DE10338147B4

DE10338147B4 - Verfahren zur biologischen Wasserreinigung in Anlagen zur Fischzucht bzw. -haltung

Info

Publication number: DE10338147B4
Application number: DE2003138147
Authority: DE
Inventors: Dr. Harksen Erika; Andreas von Bresinsky
Original assignee: C & Pd Umwelttechnik Oelzschau GmbH
Current assignee: ANDREAS VON BRESINSKY, DE; BRESINSKY, ANDREAS VON, DE; C & PD UMWELTTECHNIK OELZSCHAU GMBH, DE
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2003-08-15
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2023-08-16
Also published as: DE10338147A1

Abstract

Verfahren zur biologischen Wasserreinigung in geschlossenen Kreislaufanlagen zur Fischzucht bzw. -haltung durch Entfernung der im Wasser akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen und anderer Nährstoffe mittels aerober Assimilation in Submerskultur und Abtrennung der entstehenden überschüssigen Biomasse, wobei eine organische Kohlenstoff- und Energiequelle, ausreichend Sauerstoff und schnell wachsende chemoorganotrophe Mikroorganismen im gesamten Prozesswasser vorhanden sind, wobei jedoch im gesamten Prozesswasser kein Trägermaterial vorhanden ist, gekennzeichnet dadurch, dass das im Kreislauf geführte Prozesswasser in der Anfangsphase der Fischhaltung mit Bakterienstämmen aus einer Bazillen-Mischpopulation, die Stickstoffverbindungen besonders gut assimilieren können und ein breites Verwertungsspektrum gegenüber Kohlenstoffquellen besitzen, in einer Anfangskonzentration von zirka 106 KbE/ml angeimpft wird, wobei die Bakterienstämme ausnahmslos den aeroben Spurenbildnern der Gattung Bazillus zuzuordnen sind und als hitzeresistente Sporen in Form von Bioschlamm mit einer Haltbarkeit von zirka einem Jahr bevorratet und abrufbar sind, dass die Konzentrationen an frei beweglichen Bakterienzellen in den jeweiligen Kreislaufwässern im Durchschnitt bei 106 bis 107 KbE/ml liegen und in den Phasen vor der Biomasseabtrennung auf ca. 108 KbE/ml ansteigen, dass die Prozesswassertemperatur im Bereich zwischen 18 und 26°C liegt, dass in diesem Temperaturbereich der Sauerstoffsättigungsgrad 80% beträgt und mittels Lufteintrag von 35 l/min erreicht wird, dass für den Abbau von Stickstoffverbindungen Stärke, Glukose, Saccharose und/oder Essig- und/oder Zitronensäure als organische Säuren oder deren Salze, als Kohlenstoff- und Energiequellen zugegeben werden, dass die Ammoniumkonzentration im Prozesswasser auf niedrigem Wert stabilisiert ist, nämlich kleiner 1,0 mg/l, und dass der pH-Wert stabil im Neutralbereich liegt, dass die Nitrifikation und die damit einhergehende Freisetzung von Nitrit und Nitrat unterbunden ist, dass ab dem 4. Tag täglich 25–30% der Biomasse entfernt werden, und dass die Abtrennung des Schlammes mittels Siebverfahren erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Wasserreinigung, in geschlossenen Kreislaufanlagen zur Fischzucht bzw. -haltung, mit dem Ziel der Verbesserung der Wasserqualität bei gleichzeitiger Reduzierung der Umweltbelastung.
Konventionell erfolgt die biologische Wasserreinigung durch Nitrifikation mit anschließender Denitrifikation bzw. ständigem Teilwasserwechsel.
Ein weiteres biologisches Prinzip zur Entfernung der im Wasser akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen ist die aerobe Assimilation von Nährstoffen.
Die assimilatorische Umsetzung von Ammonium, Nitrat und Nitrit zu CO₂, Wasser und Biomasse wird im Wasser bei Zugabe einer organischen Kohlenstoff- und Energiequelle und bei Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff durch geeignete schnell wachsende chemoorganotrophe Mikroorganismen realisiert.
Bei der aeroben Assimilation von Ammonium, Nitrat und Nitrit wird nicht nur der Stickstoff in der Biomasse festgelegt, sondern auch ein großer Teil anderer im Wasser akkumulierter Mineralstoffe, wie beispielsweise Phosphat, Natrium, Kalium oder Magnesium, verbraucht und damit aus dem Wasser entfernt.
Bei kontinuierlicher Abtrennung der entstehenden mikrobiellen Biomasse aus dem Kreislaufwasser ist somit eine weitgehende Wasserregenerierung realisierbar.
Ein technisches Verfahren, dass nach diesem biologischen Prinzip arbeitet, ist in der DE 196 23 502 vorgestellt worden.
Es bezieht sich auf die Verbesserung der Wasserqualität in Aquarien, Gartenteichen oder sonstigen stehenden Gewässern und ist im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch ein entnehmbares Filtermaterial geführt wird und eine Energiequelle für Mikroorganismen vorgesehen ist, wobei als vorteilhaft angesehen wird, dass das Filtermaterial selbst die Energiequelle bildet.
Das beschriebene an sich bekannte biologische Prinzip der aeroben Assimilation von Ammonium soll nun mit der vorliegenden Erfindung in einer geschlossenen Kreislaufanlage, die sich zur Fischaufzucht eignet, umgesetzt werden, und zwar mit folgenden Zielstellungen:

– Verlängerung der Wasserwechselintervalle,
– Erhöhung der Wasserqualität und damit Verbesserung der Fischaufzuchtsbedingungen,
– Reduzierung der Umweltbelastung durch verringerte Abwassermengen,
– Senkung der Betriebskosten durch Reduzierung des Gesamtwasserbedarfs und durch geringere Energiekosten infolge verminderter Pumpleistung, Sauerstoffanreicherung und Erwärmung des Wassers.

Dem Stand der Technik war ein Verfahren, mit dem diese Forderungen innerhalb einer geschlossenen Kreislaufanlage zur Fischaufzucht realisierbar wären, nicht direkt entnehmbar. Das in DE 196 23 502 vorgeschlagene Filtermaterial ist aus diesseitiger Sicht in einem kontinuierlichen Prozess eher hinderlich.
Daher war ein geeignetes neuartiges Verfahren zur biologischen Wasserreinigung zu entwickeln.
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Als Grundvoraussetzung muss im Wasser eine für die Stickstoffassimilation ausreichend hohe Mikroorganismenkonzentration vorhanden sein. Deshalb wird das im Kreislauf geführte Prozesswasser in der Anfahrphase der Fischhaltung mit Bakterienstämmen aus einer Bazillenmischpopulation in einer Anfangskonzentration von zirka 10⁶ KbE/ml angeimpft. Dazu werden Bakterienstämme eingesetzt, die eine besonders gute Assimilation der Stickstoffverbindungen aufweisen und gegenüber Kohlenstoffquellen (C-Quellen) ein breites Verwertungsspektrum besitzen.
Nach Charakteristik sind die Bakterienstämmme ausnahmslos den aeroben Sporenbildnern der Gattung Bazillus zuzuordnen. Sie gehören der Risikogruppe 1 an, haben kein Infektionsrisiko für Mensch, Tier und Pflanze und sind somit unbedenklich für technische Zwecke einsetzbar.
Die Mikroorganismen werden als hitzeresistente Sporen in Form von Bioschlamm mit einer Haltbarkeit von ca. einem Jahr bevorratet und sind jederzeit für die technische Anwendung abrufbar.
Die zur Animpfung geeigneten Mikroorganismen lassen sich beispielsweise aus Mikroorganismen-Stammsammlungen oder aus Originalwässern einer Kreislaufanlage selektieren. Selektionskriterien sind die maximale Wachstumsgeschwindigkeit und die erreichbaren Restkonzentrationen für die relevanten Stickstoffverbindungen.
Die Konzentration an frei beweglichen Bakterienzellen in den jeweiligen Kreislaufwässern beträgt im Durchschnitt 10⁶bis 10⁷ KbE/ml. Sie steigt in den Phasen vor der Biomasseabtrennung auf 10⁸ kbE/ml.
Rohstoffe für C-Quellen sind grundsätzlich solche, die eine prinzipielle Eignung als Kohlenstoff- und Energiequelle für die mikrobielle aerobe Assimilation von Ammonium, Nitrat bzw. Nitrit aufweisen und die darüber hinaus technisch verfügbar und ökonomisch einsetzbar sind.
