Technologie der Wasseraufbereitung

Fließbild des primären Wasserkreislaufes (blau) und der sekundären Wasserkreisläufe (grau)
Fließbild des primären Wasserkreislaufes (blau) und der sekundären Wasserkreisläufe (grau)

Feststoffseparation

Für die Zucht von schmackhaftem Fisch ist die Wasserqualität, insbesondere die Belastung mit Trübstoffen, ein entscheidender Faktor. Im Gegensatz zu konventionellen Anlagen, in denen das Wasser durch Fischkot, Futterreste und Bakterien sehr schnell vertrübt und daher kontinuierlich ausgetauscht werden muss, verfügt der oceanloop über eine Technologie, die eine Separation aller Feststoffe ermöglicht. Dies wird durch eine doppelte Feststoffseparation erreicht.

 

Untersuchungen haben gezeigt, dass es keine Technologie gibt, die das gesamte Größenspektrum an anfallenden Feststoffen möglichst vollständig und effizient entfernt. Daher wird im oceanloop mechanische Separation (Trommelfilter) und Grenzflächenfiltration (Abschäumung) miteinander kombiniert.

 

Bei der mechanischen Separation werden vor allem die gröberen Feststoffe aus dem Prozesswasser entfernt. Die Größe der separierten Feststoffpartikel hängt von der Durchlassgröße des Filtermediums ab. Das Filtermedium wird von Zeit zu Zeit frei gespült, wobei die Feststoffe im Spülwasser gesammelt werden. Im oceanloop werden in der Regel Trommelfilter eingesetzt, die mit einer Gaze zwischen 50-100µm bespannt sind.

 

Feine Partikel (<50µm) werden im oceanloop durch das Verfahren der Abschäu­mung entfernt. Über spezielle Eintragssysteme werden feinste Luftblasen in die Abschäumung eingetragen. Deren Grenzflächen wirken als Filtermaterial, indem sich oberflächenaktive Substanzen, wie z.B. Eiweißverbindungen, anlagern. An diese wiederum lagern sich die feinen Feststoffpartikel an, die gemeinsam mit den Luftblasen an die Wasseroberfläche transportiert werden. Durch die Anwendung eines Gegenstromprinzips, bei dem das zu filternde Wasser gegengesetzt zu der aufsteigenden Luft fließt, wird die Verweildauer der Luftblasen erhöht. Dadurch wird die Filterleistung gesteigert. Die Luftblasen verbinden sich an der Oberfläche mit den anlagernden Feststoffpartikeln zu dem sogenannten Schmutzschaum. Dieser wird im Schaumrohr entwässert, um einen übermäßigen Wasseraustrag zu vermeiden. Der Schmutzschaum tritt oberhalb des Schaumrohrs aus und wird durch ein patentiertes Selbstreinigungssystem in einen separaten Wasserkreislauf gespült.

 

Zusätzlich sorgt die Abschäumung für eine Sauerstoffanreicherung des Wassers und Kohlendioxid wird wirkungsvoll ausgetragen.

Nitrifizierender Biofilter

Neben einer Vielzahl von Stoffwechselendprodukten wird bei den Fischen vor allem Ammoniak-Stickstoff (der in einem Gleichgewicht mit dem Ammonium-Stickstoff vorliegt), als gelöstes Endprodukt des Proteinstoffwechsels ausgeschieden. Ammoniak kann schon in geringen Konzentrationen toxisch sein und muss daher kontinuierlich aus dem Wasser entfernt werden. Die am weitesten verbreitete Methode Ammonium und damit auch Ammoniak aus dem Prozesswasser zu entfernen, ist die biologische Nitrifikation, bei der Bakterien in einem sauerstoffreichen Milieu das Ammonium über Nitrit zum ungiftigen Nitrat um­wandeln.

