EU - MarTERA Verbundvorhaben "WeBoat"; Teilvorhaben: "Entwicklung von Filtersystemen für den Einsatz in der marinen Aquakultur auf Basis vorhandener Automatikfiltertechnologien für die Ballastwasseraufbereitung"

Abstract

In der modernen Lachsaquakultur entstehen durch chemische Entlausungsbehandlungen auf Wellboats oder in Zuchtgehegen große Mengen an Prozesswässern, die gelöste pharmazeutische Wirkstoffe wie beispielsweise Hexaflumuron, Deltamethrin, Azamethiphos oder Imidacloprid enthalten. Während suspendierte Feststoffe auf Wellboats bereits mit konventionellen Automatikfiltern (150 – 200 μm) zuverlässig entfernt werden, stehen heute jedoch noch keine technisch etablierten Verfahren zur Verfügung, die gelöste Entlausungsmittel wirksam abbauen sowie die Grenzwerte für eine genehmigungsfähige Einleitung einhalten können. Oxidationsverfahren wie Ozon oder UV sind in der Aquakultur zwar prinzipiell bekannt und auf Wellboats z.T. auch schon etabliert, werden bisher aber nur zu Desinfektionszwecken eingesetzt. Ebenso fehlen kompakte und wirtschaftliche Lösungen zur Aufbereitung der unvermeidbar anfallenden Rückspülmengen aus der automatischen Vorfiltration. Angesichts zunehmender Umweltanforderungen – insbesondere in Norwegen – bestand dringender Bedarf für eine technisch belastbare und genehmigungsfähige Prozesswasseraufbereitungstechnologie, die auf Wellboats und Serviceschiffen integriert werden kann. Zu entwickeln war eine Komplettlösung, die

Feststoffe und gelöste Entlausungsmittel wirksam entfernt, Rückspülmengen minimiert, auf Wellboats integrierbar ist, und eine belastbare Echtzeit‑Überwachung ermöglicht.

Das HYDAC‑Teilvorhaben zielte daher darauf ab, die mechanische Vorfiltration durch eine feinere Filtration im Bereich von 5–10 μm zu verbessern, eine Rückspülmengenaufbereitung (RSMA) zu entwickeln, die eine Schließung des Prozesskreislaufes ermöglicht sowie schließlich das Gesamtkonzept des entwickelten WeBoat‑Prozesses gemeinsam mit den Projektpartnern zu demonstrieren. Zur Entwicklung einer praxistauglichen Lösung wurden im vorliegenden Teilvorhaben folgende Arbeitsschritte durchgeführt. Für den vorhandenen Ballastwasserfilter AutoFilt® RF14 wurden 20 neue Filterelementaufbauten auf Basis innovativer Filtermedien konstruiert und getestet. Die vielversprechendsten Elementvarianten wurden schließlich in der Meerwasseranwendung unter Realbedingungen validiert. Für die RSMA wurden unterschiedliche Entwicklungsansätze untersucht und mehrere Technologien hinsichtlich ihrer Effizienz und Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Hierzu gehörten neben einem konventionellen Ansatz auf Basis von Beutelfiltern, zwei neue innovative Entwicklungsansätze auf Basis rückspülbarer textiler Filtermedien. Als Filtermedien dienten bei den letztgenannten Lösungsansätzen textile Filterbälle sowie ein mehrdimensionales Textilgewebe, ein sogenannter Polstoff. Untersuchungen zum oxidative Stoffabbau erfolgten am Beispiel eines ausgewählten Wirkstoffes im Rahmen der gemeinsamen Demonstration des WeBoat Prozesses in einem Maßstab von 5 m3/h am norwegischen Forschungsinstitut NIVA. Dabei konnte u.a. gezeigt werden, dass der ausgewählte Wirkstoff Hexaflumuron durch Ozonisierung je nach Prozessbedingungen innerhalb von 30 Minuten um bis zu 97% abgebaut werden kann. Des Weiteren erfolgte zur Validierung der entwickelten Filterlösungen eine Pilotierung der automatischen Rückspülfiltration in Kombination mit einer ausgewählten RSMA in einem Demonstrationsmaßstab von 300 m3/h am HYDAC Standort Bremerhaven. Im Rahmen des Teilvorhabens war es HYDAC gelungen, den vorhandenen Ballastwasserfilter AutoFilt® RF14 durch Modifikation der eingesetzten Filterelemente grundsätzlich für eine automatische Filtration im Bereich von 5-10 μm anzupassen. Dabei erfüllten 13 der 20 neuentwickelten Elemente grundsätzlich die Anforderungen an eine prozesssichere Automatikfiltration < 20 μm, wobei sich 3 Elementausführungen im Bereich von 5-10 μm (Glattsieb P8, Δ-Mesh D5 und Media Element M4) auf Grund ihrer Filtrationsintervalle, als besonders wirtschaftliche Lösungen herausstellten. Der Vergleich der unterschiedlichen Entwicklungsansätze für eine RSMA, zeigte eindeutig die Überlegenheit der Polstofffiltertechnologie. Die aufgebauten Polstofffilter – sowohl für den Druckbetrieb als auch für den hydrostatischen Betrieb - zeichneten sich grundsätzlich aus:

durch gute Filtratqualitäten, sehr geringe Spülwassermengen, eine prozesssichere Filtration mit vollständiger Regeneration der Polstoffe, hohe Prozessausbeuten von bis zu 99 %, sowie eine kompakte Bauweise, optimal für die Integration auf Wellboats.

