Havtang til efterpolering af spildevand. Afrapportering for projekt støttet af VTU- Fonden

Havtang til efterpolering af spildevand Afrapportering for projekt støttet af VTU- Fonden 31-3- 2015

1 Projekt 7257.2011: Projekt- titel: Havtang til efterpolering af spildevand Hovedansøger: Fredericia Spildevand og Energi A/S Ansvarlig: Annemarie Gotfredsen Udarbejdet af: Annemarie Gotfredsen, Annette Bruhn & Preben Birr- Pedersen Bilag: Bilag 1: Oplysningsfolder Bilag 2: Fotos af anvendt udstyr til forarbejdning af alger Bilag 3: Artikel Bioremediation of reject water from anaerobically digested waste water sludge with macroalgae Bilag 4: Poster Steady State Bilag 5: Poster Investigating mutual benefits Indholdsfortegnelse 1 Perspektivering... 2 1.1 Forretningsplan og go-to-market... 2 1.2 Forretningsmuligheder... 3 1.3 Formidling... 4 2 Evaluering... 7 Projektets mål... 7 Status... 7 3 Teknisk notat... 9 Forsøgsbeskrivelse... 9 Samlet opsummering og konklusion... 22 Referencer... 23 4 Revisionserklæring... 24

2 Figur 1. Skitse af projektets koncept 1 Perspektivering 1.1 Forretningsplan og go- to- market. Projektet har givet os en værdifuld viden om mulighederne for at lave en forretning ud af at dyrke alger i forbindelse med et spildevandsanlæg. Den oprindelige plan inkluderede anvendelse af CO 2 fra et biogasopgraderingsanlæg og andre CO 2 kilder på rensningsanlægget i Fredericia som booster til en algeproduktion i spildevand inde på anlægget. Konceptet med at dyrke alger inde på anlægget med CO 2 boostning blev eftervist teoretisk som værende urentable, da det areal, der er til rådighed ikke kan genere stor nok algeproduktion til at modsvare de krævede anlægsinvesteringer. Udfordringerne i at omsætte projektets resultater til en produktion i større skala var: 1) at dyrkning af alger på land (søsalat) kræver et stort areal af lavvandede bassiner; 2) optimal produktion kræver aktiv vandbevægelse, så algerne cirkulerer og kan optage lys og næring, ved stillestående vand forringes produktionen. Vandbevægelse kræver enten pumpning af vand, eller blæsning med luft. Begge løsninger er ressource krævende; 3) optimal dyrkning af søsalat kræver lys og en temperatur på over 10 C derfor vil sæsonen i Danmark være begrænset til 6-8 mdr produktionsperiode, og rensningsanlægget vil ikke kunne anvende rejektvand til dyrkning i vinterperioden; 4) søsalat er en marin alge, dvs. at den kræver en vis saltholdighed. Dyrkning vil derfor kræve tilgængelighed af frisk saltvand på minimum 10-15 promille.

3 Udfordringerne sætter begrænsninger på dels rentabiliteten af dyrkning af søsalat på rejektvand i stor skala ved et rensningsanlæg, dels stiller det krav til beliggenhed nær kysten, samt rådighed over store arealer, der kan udlægges til lavvandede bassiner. Som berettet i sidste milepælsrapport rykkede projektet derfor uden for anlægget til Lillebælt, hvor anlæggets udløbsledning ender. Forretningsplanen blev tilpasset en noget mindre investering, men en anden udgift til drift og vedligehold. Høsten af alger blev også en anden, men grundet de problemer projektet løb ind i, lykkedes det ikke at få gode erfaringer hermed. Indtægterne skulle bestå dels i en reduceret N og P afgift, idet algerne optager næringsstofferne i vækstprocessen, og dels ved en øget biogasproduktion eller anden form for udnyttelsen af algerne. Fx højværdimuligheder har været undersøgt. I 4. Kvartal af 2014 steg udledningsafgiften på N og P med 50%, og det gør at de økonomiske perspektiver i projektet er blevet lidt lysere. Projektet har forgæves søgt at lave en test af biogaspotentialet ved at sam- forgasning af alger og slam, men det har ikke været muligt at få adgang til de meget begrænsede testfaciliteter, der er i Danmark på de tidspunkter hvor vi har haft adgang til alger i tilstrækkelig mængde. Selvom man ville kunne få tilbagebetalt sin N og P afgift, samt sælge tangbiomassen til industrielle formål, er det med den nuværende teknologi omkostningstungt at dyrke tang i Danmark. Forskning og erhverv i Danmark og Europa arbejder sammen mod at nedbringe omkostningerne i dyrkningsprocessen, samt at øge værdien af tang- biomassen. Dog er tidshorisonten for en positiv business case måske stadig 5 år. Anvendeligheden af konceptet er derfor desværre begrænset på den korte bane. 1.2 Forretningsmuligheder De gældende aktiviteter har ind til videre givet ansættelse af to specialstuderende hos Hjarnø Havbrug. Fredericia Spildevand & Energi A/S arbejder dog videre med muligheden for at benytte alger til efterpolering af spildevand i recipienten og er i dialog med Fredericia Kommune om at melde konceptet ind i den igangværende høring af vandområdeplan 2016 2021, så staten kan overveje forslaget som et muligt fremtidigt virkemiddel. Fredericia Spildevand & Energi A/S vil gerne indgå i et samarbejde med staten / Kommunen om at se på muligheden for at biohøste udplantede alger. Et pilotprojekt vil formentlig kræve, at der udplantes alger på udvalgte lokaliteter. Dette arbejde vil Fredericia Spildevand & Energi A/S gerne stå for. Pilotprojektet bør resultere i, at biohøst af x ton alger svarer til et kendt indhold af næringsstoffer. Incitamentet for selskabet vil bestå af en mulig modregning i forhold til de afgifter, selskabet betaler for udledning af kvælstof og fosfor i det rensede spildevand. For statens / kommunens side kan en øget fjernelse af næringsstoffer på sigt medvirke til, at der sker målopfyldelse i recipienten. Hvis det ender med at blive realiseret vil det kræve at flere bliver inddraget, men det er ikke muligt at vurdere, hvor mange arbejdspladser, det vil generere/fastholde. Projektets fokus på alger til energiproduktion har medført, at der er startet et nyt firma, GreenDiesel, som har fået god sparring af projektets deltagere. GreenDiesel er startet af 3 maskinmesterstuderende,

