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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Gewässern. Weiters betrifft die
Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
In eutrophen Gewässern, die hohe Konzentrationen von biogenen Stoffen enthalten, kommt es zu einer periodischen Blüte braungrüner und grüner Algen, was zu einer Herabsetzung der Gebrauchseigenschaften des Wassers, zu einem Fischsterben, wie auch zur Entwicklung von anaeroben Prozessen im Wasser führt.
Die betrifft nicht nur natürliche Gewässer, sondern auch Kühlwasseranlagen und andere künstlich geschaffene Gewässer.
Die derzeit bekannten Verfahren zur Lösung des Problems führen meistens zu einer vollständigen
Zerstörung des Ökosystems des betreffenden Gewässers. Bei Kühlanlagen von Industrieobjekten wird eine
Lösung durch Vernichtung sämtlicher Arten von lebenden Organismen erreicht. Handelt es sich jedoch um
Gewässer in städtischen oder ländlichen Gegenden, an deren Bewahrung die Gesellschaft interessiert ist, werden diese durch Ablassen des Wassers, mechanische Säuberung des Grundes und anschliessende
Füllung mit Frischwasser gereinigt. Dieses Verfahren ist teuer und zerstört zudem das Ökosystem des
Gewässers, und zu einer Wiederherstellung sind dann Jahre erforderlich. Ausserdem muss eine solche
Prozedur periodisch wiederholt werden, da sich die Umweltbedingungen des Gewässers praktisch nicht ändern.
Biologische Kläranlagen für Abwässerreinigung funktionieren auf der Basis der Bioorganismen und sind künstlich geschaffene Ökosysteme. Diese Kläranlagen sind grosse Betnebe, die einen beträchtlichen
Energieaufwand, qualifizierte Arbeitskräfte und andere Aufwände erfordern.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf einem völlig neuen Konzept für die Lösung des Problems.
Grobe Einwirkungen auf die Umwelt, die in heutiger Zeit sehr welt verbreitet sind, werden vermieden und die Mängel der vorbeschriebenen Verfahren werden auch beseitigt.
Bekanntlich Ist Zooplankton ein natürlicher Wasserfilter. Verringert sich die Biomasse infolge Fischfrass, so führt dies zur Eutrophierung (zur Blüte) des Wassers, das heisst zu dem hier behandelten Problem. Um
Ausbrüche der Wasserblüte durch baugrüne und grüne Algen zu verhindern, muss man das pflanzenfressende Zooplankton vor dem Frass durch die Jungfische schützen und optimale Bedingungen schaffen, damit die Schwebestofteilchen vertilt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Gewässervolumens durch eine Wand abgegrenzt wird, die für das im Gewässer vorhandene Zooplankton durchlässig und für die das Zooplankton fressenden Lebewesen undurchlässig ist, wodurch ein Kultivator für das Zooplankton gebildet wird.
Die Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Gewässern ist durch gekennzeichnet, dass ein Kultivator vorgesehen ist, der in das Gewässer eintauchbar ist und er wenigstens eine Wand umfasst, die für das im Gewässer vorhandene Zooplankton durchlässig und für die den Kultivator umgebenden und das Zooplankton fressenden Lebewesen (Fische, Jungfische) undurchlässig ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Reinigung des eutrophen Gewässers bewirkt, dass die potentiellen Möglichkeiten des Gewässers selbst effektiv ausgenützt werden, indem das Zooplankton also mächtiger natürlicher Wasserfilter benützt wird. Das wird dadurch erreicht, dass ein Teil des Wasserökosystems isoliert wird und als Kultivator des Zooplanktons dient. Dieser Kultivator wird daher zu einer natürlichen umweltfreundlichen Kläranlage. Die Grösse des Kultivators richtet sich nach Tiefe, Abmessungen und Typ des Gewässers (Bucht, See, Teich oder Meeresaquarium). Der Kultivator muss bis in eine solche Tiefe reichen, dass die Aktivitätszone des Grossteils des pflanzenfressenden Zooplanktons voll erfasst wird.
Die Abmessungen müssen einen optimalen Mengenzuwachs des Zooplanktons innerhalb dieser abgegrenzten Zone gewährleisten, wobei zu berücksichtigen ist, dass überschüssige Organismen ihren Schutzraum uneingeschränkt durch die Behälterwände verlassen und dann in dem Gewässer als Jungfischfutter dienen können. Die Anwendung des dargestellten Verfahrens verhindert das Aufflammen der Algenblüte in einem Gewässer, fördert die Vergrösserung der Fischbiomasse, verbessert die Wasserqualität, führt aus dem eutrophen Wasserzustand heraus und erhöht die Wasserreinheit. Ein späteres Abfischen führt zu einer weiteren Verbesserung der Wasserqualität.
