Das Forschungsprojekt FEMAK adressiert die drängende Problematik der Gewässerqualität, insbesondere die Herausforderung durch hohe Phosphatkonzentrationen in Seen, die das Algenwachstum fördern und zu Sauerstoffmangel führen. Diesem Problem begegnet das Projekt mit einer innovativen Lösung zur Sauerstoffanreicherung von Seesedimenten.
Die EU-Wasserrahmenrichtlinie setzt das Ziel, einen guten ökologischen Zustand aller Wasserkörper zu erreichen. Phosphat gilt dabei als limitierender Faktor für das Wachstum von Algen, ist jedoch in vielen Seen in hohen Konzentrationen vorhanden. Sowohl externe Einträge als auch interne Düngung tragen zu dieser Problematik bei. In sauerstoffarmen Schichten lösen sich Eisen-Phosphat-Komplexe, was Phosphat freisetzt und Algenwachstum fördert. Diese Prozesse verstärken sich während der Winter- und Sommerstagnation, wobei die Zersetzung abgestorbener Biomasse den Sauerstoffgehalt weiter senkt und Methan freisetzt, was die ökologische Balance stört und Organismen gefährdet.
Das FEMAK-Projekt zielt darauf ab, sauerstoffreiches nährstofffreies Wasser aus einer Algenkulturanlage zur kontinuierlichen Sauerstoffversorgung von Seesedimenten zu nutzen. Dafür wurde eine schnell absinkende Algenmischkultur in einem Photobioreaktor entwickelt. Als Modellsee dient der Kleine Plöner See in Schleswig-Holstein, dessen Phosphorrücklösung und Sauerstoffdynamik detailliert untersucht werden. Diese Untersuchungen werden im Sommer 2024 durch Methan- und weitere Messungen erweitert, um ein umfassendes Verständnis der Stoffkreisläufe und wahrscheinlich stark unterschätze Methanfreisetzung aus stehenden Gewässern zu erlangen.
Im Rahmen des Projekts wird eine mobile Massen-Algen-Kulturanlage (MAK) am Standort der Kläranlage Plön etabliert. Diese Anlage integriert die Produktion einer Mikroalgenmischkultur in den Abwasserbehandlungsprozess. Im Gegensatz zur herkömmlichen Batch-Kultivierung ermöglicht das MAK-Konzept mit Plug-Flow-Durchflussreaktoren eine kontinuierliche Behandlung des Prozesswassers. Die MAK besteht aus einem Photobioreaktor kombiniert mit einem Absetzbecken zur effizienten Algenrückführung und Ernte.
Die Hauptziele des Projekts umfassen die ganzjährige Erzeugung von nährstofffreiem, kaltem und sauerstoffübersättigtem Abwasser sowie die Untersuchung der Algenbiomasseproduktion als Nährstoff- und Schadstoffsenke. Verschiedene Betriebsarten des Bioreaktors werden analysiert, um die Effizienz der Algenkultivierung zu maximieren und Möglichkeiten zur Wärmeerzeugung zu erforschen. Darüber hinaus soll die Anlage als Plattform zur Untersuchung diverser Anwendungen der produzierten Biomasse dienen.
Insgesamt strebt das FEMAK-Projekt die Entwicklung innovativer Lösungen für die Abwasserbehandlung durch die Nutzung und Weiterentwicklung von Algenkultivierungstechnologien an, um die Umweltauswirkungen von Abwässern zu reduzieren und eine nachhaltige Ressourcennutzung zu fördern.
Im Forschungsprojekt FEMAK zeigt sich einmal mehr, wie die Blaue Bioökonomie konkrete Umweltprobleme lösen kann. Die Pilotanlage soll demonstrieren, wie eine nachhaltige Verbesserung der Gewässerqualität mithilfe von Mikroalgen gelingen kann. Als Modellgewässer dient der Kleine Plöner See in Schleswig-Holstein.
Seen und andere offene Gewässer leiden seit der Industrialisierung an hohen Phosphatmengen, die das unkontrollierte Cyanobakterien- und Algenwachstum anregen. Das Absterben dieser Algen entzieht dem Ökosystem große Mengen Sauerstoff, was besonders in den tieferen Wasserschichten zu Phosphatrücklösung führen kann. Dieser Prozess führt zu Sauerstoffmangel, interner Phosphatrücklösung aus dem Sediment und sogar Methanfreisetzung – ein Teufelskreis, der die ökologische Balance gefährdet.
FEMAK verfolgt einen innovativen Ansatz: In einer selbst konstruierten Massen-Algen-Kulturanlage (MAK) wird eine Mikroalgenmischkultur gezüchtet, die sauerstoffreiches, nährstoffarmes Wasser liefert. Dieses Wasser wird gezielt zur Belüftung der Seesedimente eingesetzt. Dadurch wird die Phosphatrücklösung gehemmt und die Sauerstoffversorgung im See deutlich verbessert.
Die mobile MAK am Standort der Kläranlage Plön nutzt einen Photobioreaktor mit angeschlossenem Absetzbecken. Im Gegensatz zu klassischen Algenanlagen arbeitet das System nicht im Batch-, sondern im Durchflussbetrieb. So können größere Wassermengen kontinuierlich behandelt werden, ein wichtiger Fortschritt für die technische Umsetzbarkeit.
Neben der Entwicklung und Erprobung der Anlage liegt der Forschungsschwerpunkt auf:
• der saisonal stabilen Produktion von sauerstoffübersättigtem Wasser,
• der Rolle von Mikroalgen als Nährstoff- und Schadstoffsenke,
• der Effizienzsteigerung verschiedener Betriebsarten,
• der potenziellen Wärmenutzung sowie
• der Nutzung der Algenbiomasse als Ressource.
Prof. Dr. Rüdiger Schulz
Botanisches Institut, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• LimnoSystem – Biotechnologische Anlagen
• FlowConcept GmbH
FEMAK steht für eine neue Generation der Gewässersanierung – ökologisch, innovativ und mikroalgenbasiert.
