Nährstoffrückgewinnungsstufen, der Magnesium-Ammonium-Phosphat-Fällung und der Ammoniak-Strippung, zugeführt. Sowohl das dabei gewonnene Magnesium-Ammonium-Phosphat als auch das Ammoniumsulfat sind von hoher Qualität und zum Einsatz als Düngemittel geeignet. Das Bundesumweltministerium fördert mit dem Umweltinnovationsprogramm erstmalige, großtechnische Anwendungen einer innovativen Technologie. Das Vorhaben muss über den Stand der Technik hinausgehen und sollte Demonstrationscharakter haben.

Deammonifikation in Biofilmen zur biologischen Abwasserreinigung

Der neue biologische Prozess der Deammonifikation soll in seiner verfahrenstechnischen Umsetzung zur Reinigung hoch stickstoffbelasteter Abwässer mit niedrigem C:N-Verhältnis grundlegend untersucht werden. Durch die gezielte Kombination von aerober Nitritation und anaerober Ammoniumoxidation in einem Biofilm ist eine vollständige, rein autotrophe N-Elimination aus problematischen Abwässern in einem Verfahrensschritt möglich. An einer Versuchsanlage nach dem Moving-bed Verfahren sollen Einflussfaktoren definiert werden, die sich auf Entwicklung und Umsatzleistungen eines solchen Biofilms auswirken. Für eine genaue Charakterisierung der Prozesse innerhalb des Biofilms und des Zusammenhangs zwischen Biofilmstruktur und -funktion sollen neue in situ-Techniken mit erprobten Methoden verknüpft werden. Selektive Hemmstoffe und 15N-Tracer zur Bilanzierung der Umsetzungen, fluoreszente in situ-Hybridisierung (FISH) mit konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zur Identifizierung und Lokalisierung der Organismen und konfokale Ramanmikroskopie zur nichtinvasiven Messung der Stickstoffprofile in verschiedenen Biofilmtiefen. Neben der Klärung des Zusammenwirkens verschiedener Organismengruppen können die Umsatzleistungen in Abhängigkeit praxisrelevanter Betriebsparameter beschrieben und Steuerungsmöglichkeiten für den Prozess abgeleitet werden.

Wissenschaftliche Ueberrechnung des Erweiterungsentwurfes der Klaeranlage Limburg

Um die Klaeranlage Limburg nach den anerkannten Regeln der Technik zu betreiben, wurde im Jahr 1986 eine Erweiterungsentwurf erarbeitet, der eine gezielte Stickstoffelimination durch Nitrifikation und Denitrifikation ermoeglichen sollte. Aufgrund der seither gewonnenen Erkenntnisse auf dem Gebiet der weitergehenden Abwasserreinigung, war eine wissenschaftliche Ueberpruefung des Entwurfes sinnvoll. Dieser umfasste Messphasen zur Erstellung aktueller Stoffbilanzen sowie zur Erfassung dynamischer Belastungszustaende. Diese dienten als Grundlage fuer dynamische Simulationen mit einem am Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft entwickelten mathematischen Modell (SIMKA) fuer Klaeranlagen. Die Reinigungsleistung der Klaeranlage wurde fuer verschiedene Ausbauvarianten untersucht und Empfehlungen fuer eine optimierte Erweiterung gegeben.

Anpassung der Klaeranlage Bregenz an der Stand der Technik

Anpassung der bestehenden Klaeranlage Bregenz an der Stand der Technik (weitgehende N- und P-Elimination).

Langzeitverhalten einer naturnahen Klaeranlage fuer haeusliches Abwasser

Die naturnahe Klaeranlage Schattweid reinigt seit 1986 das haeusliche Abwasser des Oekozentrums. Seit dieser Zeit wird die Anlage kontinuierlich wissenschaftlich begleitet und war daneben auch Ort einiger Sonderuntersuchungen. Die Rahmenbedingungen fuer den Betrieb sind damit sehr gut bekannt. Die Anlage gehoert heute zu den am laengsten und besten untersuchten naturnahen Klaeranlagen in Europa. Die Langzeitforschung soll ermoeglichen, Aussagen ueber die Lebensdauer und die Veraenderung der Abbauleistung zu erarbeiten. Bei der N-Elimination wurde eine Verbesserung von ca 50 Prozent (1986) auf ueber 80 Prozent (1993) festgestellt. Auch SCB-Abbau und Nitrifikation verbessern sich weiterhin. Beim P-Rueckhalt ist mit einer Erschoepfung zu rechnen, die sich aber bisher noch nicht abzeichnet.

Wissenschaftliche Begleitung bei der Anpassung der Klaeranlage Tamsweg an den Stand der Technik

Es handelt sich um eine Klaeranlage im zentralalpinen Raum, die Abwassertemperaturen sind waehrend der Schneeschmelze sehr gering. Ein wirtschaftliches und zuverlaessiges Reinigungskonzept soll erstellt werden, um die Anforderungen an Nitrifikation und Naehrstoffentfernung zu erfuellen. Eine Zusammenarbeit zwischen wissenschaftlicher Planung (Technische Universitaet Wien) und Bauplanung (Ziviltechniker) soll zu einer optimalen Loesung fuer diesen Standort fuehren.

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