Das vorgeschlagene Reinigungsverfahren für eutrophe Gewässer gestattet das Ökosystem eines solchen Gewässers an die Umwelt zu adaptieren, führt es in den erwünschten Zustand ökologischen Gleichgewichtes über, und erhöht beträchtlich die Wasserklarheit im Zeitraum der Depression des Zooplanktons in dem Gewässer. Wie die Berechnungen zeigen, kann ein solcher Kultivator mit 1 m3 mehr als 100 m3 Wasser in 24 Stunden bearbeiten.
Die Wirkung des Kultivators liegt letztendlich in einer Intensivierung des natürlichen Prozesses des Überganges biogener Stoffe des Gewässers durch das trophische Netzwerk in die Biomasse des Fisches. Durch Abfischen des Fischbestandes erfolgt letztendlich die Entfernung der unerwünschten Biomasse aus
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dem Gewässer.
Die aktive Oberfläche des Kultivators muss für das Zooplankton, Algen, Bakterien und Tetrituses durchlässig sein. Die Maschenweite muss jedoch kleiner sein, als es der Grösse der Jungfische und anderer Organismen entspricht, die das Zooplankton fressen könnten.
Die Algen, Bakterien und Schwebstoffteilchen aus dem umgebenden Gewässer können durch die aktive Oberfläche in das Innere des Kultivators eindringen und dienen dort als Futter für das Zooplankton. Das Zooplankton erhält im Inneren des Kultivators maximale Wachstumsbedingungen, da es von den Jungfischen nicht gefressen werden kann. Das durch die aktive Oberfläche des Kultivators nach aussen dringende Zooplankton dient dann als Fischfutter.
Soll ein Gewässer nach dem erfindungsgemässen Verfahren gereinigt oder rein gehalten werden, wird zuerst eine Wasseranalyse vorgenommen. Dies dient der Feststellung, welche biogenen Stoffe des Wasser enthält, wie viele Algenzellen sich bereits im Gewässer befinden etc. Anhand der gefundenen Daten kann die optimale Behandlungsmethode ausgewählt werden.
In den meisten Fällen weist des Gewässer folgendes Ökosystem auf : Fische sind vorhanden, es enthält wenig Zooplankton, einen grossen Bestand an Chlorophyll und wenig biogene Stoffe. Im Frühling kann des Ökosystem etwas anders aussehen und enthält weniger Algen, aber viele biogene Stoffe. Solche Gewässer nennt man eutrophe Gewässer. Zur Stabilisierung solcher Gewässer ist der erfindengsgemässe Kultivator mit dem Reinigungsverfahren sehr gut anwendbar.
Nach einem harten Winter kann es beispielsweise an Fischen mangeln. Dem kann durch neuen Fischbesatz abgeholfen werden. Bei Einleitung wirtschaftlicher Abfälle (Industrieabfälle) kann beispielsweise auch der Gehalt lebenden Zooplanktons niedrig sein. Dem kann der Kultivator abhelfen.
Beispiele für die körperliche Ausgestaltung der Kultivatoren sind nachfolgend beschrieben. Vor dem Aufstellen der Kultivatoren muss jedenfalls die Grösse und Art des Gewässers festgestellt werden und bevorzugt werden die Kultivatoren In gleichen Abständen in dem Gewässer eingerichtet.
Beispielsweise können auf einer Wasserfläche von 100 x 100 Meter 5 bis 15 Kultivatoren aufgestellt werden. Die Zahl hängt vom Zustand des Gewässers und dem Zeitraum ab, innerhalb dessen der Reinigungseffekt erzielt werden soll.
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man die Kultivatoren auch im Wasser belassen.
Während der Arbeitsperiode der Kultivatoren ist es vorteilhaft, die Fische aus dem Wasser zu entfernen, die eine gewisse Grösse erreicht haben.
Die baumässige Konstruktion der Kultivatoren kann den jeweiligen Erfordernissen und Gegebenheiten leicht angepasst werden. Wichtig ist nur, dass sie im Sinne der Erfindung wirkungsvoll sind und möglichst billig hergestellt werden können.