 

Im oceanloop kommen flotierende und durch Luft bewegte Füllkörper aus Kunststoff zum Einsatz, welche den Bakterien einen möglichst großen Besiedlungsraum zur Verfügung stellen. Dieser Filtertyp zeichnet sich durch seine sehr große spezifische Oberfläche aus und erreicht damit bei gleichzeitiger Prozessstabilität eine sehr hohe Filtereffizienz pro Volumeneinheit. Des Weiteren werden im Biofilter organische Substanzen, wie z.B. Eiweißverbindungen, Kot- oder Futterreste, die nicht über die Feststoffseparation herausgefiltert wurden, durch die so genannte Mineralisierung in anorganische Substanzen umgewandelt. Dieser Prozess beeinträchtigt die Nitrifikationsleistung des Biofilters negativ. Daher ist eine wirkungsvolle Feststoffseparation von entscheidender Bedeutung.

Denitrifizierender Biofilter

Das Produkt der Nitrifikation von Ammonium ist Nitrat. Dadurch kommt es zu einer Zunahme von Nitrat im Prozesswasser. Obwohl es selbst in höheren Konzentrationen für die Fische nicht giftig ist, muss es entfernt werden. Bei zu hohen Konzentrationen kann eine Beeinträchtigung der Ionenbilanz bei den Fischen auftreten.

 

Der Nitrat-Abbau erfolgt in einer anaeroben Denitrifikationsstufe, in der durch heterotrophe Bakterien das Nitrat in gasförmigen Stickstoff umgewandelt wird. Im Gegensatz zum nitrifizierenden Biofilter wird die Denitrifikation nur in einem Bypass des Gesamtvolumenstromes und ohne Belüftung betrieben. Des Weiteren benötigen die denitrifizierenden Bakterien eine Kohlenstoffquelle, die in flüssiger Form (z.B. Methanol) kontrolliert zu dosiert wird.

 

Die Denitrifikation erfolgt im oceanloop nach einem eigens entwickelten Verfahren.

Kohlendioxidaustrag

Die Atmung der Fische und ebenso heterotropher Bakterien führt zu einem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration im Wasser. Dieser Anstieg führt ab gewissen Konzentrationen zu einer Versauerung im Fischblut, da das Kohlendioxid weniger effizient über die Kiemen abgegeben werden kann. Dadurch wird die Sauerstoffaufnahme der Fische erschwert. Als Ergebnis werden die Fische inaktiv und stellen z.B. die Futteraufnahme ein. Eine ineffektive Fütterung beeinflusst sowohl die Fischgesundheit als auch die Produktivität der Anlage negativ.

 

Der stetige Austrag von Kohlendioxid ist daher ein wesentlicher Bestandteil der Wasseraufbereitung. Im oceanloop wird Kohlendioxid im Wesentlichen durch einen Rieselfilter ausgetragen. Das zulaufende Wasser wird flächig über ein Festsubstrat verrieselt, so dass sich eine möglichst große Grenzfläche zwischen dem Wasser und der Luft bildet. Das Kohlendioxid diffundiert dem Konzentrationsgefälle folgend aus dem Wasser in die Luft. Dieser Prozess wird durch eine relativ starke Belüftung des Filters unterstützt. Die kohlendioxidhaltige Abluft wird direkt nach draußen befördert.

 

Neben dem Rieselfilter wird im oceanloop auch an anderen Stellen Kohlendioxid ausgetragen. Dies betrifft alle Komponenten in denen Luft bzw. Sauerstoff in das Wasser eingetragen werden. Insbesondere Komponenten, in denen relativ feine Gasblasen eingetragen werden, wie die Abschäumung und der Eintrag von technischem Sauerstoff sorgen für einen erheblichen Austrag von Kohlendioxid. Aus diesem Grund arbeitet der Rieselfilter mit einer relativ geringen Fallhöhe. Das reduziert die zu fördernde Höhe und damit den Energieverbrauch der einzusetzenden Pumpe.