4 som har bygget en forsøgsopstilling på Fredericia rensningsanlæg, med støtte fra projektpartnerne. Forsøget kører videre med support fra projektpartnerne uden offentlig støtte. Vi forventer, at det resulterer i 5 arbejdspladser i 2016. En virksomhed i Sønderborg har videreudviklet en maskine, så den kan snitte materialer, her under også tang. De er interesseret i at få testet maskinen, men desværre fik projektet ikke lavet en aftale med en biogastestfacilitet. Projektpartnerne undersøger dog muligheden for at få lavet en test udenfor projektet for egen regning. Sønderborg kommune er interesseret i at tangen fra byens strande kan omdannes til en ressource. I Aalborg har en opstartsvirksomhed arbejdet på at udvikle en biopille hvor tang indgår. Her er der dog stadig et stykke til markedsintroduktion. Projektets fokus på eksportunderstøttende aktiviteter var planlagt til at Fredericia Spildevand & Energi A/S skulle afsøge muligheden for at indgå partnerskab med rådgivere og teknologileverandører. Det har resulteret i at Fredericia Spildevand & Energi A/S er blevet medlem af triple helix klyngen CLEAN, der med udgangspunkt i det tidligere Danish Water Services laver systemeksport af danske vandløsninger. 1.3 Formidling Der er gennemført en omfattende formidlingsaktivitet i projektet, og det har skabt fokus på projektet både fra offentlig og politisk hold. Bl.a. har Folketingets Miljøudvalg været på besøg hos Fredericia Spildevand og Energi, fordi de ønskede at høre om perspektiverne i projektet. Den politiske bevågenhed skønnes at være af stor vigtighed, da en realisering af efterpolering af spildevand i recipienten med efterfølgende reduktion i udledningsafgifter vil kræve en ændring i lovgivningen. Hjemmeside: Projektet har været omtalt på projektpartnernes respektive hjemmesider, men der blev også oprettet en projekthjemmeside til mere almen formidling specielt til de lokale. Her blev de første resultater og billeder præsenteret, men da det viste sig, at projektet mistede algeproduktionen i det de gik til bunds, blev projekthjemmesiden taget af nettet. Presseomtale: Fredericia Dagblad 21.2.2013: Tang- projekt giver genlyd på Borgen Fredericia Dagblad 8.12.2012: Fra spildevand til sukkertang Projektet har genereret en hel del formidlingsmateriale, som listes nedenfor. Eksempler er vedlagt som bilagtil denne rapport. Publikationer: Markedsføring og oplysning: Oplysningsfolder: Banebrydende tangprojekt i Fredericia Faglige tidsskrifter:

5 Spildevandstekniks Forenings Tidsskrift Feb. 2013: Fredericia Spildevand A/S har nu søsat havtang til efterpolering af spildevand Spildevandsteknisk Forenings Tidsskrift Feb. 2012: CO2 fangst og blæsning til alger Populærvidenskabelige publikationer: Bruhn, Annette; Sode, Sidsel; Rasmussen, Michael Bo; Bjerre, Anne- Belinda; Birr- Pedersen, Preben. 2012. Tang som bæredygtig energikilde. Forskning i Bioenergi - FIB, Vol. Robust og Bæredygtig Bioenergi. Særnummer, p. 20-21. Videnskabelige peer- reviewed publikationer: Boderskov T, Schmedes P, Bruhn A, Rasmussen MB, Nielsen MM & Pedersen MF. The effect of light and nutrient availability on growth, nitrogen and pigment contents of Saccharina latissima (Phaeophyta) during autumn and early winter. Submitted til Journal of Applied Phycology. Schmedes P, Bruhn, A, Gotfredsen A, Rasmussen M, Nielsen MM & Boderskov T. Nutrient uptake rates, growth and bioremediation capacity at steady- state of Saccharina latissima and Laminaria digitata (Phaeophyceae). In prep for Bioresource Technology. Sode S, Bruhn A, Balsby TJS, Larsen MM, Gotfredsen A & Rasmussen MB. 2013. Bioremediation of reject water from anaerobically digested waste water sludge with macroalgae (Ulva lactuca, Chlorophyta). Bioresource Technology 146: 426 435. Specialerapport/Master Thesis: Dyrkning af to arter af brunalger, Laminaria digitata og Saccharina latissima, i danske farvande geografisk variation i vækst og biokemisk sammensætning. Teis Boderskov & Peter Schmedes. 2013. Vejledere: Annette Bruhn & Michael Bo Rasmussen, AU. Oplæg, foredrag, events, konferencer: Gæsteforelæsning på KU- life i faget: From plant to bioenergy.13.1.2015: Bioenergy from macroalgae. Annette Bruhn, AU. Musik, Lyrik og Havets Planter på menuen. Folkeuniversitetet Århus. 3.12.2014. Annette Bruhn, AU Alger som fremtidens energikilde. Staten Naturhistoriske Museum: Inspirationsdag for gymnasielærere12.11.2014. Annette Bruhn, AU. Science Days. København. 21+22.6.2014. Michael Bo Rasmussen & Mette Møller Nielsen, AU. Forskningens Døgn. AlgeCenter Danmark og Kattegatcenteret. 24.4.2014. Gæsteforelæsning på KU- life i faget: From plant to bioenergy 12.1.2014: Bioenergy from macroalgae. Annette Bruhn, AU. Havtang til efterpolering af spildevand. Dansk Vand Konferencen, Århus. 20.11.2013. Musik, Lyrik og Havets Planter på menuen. Folkeuniversitetet Århus. 18+19.11.2013. Annette Bruhn, AU. Bliv klog på tang. Dalum Landbrugshøjskole. 30.10.2013. Annette Bruhn. AlgeCenter Denmark. Algae Workshop at European Biomass Conference, Copenhagen. 4.6.2013. Annette Bruhn, AU. Macroalgae ecology and physiology. PhD kursus, AU. 16-23.6.2013. Annette Bruhn og Michael Bo Rasmussen, AU.

