DE102017121990A1

DE102017121990A1 - Entkoppelte multitrophische Produktionsanlage mit Destillationseinheit

Info

Publication number: DE102017121990A1
Application number: DE102017121990.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Goddek; Boris Delaide
Original assignee: Heuer Dev GmbH; Heuer Development GmbH
Current assignee: Desertfoods International De GmbH
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Anlage zum Anbau von Vegetation, wobei die Anlage wenigstens einen Behälter zur Aufnahme von Wassertieren und/oder Wasserorganismen (2), wenigstens einen hydroponischen Teil (13) und wenigstens eine Einrichtung für den Wasser- und/oder Stoffkreislauf (17) umfasst, wobei die Anlage des Weiteren wenigstens eine Einheit (16) zur Destillation umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Anbau von Vegetation nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems nach Anspruch 10.
Systeme, die im Allgemeinen die Landwirtschaft und insbesondere Systeme und Verfahren zum Anbau von Vegetation betreffen, sind im Wesentlichen bekannt.
Die EP 2 158 801 A1 offenbart eine aquaponische Anlage mit geschlossenem Wasserkreislauf, die eine Aquakultureinheit und eine Hydroponikeinheit umfasst, die funktionell miteinander verbunden sind.
Die WO 2013/132481 betrifft ein Aquakultursystem, das ein geschlossenes Kreislaufsystem mit einem Kulturtank und einer Behandlungseinheit zur Behandlung und Wiederverwendung des Wassers des Systems aufweist.
Die WO 2015/160966 betrifft ein aquaponisches System, das auf eine remineralisierende Wirkung abzielt, wobei Nebenprodukte bereitgestellt werden, die von stickstoffbindenden Bakterien in Nitrate und Nitrite aufgespalten werden, und Wasser bereitgestellt wird, das dem hydroponischen System zugeführt wird, in dem Pflanzen die Nitrate und Nitrite als Nährstoffe verwenden; das Wasser wird dann wieder in das Aquakultursystem zurückgeführt; Pflanzen werden wie in hydroponischen Systemen angebaut, wobei die Wurzeln in das mit Nährstoffen angereicherte Wasser eingetaucht werden; der Betreiber stellt den pH-Wert nach Bedarf unter Verwendung chemischer Zusätze ein, um den pH-Wert für die im Tank lebenden Fische und den Abbau organischen Materials auf einem gesunden Niveau zu halten; im System enthaltene Bakterien wandeln mit Hilfe des Nitrifikationsverfahrens das Ammoniak in Nitrite und dann in Nitrate um.
Die Druckschrift EP 2 276 795 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Futtermaterials in Bezug auf hydroponische Systeme sowie auf Aquakulturen.
In der EP 2 963 060 A1 wird ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Futtermaterials als Biomasse für den Einsatz in Aquakulturen und hydroponischen Systemen offenbart.
Aquaponische Systeme, die auf Verfahren der Nahrungsmittelproduktion zur Erzeugung von Pflanzen und Wasserorganismen gerichtet sind, kombinieren die Produktionssysteme rezirkulierender Aquakultur und Hydroponik. Die Aquaponik führt dementsprechend mit Nährstoffen angereichertes Wasser der hydroponischen Pflanzenkultureinheit zu, die das Wasser, das in den Aquakulturtank zurückgeführt wird, intern reinigt.
Aquaponische Systeme sind zum Beispiel auf Pflanzen, Fische, Bakterien und/oder andere Organismen gerichtet, die in einer gemeinsamen Symbiose heranwachsen. Bakterien wandeln das Abwasser von Fischen in Nährstoffe für Pflanzen um; die Pflanzen filtern das Abwasser nach Nährstoffen; das aufbereitete Abwasser wird dann zu den Fischen zurückgeleitet.
Der Nachteil des angeführten Standes der Technik besteht darin, dass kein wirksamer Kompromiss bei der Produktion sowohl von Pflanzen als auch von Fischen unter gleichen Umgebungsbedingungen gefunden wird. Einer der Gründe dafür ist, dass Pflanzen und Fische häufig unterschiedliche pH-Bereiche in Bezug auf den Säuregehalt des Wassers erfordern. In der Regel wird in der Fischzucht ein pH-Bereich zwischen 6,5 und 9,0 benötigt, während Pflanzen häufig einen pH-Bereich unter 6,5 bevorzugen.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage bereitzustellen, die eine Erhöhung der Nährstoff- und pH-Konzentration für den hydroponischen Teil des Systems ermöglichen und gleichzeitig vorteilhafte nährstoffarme Bedingungen für die Fische gewährleisten.
In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass ein optimales Nährstoffkonzentrationsniveau nicht erreicht werden kann, indem die hydroponische Anbaufläche größer angelegt wird, um einen effizienten Wasserfluss aus einem rezirkulierenden Aquakultursystem zu gewährleisten, damit die Nährstoffkonzentration des rezirkulierenden Aquakultursystems auf einem optimalen Niveau bleibt. Dies bedeutet, dass das hydroponische System die Zugabe von Nährstoffen, z. B. in Form von Kunstdünger, erforderlich macht. Dies führt zu wirtschaftlichen Nachteilen, da die Betriebskosten aufgrund des zusätzlichen Düngungsbedarfs steigen. Daher ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein harmonisiertes System zur Erhöhung der Nährstoffkonzentration im hydroponischen System bereitzustellen, während die Fische mit nährstoffarmem Material versorgt werden.
Darüber hinaus löst der Stand der Technik nicht das Problem hoher Nitratwerte im rezirkulierenden Aquakultursystem. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Anlage sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Anlage bereitzustellen, die das Problem der hohen Nitratwerte lösen.
In dieser Hinsicht ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, den Nährstoffhaushalt multitrophischer und hydroponischer Teilsysteme zu verbessern.
Darüber hinaus wäre es vorteilhaft, den Abfluss von Wasser, das in diesem System verwendet wird, zu minimieren.
Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, den Düngungsbedarf für das hydroponische Teilsystem zu reduzieren.
Diese verschiedenen Aspekte werden durch die Erfindung gemäß einer Anlage nach Anspruch 1 und dem Verfahren zum Betreiben einer solchen Anlage nach Anspruch 10 gelöst.
Zusammenfassung der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Anbau von Vegetation.
Die Erfindung wird anhand eines aquaponischen Systems beschrieben und veranschaulicht. Obwohl es sich bei der Erfindung offensichtlich um das System zum Anbau von Vegetation handelt, das das Konzept einer Kombination von zwei Produktionssystemen in einem System aufgreift, ist die Aquaponik ein typisches Beispiel für ein solches System und definiert ein integriertes, quasi geschlossenes, multitrophisches System zur Nahrungsmittelproduktion, das ein rezirkulierendes Aquakultursystem (engl. recirculating aquaculture system, im Folgenden: RAS) und eine hydroponische Einheit umfasst.
Die erfindungsgemäße Anlage ist so ausgelegt, dass sie ein mit Nährstoffen angereichertes Medium aufbereitet, das von einer Komponente oder einem Teil derselben stammt, welches sich in diesem Medium befindet, wobei das Medium zu einer hydroponischen Einheit geleitet wird und auf diese Weise Nährstoffe für das Wachstum der Vegetation zur Verfügung stellt.
Ein Beispiel für ein solches System ist das aquaponische System, das von Fischen und/oder anderen Wassertieren oder Wasserorganismen stammendes, mit Nährstoffen angereichertes Wasser enthält, das zur hydroponischen Einheit geleitet wird und auf diese Weise Nährstoffe für das Wachstum der Vegetation, z. B. das Wachstum von Pflanzen, zur Verfügung stellt.
In einem anderen Beispiel kann eine solche Anlage aber auch für die Aufbereitung von Stoffwechselprodukten anderer Tiere, wie z. B. von Nutztieren, sowie für die Aufbereitung von organischen Haushalts- oder Pflanzenabfällen eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitet die Anlage das Medium auf, bei dem es sich um mit Nährstoffen angereichertes Wasser handelt. Dieses Wasser enthält Nährstoffe, die von der Komponente oder einem Teil derselben stammen. Komponente oder Teil im Sinne der vorliegenden Erfindung können Wassertiere und/oder Wasserorganismen sein, z. B. Fische, Krabben, Krebse usw., die Abwässer produzieren, welche zur Nährstoffanreicherung des Mediums führen. Eine Nährstoffanreicherung kann auch das Ergebnis von nicht gefressenem Futter sein, das den Wassertieren und/oder Wasserorganismen verabreicht wird.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Wassertiere“ und/oder „Wasserorganismen“ unter dem Begriff „Fische“ zusammengefasst.
Die Anlage verwendet ein mit Nährstoffen angereichertes Medium, indem sie seine Nährstoffe in nutzbare Vegetationsnährstoffe, z. B. Pflanzennährstoffe, umwandelt. Die im System befindlichen Pflanzen können den Nährstoff entweder über die Wurzeln oder über die Zellwände aufnehmen. Die Pflanzen sind ein funktionaler Bestandteil bzw. Zielobjekt des verfahrenstechnischen Teils der hydroponischen Einheit.
Die Anlage kann somit beispielsweise Wassertiere, z. B. Fische, Krebse usw., sowie Pflanzen, z. B. Gemüse, Kräuter, Heilpflanzen, Früchte usw., in einem mikrobiellen Ökosystem produzieren, das einen hohen Grad der Wiederverwendung des Mediums, insbesondere der Wiederverwendung von Wasser, und des Nährstoffrecyclings gewährleistet.
Darüber hinaus ist die Anlage so ausgelegt, dass sie ein Verfahren durchführt, bei dem das mit Nährstoffen angereicherte Medium von den in der hydroponischen Einheit befindlichen Pflanzen gereinigt wird, bevor es wieder den Fischen im System zugeführt wird.
Das mit Nährstoffen angereicherte Medium, z. B. das mit Nährstoffen angereicherte Wasser, das auch als Abfallmedium bezeichnet werden kann, z. B. Abwasser, wird vorzugsweise von Bakterien und/oder Würmern und/oder anderen Organismen in Nahrung für die Pflanzen umgewandelt und zur hydroponischen Einheit geleitet, in der die Pflanzen oder andere Organismen die Nährstoffanreicherung filtern, bevor das Medium wieder an die Fische zurückgeführt wird.
Es versteht sich von selbst, dass in einem solchen Kreislaufsystem das gewählte Medium sowohl die Fisch- als auch die Pflanzenwelt ernähren muss. Diese Anforderung ist jedoch nur schwer zu erfüllen, da sowohl Fische als auch Pflanzen und die Bakterien ein Medium mit unterschiedlichen pH-Bereichen benötigen, um nur diesen bereits vorstehend beschrieben spezifischen Unterschied zu nennen.
Eine Beeinträchtigung der Bedürfnisse von Fischen und Pflanzen innerhalb eines Prozesskreislaufs mit nur einem Medium reduziert quasi automatisch die Effizienz eines solchen singulären Rezirkulationssystems im Vergleich zum Ergebnis einer reinen Produktion von Fischen, Pflanzen oder Kulturpflanzen.
