Projekt 28133/01

Förderinitiative Aquakultur: Entwicklung eines Verfahrens zur Denitrifikation in geschlossenen Kreislaufanlagen zur Fischerzeugung unter Verwendung eines modifizierten Niedrigenergie-Moving-bed-Filters

Projektdurchführung

Institut für Binnenfischerei e. V. Potsdam-Sacrow (IfB)
Im Königswald 2
14469 Potsdam

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der nachhaltigen Intensivierung der Fischerzeugung durch den Einsatz geschlossener Kreislaufanlagen (KLA) wird weltweit eine zunehmende Bedeutung beigemessen. Gibt es mittlerweile praxisgerechte technische Lösungen für die Aufrechterhaltung günstiger Werte für die meisten Wasserparameter, so stellt die Anreicherung von Nitrat, insbesondere in KLA für die Erzeugung von auf diesen Parameter sensibel reagierender Spezies ein Problem dar. In der Praxis werden hohe Nitratkonzentrationen zumeist über das wenig nachhaltige Ausverdünnen durch erheblichen Frischwassereinsatz umgangen. Bei bisherigen Ansätzen zur Denitrifikation in KLA ergeben sich häufig Probleme durch die zur Aufrechterhaltung anoxischer Bedingungen stets gering zu haltende hydraulische Beaufschlagung der Reaktoren. Das Verschlammen der Filtermatrix mit Bakterienbiomasse behindert hier die Einstellung stabiler Betriebsbedingungen. Entsprechende Denitrifikationsreaktoren müssen stets aufwendig rückgespült werden.

Im Projekt wurde mit dem Ziel der Entwicklung einer wartungsarmen Denitrifikationsstufe für KLA ein Fließbettfilter mit schwimmenden Aufwuchskörpern (Moving bed-Filter) als geschlossenes System konzipiert. Das Aufwuchskörperbett wird hier mit dem sich im Reaktor bildenden, sauerstoffarmen Inertgas (reaktionsträge, beteiligt sich an nur wenigen chemischen Reaktionen) rezirkuliert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEin von der Fa. Kunststoff-Spranger GmbH nach den Vorgaben des Instituts für Binnenfischerei e. V. Potsdam-Sacrow (IfB) konstruierter Selbstreinigender Innertgas Denitrifikations-Reaktor (SID-Reaktor) wurde am IfB an eine geschlossene Kreislaufanlage im halbtechnischen Maßstab zur Haltung von Zandern (Sander lucioperca) angeschlossen. Diese Spezies indiziert NO3-N-Konzentrationen oberhalb etwa 68 mg*l-1 durch reduzierte Futteraufnahme. Der SID-Reaktor wurde mit unterschiedlichen C-Quellen (Ethanol vergällt, Methanol, Essigsäure, Glyzerin) und wechselnder hydraulischer Beaufschlagung betrieben. Zentrale Wasserparameter, Medienverbräuche, Wartungsaufwand sowie das Futteraufnahmeverhalten des Zanderbestandes wurden erhoben.


Ergebnisse und Diskussion

Ein Verschlammen des Aufwuchskörperbettes mit Bakterienbiomasse konnte bereits durch Inertgasre-zirkulation für 2 x 40 sec*h-1 sicher und mit marginalem Energieaufwand vermieden werden. Ein kontinuierlicher und wartungsarmer Denitrifikationsbetrieb konnte so sichergestellt werden. Mit Zulauf- und Ablaufkonzentrationen um 49 mg*NO3-N*l-1 und 12 mg*NO3-N*l-1 konnten bei einer Reaktoraufenthaltszeit von etwa 7 Stunden mit allen getesteten C-Quellen durchschnittliche Denitrifikationsraten zwischen 199 g und 235 g NO3-N pro m³ Aufwuchskörperbett und Tag dokumentiert werden. Allerdings wurde nur bei Verwendung von Methanol kein negativer Einfluss auf das Futteraufnahmeverhalten der Zander beobachtet. Wirtschaftlich inakzeptabel sank die Futteraufnahme der Tiere bei Nutzung der anderen geteste-ten C-Quellen schnell auf bis zu -37 % des Ausgangswertes ab. Bei kontinuierlicher Rezirkulation des Aufwuchskörperbettes und Steigerung der zugeführten Methanolmenge konnte die hydraulische Beauf-schlagung des SID-Reaktors deutlich erhöht werden. So betrieben erlaubt der SID-Reaktor Denitrifikati-onsraten von mindestens 450 g NO3-N pro m³ Aufwuchskörperbettvolumen. Der Einsatz des SID-Reaktors erlaubte die Reduzierung des Frischwasserbedarfs der Zander-KLA von 600 l auf 70 l (-88 %) und des Natriumbicarbonateinsatzes von 182 g auf 31 g (-83 %) pro kg eingesetzten Futtermittels.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die erzielten Forschungsergebnisse werden in nationalen und internationalen Fachzeitschriften publiziert. Ein umfassender Projektbericht erscheint in einer Ausgabe der IfB-Schriftenreihe. Vor nationalen und internationalen Fachgremien (z. B. Fortbildungsveranstaltung IfB, 09/2012, Seddin; AQUA 2012-Konferenz der World Aquaculture Society, Prag, 09/2012) erfolgt die Präsentation des Forschungsvorhabens in Vortragsform.


Fazit

Der einfache, nahezu wartungsfreie und sichere Betrieb des neu entwickelten Selbstreinigenden Inertgas Denitrifikations-Reaktors könnte zukünftig dazu beitragen, Denitrifikation als einen Routineschritt in die Wasseraufbereitung geschlossener Kreislaufanlagen zu integrieren. Die hierdurch mögliche Einsparung an Ressourcen führt zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und einer weiter verringerten ökologischen Einflussnahme entsprechender Produktionssysteme.

Die Wirkung verschiedener C-Quellen auf andere, ggf. weniger sensible Wirtschaftsfischarten sowie die Mitverwertung leicht abbaubaren Kohlenstoffs aus dem Schlamm der mechanischen Wasseraufbereitung von Kreislaufanlagen zur Reduzierung des externen C-Quellen-Bedarfs im SID-Reaktor sollten zukünftig getestet werden.