6 Forskningens Døgn. 2.5.2013: Tang og hvad det kan bruges til. AlgeCenter Danmark og Kattegatcenteret. Præsentation af projekt og formål. Hede Danmarks årsmøde 29.4.2013: besøg på AlgeCenter Danmark. Uddeling af pjecer Banebrydende tangprojekt i Fredericia, præsentation af projekt og formål. Fredericia Spildevands bestyrelse på studietur til AlgeCenter Danmark 3.4.2013 Besøg af Folketingets Miljøudvalg hos Fredericia Spildevand 22.2.2013.. Præsentation af projekt, formål og status. Dansk Havforskermøde 2013, Roskilde 23.1.2013. Poster. Nitrat and fosfat optag ved steady state vækst hos sukkertang effekt af næringskoncentration og salinitet. Schmedes, Peter ; Boderskov, Teis; Nielsen, Mette Møller; Gerlich, Kitte Linding; Egholm, Tanja Quottrup; Rasmussen, Michael Bo; Bruhn, Annette; Tørring, Ditte Brunshøj; Petersen, Jens Kjerulf; Nielsen, Kristian Oddershede; Gotfredsen, Annemarie. Dansk Havforskermøde 2013, Roskilde Næringsoptag for brunalgerne sukkertang (Saccharina latissima) og fingertang (Laminaria digitata). Boderskov, Teis ; Schmedes, Peter; Rasmussen, Michael Bo; Nielsen, Mette Møller; Bruhn, Annette; Petersen, Jens Kjerulf; Tørring, Ditte Brunshøj; Nielsen, Cristian Oddershede. 2013. Abstract from 17. danske havforskermøde, Roskilde, Denmark. Gæsteforelæsning på KU- life i faget: From plant to bioenergy.15.1.2013: Bioenergy from algae. Annette Bruhn, AU. Inviteret oplæg til workshop om virkemidler hos Natur og Landbrugskommisionen 14.12.2012. Tang som virkemiddel. v. Annette Bruhn, AU. BioEnergi Seminar, DONG Energy, Fredericia. 5.12.2012. Makroalger som biomasse v. Peter Daugbjerg, Teknologisk Institut pva. forfatterne bag artiklen i FiB. Macroalgae from research to industry. Grenå. 19+20.9.2012: Poster. Investigating mutual benefits of cultivating two large brown algae species near Fredericia waste water sewage plant. Schmedes, Peter; Boderskov, Teis Max; Nielsen, Mette Møller; Rasmussen, Michael Bo; Petersen, Jens Kjerulf; Tørring, Ditte Brunshøj; Nielsen, Christian Oddershede; Gotfredsen, AnneMarie; Bruhn, Annette. Macroalgae from research to industry. Grenå. 19+20.9.2012: Poster. Compiling new GIS maps outlining future possible cultivation sites for Saccharina latissima and Laminaria digitata favoring both high production and ecological sustainability. Boderskov, Teis Max; Schmedes, Peter; Rasmussen, Michael Bo; Nielsen, Mette Møller; Kjerulf Petersen, Jens; Tørring, Ditte Brunshøj; Nielsen, Christian Odderhede; Bruhn, Annette. Forskningens Døgn. 2.5.2012: Tang og hvad det kan bruges til. AlgeCenter Danmark og Kattegatcenteret. Præsentation af projekt og formål.

7 2 Evaluering Projektets mål Projektets overordnede mål var at vurdere potentialet i at anvende dyrkning og høst af store brunalger til at genindvinde næringsstoffer (N og P), udledt til recipienten. Vi ønskede at vurdere: 1) effektiviteten af N og P genindvinding i recipienten med henblik på kvoter 2) biogas produktion fra sukkertang i FS biogasanlæg 3) effekt af tang på slamkvalitet Status Projektet blev 21.12.2011 bevilliget støtte fra VTU under navnet om CO 2 fangst og blæsning til alger (ID nr. 7257.2011). De overordnede mål var at: Udvikle et koncept til efterpolering af næringssalte i spildevand, Opnå et CO 2 neutralt rensningsanlæg Opnå en boostet biogasproduktion ved den producerede algebiomasse Tanken var on- site dyrkning af grønne makroalger, fx søsalat. Søsalaten skulle optage næringsstoffer (N og P) fra efterklaringstankene, alternativt rejektvand, og CO 2 fra opgraderingsanlægget til biogas, samt gasmotoren ved biogasanlægget. Den producerede biomasse skulle anvendes til øget biogasproduktion, samt øge kvaliteten af det afgassede spildevandsslam. Indledende forsøg viste, at søsalat vokser godt i rejektvand og effektivt optager både N og P. Men scenarieberegninger med inddragelse af reelle spildevandsmængder og vækstrater af alger, sat op imod de tilgængelige arealer på Fredericia Spildevand indikerede at Konceptet ikke ville være økonomisk rentabelt En mærkbar renseeffekt ville kræve store arealer, som ikke nødvendigvis ville være tilgængelige ved andre spildevandsanlæg Derfor valgte projektgruppen at fremlægge en alternativ strategi for VTU ved beslutningsmødet d. 18.6.2012: Rensning i recipienten. Ved hjælp af store brunalger, der dyrkes nær FS udløb i Lillbælt, genindvindes N og P, således at det rensede og udledte spildevand efterpoleres i recipienten. Tangbiomassen kan udnyttes i et bioraffinaderi til både protein og energiformål. Fordelen ved at dyrke brunalger i recipienten antages at være: Mindre driftsomkostninger, større biomasse, minimale arealkrav på land, optag af N og P hele året, større anvendelighed af produceret biomasse (idet den er dyrket i åbent vand ikke direkte i spildevand). Tangen udfor Fredericia Spildevand og Energi A/S indeholdt mere N g P end tangen de andre 3 steder i Danmark, men havde ikke et højere indhold af skadelige tungmetaller (Cadmium, bly, kviksølv og arsen).