Es wurden daher Systeme entwickelt, in denen Fische, Pflanzen und gegebenenfalls die Remineralisierung als separate Funktionseinheiten integriert sind, die unterschiedliche Mediumkreisläufe, z. B. Wasserkreisläufe, umfassen und unabhängig voneinander gesteuert werden können. Derartige Systeme werden im Bereich der Aquaponik als entkoppelte aquaponische Systeme (engl. decoupled aquaponic systems, im Folgenden: DAPS) bezeichnet.
Diese wenigstens zwei unabhängigen Systeme stehen miteinander in Verbindung, wobei sie die Nährstoffe für die Pflanzen erhöhen und gereinigtes Wasser von den Pflanzen zur Verfügung stellen, um die mit Nährstoffen angereicherte Zusammensetzung in der Fisch-Teileinheit zu verdünnen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf einem solchen DAPS-System, das den Vorteil bietet, dass sowohl der multitrophische Teil des Systems als auch der hydroponische Teil des Systems getrennt werden können, falls der entsprechende andere Teil ein Problem verursacht, z. B. wenn eine Reparatur erforderlich ist. Entkoppelte Systeme haben darüber hinaus Vorteile gegenüber großen kommerziellen Systemen.
Gemäß der Erfindung wird dieses auch bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst dementsprechend sowohl einen multitrophischen als auch einen hydroponischen Teil. Die Anlage umfasst darüber hinaus eine Destillationseinheit. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Anlage außerdem weitere Funktionseinheiten umfassen, z. B. eine Bioreaktoreinheit.
Multitrophischer Teil:
Obwohl viele Optionen für die einzelnen Komponenten und die Wechselbeziehung zueinander genutzt werden können, wird in aquaponischen Systemen (die als Beispiel dienen, um das erfindungsgemäße System zum Anbau von Vegetation zu beschreiben) der Einsatz von rezirkulierenden Aquakultursystemen (im Folgenden auch: RAS) bevorzugt. Das RAS ist eine Ausführungsform des multitrophischen Teils der Anlage.
Der multitrophische Teil der Anlage umfasst einen Behälter. Anstelle eines Behälters können auch ein Tank, ein Gefäß oder ähnliche Konstruktionen verwendet werden, die im Folgenden allgemein als Behälter bezeichnet werden.
Dieses multitrophische System umfasst vorzugsweise neben dem Behälter zusätzliche Einheiten, wie z. B. eine Biofiltereinheit, optional eine Gasaustauscheinheit, eine mechanische Filtereinheit, eine Sumpfbehältereinheit, Feststoffabscheideeinrichtungen, UV-Beleuchtungseinrichtungen oder Ozoneinrichtungen zur Desinfektion, Luftpumpen, pH-Regeleinrichtungen und/oder Absetzbehälter. Diese zusätzlichen Einheiten sind vorzugsweise außerhalb des Behälters angeordnet.
Der multitrophische Behälter enthält die Fische und kann daher auch als Fischtank bezeichnet werden. Der Behälter weist vorzugsweise einen oder mehrere Anschlüsse an eine Mediumabflussleitung, z. B. eine Wasserabflussleitung, auf, die das Medium in wenigstens ein Absetzbecken oder eine Absetzkammer leitet. Diese Absetzvorrichtung kann sowohl als Vorfiltrationssystem als auch als Pumpensumpf verwendet werden.
Der Gesamtdurchfluss des Mediums kann in zwei unabhängige Kreisläufe aufgeteilt werden. Der erste Kreislauf kann dazu genutzt werden, das Medium, z. B. Wasser, zur erfindungsgemäßen Pflanzenanlage, d. h. zum hydroponischen Teil, zu leiten. Der zweite unabhängige Kreislauf führt das Wasser vom hydroponischen Teil des Systems in den multitrophischen Behälter zurück, der die Fische enthält.
Bei der Beschreibung der Anlage und deren Verfahren zur Aufbereitung sollte daher nie außer Acht gelassen werden, dass es einen permanenten Kreislauf gibt, insbesondere ein Kreislaufmedium, z. B. Kreislaufwasser. Dies bedeutet unter anderem, dass bei der nachfolgenden Beschreibung beispielsweise des Durchflusses bzw. der Führung des Mediums vom Fischtank zur mechanischen Filtereinheit und von dort zur Biofiltereinheit und von dort zur Sumpfeinheit und von dort wieder zurück zum Fischtank die Sumpfeinheit das Medium nur aus dieser Einheit entnimmt. Da es sich um einen Kreislauf handelt, nimmt zum Beispiel die Sumpfeinheit auch ein Medium auf, das bereits den Kreislauf des hydroponischen Teils und/oder anderer Teile, wie z. B. der Destillationseinheit, der Bioreaktoreinheit, passiert hat, und leitet diesen Teil des Mediums wieder zurück zum Fischtank.
Dieser Kreislauf des Mediums muss bei der Beschreibung der Funktion oder Bauweise der Einheiten der Anlage oder deren Arbeitsweise stets berücksichtigt werden. Das System der Anlage und deren Verfahren sind somit nicht statisch, sondern befinden sich im permanenten Kreislauf.
In der Regel können Hebepumpen zur Zuführung des Mediums verwendet werden; sie können durch ein Schwerkraftsystem unterstützt werden, das das Medium in eine bestimmte Richtung fließen lässt.
Um eine gute Qualität des Mediums zu erzielen, muss das Medium, z. B. das Wasser, gefiltert werden, und es müssen Feststoffe sowie Ammoniak und CO₂ oder andere Bestandteile entfernt werden.
Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff, die pH-Werte und die Temperatur sind wesentliche Faktoren für das Wachstum der Fische und müssen stets auf dem erforderlichen Niveau gehalten werden.
Das erfindungsgemäße System umfasst daher vorzugsweise eine Einheit zur mechanischen Filtration des Mediums des rezirkulierenden Aquakultursystems. Um eine gute Qualität des Mediums zu erhalten und eine Fäulnisbildung im System zu verhindern, ist es notwendig, die Reste des den Fischen verabreichten Futters und die Abwässer der Fische, z. B. Exkremente, zu entfernen. Dies erfolgt durch die mechanische Filtereinheit.
Andernfalls würde Ammoniak zunehmen, Sauerstoff abnehmen und die Verschmutzung der Medien durch bestimmte Bakterien zu einer anaeroben Konzentration führen, was wiederum zu Hydrogensulfit führt, das ein giftiges Gas für die Fische ist; darüber hinaus erhöht sich die Gefahr des Verstopfens der Wurzeln der Pflanzen.
Die mechanische Filtereinheit ist vorzugsweise direkt im Anschluss an den multitrophischen Behälter, z. B. den Fischtank, und vorzugsweise vor einer Biofiltereinheit angeordnet, die nachstehend beschrieben wird. Die Reihenfolge der Anordnung von mechanischer Filtereinheit und Biofiltereinheit kann auch umgekehrt sein.
Die mechanische Filtereinheit kann verschiedene, nach dem Stand der Technik bekannte Methoden anwenden. So kann die Anlage zum Beispiel Mikrosiebfilter nutzen, z. B. Trommelfilter, Sandfilter, Beadfilter.
Die mechanische Filtereinheit trennt wenigstens einen Großteil der festen Bestandteile des Mediums, z. B. Futterreste oder Exkremente, vom übrigen Medium, d. h. vom flüssigen Bestandteil des Mediums. Typischerweise liegen die festen Bestandteile des Mediums im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent.
Von der mechanischen Filtereinheit wird der flüssige Bestandteil des Mediums zur Sumpfeinheit geleitet, während die festen Bestandteile des Mediums zu einer Bioreaktoreinheit, sofern vorhanden, geleitet werden, um dort jeweils weiter aufbereitet zu werden. Falls die Bioreaktoreinheit nicht gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, wird der flüssige Bestandteil vorzugsweise nur zur Sumpfeinheit geleitet.
Die Leitung kann entweder durch die mechanische Filtereinheit direkt oder über eine gesonderte Vorrichtung vorgesehen sein, die funktionell und konstruktiv mit der mechanischen Filtereinheit verbunden ist.
Stattdessen oder zusätzlich können für die Filtration Einheiten auf Basis der Sedimentation, Abscheider, z. B. eine mechanische Filtereinheit, Quell- oder Radialstromabscheider oder andere Einheiten auf Basis der Schwerkraftabscheidung verwendet werden.
Wie bereits erwähnt, schließt sich an die mechanische Filtereinheit eine Einheit zur Biofiltration und eine Sumpfeinheit an.
Die Reihenfolge der Sumpf- oder Biofiltereinheit kann dabei beliebig sein. Vorzugsweise sind sowohl die Sumpf- als auch die Biofiltereinheit in der Anlage vorzusehen.
Die Sumpfeinheit umfasst einen Behälter und nimmt dabei wenigstens einen Großteil des flüssigen Bestandteils des Mediums zur weiteren Aufbereitung auf. Die Sumpfeinheit nimmt somit den flüssigen Bestandteil des Mediums auf, der die gelösten Nährstoffe enthält. Die Sumpfeinheit kann vorzugsweise für ein weiteres Aufbereitungsverfahren, z. B. für eine weitere Trennung der Nährstoffbestandteile, ausgelegt sein.
Wenigstens ein Großteil des mit Nährstoffen angereicherten Bestandteils der Flüssigkeit wird weiter von der Sumpfeinheit des multitrophischen Teils zur hydroponischen Sumpfeinheit geleitet, die nachstehend näher beschrieben wird. Dieser mit Nährstoffen angereicherte Bestandteil ist für die weitere Aufbereitung im hydroponischen Teil der gesamten Anlage vorgesehen.
Der flüssige Bestandteil des Mediums, der am Ende der Aufbereitungsschritte in den Behälter zurückgeführt wird, wird entweder vollständig oder teilweise von der Sumpfeinheit zur Biofiltereinheit geleitet.
Entsprechend diesen Funktionen verfügt die Sumpfeinheit über unterschiedliche Mittel, um die verschiedenen Durchflüsse des umlaufenden Mediums zu trennen.
Wenn die Biofiltereinheit direkt an die mechanische Filtereinheit anschließt, wird der flüssige Bestandteil des genannten Mediums zur Sumpfeinheit des multitrophischen Teils der Anlage geleitet und in dieser Sumpfeinheit wie beschrieben weiter aufbereitet und dann entweder vollständig oder teilweise zu einer optionalen Gasaustauscheinheit oder vollständig zum Fischtank zurückgeleitet.
Die Einheit zur Biofiltration zielt darauf ab, unter anderem Ammoniak, gelöste organische Stoffe und Kohlendioxid zu entfernen. Das Ammoniak, ein in den Exkrementen der Fische vorkommendes giftiges Stoffwechselprodukt, wird in Nitrit und/oder Nitrat umgewandelt.