Im wesentlichen umfasst jeder Kultivator eine oder mehrere Wände, die aus einem Gitter oder Netz bestehen. Die Maschenweite ist so bemessen, dass die Schwebstoffe, Algen etc. und des Zooplankton durchtreten können, nicht aber Jungfische. In bevorzugter Weise ist die Maschenweite kleiner 2mm oder besonders bevorzugt gleich oder kleiner 1, 5 mm. Unter europäischen klimatischen Bedingungen ist beispielsweise eine Machenweite von 1 mm günstig.
Die aktive Fläche des Kultivators kann durch Netze oder Gitter, gelochte Platten etc. gebildet sein. Als aktive Wand oder aktive Fläche wird jene Wand des Kultivators bezeichnet, durch die der Austausch an Zooplankton mit dem umliegenden Gewässer erfolgen kann. Jeder Kultivator kann auch Wandteile aufweisen, die keine aktiven Flächen sind und z. B. undurchlässig sind.
In bevorzugter Weise ist der Kultivator zylinderförmig oder prismenförmig, wobei die aktive Wand durch den Zylinder- oder Prismenmantel gebildet ist.
In einer Ausführungsform ist der Kultivator unten am Boden des Gewässers befestigt und ragt oben über den Wasserspiegel hinaus. Ein solcher Kultivator kann oben offen bleiben, da der überstehende Teil des Kultivators verhindert, dass bei Wellenbewegung Fische in den Kultivator hineingelangen.
Der Kultivator kann jedoch auch oben durch einen Deckel dicht abgeschlossen sein. In einer anderen Ausführungsvariante besteht der Kultivator allseitig aus aktiver Wand (Netz oder Gitter).
Jedenfalls soll der Kultivator derart aufgestellt werden, dass er den wesentlichen Teil der Aktivzone des Gewässers überstreicht. Er soll möglichst den gesamten natürlich vorgegebenen Wachstumsbereich des Zooplanktons aufweisen.
Die aktive Fläche des Kultivators kann mittels undurchlässiger Wandteile gesteuert werden, z. B. durch einen Ring aus undurchlässigem Material, der über den zylinderförmigen Kultivator geschoben werden kann. Im Bereich des Kultivators können Strömungshilfsmittel angeordnet werden, wie z. B. Leitbleche, Strömungsrohre, Pumpen etc. Es kann z. B. vorteilhaft sein, gereinigtes Wasser aus dem Kultivator mechanisch auszupumpen oder schmutziges Wasser in den Kultivator oder in dessen Nähe einzupumpen.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Kultivatoren beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Kultivators im Gewässer in Schrägansicht und Fig. 2 zeigt verschiedene derartige Kultivatoren in Seitenansicht. Alle Zeichnungen sind rein schematisch gehalten.
In Fig. 1 ist mit den beiden Kreisen der Gewässerboden 1 und die Wasseroberfläche 2 eingezeichnet.
Der Kultivator 3 ist zylinderförmig und der Zylindermantel besteht aus gitterförmigem Material und bildet die aktive Wand 4. Der Kultivator 3 steht fest auf dem Gewässerboden 1, z. B. auf einer Fundamentplatte oder schweren Trägerplatte, die den Kultivator am Boden hält und von unten abdichtet. Der Austausch des Zooplanktons erfolgt durch die aktive Wand 4.
Um den Flächeninhalt der aktiven Wand 4 den Erfordernissen anpassen zu können, ist ein Abdeckring 5 vorgesehen, der aus undurchlässigem Material wie z. B. Kunststoffplatte besteht. Über den Seilzug 6 kann der Abdeckring 5 in seiner Lage verändert werden. Der Abdeckring kann auch aus einem Material bestehen, des für des Zooplankton nicht durchlässig ist, für Phytoplankton jedoch als durchlässig zu bezeichnen ist, z. B. ein engmaschiges Netz. Damit kann Nährstoff über die volle Oberfläche eintreten, das Zooplankton jedoch nur durch eine kleinere Fläche austreten.
Der über die Wasseroberfläche 2 überstehende Teil des Kultivators verhindert ein Überschlagen von Wellen oder das Überspringen von Fischen.
Die Fig. 2 zeigt in einem Wasserbecken 7 drei verschiedene Kultivatoren 8,9 und 10. Das Gewässer ist mit 11 bezeichnet.