Entkeimung

Von besonderer Bedeutung für die Fischzucht in geschlossenen Kreislaufanlagen ist die Vermeidung bzw. Eingrenzung von Krankheitserregern. Da für die Fischzucht die Gesetzmäßigkeiten belebter biologischer Systeme gelten, wird es im Kontext der Entkeimung nie um eine Vollsterilisation gehen können, sondern darum, Krankheitserreger auf einem für die Fische toleranten Maß zu halten.

 

Aufgrund seines breiten, antiseptischen Wirkungsspektrums wird im oceanloop Ozon in geringen Konzentrationen eingesetzt. Durch die genau dosierte Einleitung des Ozons in der Abschäumung wird ein Großteil vieler Krankheitserreger inaktiviert und gleichzeitig bleibt die Aktivität der Bakterienkulturen in den Biofiltern erhalten. Unsere Erfahrungen im Betrieb haben sogar gezeigt, dass auch der Biofilter vom Ozoneinsatz profitiert. In jedem Kreislauf reichern sich mit der Zeit Stoffe an, die biologisch nicht abbaubar sind. Diese Stoffe bilden den so genannten Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB). Ozon oxidiert diese Stoffe so weit vor, dass sie für die nachfolgende biologische Oxidation aufgeschlossen und im Biofilter weiter verarbeitet werden können. Daraus resultiert ein leichter Anstieg des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB), der aber im nitrifizierenden Biofilter abgebaut wird.

 

Zu den biologisch nicht abbaubaren Stoffen gehören insbesondere Humin- und Fulvosäuren, die dem Wasser eine mit der Zeit zunehmend störende gelbliche Trübung geben. Ozon oxidiert diese Gelbstoffe und gewährleistet damit eine hohe Wasserklarheit.

 

Darüber hinaus unterstützt Ozon eine Zusammenlagerung von kleinsten, kolloiden Schmutzpartikeln. Durch diesen als Flockung bezeichnete Prozess werden bestimmte Stoffe für die mechanischen Filter besser greifbar. Die Abschäumung wird ebenfalls positiv durch den Ozoneinsatz beeinflusst. Ozon bewirkt eine so genannte Denaturierung von Eiweißverbindungen, so dass diese optimal als Brücken zwischen den in die Abschäumung eingetragenen Luftblasen und den feinen Feststoffpartikeln dienen.

 

Darüber hinaus oxidiert Ozon für Fische giftige Stoffe wie z.B. Nitrit direkt zu Nitrat und leistet damit einen Beitrag zur Abmilderung von plötzlichen Belastungsspitzen.

Wasserkonditionierung

Die physikalisch/chemische Konditionierung des Prozesswassers erfolgt durch mehrere auf einander abgestimmte Systeme. Diese werden weitestgehend automatisch durch die Speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) geregelt. Dies betrifft die Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff, die pH-Wert Regulierung durch Puffersysteme und die Einstellung des Salzgehaltes sowie der Wassertemperatur.

 

Sauerstoffeintrag

Der oceanloop wird in der Regel mit technischem Sauerstoff betrieben. Dieser wird bedarfsorientiert direkt in die Fischbecken zu dosiert. Optische Sensoren messen kontinuierlich die Sauerstoffkonzentration in den Fischbecken. Wird die gewünschte Konzentration unterschritten, werden sogenannte Proportionalventile, der Differenz zwischen Soll – und Messwert entsprechend, geöffnet. Für die Einbringung des Sauerstoffs existieren verschiedenste Verfahren. Neben der Effizienz der Einbringung und dem Energieverbrauch sind vor allem der Wartungsaufwand und die stromlose Einbringung von Sauerstoff wichtige Entscheidungskriterien für die Auswahl des richtigen Verfahrens. Die derzeit am Markt erhältlichen Verfahren erfüllen diese Kriterien nur zum Teil. Aus diesem Grund wurde für den oceanloop ein neuartiges Verfahren entwickelt, welches die genannten Kriterien umfassend erfüllt.