Die Biofiltereinheit kann in der Art eines Wirbelbett-Bioreaktors (engl. moving bed biofilm reactor, im Folgenden: MBBR) ausgeführt sein. Der MBBR besteht aus einem Behälter, einem Tank, einem Kanister usw. Es handelt sich um einen mit Biomedien gefüllten Reaktor mit einem Belüftungssystem. Bakterien zersetzen Abfallprodukte, und die Belüftung wird zur Zugabe von Sauerstoff und zur Entfernung von CO₂ verwendet.
Die Biofiltermedien können aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, z. B. aus PVC oder einem PE-Polymer. MBBR-Biofiltersysteme bestehen daher aus einem Reaktortank, der mit dem aus kleinen Kunststoffröhrchen bestehenden Biofiltersubstrat gefüllt ist. Eine Abgabevorrichtung an der Unterseite dient zur Belüftung des Filters, was eine Bewegung des Biofiltersubstrats bewirkt. Dies führt zu einem guten Kontakt zwischen dem Abwasser und dem auf dem Substrat wachsenden Biofilm. Luftblasen helfen darüber hinaus, die Bakterien mit Sauerstoff zu versorgen und das Kohlendioxid zu entfernen. Gebläse zur Luftversorgung können optional sein.
In der Regel lässt sich die Nitratkonzentration in den erfindungsgemäßen Systemen entweder durch Wasseraustausch, Pflanzenaufnahme und/oder Denitrifikation durch anoxische Bakterienreduktion steuern.
Nachdem alle oder ein großer Teil der Feststoffe durch die vorstehend dargestellte mechanische Filtereinheit entfernt worden sind, wird das Medium, z. B. Wasser, durch die Biofiltereinheit geleitet, wo das Ammoniak zuerst in Nitrit und anschließend in Nitrat umgewandelt wird. Dieses Umwandlungsverfahren ist nach dem Stand der Technik bekannt und daher nicht näher beschrieben.
Das bei diesem Verfahren anfallende Nitrat ist darüber hinaus eine wichtige Stickstoffquelle für die Pflanzen. Da Nitrit auch für die Fische giftig ist, muss sichergestellt werden, dass das bakterielle System in der Biofiltereinheit ordnungsgemäß funktioniert, so dass das Ammoniak auf einem ungiftigen Niveau gehalten wird; das Vorhandensein von Ammoniak lässt sich nicht gänzlich beseitigen, da die Fische durch die Exkremente permanent Ammoniak ausscheiden. Dies bedeutet, dass es sich bei der Biofiltration um einen kontinuierlichen Prozess handelt.
Vorzugsweise ist eine starke Belüftung der MBBRs vorzusehen. Die Medien sollten vorzugsweise im Sicherheitsbehälter abgeschirmt oder auf andere Weise beibehalten werden.
Unabhängig von diesen allgemeinen Anforderungen bleibt es dem Fachmann überlassen, eine geeignete Biofiltereinheit bereitzustellen, wobei deren Auswahl von mehreren Faktoren abhängt, wie beispielsweise der Größe des Gesamtsystems, der Temperatur, der Art der Wassertiere, des Fütterungssystems, der Wasseraustauschrate und so weiter.
Anstelle von oder zusätzlich zu MBBRs können auch Beadfilter, Sandfilter oder Tropfkörper als Biofiltersystem eingesetzt werden.
Andere Systeme können anstelle von oder zusätzlich zu den vorstehend genannten Systemen verwendet werden, zum Beispiel Oxidationssysteme, die eine Ozonbehandlung durchführen.
Die Wahl dieser verschiedenen Optionen hängt sehr stark von verschiedenen Aspekten ab, z. B. den Kosten, dem zur Verfügung stehenden Platz, der einfachen oder komplizierteren Bauweise, der Größe des Gesamtsystems zum Anbau von Vegetation.
Dementsprechend umfasst der RAS-Teil der Erfindung optional eine Gasaustauscheinheit. Die Gasaustauscheinheit löst CO₂ aus dem Medium, z. B. Wasser, und optimiert den Gehalt an Sauerstoff. Sauerstoff ist ein wesentlicher Qualitätsparameter für das Wachstum von Fischen. Die Ausgestaltung der Gasaustauscheinheit ist abhängig von der Fischart, der Größe der Fische, den Fütterungsparametern, der Wassertemperatur und so weiter.
Nach dem Passieren dieser optionalen Gasaustauscheinheit und/oder der vorstehend genannten Biofiltereinheit oder Sumpfeinheit wird das nährstoffarme Wasser in den Behälter des RAS-Kreislaufs zurückgeleitet.
Der wenigstens eine RAS-Teil ist daher für die Behandlung des Fischschlamms und die Steuerung des wichtigsten Mediums, z. B. Wasser, der Qualitätsparameter, z. B. des gelösten Sauerstoffs, der gesamten Ammoniakstickstoffmenge (engl. total ammonia nitrogen, TAN (mg N/L = mg NH₃ - N/L + mg NH₄ - N/L)), der Schwebstoffe und des Kohlendioxids vorgesehen.
Hydroponischer Teil:
Der wenigstens eine hydroponische Teil der gesamten Anlage der Erfindung umfasst wenigstens einen Behälter, der die Substrate für das Wachstum der Vegetation, z. B. der Pflanzen, und natürlich die Pflanzen selbst enthält. Die Nährstoffe, die für das Wachstum der Vegetation notwendig sind, werden in der Regel von Substraten geliefert, die Teil der Lösung sind, die den Wurzeln oder den Zellwänden der Pflanzen sämtliche Nährstoffe zuführt. Bewässerungssysteme sind in der Regel integriert.
Es gibt verschiedene mögliche Konstruktionsansätze für diese hydroponischen Teile der Anlage.
Eines dieser Verfahren betrifft die Tiefwasserkultur (engl. deep water culture, im Folgenden: DWC), die auch als Direktwasserkultur bezeichnet wird und die durch das direkte Einhängen der Wurzeln der Pflanzen in eine stark sauerstoffreiche Nährlösung funktioniert. DWC-Systeme sind sehr effektiv, einfach zu bauen und zu bedienen. Behälter, Tanks, Gefäße usw. werden in der Regel mit Wasser befüllt, und die auf Kunststofffolien angeordneten Pflanzen haben über Öffnungen Zugang zum Wasser. Die Wurzeln der Pflanzen werden in das sauerstoffreiche Medium geführt, das kontinuierlich aus dem und zurück in den multitrophischen Behälter, z. B. in die Fischtanks, fließt.
Weitere hydroponische Systeme sind die aeroponischen Systeme, die ein Verfahren zum Anbau von Pflanzen in einer Luft- oder Nebelumgebung anwenden, allerdings ohne Erde oder jegliche Art von Medium.
Ein anderes System lässt sich als kontinuierliches Durchflusssystem zusammenfassen; zu den kontinuierlichen Durchflussverfahren gehören Nährlösungsfilm-Techniken (engl. nutrient film techniques, im Folgenden: NFT) und Tropfsysteme. Das Grundkonzept beruht auf einem kontinuierlichen Durchfluss von Nährstoffen, was für einen guten Ablauf und Durchfluss sorgt.
Das sogenannte Tropfbewässerungssystem nutzt kleine Emitter, um Nährstoffe direkt auf die Wurzeln oder die Erde der Pflanzen zu tropfen. Das System kann mit einem Medium und Erde verwendet werden.
Das Ebbe-Flut-System wird als ein hydroponisches Überflutungs- und Abflusssystem bezeichnet, das in regelmäßigen Abständen Behälter mit einer Nährlösung überflutet und diese anschließend in den multitrophischen Behälter zurückführt.
Gemäß dem NFT-System werden Nährstoffe aus dem multitrophischen Behälter in eine Wanne gepumpt, um einen konstant fließenden, dünnen Film aus Nährstoffen zu bilden, wobei die Wurzeln der Pflanzen darin eingetaucht sind und kein Nährmedium verwendet wird.
Das DWC-System wird als RDWC-System bezeichnet, wenn es zusammen mit rezirkulierenden Direktwasserkultursystemen eingesetzt wird. Das RDWC-System funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie das DWC-System, kann jedoch einen separaten zentralen Behälter aufweisen, der mehrere Teilbehälter, Tanks, Gefäße usw. speist.
Die Wurzeln der Pflanzen im hydroponischen Teil des Systems benötigen Sauerstoff. Bei bestimmten Pflanzen führt die Erhöhung des Sauerstoffs zu einer Erhöhung der Nährstoffaufnahme, was wiederum zu mehr Wachstum führt.
Hydroponische Systeme erfordern, dass die Wurzeln der Pflanzen mit Sauerstoff in Kontakt kommen können. In Ebbe-Flut-Systemen wird dies dadurch erreicht, dass regelmäßige zeitgesteuerte Nährstoffflüsse durch Phasen der Nichtzufuhr unterbrochen werden, so dass die Wurzeln atmen können. In einem DWC-System stehen die Wurzeln der Pflanzen immer in Verbindung mit der Nährlösung; der von den Pflanzen benötigte Sauerstoff ist ebenfalls in der Lösung enthalten.
Der Boden im hydroponischen System für die Wurzeln der Pflanzen kann sich aus unterschiedlichen Produkten zusammensetzen, z. B. aus sogenannten Steinwollwürfeln, Hydroton-Kugeln, Kies, Blähton oder dergleichen.
Alle der vorstehend genannten Systeme erfordern eine effektive mechanische Filtration, um zu verhindern, dass sich tierische Abfälle auf den Wurzeln der Pflanzen ansiedeln.
Der hydroponische Teil umfasst vorzugsweise auch eine Sumpfeinheit. Diese Sumpfeinheit ist vorzugsweise vor dem vorstehend beschriebenen hydroponischen Behälter im Kreislauf angeordnet, der für die Aufnahme der Pflanzen ausgelegt ist. Diese hydroponische Sumpfeinheit selbst kann eine Pumpe und/oder einen oder mehrere Filter entsprechender Art umfassen. Die Sumpfeinheit des hydroponischen Teils nimmt das RAS-Wasser auf, wie es im multitrophischen Teil der Anlage, d. h. von der Sumpfeinheit, aufbereitet und wie vorstehend beschrieben wurde. In der Sumpfeinheit findet eine weitere Aufbereitung statt, zum Beispiel die Nährstoffergänzung und -aufbereitung sowie die Aufbereitung des Wassers, das wie vorstehend beschrieben in das hydroponische Beet geleitet wird. Die Anpassung des pH-Wertes, wie nachstehend beschrieben, kann in Verbindung mit der hydroponischen Sumpfeinheit erfolgen.
Die hydroponische Sumpfeinheit ist des Weiteren so ausgelegt, dass sie das Wasser aus dem hydroponischen Beet wieder aufnimmt, nachdem die Pflanzen die Nährstoffe aufgenommen haben, und es in gereinigter Form zur Sumpfeinheit des RAS-Teils der Anlage zurückleitet. Das zurückgeführte Wasser ist entsprechend nährstoffarm. In Bezug auf die Destillationseinheit weist die hydroponische Sumpfeinheit zusätzliche Funktionen auf, die im Zusammenhang mit der Destillationseinheit beschrieben werden. Um diese unterschiedlichen Funktionen zu erfüllen, verfügt die hydroponische Sumpfeinheit über Mittel zur Trennung der verschiedenen Durchflüsse.