8 Der kunne ikke registres nogen effekt- hverken positiv eller negativ af de 1,5 promille tang i rådnetårn 1. Det blev skønnet, at tangen udgjorde en for lille andel af det samlede volumen til at opnå en dokumenterbar effekt både på produktionen af biogas og på kvaliteten af det producerede slam. Tidsplan og milepæle blev tilpasset det nye projekt. Projektets tidsplan og milepæle blev nedjusteret fra 11 milepæle til følgende 3 milepæle: M1: Beslutningsmøde stop- go. April 2012 M2: Midtvejsevaluering med status rapport. Maj 2013 M3: Slutrapport. December 2013 (som blev forlænget til 31.12.2014).

9 3 Teknisk notat Forsøgsbeskrivelse Projektet indeholdt fem særskilte forsøg. De fire første havde fokus på at fastslå tangs evne til at optage næring fra spildevandsstrømme, det sidste var et testforsøg, hvor tang blev forgasset sammen med spildevandsslam i ét af rådnetårnene hos Fredericia Spildevand. Det første forsøg omhandler næringsoptag hos søsalat (grønalge) dyrket i en spildevandsstrøm. De næste tre fokuserer på sukkertang (brunalge) dyrket i recipienten til en spildevandsstrøm, og er udført på tre forskellige niveauer: I laboratorie skala, i pilotskala i dyrkningsfaciliteterne hos AlgeCenter Danmark, og endelig direkte i Lillebælt, recipienten til Fredericia Spildevand. De tre forsøg med brunalger er udført i samarbejde med projektet The MacroAlgae Biorefinery finansieret af Strategisk Forskningsråd. De fem forsøg er i det følgende beskrevet med baggrund, formål, forsøgsopstilling og dokumentation af funktionalitet. Afsnittet afsluttes med en samlet opsummering og konklusion. Forsøg 1. Dyrkning af søsalat med rejektvand som næringskilde Baggrund: Søsalat (Ulva lactuca) er en grønalge, der er relativt nem at dyrke i landbaserede anlæg (Figur 2a) (Bruhn et al. 2011). Samtidig er det en art, der vokser hurtigt, og effektivt optager næring (Nielsen et al. 2012). Figur 2. a) Søsalat. b) forsøgsopstilling I laboratoriet. Formål: Formålet med forsøg 1 var at undersøge kvaliteten af rejektvand fra Fredericia Spildevand som næringskilde for dyrkning af søsalat, samt at bestemme den optimale N koncentration for vækst og N fjernelse. Forsøgsopstilling: Vi dyrkede søsalat i laboratoriet med tre forskellige næringskilder: rejektvand og to konventionelle uorganiske næringssalte, nitrat og ammonium, og bestemte herefter vækst, samt indholdet af N, P og tungmetaller i den dyrkede søsalat. Eksperimenterne blev udført i klimakammer ved 15 C, opstillingen fik lys i 16 timer i døgnet (150 µmol fotoner m - 2 s - 1 ) (figur ab). Algerne voksede i 2 liter bægerglas med

10 f/2 dyrkningsmedie, hvor N- kilden i koncentrationen var ca. 440 µm N, som enten 1) rejektvand, 2) nitrat (NaNO 3 ) eller 3) ammonium (NH 4 Cl). I et efterfølgende forsøg blev søsalat dyrket kun med rejektvand som N- kilde, men i forskellige koncentrationer fra 6 til 100 µm N. Forsøgene stod på i henholdsvist 17 og 10 dage. Vækstrater, samt indhold af C, N, P og tungmetaller (krom, arsen, bly, kobber, zink, cadmium og nikkel) blev efterfølgende bestemt. Dokumentation af funktionalitet: Resultaterne viste tydeligt, at søsalat voksede godt med rejektvand som næringskilde. Søsalat voksede ligeså godt med rejektvand som med konventionelle u- organiske næringskilder som nitrat og ammonium. Maksimal vækst og næringsoptag blev opnået ved koncentrationer på mellem 50 og 100 µm N (Figur 3, Tabel 1)(Sode et al. 2013). Når søsalaten blev dyrket ved disse næringskoncentrationer indeholdt den høje koncentrationer af protein (25-30 %), mens koncentrationerne af tungmetal ikke oversteg de grænseværdier, der er udstukket af EU for anvendelse i foder til dyr, eller af miljøstyrelsen for udbringning af slam på marker (Tabel 3).

11 Figur 3: specifikke vækstrater (SGR) af søsalat dyrket på rejektvand i koncentrationer fra 6 100 µm N (Sode et al, 2013). Tabel 1. Vækstrater, bioremedieringskapacitet, næringsoptagsrater og bioremedieringseffektivitet af søsalat dyrket i forskellige koncentrationer af rejektvand (Sode et al, 2013). DW = tørstof. Tabel 2. Koncentrationen af tungmetaller i søsalat dyrket i rejektvand ved forskellige koncentrationer, samt grænseværdier for inhodl af tungmetal i biomasse til anvendelse i dyrefoder, eller i slam til udbringing på marker i Danmark. Koncentrationer og værdier er opgivet i ppm (µg g tørstof - 1 ) (Sode et al, 2013).