 

Die bedarfsorientierte Einbringung von technischem Sauerstoff ermöglicht die genaue Einstellung der gewünschten Sauerstoffkonzentration. Neben dieser wird Sauerstoff auch im Rahmen der Belüftung des Biofilters als auch der Abschäumung eingetragen. Der dort eingetragene Luftsauerstoff reduziert die einzusetzende Menge an technischen Sauerstoff.

 

ph Wert Regulierung

Es wurde bereits erwähnt, dass die Atmung der Fische und ebenso heterotropher Bakterien zu einem Anstieg der Kohlendioxidkonzentration im Wasser führt. Damit verbunden, ist eine Absenkung des pH-Wertes. Der Austrag von Kohlendioxid ist daher ein wichtiger Bestandteil der pH-Regulierung. Dennoch werden zusätzlich Puffer-Systeme benötigt, den pH-Wert in einem für die Fische sicheren Bereich zu halten. Dies hängt in erster Linie damit zusammen, dass bei der biologischen Nitrifikation Protonen freigesetzt werden, die zusätzlich den pH Wert senken. Auch wenn diese durch den Prozess der biologischen Denitrifikation teilweise neutralisiert werden, kommt es in geschlossenen Kreislaufanlagen zu einer dauerhaften Senkung des pH-Wertes. Diese wird in den Anlagen von Aqua Sander durch Kalkmilch verhindert. Neben der Neutralisierung von Protonen bindet die Kalkmilch auch das gelöste Phosphat. Neben der pH-Regulierung kann somit auch die Phosphatkonzentration wirkungsvoll begrenzt werden.

 

Der pH Wert wird an verschiedenen Messpunkten dauerhaft überwacht. Die Dosierung der Kalkmilch erfolgt automatisch in Abhängigkeit von den gemessenen pH-Werten.

 

Einstellung des Salzgehaltes

Der oceanloop wurde bezüglich des Meerwasserbedarfs optimiert. In den Anlagen wird kein Wasser ausgetauscht, lediglich Wasserverluste bei der Feststoffseparation müssen mit Meerwasser ersetzt werden. Die Wassererneuerungsrate liegt derzeit bei unter 1% des Systemvolumens pro Tag. Wasserverluste durch Verdunstung sind zu vernachlässigen und werden mit Süßwasser ausgeglichen.

 

Das Meerwasser wird in der Regel eigens aus Trinkwasser und einer Mischung verschiedener Salze hergestellt. Die Zusammensetzung des Meersalzes und die Konzentration im Meerwasser werden in Abhängigkeit von der Wasserqualität vor Ort und den produzierten Arten individuell eingestellt.

 

Die betriebliche Nachspeisung von Meerwasser erfolgt über einen Salzwasseransetzbehälter. Das benötigte Meersalz wird über eine Schütte in diesen Ansetzbehälter gegeben. Durch eine intensive Belüftung wird das Meersalz in der Regel in Trinkwasser aufgelöst. Anschließend wird das angesetzte Salzwasser in einen Salzwasservorratstank und aus diesem im Bedarfsfall in die Zuchtbecken geleitet. Die Nachspeisung kann automatisch oder manuell erfolgen.

 

Temperaturkontrolle

Ein wesentlicher Vorteil geschlossener Kreislaufsysteme ist die Möglichkeit, jede Fischart ganzjährig bei ihrer optimalen Temperatur zu züchten. Dies ermöglicht deutlich verkürzte Produktionszyklen und erhöht somit die Produktivität der Anlage. Zur Einstellung der optimalen Temperatur wird in Abhängigkeit vom Standort, der produzierten Fischart, der Art des Gebäudes und der Jahreszeit die Zufuhr von Wärme oder Kälte benötigt. In der Regel gilt, dass die Zufuhr von Kälte mit höheren Kosten verbunden ist. Dagegen ist Prozessabwärme an vielen Standorten kostengünstig verfügbar. Im Rahmen der Anlagenplanung ist das Klimamanagement in Abhängigkeit vom Standort und den Zielarten individuell zu erarbeiten.