Die Größe des hydroponischen Teils und dessen Einheiten der vorliegenden Erfindung hängt von der Menge der Nährstoffe ab, d. h. dem Fischfutter für das RAS, das dem System zur Verfügung gestellt wird. Der Umfang der Nährstoffe, die den Pflanzen durch Remineralisierung von Aquakulturschlamm zur Verfügung gestellt werden, führt zu einer höheren Menge an Nährstoffen, die den Pflanzen zur Verfügung stehen. Dementsprechend muss die Größe des hydroponischen Teils des Anlagensystems an den Umfang der Remineralisierung von Aquakulturschlamm angepasst werden.
Allgemeine Module/Komponenten:
Die Anlage umfasst vorzugsweise weitere Module/Komponenten, die im Folgenden beispielhaft beschrieben werden:
Da es das rezirkulierende Aquakultursystem (RAS) ist, das der hydroponischen Komponente des Systems die notwendigen Nährstoffe zuführt, und da das Medium sowohl die Fische als auch die Pflanzen mit Sauerstoff versorgt, sind zusätzliche Qualitätsparameter und Vorrichtungen erforderlich, um die Umgebungsparameter des erfindungsgemäßen Systems zum Anbau von Vegetation zu steuern.
Einer der Parameter ist die Temperatur, die in Bezug auf die Fischart und die Pflanzenart erheblich variieren kann. Auch bei der Temperatur müssen die Anforderungen für nitrifizierende Bakterien berücksichtigt werden. Kaltwasserfische benötigen zum Beispiel Temperaturen zwischen 10 °C und 18 °C, verschiedene tropische Fische bevorzugen Temperaturen im Bereich zwischen 22 °C und 32 °C. Pflanzen bevorzugen häufig Temperaturen im Bereich von 14 °C bis 20 °C; nitrifizierende Bakterien benötigen einen Bereich von 16 °C bis 35 °C.
Daher umfasst das System vorzugsweise Mittel zur Steuerung der Temperatur entsprechend den spezifischen Bedürfnissen von Fischen, Pflanzen und Bakterien.
Fische benötigen Sauerstoff. Die Löslichkeit von Sauerstoff hängt von der Wassertemperatur und dem Salzgehalt ab. In einem System mit steigender Wassertemperatur und zunehmendem Salzgehalt nimmt die Löslichkeit von Sauerstoff ab. Sauerstoff ist daher ein wesentlicher Parameter für das vorliegende System. Sein Gehalt hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. der Fischart, der Wassertemperatur, der Fütterungsart der Fische.
Daher umfasst das erfindungsgemäße System vorzugsweise eine Vorrichtung zur Steuerung von gelöstem Sauerstoff.
Ein weiterer Qualitätsparameter betrifft den pH-Wert, z. B. die Frage des Säuregehalts. Wie bereits am Anfang dieser Beschreibung dargelegt, bevorzugen Fische pH-Werte zwischen 6,5 und 9,0. Höhere pH-Werte führen zu einer Umwandlung von Ammonium in giftiges Ammoniak. Ein pH-Bereich von weniger als 6,5 wirkt sich negativ auf den Stoffwechsel der Fische aus. Pflanzen bevorzugen pH-Werte von weniger als 6,5. Nitrifizierende Bakterien wachsen am besten ab einem pH-Wert von mehr als 7,5.
Daher ist es erforderlich, diese unterschiedlichen pH-Werte des rezirkulierenden Aquakultursystems und des hydroponischen Systems in ein Gleichgewicht zu bringen.
So umfasst das System eine Einheit zur Regulierung der unterschiedlichen pH-Werte des RAS-Teils und des hydroponischen Teils. Vorzugsweise werden diese Teile in einen ausgewogenen pH-Bereich gebracht, der den spezifischen Bedürfnissen der den im System wachsenden Fisch- und Pflanzenarten entspricht.
Insbesondere beeinflusst der Säuregehalt des Wassers viele der Qualitätsparameter des Mediums, darunter Nitrite und Nitrate.
Daher sollte vorzugsweise der pH-Wert des Mediums der Fische zum Beispiel auf die pH-Wert-Anforderungen der Pflanzen abgestimmt werden oder umgekehrt; ein pH-Bereich zwischen 6,8 und 7,0 ist in vielen Fällen zu bevorzugen und stellt einen akzeptablen Kompromiss dar.
Vorzugsweise gibt es außerdem eine Vorrichtung zur Steuerung der Alkalität (CaC03), um im Medium vorhandene Säure unter Berücksichtigung des erforderlichen pH-Wertes zu neutralisieren.
Der für das erfindungsgemäße System zu verwendende Nährstoff umfasst unter anderem Stickstoff N sowie Phosphor P als wesentliche Bestandteile. Stickstoff im erfindungsgemäßen System entsteht unter anderem durch die Exkremente der Fische. Das Medium enthält Ammoniak (NH₃), das für die Fische bereits bei sehr niedrigem Gehalt giftig sein kann; Nitrit ist für die Fische bei höherem Gehalt giftig. Andererseits kann Stickstoff verwendet werden, um das Wachstum der Pflanzen zu stimulieren. Die Feststoffabfälle in Form von Exkrementen oder Futter im multitrophischen System werden durch Mikroben in Ammonium umgewandelt. Wie bereits erwähnt, wandeln die Bakterien Ammonium in Nitrite und anschließend in Nitrate um.
Daher umfasst das erfindungsgemäße System vorzugsweise eine Einheit zur Denitrifikation. Die Einheit ist für das Vorhandensein von Nitrat in sauerstoffreichem Wasser zuständig; das Nitrat (NH₄ ⁺) kann biochemisch in Nitrit (NH₃) umgewandelt werden, das wiederum erneut zu Nitrat oxidiert werden kann. Die Denitrifikationseinheit kann somit sowohl die Denitrifikation, d. h. die Reduktion von Nitrat, als auch die Nitrifikation, d. h. die Oxidation von Ammoniak oder Ammonium zu Nitrit, durchführen.
Werden alle oder einige der beschriebenen Komponenten/Module in Verbindung mit einer Solar-/Fotovoltaik-Technologie eingesetzt, steigt das Kosten-Nutzen-Verhältnis.
Destillationseinheit:
Da es sich bei der Hydroponik, wie bereits erwähnt, um ein erdloses Anbausystem handelt, werden die Nährstoffe für die Pflanzen unter anderem durch das Fischfutter in Form von Fischabfällen, d. h. Exkrementen, zugeführt. Die Nährstoffe können in Makronährstoffe und Mikronährstoffe unterteilt werden. Makronährstoffe wie Stickstoff N, Phosphor P, Kalium K, Calcium Ca, Magnesium Mg und Schwefel S sind für die Pflanzen von allergrößter Bedeutung.
Mikronährstoffe wie beispielsweise Eisen Fe, Kupfer Cu, Bor B, Zink Zn etc. können vorzugsweise zugesetzt werden.
Da der Nährstoff im System über das Fischfutter in Form von Fischabfällen oder Futterresten zugeführt wird, ist die Makro- und Mikronährstoffkonzentration im RAS-Kreislauf automatisch konstant höher als in der hydroponischen Komponente, falls im hydroponischen Teil keine zusätzliche Düngemittelzufuhr erfolgt. Wie bereits erwähnt, sollte andererseits die umgekehrte Situation erreicht werden, da die Pflanzen im hydroponischen Kreislauf die Zufuhr der Makro- und Mikronährstoffkonzentration benötigen. DAPS-Systeme erfordern daher eine erhebliche Menge an zusätzlicher Düngermittel- bzw. Nährstoffmanipulation, um die optimalen Wachstumsparameter zu erfüllen. Diese Situation lässt sich jedoch nicht wirksam durch den Umstand ändern, dass der Kreislauf der Remineralisierung die hydroponische Komponente mit zusätzlichen Nährstoffen versorgt.
Eine mögliche Lösung für diese nicht erwünschte Situation wäre, die Nährstoffkonzentration im hydroponischen Kreislauf zu erhöhen und gleichzeitig sicherzustellen, dass die Wasserbedingungen des RAS den Anforderungen der spezifischen Arten entsprechen. Im Zusammenhang mit dem System zum Anbau von Vegetation, insbesondere im Zusammenhang mit dem aquaponischen System, führt eine zusätzliche Düngung jedoch zu entsprechenden Mehrkosten.
Auf der anderen Seite benötigen Fische ein nährstoffarmes Medium. Lediglich das Leiten des mit Nährstoffen angereicherten Mediums des RAS-Teils zum hydroponischen Teil und das Befüllen des RAS-Teils mit frischem Medium würde das gesamte System ad absurdum führen, da gar kein Medium, z. B. Wasser, eingespart werden könnte.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Zugabe von Kunstdünger auf der Grundlage weiterer Kosten sowie der Erhöhung des ökologischen Fußabdrucks den hydroponischen Nährstoffgehalt erhöhen kann, jedoch das Problem der hohen Nitratwerte im RAS nicht lösen würde.
Der Anmelder hat überraschenderweise festgestellt, dass ein solches Hindernis der zusätzlichen Düngung durch die Durchführung eines Destillationsverfahrens überwunden werden kann. Daher ist es ein wesentliches Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung, eine Anlage zur Destillation 16 bereitzustellen.
Die Destillation ist in diesem Zusammenhang in der Lage, die Nährstoffkonzentration im hydroponischen Kreislauf zu erhöhen und gleichzeitig für die Fische günstige nährstoffarme Bedingungen zu gewährleisten. Darüber hinaus kann der Wasserverbrauch minimiert werden. Die Destillationseinheit überwindet das Austreten von Wasser und Nährstoffen. Die Destillationstechnologie kann zum Ausgleich von Nährstoffkonzentrationen eingesetzt werden.
Wie bereits vorstehend in Bezug auf den multitrophischen Teil der Anlage ausgeführt, nimmt die hydroponische Sumpfeinheit ein Medium, z. B. Wasser, von der Sumpfeinheit des multitrophischen Teils der Anlage auf.
Wie bereits ausgeführt, nimmt die Sumpfeinheit des multitrophischen Teils den flüssigen Bestandteil des Mediums auf, der die gelösten Nährstoffe enthält. Dieser flüssige Bestandteil wird weiter zur hydroponischen Sumpfeinheit geleitet. Die hydroponische Sumpfeinheit erhält außerdem das Medium, z. B. das Wasser, aus dem hydroponischen Behälter zurück, in dem die Pflanzen wenigstens einen großen Teil der Nährstoffe des Mediums aufgenommen bzw. absorbiert und das Wasser wenigstens teilweise gereinigt haben; dieser Teil des Wassers kann immer noch einige der Nährstoffe enthalten, falls die Pflanzen nicht alle Nährstoffe absorbiert haben.