12 Resultaterne betyder, at næringsstofferne i rejektvand vil kunne omsættes til værdifuldt protein ved dyrkning af søsalat. Det er tidligere dokumenteret en mulig årlig produktion af søsalat i Danmark på 45 T tørstof per hektar, hvilket ville svare til en fjernelse af 1,8 T N per hektar, samt en produktion af ca. 9 ton protein. Udfordringerne i at omsætte disse resultater til en produktion i større skala er 1) at dyrkning af søsalat kræver et stort areal af lavvandede bassiner, 2) optimal produktion kræver aktiv vandbevægelse, så algerne cirkulerer og kan optage lys og næring, ved stillestående vand forringes produktionen. Vandbevægelse kræver enten pumpning af vand, eller blæsning med luft. Begge løsninger er ressource krævende; 3) optimal dyrkning af søsalat kræver lys og en temperatur på over 10 C derfor vil sæsonen i Danmark være begrænset til 6-8 mdr produktionsperiode, og rensningsanlægget vil ikke kunne anvende rejektvand til dyrkning i vinterperioden; 4) søsalat er en marin alge, dvs. at den kræver en vis saltholdighed. Dyrkning vil derfor kræve tilgængelighed af frisk saltvand på minimum 10-15 promille. Udfordringerne sætter begrænsninger på dels rentabiliteten af dyrkning af søsalat på rejektvand i stor skala ved et rensningsanlæg, dels stiller det krav til beliggenhed nær kysten, samt rådighed over store arealer, der kan udlægges til lavvandede bassiner. Anvendeligheden af konceptet er derfor desværre begrænset. Forsøg 2. Næringsoptag hos sukkertang og fingertang effekt af næringskoncentration og saltholdighed Baggrund: Vi ønsker at bestemme potentialet i at opsamle næring fra det udledte spildevand i recipienten altså i havet. Her har vi mulighed for at dyrke og høste store brunalger, idet de kan dyrkes under kontrollerede forhold i åbent hav (Wegeberg 2010; Edwards and Watson 2011). Sukkertang (Saccharina latissima) og fingertang (Laminaria digitata) (figur 4a) er to arter af store brunalger som gror naturligt i Lillebælt, og mange andre steder i Danmark. Store brunalger trives bedst med saltholdigheder over 20 promille. Saltholdigheden i danske farvande spænder fra under 10 promille til over 30, og kan indenfor et område, fx i overfladevandet i Lillebælt svinge med 10 promilles forskel pga den særlige hydrografi i de indre danske farvande (Lund- Hansen 1994).

13 Figur 4a: sukkertang og fingertang. 4b:Laboratorieopstillingen med skiver af sukkertang. Formål: Formålet med forsøg 2 var at undersøge, om væksten og evnen til at optage næring hos store brunalger er påvirket af saltholdigheden i det omgivende vand. Forsøgsopstilling: Sukkertang og fingertang blev indsamlet i Århus Bugt. Skiver med ca diameter på 5 cm blev udstanset af algerne og brug til forsøget. Forsøgene blev udført i 2 liter bægerglas med 3-5 skiver i hvert glas(figur 4b). Algerne blev dyrket i 27 glas i et faktorielt design med tre saltholdigheder: 15, 20 og 30 promille, tre næringskoncentrationer: 5, 15 og 50 µm N (nitrat) og 0,4, 0,55 og 1,45 µm P, og tre replikater af hver behandling. Forsøgene kørte over 7 dage i klimarum ved 10 C, og 16 timer lys i døgnet (68-83 µmol fotoner m - 2 s - 1 ). Vækstrater, næringsoptagsrater, samt indhold af N, P blev bestemt (Schmedes og Boderskov, 2013). Dokumentation af funktionalitet: Resultaterne viste generelt, at saltholdigheden indenfor det anvendte interval ikke påvirkede vækstraten af de to brunalger, hvorimod optagsraten af N og P hos sukkertang var svagt højere ved lavere saltholdigheden end ved høje saltholdigheder og næringsoptaget var størst ved høj tilgængelighed af næring (figur 5). Brunalgernes vækstrater steg også ved højere næringskoncentrationer op til ca 50 µm N, hvor optimal vækst blev opnået. Ved næringskoncentrationer over 50 µm øgedes væksten ikke. Det målte kvælstofoptag svarer til mellem 6 og 37 kg N optaget per ton tørstof per måneds vækst.

14 Figur 5. Næringsoptagsraten for sukkertang og fingertang som funktion af saltholdighed og næringstilgængelighed (lav, mellem og høj). Søjlerne afbilleder gennemsnitsværdier og errorbars beskriver standard error (n=3). Resultaterne bekræfter, at store brunalger har højere vækstrater og et højere optag af næring, hvis de vokser på steder hvor tilgængeligheden af næring er højere end naturlige baggrundskoncentrationer. F.eks. ved udløbet af renset spildevand fra Fredericia Spildevand. Samtidig vil næringsoptaget og væksten ikke være negativt påvirket af den til tider lavere saltholdighed i overfladevandet i Lillebælt. Dette støtter anvendeligheden af konceptet med dyrkning af brunalger i nær- recipienten. Konceptet kan dog naturligvis udelukkende anvendes af spildevandsproducenter med udløb i havet. Forsøg 3. Vækst og optag af næringsstoffer hos sukkertang i efterår og tidlig vinter Baggrund: Det anbefales ofte at høste dyrket tang sidst på sommeren, idet både den høstbare biomasse og indholdet af kulhydrater er højest på dette tidspunkt (Adams et al. 2011; Black 1950). Men hvis formålet med at dyrke og høste tangen er at optage og fjerne flest mulig næringsstoffer fra havvandet, giver det bedre mening at vente, idet tangens indhold af næringsstoffer stiger henover efteråret (Nielsen et al. 2014). Dog kan der opstå problemer med begroning af tangen, hvis den bliver i vandet henover sommeren. Begroningen kan ødelægge tangens kvalitet til anvendelse som fødevarer eller foder, og den kan i visse tilfælde være så voldsom, at tangen helt ødelægges og tabes fra anlægget. Formål:

15 Formålet med forsøg 3 var at undersøge sæsonbestemte ændringer i høstbar biomasse og høstbart N ved sukkertang dyrket under henholdsvis høj og lav naturlig koncentration af N i havvand i Danmark i efterår og tidlig vinter. Forsøgsopstilling: Forsøget blev udført i AlgeCenter Danmarks dyrkningsanlæg på havnen i Grenå overfor Kattegatcenteret (fig 6). I de 12 store kar á hver 2 m 3 frisk naturligt og filtreret havvand blev tilført udvoksede tangplanter (sukkertang). I 6 kar blev tilsat naturlige høje koncentrationer af næring (XX og XX), i de sidste 6 kar blev tilsat lave naturlige koncentrationer af næring (xx og xx). Samtidig blev der lagt låg på 3 tilfældige kar ud af 6 kar fra hver næringsbehandling for at dæmpe tilførslen af naturligt lys. Lysniveauet i de to typer kar svarede til lysforholdene på henholdsvis 2 og 4 meters dybde i Kattegat. Det er dybder, der er relevante for dyrkning af tang. Gennembobling med luft i karrene sørgede for opblanding af vandet. Flowraten af vand gennem hvert kar var ca 400 l/timen. Forsøget kørte fra oktober til december 2012. Fig 6. AlgeCenter Danmarks dyrkningsanlæg til tang. Dokumentation af funktionalitet: Resultaterne viste, at hvis tangen dyrkes under naturligt høje næringskoncentrationer, kan høsten af N øges med 50-60%, mens høsten af værdifulde pigmenter kan øges med 22-54% for fucoxanthin og 47-74% klorofyl, hvis man høster tangen i december i stedet for sidst på sommeren. Dette til trods for et naturligt og årstidsbestemt tab af biomasse på 16-19% (Figur 7)(Boderskov et al, submitted).

16 80 Biomass 60 Percentual change during experiment (%) 40 20 0-20 -40 Carbon Nitrogen Fucoxanthin Chlorophyll a 1 2 3 4-60 Experimental light and nutrient treatments Figur 7. Procentvis ændring fra sidst på sommeren til starten af vinteren I den absolutte høstbare mængde af biomasse, kulstof (C), kvælstof (N), og pigmeterne fucoxanthin og klorofyl a. Behandlingerne er1) høj næring, 2 m dybde. 2) Højt næring, 4 m dybde.3) lav næring, 2 m dybde. 4) lav næring, 4 m dybde. Resultaterne vises som gennemsnitsværdier ± SE, n = 3. Hvis tangen dyrkes under konstant høj næringstilgængelighed gennem hele vækstsæsonen som man vil forvente udfor Fredericia Spildevands udledning vil denne effekt muligvis ikke være forekomme, idet tangen hér ikke vil være kvælstofbegrænset henover sommeren. Den størst mulige høst af N vil da kunne opnås midt på sommeren, når biomassen naturligt er højest. Dette kræver dokumentation i form af dyrkning af tang over flere sæsoner ud for Fredericia Spildevand. Forsøg 4. Vækst og optag af N, P og tungmetaller hos sukkertang dyrket i Lillebælt ud for Fredericia Spildevands udløb. Baggrund: I Lillebælt ses store naturlige tangskove af både sukkertang og fingertang. Det tyder på, at der i Lillebælt er gode vækstvilkår for store brunalger, som kan understøtte en aktiv produktion af dyrkede alger. Formål: Formålet med forsøg 4 var at undersøge væksten af dyrket sukkertang og fingertang, og samtidig bestemme indholdet af N, P og vigtige tungmetaller i den høstede tang, netop i recipienten for Fredericia Spildevand, samt 4 andre steder i danske farvande: Ebeltoft Vig, Mejl Flak og Færker Vig (Limfjorden). Forsøgsopstilling:

17 Først søgte og fik vi en tilladelse hos NaturErhvervstyrelsen til at dyrke tang på forsøgsbasis ud for Fredericia Spildevands udledning. I efteråret 2012 udsatte vi 6 mindre tangdyrknings- enheder (figur 8a) med hver 30 meter spireline podet med enten sukkertang eller fingertang. Enhederne blev udsat to og to i stigende afstand fra udledningen fra Fredericia Spildevand (figur 8b). Figur 8. a) mini- enhed til dyrkning af tang. b) De 6 mini- enheder blev sat ud to og to i stigende afstand fra udledningen fra Fredericia Spildevand. Spirelinerne blev udsat på dyrknings- enhederne i Lillebælt d. 30.10.2012. Vanddybden var mellem 8 og 20 meter, men spirelinerne befandt sig nær overfladen i 1-5 meters dybde. Ca. hver anden måned blev linerne tilset, algernes vækst registreret og prøvetagning foretaget til analyser af N, P, C og metalindhold i algerne (Schmedes and Boderskov 2013). I august måned blev udtaget reference prøver af både tangen på dyrknings- enhederne ud for Fredericia Spildevand, og fra naturlige tangskove i alt 4 steder i området fra udløbet og ned til den nye Lillebæltsbro. Analyser af C, N, P og metaller blev foretaget på AU Bioscience i Roskilde. Dokumentation af funktionalitet: Vækst Sukkertang groede godt ud for Fredericia, faktisk fandt vi her den bedste vækst sammenlignet med de andre 4 steder, hvor mini- dyrkningsenhederne var opstillet: Vi opnåede hér 805 ± 255 g frisk tang per meter spireline ved høst i juni måned (figur 9)). Fingertangen groede ikke på nogen af udsætningsstederne (Schmedes and Boderskov 2013). Ved høst i juni måned var tangen meget fin og ren, mens den blot en måned senere var fuldstændig overbegroet med muslinger, søpunge og hydrozoer. Påvæksten var så voldsom, at vores mini- dyrkningsanlæg i Fredericia blev tynget til bunds (Figur 10). Ekstrapolerer man væksten af sukkertang på mini- anlægget til et standard dyrkningsanlæg (med 5 hovedliner á 200 meter, med hver ca 1000 m spireline i loops), svarer det til en produktion på ca. 4 ton

