Verfahrensschritte der Produktionswasseraufbereitung einer geschlossenen Kreislaufanlage in der Aquakulturtechnik

Der Bedarf an Fischeiweiß übersteigt das weltweite Angebot in zunehmendem Maße. Dies führte u. a. zur Überfischung der Weltmeere. Mit der Produktion von Zuchtfischen in sog. offenen Freiland- ® Aquakulturen, wie sie z.B. in Skandinavien und Schottland zur Lachszucht betrieben werden, erfolgt eine starke Belastung der natürlichen Wasserressourcen über ® Nährstoffeinträge (Stickstoff, Phosphor, organische Stoffe usw.). Zusätzlich müssen verstärkt Medikamente (® Antibiotika) eingesetzt werden. Schädigungen der angrenzenden ® Ökosysteme sind die Regel.

Eine Alternative zu o.g. Produktionsweise bilden Aquakulturen im geschlossenen Wasserkreislauf bzw. Kreislaufanlagen. Dabei werden die endlichen Wasserressourcen soweit wie möglich geschont. Systembedingt benötigen geschlossene Aquakulturen einen Wasseraustausch von täglich bis zu 10% bezogen auf das Anlagenvolumen. Herzstück bildet die Reaktionsstufe, meistens als biologische Aufbereitungsstufe ausgeführt. Sie arbeitet nach dem Prinzip der ® biologischen Abwasserreinigung. Die gezielte Entfernung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphorverbindungen ermöglicht die hohe Recyclingrate des Zuchtwassers.

Grundsätzlich ist eine ® Kreislaufanlage als eine Einheit zu betrachten, d. h. alle Komponenten müssen aufeinander abgestimmt sein. Auch die Futtermittel und Wasserreinigung sollten aufeinander abgestimmt sein. Je nach Einsatz von Futtermitteln und Futterverwertung ist z. B. mit einer mehr oder weniger großen Partikelfracht zu rechnen. Bis zu 60% der eingesetzten Fischfuttermenge kann als Feststoffe in die Produktionswasseraufbereitungsstufe gelangen. Dies kann zu Problemen in der biologischen Stufe führen. Weiterhin werden mit dem Futter weitere Stoffe (Mg, Fe, Cu etc.) in das Produktionswasser eingetragen. Bei geschlossenen Kreislaufanlagen mit sehr geringem Wasseraustausch ist hier mit einer Aufkonzentrierung diverser Stoffe zu rechnen. Der Messtechnik kommt hierbei eine entscheidende Bedeutung zur Überwachung der Wasserqualität zu.

Bild 1: Mögliche Verfahrensschritte und Komponenten einer Kreislaufanlage

Vorbehandlung

Im ersten Schritt der Wasseraufbereitung werden die Feststoffe (partikuläre Substanz) entfernt. Die Größenverteilung der Partikel in geschlossenen ® Aquakulturanlagen liegt im Bereich der Feintrübe (Partikelgröße < 50 µm). Konventionelle mechanische Flächenfilter, wie z.B. Trommelfilter erfassen nur den kleineren Teil der Partikel.  Moderne Kreislaufanlagen sollten daher über eine mehrstufige Feststoffseparation verfügen, um die gesamte Partikelverteilung zu erfassen. Teilweise werden in der Vorbehandlung auch ® Abschäumer zur Eiweißentfernung eingesetzt.

Reaktionsstufe

In der Reaktionsstufe werden die gelösten Wasserinhaltstoffe entfernt. Dies kann in ® aeroben biologischen Filtern erfolgen, die hauptsächlich das toxische Stoffwechselendprodukt  Ammoniak zu Nitrit und Nitrat (® Nitrifikation) abbauen. Hier gibt es verschiedene technische Ansätze. Bewährt haben sich ® biologische Filtertypen mit Fließbett-Substrat, rückspülbare Filter oder rotierende biologische Trommelfilter.

Neuerdings wird auch die ® Biomembrantechnik in Aquakultursystemen getestet. In Kombination mit einem Belebungsbecken oder einem biologischen Filter wird dieses Verfahren auch als Membranbelebungsverfahren bezeichnet. Die Membranfiltration übernimmt hierbei anstelle einer konventionellen Nachklärung die Abtrennung des belebten Schlammes,  wobei die biologische Eliminierung des Stickstoffes durch die suspendierten Mikroorganismen des Belebtschlammes oder den Biofilter erfolgt. Um die im belebten Schlamm enthaltenen Bakterien, Viren und Partikel abzutrennen, werden üblicherweise ® Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt. Die Trenngrenze ist kleiner gleich 0,4 µm. In der kommunalen und industriellen Abwassertechnik ist dieses Verfahren schon längere Zeit im Einsatz

Teilweise werden auch ® Abschäumer in der Reaktionsstufe eingesetzt (Bypassbetrieb). Die Abschäumer können zur Verbesserung der Feinstoffabscheidung mit ® Ozon betrieben werden. Hierdurch wird die Hygiene im Prozesswasser verbessert (Vibrionen, pathogene Bakterien), ein Schlüsselfaktor für die Tierzucht in Kreislaufanlagen.

Zur Reduzierung der Nitratfracht ist in vollständig geschlossenen Kreislaufanlagen  eine Denitrifikationsstufe z. B. im Bypass notwendig. Hierbei  wird das Nitrat anaerob zu gasförmingen Stickstoff umgewandelt (® Denitrifikation) und dem Kreislauf entzogen. Die Ausführung der Denitrifikation ist in überstauten Biofiltern/Festbetten oder als konventionelles Belebtschlammverfahren möglich.

Nachbehandlung

Ozonisierung ist normalerweise für geschlossene Kreislaufanlagen unverzichtbar, weil mit einem sehr geringen Frischwassereinsatz gearbeitet werden muss. Dadurch kommt es zur Akkumulation biologisch schwer abbaubarer organischer Substanzen, unter denen auch schädliche Stoffe (Metaboliten) sein können. Durch ® Ozon kann die Konzentration solcher Substanzen deutlich gesenkt werden. In Kreislaufanlagen kann man merkliche Verbesserungen der Wasserqualität und der Fischgesundheit durch Ozonisierung mit 13…24 g O₃/kg Futter erreichen. Weiterhin oxidiert Ozon Nitrit zu Nitrat und unterstützt damit die biologische Nitrifikation.