Dieses gesamte Medium wird dann - und auch hier ist zu beachten, dass es sich um einen permanenten Kreislaufprozess handelt - vom Behälter der hydroponischen Sumpfeinheit zur Destillationseinheit geleitet, wo ein Trennverfahren stattfindet, das im Folgenden näher beschrieben wird.
Dieses Trennverfahrens hat zur Folge, dass das Medium in einen nährstoffarmen und gereinigten flüssigen Bestandteil abgetrennt wird, der von der Destillationseinheit / dem multitrophischen Behälter z. B. zum Fischtank über die Sumpfeinheit des multitrophischen Teils, in der Regel auch über die Biofiltereinheit und/oder die Gasaustauscheinheit, zurückgeleitet wird. Damit ist das Medium sehr gut für die Fische geeignet - und der gesamte Kreislauf kann wieder von vorne beginnen.
Das in der Destillationseinheit durchgeführte Trennverfahren führt - zusätzlich zum nährstoffarmen Medium - zu einer Konzentration von Nährstoffen, die von der Destillationseinheit zurück zur hydroponischen Sumpfeinheit geleitet werden. In der hydroponischen Sumpfeinheit erfolgt eine Kühlung des von der Destillationseinheit aufgenommenen Mediums. Daher wird dieses mit Nährstoffen angereicherte Medium von der hydroponischen Sumpfeinheit in den hydroponischen Behälter geleitet, so dass diese Nährstoffe den Pflanzen zur Verfügung stehen.
Die hydroponische Sumpfeinheit selbst leitet wenigstens einen Großteil des aufgenommenen Mediums zur Destillationseinheit.
Insbesondere wird das Medium aus dem hydroponischen Sumpf in der Destillationseinheit konzentriert, wodurch zwei getrennte Ströme entstehen, und zwar einerseits ein entmineralisiertes Wasser zum RAS und andererseits eine konzentrierte Nährlösung (d. h. Salzsole), die in den hydroponischen Kreislauf zurückfließt.
Gemäß der Erfindung kann die Destillationseinheit nach verschiedenen Konstruktionsprinzipien oder Kombinationen davon betrieben werden.
Mikrofiltration (MF), Ultrafiltration (UF), Nanofiltration (NF), Reversosmose (RO), Pervaporation und Elektrodialyse sind Membranverfahren, die geeignet sind.
Ein Beispiel für die Destillationseinheit nutzt das Verfahren der Membrandestillation (MD). Eine hydrophobe, mikroporöse Membran trennt das erwärmte Medium und eine abgekühlte Aufnahmphase. Die sich daraus ergebende Temperaturdifferenz über der Membran bewirkt eine Wasserdampfübertragung durch die Poren von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite.
Der lösliche Feststoffanteil des Mediums, soweit er noch bei der Aufnahme aus der hydroponischen Sumpfeinheit vorhanden ist, wird durch ein Konzentrationsverfahren erhöht. Dieser konzentrierte verbleibende Teil des Mediums, d. h. die konzentrierte Nährlösung, wird wieder zurück zur hydroponischen Sumpfeinheit geleitet, wo er weiter abgekühlt und dann gemäß den vorstehenden Ausführungen zur hydroponischen Wasserkultureinheit (DWC) oder zu vergleichbaren Einheiten geleitet wird.
Der destillierte Wasseranteil des Mediums, d. h. das verdampfte Wasser, wird durch dieses Verfahren entmineralisiert und in dieser nährstoffarmen Konzentration zurück zur multitrophischen Sumpfeinheit und von dort über die Biofiltereinheit und die optionale Gasaustauscheinheit wieder zurück in den Behälter, z. B. in den Fischtank, geleitet.
Die Membrandestillation (MD) ist ein thermisch getriebenes Verfahren, bei dem der Wasserdampftransport durch eine nicht benetzte, poröse, hydrophobe Membran erfolgt. Ein Dampfdruckgefälle wird durch eine Temperaturdifferenz über der Membran erzeugt. Der Wassertransport durch die Membran kann die Schritte der Bildung eines Dampfspalts an der Grenzfläche zwischen heißem Medium und Membran, des Transports der Dampfphase durch das mikroporöse System und der Kondensation des Dampfes an der Grenzfläche zwischen Membran und Permeatlösung der kalten Seite umfassen.
Es können spezifische Ausgestaltungen dieses Verfahrens eingesetzt werden, z. B. das Verfahren der sogenannten Direktkontakt-Membrandestillation (engl. direct contact membrane distillation, DCMD), bei dem Wasser mit einer niedrigeren Temperatur als eine Flüssigkeit im Medium als Kondensationsflüssigkeit auf der Permeatseite verwendet wird; die Flüssigkeit auf beiden Seiten der Membran steht demnach in direktem Kontakt mit der hydrophoben, mikroporösen Membran.
Eine Alternative ist das Verfahren der sogenannten Luftspalt-Membrandestillation (engl. air gap membrane distillation, AGMD), bei dem Wasserdampf auf einer kalten Oberfläche kondensiert wird, die über einen Luftspalt von der Membran getrennt ist.
Eine weitere Möglichkeit ist das Verfahren der sogenannten Spülgas-Membrandestillation (engl. sweeping gas membrane distillation, SGMD), bei dem ein kaltes Inertgas auf der Permeatseite verwendet wird, um die Dampfmoleküle mitzureißen und aus dem Membranmodul heraus zu transportieren, wo die Kondensation stattfindet.
Das Verfahren der sogenannten Vakuum-Membrandestillation (engl. vacuum membrane distillation, VMD) nutzt die Anwendung von Vakuum auf der Permeatseite; der aufgebrachte Vakuumdruck ist niedriger als der Gleichgewichtsdampfdruck, was zur Folge hat, dass die Kondensation außerhalb des Membranmoduls stattfindet.
Es können auch andere Destillationsverfahren eingesetzt werden, z. B. die osmotische Destillation (engl. osmotic distillation, OD), bei der eine mikroporöse, hydrophobe Membran zwei wässrige Lösungen in unterschiedlichen gelösten Konzentrationen trennt.
Die Destillationsanlage ist somit in der Lage, die hydroponische Nährlösung zu konzentrieren und entmineralisiertes Wasser wieder in den RAS-Teil des Systems zurückzuführen. Die Nährlösung, die durch die Durchführung dieses Verfahrens in den beschriebenen Einheiten erhalten wird, enthält das Nährstoffkonzentrat. Dieses Konzentrat besteht in der Regel nicht aus partikulären, d. h. festen, sondern aus gelösten Nährstoffen.
Versuche und Tests des Anmelders sowie Berechnungen zeigen, dass 30 % bis 75 % des Durchflusses zur Destillationseinheit remineralisiert sind und innerhalb des RAS wiederverwendet werden können. Eine der weiteren Folgen ist, dass der RAS-Nitratgehalt auf einem Niveau von knapp unter 50 ppm gehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Anlage ist, dass die hydroponischen und RAS-Nährstoffkonzentrationen direkt reguliert werden. Der behandelte Schlamm, d. h. der Abfall, wird weiter konzentriert, um die Konzentration im hydroponischen System zu erhöhen und um die Wasserqualität im RAS zu erhöhen.
Zusätzlich zur Dosierung der Nährstoffkonzentrationen des RAS-Systems sowie des hydroponischen Systems ist die wenigstens eine Destillationseinheit in der Lage, Meer- oder Brackwasser zu entsalzen und damit die Kapazität trockener Regionen zur Nahrungsmittelproduktion innerhalb des nachhaltigen Systems zu erhöhen.
Die Durchführung von Destillationsverfahren trägt somit zu den Nitratbilanzen in aquaponischen Mehrkreis-Systemen bei, um optimale Wachstumsbedingungen sowohl für Fische als auch für Vegetation, z. B. Pflanzen, zu erreichen, indem die hydroponische Nährlösung konzentriert und gleichzeitig das RAS-Prozesswasser verdünnt wird.
Remineralisierungskreislauf:
Wie bereits vorstehend dargelegt, kann das erfindungsgemäße System zum Anbau von Vegetation zusätzlich wenigstens eine weitere Einheit in Form eines Bioreaktors umfassen.
Die Bereitstellung einer einen Bioreaktor umfassenden Einheit könnte dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine sogenannte Remineralisierungseinheit bzw. einen Remineralisierungskreislauf vorsieht, die in der Lage sind, den pH-Wert von festen Nährstoffbestandteilen im System weiter zu senken und wenigstens einen großen Teil, vorzugsweise den gesamten Teil, dieser festen Nährstoffbestandteile in Biodünger umzuwandeln.
Im Rahmen der Beschreibung der mechanischen Filtereinheit des RAS-Teils der erfindungsgemäßen Anlage wurde bereits darauf hingewiesen, dass wenigstens ein Großteil der wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile, die durch das Verfahren des mechanischen Filters abgeschieden werden, von der mechanischen Filtereinheit zur Bioreaktoreinheit geleitet werden kann.
Die Menge dieser wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile, die in der mechanischen Filtereinheit abgeschieden werden, kann variieren, beträgt aber in der Regel ca. 0,5 bis 5 Gewichtsprozent.
Diese wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile können als Aquakulturabfälle bezeichnet werden. Es handelt sich dabei typischerweise um Fischschlamm, d. h. Exkremente und nicht gefressenes Futter.
Durch das mechanische Filterverfahren, das von der mechanischen Filtereinheit durchgeführt wird, verfangen sich die wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile in dem Gitter, dem Netz oder der Membran oder anderen Trennmitteln. Die verfangenen partikelförmigen Bestandteile können durch Anwendung von Überdruck abgeschieden werden, was zum Ausspülen der partikelförmigen Bestandteile führt. Selbstverständlich können auch andere Verfahren zur Abscheidung und Ableitung dieser partikelförmigen Bestandteile angewendet werden.
Der Bioreaktor ist so ausgelegt, dass er eine aerobe Nachbehandlung der partikelförmigen Bestandteile, d. h. der Aquakulturabfälle, durchführt.
Der Bioreaktor senkt den pH-Wert dieser Aquakulturabfälle. Aufgrund der Absenkung des pH-Wertes liegt dieser in einem pH-Bereich von 6 bis 5, vorzugsweise jedoch unterhalb von 5.
Die Absenkung des pH-Wertes hat vorzugsweise keinen Einfluss auf den Nährstoffgehalt, d. h. den Nährwert. Der Nährstoffgehalt dieser Aquakulturabfälle nach der erfolgten Absenkung des pH-Wertes bleibt vorzugsweise gleich.
Durch die Absenkung des pH-Wertes in der Bioreaktoreinheit werden die Nährstoffe dieser Aquakulturabfälle jedoch auf vorteilhafte Weise gelöst. Dies bedeutet, dass die Durchführung des Verfahrens in der Bioreaktoreinheit zu einem „Herausziehen“ der Nährstoffe aus den Aquakulturabfällen, z. B. aus dem Fischschlamm, führt.