18 frisk tang per hektar eller ca. 850 kg tør tang per hektar, forudsat en tørstofsprocent på 21,2 %, som målt i juni 2013. Biomasse (g m -1 ) Figur 9. Vækst af sukkertang udsat i Fredericia (F), Færker (Fær), Ebeltoft (E) og Mejl Flak (MF) i efterår/vinter 2012/2013. (Tangen udsat i Færker i september (Fær- sep) blev udsat på et linemuslingeanlæg tilhørende Dansk Skaldyrcenter, og ikke en mini- dyrkningsenhed). Figur 10. Fin og ren sukkertang i juni (t.v.), og fuldstændig tilgroet tang i juli (t.h.). Indholdsstoffer Tangen udfor Fredericia Spildevand indeholdt mere N og P end tangen de tre andre steder i Danmark, men havde ikke et højere indhold af skadelige tungmetaller (Cadmium, bly, kviksølv og arsen) (Figur 11) (Schmedes and Boderskov 2013).

19 Figur 11. Indholdet af kvælstof (N), fosfor (P), cadmium, bly, kviksølv og arsen i tang fra de fire mini-dyrkningsanlæg placeret ved Fredericia (rød), Færker Vig, Mejl Flak og Ebeltoft. Data er angivet som gennemsnit +/- SE, n=3. Indholdet af tungmetaller i sukkertang fra Fredericia oversteg ikke EU s grænseværdier for brug i foder, fødevarer eller til udbringning på marker som gødning. I august måned, hvor indholdet at N normalt er lavest i store brunalger, viste vores målinger, at tangen dyrket lige over udløbet fra Fredericia Spildevand indeholdt mellem 3 og 4 % kvælstof (af tørstof). Det er melem 2 og 3 gange så meget som normalt på denne årstid, og også mere end i de naturlige tangskove i Lillebælt, hvor N koncentrationen i reference populationerne 1-4 afspejler den naturlige baggrunds- koncentration (figur 12).

20 Figur 12. Indholdet af kvælstof (N) i tang indsamlet i august 2013 fra mini- anlæggene ved Fredericia Spildevand 8bøje 1+2), samt fra fire reference- stationer (ref 1-4). Bøjer og referencestationer er angivet på kortet over Nordlige Lillebælt. Resultaterne fra forsøg 4 indikerer, at der er et godt potentiale for opsamling af N og P ved dyrkning af sukkertang udfor Fredericia Spildevands udledning. På baggrund af vores forsøg og med anvendelse af data indsamlet ved høst i juni før begroningen sætter ind anslår vi, at man kan fjerne: 25,5 kg N per hektar per år 1,47 kg P fjernet per hektar per år Disse tal er beregnet på baggrund af forsøgene udført ved Fredericia Spildevand: Ved høst i juni (før begroning) havde vi i gennemsnit 805 ± 255 g frisk tang per m line. Tørstofindhold: 21 ± 5,8%. N indhold: 3 ± 0,1% af tørstof. P indhold: 0,2 ± 0,02% af tørstof. Der kan være ca 5.000 m line på én hektar (5 hovedliner á 200 m med hver ca 1000 m spireline, og med 10 m mellem hovedlinerne). Den høstede tang vil kunne sælges og anvendes til fødevarer, foder eller produktion af højværdistoffer, energi og gødning. Der er adskillige udfordringer forbundet med at efterpolere spildevand i recipienten ved dyrkning af tang: 1. Arealkrav: Der skal afsættes et betragteligt areal for at opnå genindvinding af den årlige samlede N udledning fra Fredericia Spildevand (ca 2.350 hektar) og det dobbelte for at opnå genindvinding af den samlede årlige P udledning (ca. 5.500 hektar). Dette vil være svært at efterkomme i Lillebælt, hvor udnyttelsesgraden af det marine areal i forvejen er stor. Samtidig vil det store arealkrav betyde, at dele af dyrkningsområdet vil ligge i større afstand fra spildevandsudledningen, hvor beregningsgrundlaget ikke gælder, idet N- indholdet og vækstraten hér kan være lavere. 2. Omkostninger: Selvom man ville kunne få tilbagebetalt sin N og P afgift, samt sælge tangbiomassen til industrielle formål, er det med den nuværende teknologi omkostningstungt at dyrke tang i

21 Danmark. Forskning og erhverv i Danmark og Europa arbejder sammen mod at nedbringe omkostningerne i dyrkningsprocessen, samt at øge værdien af tang- biomassen. Dog er tidshorisonten for en positiv business case måske stadig 5 år. 3. Dokumentation af miljøeffekter: For at give længerevarende tilladelser til dyrkning af tang i danske farvande kræver myndighederne en dokumentation af effekterne på det omgivende miljø. 4. Marin recipient: Dyrkning af store brunalger i recipienten kræver at saltholdigheden som minimum er 20 promille. Det begrænser anvendeligheden af konceptet til Kattegat og Bælthavet, hvor saltholdigheden er over 20 promille og de kystnære forhold knap så udsatte som i Nordsøen. Forsøg 5. Sam- forgasning af tang og spildevandsslam hos Fredericia Spildevands. Baggrund: Både dansk og europæisk forskning har vist, at store brunalger er et udmærket substrat til biogasproduktion, både alene og i sam- forgasning med gylle (Adams et al. 2011; Sarker et al. 2014; Chynoweth 2002). Omkostningstunge forbehandlinger som trykkogning, extrusion, tørring eller mikrobølgebehandling af tangbiomassen giver ikke en øget biogasproduktion, og frisk sukkertang skal derfor bare findeles forud for forgasningen (Bruhn et al, 2013). Der findes ikke oplysninger omkring effekten af sam- forgasning af tang og spildevandsslam. Produktion af biogas kunne være en mulighed for at udnytte en produktion af tang i recipienten til produktion af energi, samt et gødningsprodukt (afgasset slam). Tangens indhold af mineraler, N og P kunne øge næringsværdien af slamproduktet. Idet cellevæggene i tang indeholder polymerer med gelerene egenskaber (alginat), kunne den afgassede tang have en stabiliserende effekt på slamproduktet, forudsat at alginat- polymerne ikke nedbydes fuldstændigt ved forgasningen. Formål: Vi ønskede at undersøge effekten af tang i biogasproduktionen fra spildevandsslam i større skala hos Fredericia Spildevand. Forsøgsopstilling: Tre tons frisk sukkertang blev leveret fra Hjarnø Havbrug i september 2013. Tangen blev finddelt hos Fredericia Spildevand ved hjælp af en Haybuster (se bilag 2). Derefter blev den findelte, viskøse tang- pulp pumpet på rådnetårn 1. Tangen udgjorde svarende til 1,5 promille af det samlede volumen i rådnetårn 1. Udviklingen i gasproduktion i rådnetårn 1 og 2 blev registreret på sædvanlig vis af Fredericia Spildevand. Dokumentation af funktionalitet: Der kunne ikke registreres nogen effekt hverken positiv eller negativ af de 1,5 promille tang i rådnetårn 1 (figur 13). Det skønnes, at tangen udgjorde en for lille andel af det samlede volumen til at opnå en dokumenterbar effekt både på produktionen af biogas og på kvaliteten af det producerede slam. Der blev derfor ikke foretaget sammenlignende analyser af slamkvalitet.