Der Kultivator 8 steht am Gewässerboden 12 auf einer Bodenplatte 13. Der Zylindermantel erstreckt sich bis nahe an die Wasseroberfläche 14. Durch einen Deckel 15 ist der Kultivator nach oben abgedichtet.
Der Kultivator 9 entspncht jenem der Fig 1. Ein Abdeckung ist bel dieser Ausführungsvariante nicht vorgesehen.
Der Kultivator 10 ist pnsmenförmig und besteht allseitig aus aktiver Wandfläche, das heisst aus Gitter oder Netzgewebe. Durch den Anker 16 wird der Kultivator 10 in entsprechender Stellung gehalten, sodass er In der Aktivzone für das Zooplanktonwachstum festgehalten ist. Ein solcher Kultivator kann beispielsweise auch sphärisch (kugelförmig) ausgebildet sein.
Nachfolgend ein Beispiel für die Anordnung von Kultivatoren in einem natürlichen Gewässer :
Wenn sich in angenommenem Kultivator 5 Exemplare/ml Daphnia Longispina mit einer Länge von 1, 3 mm und Gewicht eines Exemplares von 0. 1 mg befinden, so beträgt in 1 m3 des Kultivators (5. 000. 000 Exemplare zu 0, 1 mg) das Gesamtgewicht Daphnia Longispina 500. 000 mg.
Bekannt ist auch, dass in mesotrophen Gewässern Zooplankton mit reinem Gewicht von 1 mg ca. 200 ml Wasser in 24 Stunden filtriert. Daraus ergibt sich, dass das Zooplankton des Kultivators in 24 Stunden 500. 000 mg x 200 ml also 100. 000. 000 mi oder 100 m3 Wasser bearbeitet.
Daraus kann man schliessen, dass Zooplankton von 5 solchen Kultivatoren in 10 Tagen (ca. 240 Stunden) das ganze Volumen des Gewässers mit einer Oberfläche von 50 x 50 Meter und durchschnittlicher Tiefe von 2 Meter reinigen kann. Der Teil der Wasseroberfläche, der von zylinderförmigen Kultivator (Durchmesser 0, 6 Meter) begrenzt wird, beträgt nur 0, 01% der ganzen Gewässeroberfläche.
Nachfolgend wird beschrieben, wie die Abmessungen des Kultivators und die Abmessungen der aktiven Fläche (Funktionsfläche) berechnet werden können.
Die Berechnung der Kultivatorabmessungen ist dahin orientiert, dass eine maximale Austrittsgeschwindigkeit des Zooplanktons aus dem Kultivator in das zu reinigende Wasserbecken gewährleistet wird.
Weiche Form der Kultivator auch haben mag, muss das Verhältnis seines Volumens W zur Grösse der
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wobei die Konstanten a und c Charakteristika des Wasserzustandes sind und durch Verarbeitung der Daten aus vorhergehenden Beobachtungen bestimmt werden, welche auf der Basis eines die Veränderung der Zooplanktonbiomasse im Kultivator beschreibenden Modells gemacht wurden.
Das mathematische Modell wird durch folgende Differentialgleichung ausgedrückt :
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Dabei ist : t - die Zeit in 24-Stunden-Tagen,
Zo - die anfängliche Biomasse im Augenblick der Einsetzung des Kultivators in das Wasserbecken
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(t-O), z (t) -die Biomasse des Zooplanktons im Kultivator zum Zeitpunkt t, S - die Oberfläche des Kultivators, durch die das Zooplankton in das Wasserbecken austritt, W - das Volumen des Kultivators, a, b, c-positive Konstanten, die das Siedlungsmedium charakterisieren :
a-die Vermehrungsintensität des Zooplanktons im Wasser eines gegebenen Wasserbeckens, b - eine Konstante, welche die Verringerung der Wachstumsgeschwindigkeit der Biomasse infolge der Erhöhung der Zooplanktondichte im Kultivator berücksichtigt, c-eine Konstante, mit der die Austrittsgeschwindigkeit des Zooplanktons aus dem Kultivator in das diesen umgebende Medium charakterisiert wird.
Die Analyse des Gleichung (2) zeigt, dass der stationäre Zustand
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c stabil ist. Hieraus ergibt sich, dass wenn im Kultivator eine Biomasse über Null aufrechterhalten werden soll, für die Funktionsfläche folgende Bedingung erfüllt werden muss :
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wird als kritische Oberfläche bezeichnet, da bei S - Sc
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ist und die Biomasse im Kultivator im Laufe der Zeit gleich Null wird.
