Innovation Übersicht

Projekt Symbio Filter:
Nährstoffbelastungen des Oberflächen- und Grundwassers sind ein weltweites
Problem. In Deutschland sind Belastungen mit Nitrat und Phosphat bedenklich.
Kommunale Kläranlagen z.B. haben essentielle Funktionen bei der
Brauchwasseraufbereitung, leider ist eine Entfernung überschüssiger Nährstoffe in
herkömmlichen Kläranlagen nicht möglich. Die Nährstoffe (z.B. Nitrate) gelangen so
direkt in die Oberflächengewässer. Die Kläranlagen müssen Strafgebühren zahlen,
wenn die Grenzwerte überschritten werden. Kläranlagen haben auch Probleme mit
starker Geruchsentwicklung. Die Gerüche können durch Wäscher vermindert werden;
es entsteht aber dadurch belastetes Wasser und ein zusätzlicher Nährstoffeintrag.
Das Ziel unseres Projektes ist es, den Nährstoffeintrag durch Co-Kulturen von
Wasserlinsen und Mikroorganismen (im sog. „Symbiofilter“) zu vermindern. Die
Wasserlinsen werden schließlich geerntet und die Nährstoffe so der Umwelt entzogen.
Der Symbiofilterfilter wird in die Wasseraufbereitung integriert und das resultierende
Wasser kann bedenkenlos eingeleitet werden.
Für unser Projekt diente die Natur als Vorbild, denn Wasserlinsen sind häufig
auf stark belasteten Gewässern zu finden. Wir kombinieren Wasserlinsen mit
Mikroorganismen, um die Nährstoffaufnahme nochmals zu erhöhen (insbesondere in
Wäschern), und um die Wasserlinsenkultur stabil zu halten. Der Symbiofilter ist ein
kompaktes Modul, arbeitet im Winter und im Sommer, es ist mobil und einfach
zu installieren. Der Symbiofilter kann auch für die Beseitigung von Schwermetallen
und Arzeneimittelresten verwendet werden.
Innovation Übersicht:
1. Wir haben durch Studien herausgefunden, dass die Wasserlinse , Lemna
minor, extrem anpassungsfähig ist und hervorragend auf z.B. Klärwerkwasser
wächst.
2. Die Wasserlinse wächst gut in Gesellschaft mit Mikroorgansimen, welche den
Nähstoffzutrag noch steigern. Da diese zwei Organismengruppen in unserem
System zwei unterschiedliche technische Funktionen haben, nennen wir sie
auch Makrostruktur (Lemna) und Mikrostruktur (Bakterien und Mikroalgen).
Der Symbiofilter ist ein aus Kaskaden aufgebautes System (Abbildung B) , welches
es erlaubt Wasserlinsen und Mikroorganismen auf geringstem Raum zu kultivieren.
Die eingestellte Fließgeschwindigkeit sorgt für eine langsame, zirkuläre Strömung
unterhalb der Linsendecke und verteilt die Nährstoffe effizient. Die Pumpe benötigt
nur eine Leistung von 40 Watt. Das System ist praktisch grenzenlos erweiterbar!
3. Der Symbiofilter ist platzsparend und im leeren Zustand manövrierbar.
4. Der Symbiofilter kann durch geschickte Lichtleitung und durch Abwärme z.B.
des Klärwerks das ganze Jahr hindurch betrieben werden.
5. Unsere Messungen zeigen, dass der Symbiofilter Nährstoffe aus Abwässern
sehr schnell aufnehmen kann und in Biomasse umwandelt. Die gereinigten
Abwässer können in Oberflächengewässer eingeleitet werden.
6. Vorrichtungen ermöglichen die effiziente Ernte der Wasserlinsen inklusive
eines Teils der Mikroorganismen (welche auch mit den Wurzeln der
Wasserlinse vergesellschaftet sind). Die geernteten Wasserlinsen können
beispielsweise im Faulturm recycelt werden.
7. Der Symbiofilter kann mit einem Wäscher kombiniert werden, welcher die
Reinigung von Abluft aus dem Klärwerk zulässt. Der Wäscher verwendet nur
Wasser aus dem Symbiofilter. Wir haben herausgefunden, dass die
Mikrostruktur den Wäscher unbeschadet passieren kann und enorm zur
Absorbtion von Nährstoffen (vermutlich durch elektrostatische Interaktion)
beiträgt. Die Nährstoffe können im Symbiofilter an die Wasserlinsen
weitergegeben werden.
3. Ergebnisse:
Unser Ziel war ein pflanzenbasiertes System zu entwickeln, welches z.B. Klärwerken
ermöglicht, ihr Ablaufwasser möglichst frei von Nitrat, Phosphat, etc. zu halten. Ferner
haben wir angestrebt, den Geruch der Abluft aus dem Faulturm des Klärwerks zu
neutralisieren, ohne dabei zusätzliche, belastete Abwässer zu erzeugen.