Ein bevorzugter pH-Bereich von weniger als 5 führt zu einer deutlich besseren Effizienz der Nährstoffrückgewinnung. Die Aquakulturabfälle werden effektiv in Biodünger umgewandelt.
Aufgrund des pH-Wertes und der entsprechenden unterdrückten Methanogenese ist das Abwasser jedoch reich an flüchtigen Fettsäuren (FFS), die das Wachstum verzögern.
Die Bioreaktoreinheit sieht daher vorzugsweise einen zusätzlichen Verfahrensschritt einer aeroben Nachbehandlung vor, der Schritte der Oxidation bzw. Reduktion der flüchtigen Fettsäuren vorsieht, so dass das Abwasser dieses Nachbehandlungsschrittes in das hydroponische System überführt werden kann.
Dabei wird die Überführung der Aquakulturabfälle in Biodünger vorzugsweise in einer Vorrichtung zur Radialstromabscheidung abgeschlossen, die Teil der gesamten Bioreaktoreinheit sein kann.
Bei Radialstromabscheidern handelt es sich um eine Art Filter, der die Entfernung der festen Bestandteile der Aquakulturabfälle unterstützt und dadurch Biodünger erzeugt. In einem Radialstromabscheider treten die bereits wie vorstehend beschrieben im Bioreaktor behandelten Aquakulturabfälle zum Beispiel senkrecht in die Mitte eines Tanks ein und durchströmen einen Beruhigungsschacht, wodurch sich die Feststoffe geringer Dichte leicht aus der Wassersäule abscheiden lassen, während sie sich im Tank absetzen. Gefiltertes Medium fließt über ein Überlaufwehr am oberen Ende des Abscheiders in eine Auffangwanne, wo das behandelte Medium zum hydroponischen Teil der Anlage geleitet wird.
Natürlich funktionieren auch andere Konstruktionsprinzipien eines Radialstromabscheiders in geeigneter Weise.
Gemäß der vorstehend genannten Bioreaktoreinheit wird das behandelte Abwasser zum hydroponischen Teil der Anlage, vorzugsweise zum bereits erwähnten hydroponischen Sumpf, geleitet.
Beim Mischen dieses Abwassers, das, wie beschrieben, einen niedrigen pH-Wert aufweist, mit dem aus dem RAS-Teil der Anlage stammenden Medium, das ebenfalls, wie vorstehend beschrieben, bereits einen reduzierten pH-Wert aufweist, ist eine weitere Reduzierung des pH-Wertes im hydroponischen Teil der Anlage möglich, was für das Wachstum der Pflanzen entsprechend den oben genannten Anforderungen an den pH-Wert für Pflanzen vorteilhaft ist. Ungeachtet dessen verbleibt wenigstens ein Großteil der für das Wachstum der Pflanzen benötigten Nährstoffe im Abwasser, das von der Bioreaktoreinheit zum hydroponischen Teil der Anlage geleitet wird.
Wenn das Abwasser den hydroponischen Teil der Anlage, d. h. den hydroponischen Sumpf, erreicht hat, setz sich die Behandlung des Mediums wie vorstehend beschrieben fort.
Dies bedeutet, dass bei der Bereitstellung der vorstehend genannten Destillationseinheit das Medium die entsprechenden beschriebenen Verfahrensschritte durchläuft. Falls keine Destillation vorgesehen ist, wird das mit Nährstoffen angereicherte Medium direkt aus dem hydroponischen Sumpf in das hydroponische Beet geleitet, das die Pflanzen enthält; der nährstoffarme Wasseranteil wird, wie vorstehend beschrieben, zurück in den multitrophischen Behälter, z. B. den Fischtank, geleitet.
Dabei ist hervorzuheben, dass die Bereitstellung einer Bioreaktoreinheit in der erfindungsgemäßen Anlage nicht auf die weitere Aufbereitung der wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile des vom mechanischen Filter abgetrennten Fischschlamms beschränkt ist. Die Bioreaktoreinheit ist auch in der Lage, die externen primären Düngestoffe, wie beispielsweise Exkremente von Nutztieren, z. B. Rindern, Schweinen, Hühnern, oder wie beispielsweise zerkleinerte organische Haushalts- und Pflanzenabfälle, aufzubereiten bzw. zu behandeln.
Dies bedeutet, dass die Funktion der Bioreaktoreinheit universell ist. Der Bioreaktor kann sowohl für Aquakulturabfälle als auch für Exkremente von Nutztieren und zerkleinerte organische Haushalts- und Pflanzenabfälle universell eingesetzt werden.
Der Bioreaktor kann im System zwischen dem multitrophischen Behälter und dem hydroponischen System angeordnet sein, insbesondere nach dem Mikrosiebfilter, z. B. dem Trommelfilter.
Der Bioreaktor kann funktionell ein Absetzbecken samt Pumpe umfassen.
Der Bioreaktor kann die Remineralisierung von Fischschlamm erhöhen, um Aquakulturabfälle, d. h. Fischexkremente und nicht gefressenes Futter, in Biodünger umzuwandeln. Der Anmelder hat festgestellt, dass ein niedriger pH-Wert, d. h. von weniger als 5,0, zu einer wesentlich besseren Effizienz der Nährstoffrückgewinnung führt.
Die Bereitstellung eines Bioreaktors ist nicht auf einen bestimmten Bioreaktortyp beschränkt. Ein sogenannter anaerober Aufstrom-Schlammbettreaktor (engl. upflow anaerobic sludge blanket reactor, im Folgenden: UASB-Reaktor) kann jedoch als Reaktor geeignet sein.
Ein UASB-Reaktor kann einen einzigen Tank umfassen, in dem anaerobes zentrales oder dezentrales Abwasser oder Schwarzwasser behandelt werden kann, wobei eine sehr gute Entfernung von organischen Schadstoffen erreicht wird. Das Abwasser gelangt zum Beispiel von unten in den Reaktor und fließt nach oben. Ein Schwebefilter filtert und behandelt das Abwasser, während es durch diesen hindurchströmt. Im Schlamm enthaltene Bakterien wandeln die organischen Stoffe durch eine anaerobe Behandlung in Biogas um. Feststoffe können durch Filter abgeschieden werden. Nährstoffe werden zu einem sehr geringen Teil entfernt. Daher können sowohl das Abwasser als auch der stabilisierte Schlamm als Dünger für das hydroponische System verwendet werden.
Anstelle eines UASB-Reaktors oder zusätzlich zu diesem kann auch ein sogenannter erweiterter granulärer Schlammbett-Aufschlussreaktor (engl. expanded granular sludge bed digestion reactor, im Folgenden: EGSB-Reaktor) oder ein Reaktor mit interner Zirkulation (engl. internal circulation reactor, im Folgenden: IC-Reaktor) eingesetzt werden.
In der Regel kann jeder Bioreaktortyp verwendet werden.
Da Stickstoff und Phosphor bei anaeroben Technologien nicht effektiv reduziert werden, ist die Bereitstellung eines Bioreaktors in erfindungsgemäßen Systemen zum Anbau von Vegetation, insbesondere in aquaponischen Systemen, zweckmäßig.
Beispiel für die Durchführung der Erfindung:
Das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren werden im Detail beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Detail beschränkt. Dieses zeigt in

1: ein Wasserströmungsschema des aquaponischen Mehrkreis-Systems.

Die erfindungsgemäße Anlage 1 weist ein Schema des aquaponischen Mehrkreis-Systems auf, das vier entkoppelte Teilsysteme umfasst.
Die erfindungsgemäße Anlage umfasst dementsprechend multitrophische Einheiten 2, 4, 6, 7 sowie hydroponische Einheiten 13, 12, 14.
Die Anlage umfasst darüber hinaus eine Destillationseinheit 16 und/oder eine Bioreaktoreinheit 8, 9, 10, 11. Die Verwendung von rezirkulierenden Aquakultursystemen ist eine Ausführungsform des multitrophischen Teils der Anlage.
Ein multitrophischer Teil der Anlage umfasst einen Behälter 2.
Dieses multitrophische System umfasst, wie in 1 dargestellt, neben dem Behälter 2 zusätzliche Einheiten, wie z. B. eine Biofiltereinheit 6, eine Gasaustauscheinheit 5 und eine mechanische Filtereinheit 4. Diese zusätzlichen Einheiten sind außerhalb des Behälters 2 angeordnet.
Der multitrophische Behälter 2 ist für die Aufnahme der Fische ausgelegt. Der Behälter weist einen oder mehrere Anschlüsse an eine Mediumabflussleitung, z. B. eine Wasserabflussleitung, auf, die das Medium in wenigstens ein Absetzbecken oder eine Absetzkammer (nicht dargestellt) leitet. Diese Absetzvorrichtung kann sowohl als Vorfiltrationssystem als auch als Pumpensumpf verwendet werden.
Der Gesamtdurchfluss des Mediums wird in zwei unabhängige Kreisläufe aufgeteilt Der erste Kreislauf kann dazu genutzt werden, das Medium, z. B. Wasser, zur erfindungsgemäßen Pflanzenanlage, d. h. zum hydroponischen Teil, zu leiten. Der zweite unabhängige Kreislauf führt das Wasser vom hydroponischen Teil der Anlage in den multitrophischen Behälter 2 zurück, der die Fische enthält, d. h. in den Fischtank 3.
Die Anlage umfasst eine Einheit zur mechanischen Filtration 4 des Mediums des rezirkulierenden Aquakultursystems. Um eine gute Qualität des Mediums zu erhalten und eine Fäulnisbildung im System zu verhindern, ist es notwendig, die Reste des den Fischen verabreichten Futters und die Abwässer der Fische, z. B. Exkremente, zu entfernen. Dies erfolgt durch die mechanische Filtereinheit 4.
Gemäß dem Beispiel für die Durchführung der Erfindung ist die mechanische Filtereinheit 4 direkt im Anschluss an den multitrophischen Behälter 2, d. h. den Fischtank 3, und vor einer Biofiltereinheit 6 angeordnet.
Die mechanische Filtereinheit 4 trennt wenigstens die festen Bestandteile des Mediums, z. B. Futterreste oder Exkremente, vom übrigen Medium, d. h. vom flüssigen Bestandteil des Mediums.
Von der mechanischen Filteranlage 4 wird der flüssige Bestandteil des Mediums zur Sumpfeinheit 7 geleitet, während die festen Bestandteile des Mediums zu einer Bioreaktoreinheit 8, sofern vorhanden, geleitet werden, um dort jeweils weiter aufbereitet zu werden. Falls kein Bioreaktor vorgesehen ist, werden die festen Bestandteile ebenfalls zur Sumpfeinheit geleitet.
Die Reihenfolge der Sumpfeinheit 7 oder der Biofiltereinheit 5 kann dabei beliebig sein.