22 Figur 13. Udviklingen i biogasproduktion i rådnetårn 1 (rød) og 2 (blå) fra 12.9.2013-16.9.2013. Den orange pil indikerer start for indpunpning af tang-pulp. På baggrund af forsøg 5 ønskede vi at udføre følgene: Forsøg med sam- forgasning af spildevandsslam og tang i mindre skala og under kontrollerede forhold (kontinuerte forsøg) Nyt forsøg i stor skala hos Fredericia Spildevand, men med mindst 20 ton frisk tang. Desværre var det ikke muligt at udføre nogen af disse forsøg indenfor projektperioden. Dels fordi der ikke var ledig kapacitet til kontinuerte biogasforsøg hverken hos AU s forsøgsstation på Foulum eller hos DONG Energy i Skærbæk, dels fordi Hjarnø Havbrug ikke kunne levere så store mængder tang på det ønskede tidspunkt. Produktion af biogas fra sukkertang og andre brunalger er dokumenteret til at give et udbytte på ca 300 m 3 metan kg VS - 1 (Sarker et al. 2014; Adams et al. 2011). Dog vil indtægten ved anvendelse af dyrket tang til biogas og et gødningsprodukt være relativt lille, i sammenligning med afsætning til fx foderindustrien eller endnu bedre til produktion af højværdistoffer som tilsætningsstoffer til fødevarer, kosmetik eller medicinalprodukter. Samlet opsummering og konklusion Vi har i dette projekt dokumenteret to mulige anvendelser af alger til at optage næring fra spildevandskilder: Landbaseret dyrkning af søsalat med rejektvand som næringskilde, og havbaseret dyrkning af store brunalger i recipienten til efterpolering af lovmæssigt renset og udledt spildevand. Begge metoder er effektive til at producere en værdifuld biomasse, og til at genindvinde ressourcerne N og P, men samtidig har begge metoder deres begrænsninger.

23 Begrænsningerne ligger dels i de relativt store arealer, der vil skulle afsættes til land- eller havbaseret produktion af alger, og dels i at teknologiudviklingen i dyrkning og udnyttelse af alger endnu ikke er optimeret til at give en positiv business case. Referencer Adams JMM, Toop TA, Donnison IS, Gallagher JA (2011) Seasonal variation in Laminaria digitata and its impact on biochemical conversion routes to biofuels. Bioresource Technology 102 (21):9976-9984 Black WAP (1950) The Seasonal Variation in the Cellulose Content of the Common Scottish Laminariaceae and Fucaceae. Journal of the Marine Biological Association of the United Kingdom 29 (2):379-387 Bruhn A, Dahl J, Nielsen HB, Nikolaisen LS, Rasmussen MB, Markager S, Olesen B, Arias C, Jensen PD (2011) Bioenergy potential of Ulva lactuca: growth yield, methane production and combustion. Bioresource Technology, vol 102. Chynoweth DP (2002) Review of biomethane from marine biomass. Edwards M, Watson L (2011) Cultivating Laminaria digitata. Aquaculture Explained. Lund- Hansen LC (1994) Basisbog i fysisk- biologisk oceanografi. GAD, Nielsen M, Krause- Jensen D, Olesen B, Thinggaard R, Christensen P, Bruhn A (2014) Growth dynamics of Saccharina latissima (Laminariales, Phaeophyceae) in Aarhus Bay, Denmark, and along the species distribution range. Mar Biol:1-12. doi:10.1007/s00227-014- 2482- y Nielsen MM, Bruhn A, Rasmussen MB, Olesen B, Larsen MM, Moller HB (2012) Cultivation of Ulva lactuca with manure for simultaneous bioremediation and biomass production. J Appl Phycol 24 (3):449-458. doi:10.1007/s10811-011- 9767- z Sarker S, Møller HB, Bruhn A (2014) Influence of variable feeding on mesophilic and thermophilic co- digestion of Laminaria digitata and cattle manure. Energy Conversion and Management 87 (0):513-520. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2014.07.039 Schmedes PS, Boderskov T (2013) Cultivation of two kelp species, Laminaria digitata and Saccharina latissima, in Danish waters - geographic variation in growth and biochemical composition. Masters thesis, Århus University, Sode S, Bruhn A, Balsby TSJ, Larsen MM, Gotfredsen A, Rasmussen MB (2013) Bioremediation of reject water from anaerobically digested waste water sludge with macroalgae (Ulva lactuca, Chlorophyta). Bioresource Technology 146:426-435 Wegeberg S (2010) Cultivation of kelp species in the Limfjord, Denmark.

24 4 Revisionserklæring Er vedlagt som en separat rapport.