Zunächst wurde ein Prototyp mit 8,6 m2 Lichtfläche gebaut (Betrieb: FrühlingHerbst 2015 und Sommer 2016). Bestückung erfolgte mit Wasserlinsen als
Makrostruktur. Die Mikrostruktur stammte aus dem Brauchwasser bzw. aus der Luft.
Erste Tests mit Gülle, dann Abwasser aus Klärwerk. Im Prototyp konnten Nitrate und
andere Ionen effizient entfernt werden. Die Wasserlinse und Teile der Mikrostruktur
wurden durch einfaches Abschöpfen geerntet. Unsere quantitativen Untersuchungen
veranschaulichen den zeitlichen Verlauf der Abwasserreinigung.
Einen Schiffscontainer als mögliches Chassis verwendend haben wir
anschließend einen großen Symbiofilter entworfen (166 m2 Lichtfläche), der bei
optimalen Bedingungen bis zu 28 kg Lemna-Biomasse am Tag erzeugen kann. Ein
ZIM-Antrag (beim BMWi) wurde gestellt zum Bau und zur Markteinführung dieses
Symbiofilters. Der Antrag (ZF4231101SB6) war erfolgreich (2016).
Der Bau des projektierten Symbiofilters in Bramsche erfolgte sogleich (Winter
2016/2017). Der Symbiofilter besteht aus fünf Kaskaden mit je zehn Ebenen. Das
Gesamtvolumen ist 18.000 Liter. Nun wurden im Labor angezogene Wasserlinsen
eingesetzt. Wachstum war schnell sichtbar! In der Zwischenzeit waren sechs
schnellwachsende Mikroalgen (Mikrostruktur, Grünalgen) aus dem Prototypen isoliert
und in Reinkultur genommen worden.
Nun wurde Abwasser aus dem Klärwerk Bramsche, testweise auch
Pflanzendünger, in den Symbiofilter eingeleitet. Der Symbiofilter zeigte, wie
vorhergesehen, eine effiziente und zeitnahe Entfernung überschüssiger
Nährstoffe. Weiterhin positiv war, dass bei einem Test mit Gülle nach 4 h die
Geruchsbelastung aufgehoben war.
Deswegen wurde nun ein Wäscher konstruiert (Abbildung C).
Es handelt sich um einen 2 m hohen Zylinder, in dem Wasser versprüht wird.
Dieses Wasser enthält Mikroorganismen aus dem Prototypen. Der Wäscher dient
dazu Abgase aufzufangen, ohne dabei Abwässer zu erzeugen. Erste Tests
zeigten, dass die Geruchsbelästigung des Waschwassers signifikant abnimmt. Die
aufgenommenen Nährstoffe können nun im Symbiofilter verstoffwechselt werden.
4. Unser Team (Transdisziplinarität)
Die Zusammenarbeit beruht auf einer Kooperation der Firma Aqualight GmbH
(Bramsche), der Universität Osnabrück, und dem Klärwerk der Stadt Bramsche
Aqua Light baute den Prototypen und den eigentlichen Symbiofilter (unter Leitung von
Dipl-Biologe H. Feige). Die Universität liefert die wissenschaftliche Betreung im
Bereich Organismen (M. Sc. Biologin M. Bergmann, Dr. H. Buschmann und Prof. Dr.
S. Zachgo). Weitere fachwissenschaftliche Betreuung erfolgt durch Prof. Dr. emer. H.
Franke (Physik). Das Klärwerk in Bramsche hat Abwässer und Flächen zur Verfügung
gestellt. Ferner erfolgte gelegentlich Hilfe durch die Analyselabore des Klärwerks.
Wir sind im Begriff ein System zur online Überwachung des Filters aufzubauen. Die
Messdaten werden dann allen Projektteilnehmern unmittelbar zur Verfügung stehen.
6. Zusammenfassung
Die Menschheit braucht auch in Zukunft reines Wasser und reine Luft. Da Wasserund Luftverschmutzungen sowie Reinstwasserknappheit ein omnipräsentes Problem
sind, stellt unser Symbiofilter eine optimale Lösung dar. Er ermöglicht eine effiziente
Reinigung von Brauch- und Abwasser. Unser System wirkt schnell, ist
witterungsunabhängig, mobil, platzsparend und preiswert. Aufgrund der Flexibilität
sind weitere Anwendungsgebiete: Aufreinigung von Wasser, welches mit Gülle,
Schwermetallen oder Arzneimittelresten usw. verunreinigt wurde, Durch
Straßenverkehr oder Industrie belastetet Abluftreinigung in Städten und viele weitere
Anwedungsgebiete.