Die Sumpfeinheit 7 nimmt wenigstens einen Großteil des flüssigen Bestandteils des Mediums zur weiteren Aufbereitung auf. Die Sumpfeinheit 7 ist für ein weiteres Aufbereitungsverfahren, z. B. für eine weitere Trennung der Nährstoffbestandteile, ausgelegt. Wenigstens ein Großteil des mit Nährstoffen angereicherten Bestandteils der Flüssigkeit wird weiter zur hydroponischen Sumpfeinheit 12 geleitet. Dieser mit Nährstoffen angereicherte Bestandteil ist für die weitere Aufbereitung im hydroponischen Teil 13, 12, 14 der gesamten Anlage 1 vorgesehen.
Der nährstoffarme flüssige Bestandteil des Mediums, der am Ende der Aufbereitungsschritte in den Behälter 2 zurückgeführt wird, wird entweder vollständig oder teilweise von der Sumpfeinheit 7 zur Biofiltereinheit 6 geleitet.
Wenn die Biofiltereinheit 6 direkt an die mechanische Filtereinheit 4 anschließt, wird der flüssige Bestandteil des genannten Mediums zur Sumpfeinheit 7 des multitrophischen Teils der Anlage 1 geleitet und in dieser Sumpfeinheit 7, wie vorstehend beschrieben, weiter aufbereitet und dann entweder vollständig oder teilweise zu einer optionalen Gasaustauscheinheit 5 oder vollständig zum Fischtank 3 zurückgeleitet.
Die Einheit zur Biofiltration 6 zielt darauf ab, unter anderem Ammoniak, gelöste organische Stoffe und Kohlendioxid zu entfernen. Das Ammoniak, ein in den Exkrementen der Fische vorkommendes giftiges Stoffwechselprodukt, wird in Nitrit und/oder Nitrat umgewandelt.
Nachdem alle oder ein großer Teil der Feststoffe durch die vorstehend dargestellte mechanische Filtereinheit 4 entfernt worden sind, wird das Medium, z. B. Wasser, durch die Biofiltereinheit 6 geleitet, wo das Ammoniak zuerst in Nitrit und anschließend in Nitrat umgewandelt wird.
Daher umfasst das erfindungsgemäße System vorzugsweise eine Einheit zur Denitrifikation. Die Einheit ist für das Vorhandensein von Nitrat in sauerstoffreichem Wasser zuständig; das Nitrat (NH₄ ⁺) kann biochemisch in Nitrit (NH₃) umgewandelt werden, das wiederum erneut zu Nitrat oxidiert werden kann. Die Denitrifikationseinheit kann somit sowohl die Denitrifikation, d. h. die Reduktion von Nitrat, als auch die Nitrifikation, d. h. die Oxidation von Ammoniak oder Ammonium zu Nitrit, durchführen.
Das bei diesem Verfahren anfallende Nitrat ist darüber hinaus eine wichtige Stickstoffquelle für die Pflanzen. Da Nitrit auch für die Fische giftig ist, muss sichergestellt werden, dass das bakterielle System in der Biofiltereinheit ordnungsgemäß funktioniert, so dass das Ammoniak auf einem ungiftigen Niveau gehalten wird; das Vorhandensein von Ammoniak lässt sich nicht gänzlich beseitigen, da die Fische durch die Exkremente permanent Ammoniak ausscheiden. Dies bedeutet, dass es sich bei der Biofiltration um einen kontinuierlichen Prozess handelt.
Gemäß 1 umfasst der RAS-Teil der Erfindung eine (optionale) Gasaustauscheinheit 5. Die Gasaustauscheinheit 5 löst CO₂ aus dem Medium, z. B. Wasser, und optimiert den Gehalt an Sauerstoff. Sauerstoff ist ein wesentlicher Qualitätsparameter für das Wachstum von Fischen. Die Ausgestaltung der Gasaustauscheinheit 5 ist abhängig von der Fischart, der Größe der Fische, den Fütterungsparametern, der Wassertemperatur und so weiter.
Nach dem Passieren dieser optionalen Gasaustauscheinheit 5, der vorstehend genannten Biofiltereinheit 6 oder Sumpfeinheit 7 wird das nährstoffarme Wasser in den Behälter 2 des RAS-Kreislaufs zurückgeleitet.
Der andere Hauptbestandteil des Systems ist das wenigstens eine hydroponische System 13, das wenigstens eine hydroponische Sumpfeinheit 12 und wenigstens eine Tiefwasserkultureinheit 14 umfasst und es den Pflanzen ermöglicht, mit den in die Nährlösung eingetauchten Wurzeln zu wachsen und darin schwebend gehalten zu werden.
Der wenigstens eine hydroponische Teil 13, 12, 14 der gesamten Anlage 1 der Erfindung umfasst wenigstens einen Behälter 14, der die Substrate für das Wachstum der Vegetation, z. B. der Pflanzen, und natürlich die Pflanzen selbst enthält.
Es gibt verschiedene mögliche Konstruktionsansätze für diese hydroponischen Teile der Anlage.
Eines dieser Verfahren betrifft die Tiefwasserkultur (engl. deep water culture, im Folgenden: DWC), die auch als Direktwasserkultur bezeichnet wird und die durch das direkte Einhängen der Wurzeln der Pflanzen in eine stark sauerstoffreiche Nährlösung funktioniert.
Da es sich bei der Hydroponik, wie bereits erwähnt, um ein erdloses Anbausystem handelt, werden die Nährstoffe für die Pflanzen unter anderem durch das Fischfutter in Form von Fischabfällen, d. h. Exkrementen, zugeführt. Die Nährstoffe können in Makronährstoffe und Mikronährstoffe unterteilt werden. Makronährstoffe wie Stickstoff N, Phosphor P, Kalium K, Calcium Ca, Magnesium Mg und Schwefel S sind für die Pflanzen von allergrößter Bedeutung.
Mikronährstoffe wie beispielsweise Eisen Fe, Kupfer Cu, Bor B, Zink Zn etc. können vorzugsweise zugesetzt werden.
Da der Nährstoff im System über das Fischfutter in Form von Fischabfällen oder Futterresten zugeführt wird, ist die Makro- und Mikronährstoffkonzentration im RAS-Kreislauf automatisch konstant höher als in der hydroponischen Komponente, falls im hydroponischen Teil keine zusätzliche Düngemittelzufuhr erfolgt. Andererseits sollte, wie bereits erwähnt, die umgekehrte Situation erreicht werden, da die Pflanzen im hydroponischen Kreislauf die Zufuhr der Makro- und Mikronährstoffkonzentration benötigen.
Auf der anderen Seite benötigen Fische ein nährstoffarmes Medium. Lediglich das Leiten des mit Nährstoffen angereicherten Mediums des RAS-Teils zum hydroponischen Teil und das Befüllen des RAS-Teils mit frischem Medium würde das gesamte System ad absurdum führen, da überhaupt kein Medium, z. B. Wasser, eingespart werden könnte.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Zugabe von Kunstdünger auf der Grundlage weiterer Kosten sowie der Erhöhung des ökologischen Fußabdrucks den hydroponischen Nährstoffgehalt erhöhen kann, jedoch das Problem der hohen Nitratwerte im RAS nicht lösen würde.
Der Anmelder hat überraschenderweise festgestellt, dass ein solches Hindernis der zusätzlichen Düngung durch die Durchführung eines Destillationsverfahrens überwunden werden kann. Daher ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, eine Einheit zur Destillation 16 bereitzustellen.
Teil des Systems ist daher die Bereitstellung einer Einheit (Anlage) zur Destillation 16. Wasser aus dem hydroponischen Sumpf 12 wird in der Destillationsanlage 16 konzentriert, wodurch zwei getrennte Ströme entstehen, nämlich die Rückführung von entmineralisiertem Wasser zum RAS mit nährstoffarmen Bedingungen für die Fische und der Rückfluss einer konzentrierten Nährstofflösung, d. h. einer erhöhten Nährstoffkonzentration, in den hydroponischen Kreislauf 13.
Die Destillation ist in diesem Zusammenhang in der Lage, die Nährstoffkonzentration im hydroponischen Kreislauf 13, 12, 14 zu erhöhen und gleichzeitig für die Fische günstige nährstoffarme Bedingungen zu gewährleisten. Darüber hinaus kann der Wasserverbrauch minimiert werden. Die Destillationseinheit überwindet das Austreten von Wasser und Nährstoffen. Die Destillationstechnologie kann zum Ausgleich von Nährstoffkonzentrationen eingesetzt werden.
Wie bereits vorstehend in Bezug auf den multitrophischen Teil 2, 4, 6, 7 der Anlage 1 ausgeführt, nimmt die hydroponische Sumpfeinheit 12 ein Medium, z. B. Wasser, von der Sumpfeinheit 7 des multitrophischen Teils der Anlage auf. Die hydroponische Sumpfeinheit 12 selbst leitet wenigstens einen Großteil des aufgenommenen Mediums zur Destillationseinheit 16.
Wasser aus dem hydroponischen Sumpf wird in der Destillationseinheit konzentriert, wodurch zwei getrennte Ströme entstehen, und zwar einerseits ein entmineralisiertes Wasser zum RAS und andererseits eine konzentrierte Nährlösung (d. h. Salzsole), die in den hydroponischen Kreislauf zurückfließt.
Die Destillationseinheit 16 ist somit in der Lage, die hydroponische Nährlösung zu konzentrieren und entmineralisiertes Wasser wieder in den RAS-Teil des Systems zurückzuführen. Die Nährlösung, die durch die Durchführung dieses Verfahrens in den beschriebenen Einheiten erhalten wird, enthält das Nährstoffkonzentrat. Dieses Konzentrat besteht in der Regel nicht aus partikulären, d. h. festen, sondern aus gelösten Nährstoffen.
Ein weiterer Vorteil der Anlage ist, dass die hydroponischen und RAS-Nährstoffkonzentrationen direkt reguliert werden. Der behandelte Schlamm, d. h. der Abfall, wird weiter konzentriert, um die Konzentration im hydroponischen System zu erhöhen und um die Wasserqualität im RAS zu erhöhen.
Zusätzlich zur Dosierung der Nährstoffkonzentrationen des RAS-Systems sowie des hydroponischen Systems ist die wenigstens eine Destillationseinheit in der Lage, Meer- oder Brackwasser zu entsalzen und damit die Kapazität trockener Regionen zur Nahrungsmittelproduktion innerhalb des nachhaltigen Systems zu erhöhen.
Die Durchführung von Destillationsverfahren trägt somit zu den Nitratbilanzen in aquaponischen Mehrkreis-Systemen bei, um optimale Wachstumsbedingungen sowohl für Fische als auch für Vegetation, z. B. Pflanzen, zu erreichen, indem die hydroponische Nährlösung konzentriert und gleichzeitig das RAS-Prozesswasser verdünnt wird.
Bei der Anlage gemäß 1 umfasst das System zum Anbau von Vegetation wenigstens eine weitere Einheit in Form eines Bioreaktors 8, 10.
Die Bereitstellung einer einen Bioreaktor 10 umfassenden Einheit könnte dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine sogenannte Remineralisierungseinheit bzw. einen Remineralisierungskreislauf 8 vorsieht, die in der Lage sind, den pH-Wert von festen Nährstoffbestandteilen im System weiter zu senken und wenigstens einen großen Teil, vorzugsweise den gesamten Teil, dieser festen Nährstoffbestandteile in Biodünger umzuwandeln.