Die optimale Produktionsgeschwindigkeit von Zooplankton wird durch die Wahl einer optimalen Funktionsfläche S < Sc realisiert. Diese Geschwindigkeit q (S) im stationären Zustand wird bestimmt durch den Ausdruck q (S) = c Z.
Hieraus und aus (3) ergibt sich, dass
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Bei einer solchen Oberflächengrösse ist
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wobei Zmax der maximal erreichbare Btomassewert Im Kultivator eines gegebenen Volumens bei einer Funktionsfläche von Null ist, d. h. eine stationäre Lösung der folgenden Gleichung :
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v)ist.
Die optimale Wertgrösse der Biomasse in einem Kultivator in stationärem Zustand ist
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Die Berechnung der optimalen Kultivatorabmessungen gründet auf diesen Ergebnissen
Der Grundflächenradius R eines zylindrischen Kultivators mit seitlicher Funktionsfläche bestimmt sich aus dem Verhältnis (1), welches aus (5) folgt.
Dazu errechnet sich
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wobei H die Höhe des Kultivators ist.
Dann Ist
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Eine Seite einer quadratischen Grundfläche r eines quaderförmigen Kultivators mit seitlicher Funktionsfläche wird aus demselben Verhältnis berechnet, d. h.
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Dann Ist r = 8 (10) Analog werden die Abmessungen eines Kultivators jeder beliebigen anderen Form berechnet. Die weiteren Berechnungen gelten für einen Zylinder
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wird einS=2Rh wobei h # H die Breite der zooplanktondurchlässigen Zylinderoberfläche ist Die übrige Kultivatoroberfläche.
27tir (H-h) ist durchlässig für Phytoplankton und undurchlässig für Zooplankton.
Ein regullerbarer Kennwert ist in einer solchen Konstruktion die Breite des"Fensters"h, deren optimaler Wert sich aus dem Verhältnis (1) ableitet, d. h.
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oder
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Daher Ist
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unter Berücksichtigung von (9)
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Da die "Fenster"breite h die Kultivatorhöhe H nicht überschreiten kann, so folgt aus (11), dass folgender Ungleichheit genügt werden muss : RRopt =4 (12) Bei einem Kultivator von grösserem Volumen, d. h. bel W > #R2optH wobei die Höhe H fixiert (1, 5 - 2, 0 m) und hopt > H ist, kann eine optimale Oberfläche S durch Falten der seitliche Zylinderfläche erreicht werde. Das erhöht auch den Wert des Kultivators.
Die Bestimmung des Verhältnisses c a beruht auf im voraus durchgeführten Beobachtungen In dem jeweiligen Wasserbecken. Zu diesem Zweck werden gleichzeitig zwei expenmentelle Kultivatoren mit gleichen Abmessungen Re und He eingesetzt. Der eine Ist für das Zooplankton nicht durchlässig, der zweite hat eine Fensterbreite von he < He, z. B he = 0, 25 He Dabei Ist He = 2 m und Re = 0 6 m, was gewährliestet, dass genügend schnell (innerhalb von 3 Stunden bis 5 Tagen) die maximale Biomasse Im geschlossenen Kultivator erreicht wird. Die Ansammlung der Biomasse In diesem Kultivator wird durch die Gleichung (1) bel S-0 beschneben, d. h.
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zemaxist.
Aus (14) und (13) folgt, dass
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In der Formel (15) sind We und Se bekannt, und die Grössen Zet und Zemax werden durch Beobachtung bestimmt.
Der optimale Radius des Kultivators Ropt ist gemäss (9) gleich
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und unter Berücksichtigung von (15)
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Da We = #R2eH3 ist und Se = 2wRehe so Ist
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Der optimale Wert der "Fenster"brelte h für einen Kultivator mit fixiertem Radius der Grundfläche R und mit der Höhe H- gemäss (11) und (16) errechnet sich nach der Formel
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Fallen die Abmessungen des experimentellen Kultivators mit denen des Arbeitskultivators zusammen, d. h. sind He = H und Re = R (Jedoch bel he = hopt), so folgt aus (17)
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Patentansprüche 1.
Verfahren zur biologischen Reinigung von Gewässern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des
Gewässervolumens durch eine Wand abgegrenzt wird, die für das im Gewässer vorhandene Zooplank- ton durchlässig und für die das Zooplankton fressenden Lebewesen undurchlässig ist, wodurch ein
Kultivator für das Zooplankton gebildet wird.