Modellierung und Simulation des Einsatzes von Mikroalgen zur Abwasserreinigung auf kommunalen Kläranlagen

Die Mikroalgenbiotechnologie bietet eine vielversprechende Alternative zur konventionellen Abwasserreinigung, da Mikroalgen Nährstoffe aus dem Abwasser entfernen, Biomasse bilden und somit eine Rückgewinnung von Phosphor sowie eine potenzielle energetische Verwertung ermöglichen. Durch den Einsatz von Mikroalgen kann der Bedarf an chemischen Fällmitteln reduziert und der Energieverbrauch gesenkt werden.
Zur Untersuchung des Einsatzes der Mikroalgenbiotechnologie unter mitteleuropäischen Klimabedingungen wurde ein integriertes Mikroalgen-Bakterien-Modell „AlgA“ entwickelt, das anhand von Laboruntersuchungen kalibriert und durch eine umfangreiche Messreihe einer Pilotanlage validiert wurde. Dieses Modell ermöglicht die Simulation einer biologischen Verfahrensstufe zur Nährstoffelimination in kommunalen Kläranlagen, wodurch Betriebsbedingungen, erforderliche Anlagengrößen und erreichbare Ablaufwerte bewertet werden können, ohne großtechnische Versuche durchzuführen.
Die Kombination aus Hochlastbelebung und einem Photobioreaktor wurde erstmals untersucht und als potenziell effiziente Lösung zur Nährstoffelimination identifiziert. Licht- und Temperaturverhältnisse beeinflussen maßgeblich die Wachstumsdynamik der Mikroalgen und damit die Nährstoffaufnahme. Das in dieser Arbeit entwickelte integrierte Mikroalgen- Bakterienmodell „AlgA“ umfasst 19 Prozesse, darunter mikrobielle Stoffwechselreaktionen aus dem Activated Sludge Model 3 (ASM3), mikroalgenspezifische Prozessraten und Gasaustauschmechanismen.
Eine Ganzjahressimulation für eine fiktive Kläranlage (1.000 EW) zeigt, dass der kontinuierliche Betrieb eines offenen Photobioreaktors (ausgeführt als High Rate Algae Pond HRAP) unter mitteleuropäischen Bedingungen aufgrund niedriger Temperaturen und geringer Lichtverfügbarkeit in den Wintermonaten nicht durchgängig möglich ist. Während im Sommer ein Flächenbedarf von 2 m²/EW erforderlich wäre, steigt dieser im Winter auf bis zu 19 m²/EW, was großtechnisch nicht umsetzbar ist.
Die experimentellen Ergebnisse und Simulationen bestätigen, dass ein saisonaler Betrieb der Mikroalgenbiotechnologie in Kombination mit dem konventionellen Belebungsverfahren erforderlich ist, um die Einhaltung deutscher Ablaufanforderungen unter der EU-Wasserrahmenrichtlinie über das gesamte Jahr sicherzustellen.