Die im Verbundvorhaben entwickelten Lösungen und Innovationen bildeten die Grundlage für die Realisierung des WeBoat Prozesses. Insbesondere die HYDAC Filterlösungen - der weiterentwickelte AutoFilt® RF14 sowie die Polstoff‑basierte RSMA‑Technologie - leisten einen wichtigen Beitrag:

zur Einhaltung aktueller und künftiger Umweltauflagen, zur deutlichen Reduktion des Eintrags von Wirkstoffen in die maritime Umwelt, für eine wirtschaftliche Betriebsweise durch minimale Entsorgungsmengen, sowie für eine Integration der Technologie in vorhandene bzw. neuzubauende Wellboats

Diese neuentwickelte Prozesswasseraufbereitung bietet somit erstmals eine kompakte und regulatorisch anschlussfähige Lösung zur Behandlung arzneimittelhaltiger Entlausungswässer auf Wellboats. Das Projekt leistete damit einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Weiterentwicklung der europäischen Aquakultur. In modern salmon aquaculture, chemical delousing treatments on wellboats or in rearing pens generate large quantities of process water containing dissolved pharmaceutical agents such as hexaflumuron, deltamethrin, azamethiphos or imidacloprid. While suspended solids on wellboats are already reliably removed using conventional automatic filters (150–200 μm), there are currently no technically established methods available that can effectively degrade dissolved delousing agents and comply with the limits for permissible discharge. Oxidation processes such as ozone or UV are known in principle in aquaculture and are already partially established on wellboats, but so far, they are only used for disinfection purposes. Similarly, compact and economical solutions for treating the unavoidable backwash volumes from automatic pre-filtration are lacking. In view of increasing environmental requirements – particularly in Norway – there was an urgent need for a technically robust and permittable process water treatment technology that could be integrated on wellboats and service vessels. The goal was to develop a complete solution that:

effectively removes solids and dissolved delousing agents, minimizes backwash volumes, is integrable into wellboats, and enables robust real-time monitoring.

The HYDAC sub-project therefore aimed to improve mechanical pre-filtration through finer filtration in the 5–10 μm range, to develop a backwash water treatment system (BWTS) that enables closed-loop process management, and finally, to demonstrate the overall concept of the developed WeBoat process together with the project partners. To develop a practical solution, the following steps were carried out in this sub-project. Twenty new filter element configurations based on innovative filter media were designed and tested for the existing AutoFilt® RF14 ballast water filter. The most promising element variants were then validated in a seawater application under real process conditions. For the BWTS, different development approaches were investigated and several technologies were compared with regard to their efficiency and performance. These included a conventional approach based on bag filters, as well as two new, innovative development approaches based on backwashable textile filter media. The latter solutions used textile filter balls and a multidimensional textile fabric, a so-called pile fabric, as filter media. Investigations into the oxidative degradation of substances were carried out using a selected active ingredient as an example during a joint demonstration of the WeBoat process at a scale of 5 m³/h at the Norwegian research institute NIVA. Among other things, it was shown that the selected active ingredient, hexaflumuron, can be degraded by up to 97% within 30 minutes through ozonation, depending on the process conditions. Furthermore, to validate the developed filter solutions, a pilot test of automatic backwash filtration in combination with a selected BWTS was conducted at a demonstration scale of 300 m³/h at the HYDAC test site in Bremerhaven. Within the scope of this sub-project, HYDAC successfully adapted the existing AutoFilt® RF14 ballast water filter for automatic filtration in the 5-10 μm range by modifying the applied filter elements. Of the 20 newly developed elements, 13 basically met the requirements for process-reliable automatic filtration < 20 μm, with 3 element designs in the range of 5-10 μm (plain screen P8, Δ-mesh D5 and media element M4) proving to be particularly economical solutions due to their filtration intervals. The comparison of the different development approaches for a backwash water treatment system, clearly demonstrated the superiority of the pile fabrics filter technology. The developed pile fabrics filters - for both pressurized and hydrostatic operation - were characterized by:

good filtrate quality, very low backwash water volumes, reliable filtration with complete filament regeneration, high process yields of up to 99%, and a compact design, ideal for integration on wellboats.

The solutions and innovations developed in the collaborative project formed the basis for the realization of the WeBoat process. In particular, the HYDAC filter solutions - the further developed AutoFilt® RF14 and the BWTS technology based on pile fabrics - make a significant contribution to:

compliance with current and future environmental regulations, a significant reduction in the release of active pharmaceutical ingredients into the marine environment, economical operation through minimal waste disposal, and the integration of the technology into existing or newly constructed wellboats.

This newly developed process water treatment system thus offers, for the first time, a compact and regulatory-compliant solution for treating pharmaceutical-containing delousing water on wellboats. The project therefore made a significant contribution to the sustainable development of European aquaculture.