Im Rahmen der Beschreibung des mechanischen Filters 4 des RAS-Teils der erfindungsgemäßen Anlage 1 wurde bereits darauf hingewiesen, dass wenigstens ein Großteil der wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile, die durch das Verfahren der mechanischen Filtereinheit 4 abgeschieden werden, vom mechanischen Filter 4 zum Bioreaktorkreislauf 8, sofern vorhanden, einschließlich der Bioreaktoreinheit 10 geleitet werden. Ein zusätzliches Absetzbecken 9 zur Aufnahme dieser partikelförmigen Bestandteile stellt eine Option dar.
Diese wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile können als Aquakulturabfälle bezeichnet werden. Es handelt sich dabei typischerweise um Fischschlamm, d. h. Exkremente und nicht gefressenes Futter.
Durch das mechanische Filterverfahren, das von der mechanischen Filtereinheit 4 durchgeführt wird, verfangen sich die wasserlöslichen partikelförmigen Bestandteile in dem Gitter, dem Netz oder der Membran oder anderen Trennmitteln. Die verfangenen partikelförmigen Bestandteile können durch Anwendung von Überdruck abgeschieden werden, was zum Ausspülen der partikelförmigen Bestandteile führt.
Der Remineralisierungskreislauf 8 einschließlich der Bioreaktoreinheit 10 ist so ausgelegt, dass er eine aerobe Nachbehandlung der partikelförmigen Bestandteile, d. h. der Aquakulturabfälle, durchführt.
Die Bioreaktoreinheit 10 senkt den pH-Wert dieser Aquakulturabfälle. Aufgrund der Absenkung des pH-Wertes liegt dieser in einem pH-Bereich von 6 bis 5, vorzugsweise jedoch unterhalb von 5.
Die Absenkung des pH-Wertes hat vorzugsweise keinen Einfluss auf den Nährstoffgehalt, d. h. den Nährwert. Der Nährstoffgehalt dieser Aquakulturabfälle nach der erfolgten Absenkung des pH-Wertes bleibt vorzugsweise gleich.
Durch die Absenkung des pH-Wertes in der Bioreaktoreinheit 10 werden die Nährstoffe dieser Aquakulturabfälle jedoch auf vorteilhafte Weise gelöst. Dies bedeutet, dass die Durchführung des Verfahrens in der Bioreaktoreinheit zu einem „Herausziehen“ der Nährstoffe aus den Aquakulturabfällen, z. B. aus dem Fischschlamm, führt.
Ein pH-Bereich von weniger als 5 führt zu einer deutlich besseren Effizienz der Nährstoffrückgewinnung. Die Aquakulturabfälle werden effektiv in Biodünger umgewandelt.
Aufgrund des pH-Wertes und der entsprechenden unterdrückten Methanogenese ist das Abwasser jedoch reich an flüchtigen Fettsäuren (FFS), die das Wachstum verzögern.
Die Bioreaktoreinheit 10 sieht daher einen zusätzlichen Verfahrensschritt einer aeroben Nachbehandlung vor, der Schritte der Oxidation bzw. Reduktion der flüchtigen Fettsäuren vorsieht, so dass das Abwasser dieses Nachbehandlungsschrittes in das hydroponische System 13, 12, 14 überführt werden kann.
Die Überführung der Aquakulturabfälle in Biodünger wird vorzugsweise in einer Vorrichtung zur Radialstromabscheidung 11 abgeschlossen, die Teil der gesamten Bioreaktoreinheit 8, 10 sein kann.
Bei Radialstromabscheidern 11 handelt es sich um eine Art Filter, der die Entfernung der festen Bestandteile der Aquakulturabfälle unterstützt und dadurch Biodünger erzeugt. In einem Radialstromabscheider treten die bereits wie vorstehend beschrieben in der Bioreaktoreinheit 10 behandelten Aquakulturabfälle zum Beispiel senkrecht in die Mitte eines Tanks ein und durchströmen einen Beruhigungsschacht, wodurch sich die Feststoffe geringer Dichte leicht aus der Wassersäule abscheiden lassen, während sie sich im Tank absetzen. Gefiltertes Medium fließt über ein Überlaufwehr am oberen Ende des Abscheiders in eine Auffangwanne, wo das behandelte Medium zum hydroponischen Teil der Anlage geleitet wird (Einzelheiten nicht in 1 dargestellt).
Gemäß der vorstehend genannten Bioreaktoreinheit 10 wird das behandelte Abwasser zum hydroponischen Teil 13, 12, 14 der Anlage 1 bzw. zum bereits erwähnten hydroponischen Sumpf 12 geleitet.
Beim Mischen dieses Abwassers, das, wie beschrieben, einen niedrigen pH-Wert aufweist, mit dem aus dem RAS-Teil der Anlage 1 stammenden Medium, das ebenfalls, wie vorstehend beschrieben, bereits einen reduzierten pH-Wert aufweist, ist eine weitere Reduzierung des pH-Wertes im hydroponischen Teil 13, 12, 14 der Anlage 1 möglich, was für das Wachstum der Pflanzen entsprechend den oben genannten Anforderungen an den pH-Wert für Pflanzen vorteilhaft ist. Ungeachtet dessen verbleibt wenigstens ein Großteil der für das Wachstum der Pflanzen benötigten Nährstoffe im Abwasser, das von der Bioreaktoreinheit zum hydroponischen Teil der Anlage geleitet wird.
Wenn das Abwasser den hydroponischen Teil 13, 12, 14 der Anlage 1, d. h. den hydroponischen Sumpf 12, erreicht hat, setz sich die Behandlung des Mediums wie vorstehend beschrieben fort. Dies bedeutet, dass durch die Bereitstellung der vorstehend genannten Destillationseinheit 16 das Medium die entsprechenden beschriebenen Verfahrensschritte durchläuft.
Der Bioreaktor 10 ist im System zwischen dem multitrophischen Behälter 2 und dem hydroponischen Teil 13, 12, 14 angeordnet, insbesondere nach dem mechanischen Siebfilter 4.
Der Bioreaktor 10 umfasst funktionell ein Absetzbecken 9 samt Pumpe.
Der Bioreaktor 10 kann die Remineralisierung von Fischschlamm erhöhen, um Aquakulturabfälle, d. h. Fischexkremente und nicht gefressenes Futter, in Biodünger umzuwandeln. Der Anmelder hat festgestellt, dass ein niedriger pH-Wert, d. h. von weniger als 5,0, zu einer wesentlich besseren Effizienz der Nährstoffrückgewinnung führt. Dementsprechend kann ein Remineralisierungskreislauf die Nachhaltigkeitsleistung verbessern. Dieser Remineralisierungskreislauf 8 wird von einem Absetzbecken 9, einem Bioreaktor 10 und einem Radialstromabscheider 11 bereitgestellt. Der Remineralisierungskreislauf besteht aus einem anaeroben Aufstrom-Schlammbettreaktor, wobei der Phosphor-Parameter verwendet wird, um den Durchfluss des Bioreaktors 10 zu bestimmen. In diesem System des Remineralisierungskreislaufs 8 wird Fischschlamm remineralisiert, um Aquakulturabfälle, d. h. Fischexkremente und nicht gefressenes Futter, in Biodünger umzuwandeln. Die Durchführung der Remineralisierung erfolgt bei einem niedrigen pH-Wert, d. h. unter 5,0, was zu einer wesentlich besseren Effizienz der Nährstoffrückgewinnung führt.
Das Recycling-Aquakultursystem, das hydroponische System und die Remineralisierung des Schlamms werden unabhängig voneinander dargestellt, um die Notwendigkeit unterschiedlicher Bedingungen in jedem Teilsystem darzustellen. In dem von der Erfindung vorgesehenen System besteht keine Notwendigkeit, zusätzlich zum Wasseraustausch als Folge der Evapotranspiration 15 Wasser auszutauschen.
Der remineralisierte Schlamm, d. h. konzentrierter Flüssigdünger, wird nur dort in das hydroponische System geleitet, wo er benötigt wird. Eine unnötige Verdünnung wird somit vermieden. Natürlich spielt die Globalstrahlung eine wesentliche Rolle für die Evapotranspiration 15 und, abhängig von der Evapotranspiration 15, für den Austausch des Wassers.
Dementsprechend wird der aus dem RAS gewonnene Fischschlamm remineralisiert und dem hydroponischen System hinzugefügt.
Die verschiedenen Komponenten und Einheiten sind durch unidirektionale oder bidirektionale Einrichtungen für den Wasser- und/oder Stoffkreislauf 17, d. h. entsprechende Rohrleitungen, miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Anlage
2: multitrophischer Behälter
3: Fischtank
4: mechanische Filtereinheit
5: Gasaustauscheinheit
6: Biofiltereinheit
7: Sumpfeinheit
8: Remineralisierungskreislauf
9: Absetzbeckeneinheit
10: Bioreaktoreinheit
11: Radialstromabscheidereinheit
12: hydroponische Sumpfeinheit
13: hydroponischer Teil
14: hydroponisches Beet
15: Evapotranspiration
16: Destillationseinheit
17: Einrichtung für Wasser- und/oder Stoffkreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2158801 A1 [0003]
WO 2013/132481 [0004]
WO 2015/160966 [0005]
EP 2276795 A1 [0006]
EP 2963060 A1 [0007]

Claims

Anlage zum Anbau von Vegetation, wobei die Anlage umfasst: - wenigstens einen Behälter zur Aufnahme von Wassertieren und/oder Wasserorganismen (2), - wenigstens einen hydroponischen Teil (13), - wenigstens eine Einrichtung für den Wasser- und/oder Stoffkreislauf (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage des Weiteren wenigstens eine Einheit (16) zur Destillation umfasst.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) ein Fischtank (3) ist.
Anlage nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage wenigstens eine mechanische Filtereinheit (4) umfasst.
Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage wenigstens eine Einheit zur Biofiltration (6) umfasst.
Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine hydroponische Teil (13) ein Tiefwasserkultur-(DWC)-System umfasst.
Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine hydroponische Teil (13) ein Nährlösungsfilmtechnik-(NFT)-System und/oder ein Wachstumsbeet-System umfasst.
Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage/Einrichtung Mittel umfasst zur - Steuerung der Temperatur und/oder - der Umgebungsparameter und/oder - des Sauerstoffs und/oder - des pH-Wertes und/oder - der Stickstoffverbindungen und/oder - der Alkalität und/oder - der Nährstoffe, insbesondere der Makro- und Mikronährstoffe.
Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ein Fotovoltaik- und/oder Biogassystem umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einheit zur Destillation (16) das zwischen dem wenigstens einen multitrophischen Behälter (2) und dem hydroponischen System (13) ausgetauschte Wasser trennt, wodurch die hydroponische Nährlösung konzentriert und entmineralisiertes Wasser zu dem wenigstens einen multitrophischen Behälter (2) geleitet wird.