Für den Abbau der relevanten Stickstoffverbindungen sind nur ”reine” C-Quellen, wie Stärke, Glucose und Saccharose, oder organische Säuren, beispielsweise Essig- und Zitronensäure bzw. deren Salze, geeignet.
Die Verwendung von komplexen Rohstoffen, wie Schrot, Mehl, Kleie oder Grieß, führt durch Freisetzung des in ihnen enthaltenen Stickstoffs zu einer steten Nachlieferung von Ammonium und ist daher nachteilig. In Abhängigkeit von der nachgelieferten Menge erfolgt der Abbau der bereits im Kreislaufwasser akkumulierten Stickstoffverbindungen nur sehr zögerlich.
In Versuchen wurden bei Zugabe von Starke, Glucose, Saccharose sowie Essigsäure/Na-Acetat oder Na-Citrat die besten Abbauergebnisse erzielt. Alle relevanten Stickstoffverbindungen wurden bis auf Spuren assimiliert.
Die Zugabe von Sacchariden, insbesondere Stärke und Saccharose, hat weitere prozessstabilisierende Wirkungen. Es besteht keinerlei Bedarf der pH-Wert-Regulierung. Na-Acetat und Na-Citrat sind ebenfalls als alleinige C-Quellen, aber insbesondere in Kombination mit Essigsäure, geeignet. Bei alleiniger Verwendung führt der Natriumanteil der Salze allerdings zu einem steten Anstieg der Leitfähigkeit und somit zu einer unnötigen Salzbelastung des Kreislaufwassers. Begleitend ist eine pH-Wert-Verschiebung in den alkalischen Bereich, bis 8,0 zu beobachten.
Bei Verwendung von Essigsäure ist eine gleichzeitige Zugabe dieser Salze jedoch sinnvoll, da dies einem möglichen ”Säuresturz” vorbeugt.
Chitosan ist grundsätzlich als C-Quelle geeignet, bereitet jedoch infolge seiner stark sauren Zubereitung zusätzlichen technischen Aufwand, um den pH-Wert des Kreislaufwassers im Neutralbereich zu halten.
Als positiv ist die Festlegung von Phosphat und anderen Salzen in der Biomasse zu bewerten.
Die Restkonzentrationen an gelöstem PO₄ im Kreislaufwasser lagen bei ausreichendem Sauerstoffeintrag bei Werten von 1 mg/l und darunter.
Die Prozesstemperatur liegt im Bereich zwischen 18 und 26°C. In diesem Temperaturbereich beträgt der Sauerstoffsättigungsgrad 80%. Dieser wird mittels Lufteintrag von 35 l/min erreicht.
Höhere Prozesstemperaturen bis etwa 35°C steigern zwar den Umsatz für sämtliche Nährstoffe, einschließlich der Stickstoffverbindungen, führen jedoch auch eher zu Lyseerscheinungen der Biomasse, was zu einer Wiederfreisetzung von Ammonium führt. Um den Gesamtprozess zu stabilisieren ist es daher sinnvoll, den Stickstoffabbau bei einer niedrigeren Temperatur durchzuführen.
Dies erspart außerdem Verbrauchskosten für Heizleistung, Sauerstoffversorgung, Rührung etc. sowie Investitionskosten für die apparatetechnische Auslegung des Stickstoffabbaus als Bypaß.
Die Qualität und Quantität der mikrobiellen Biomasse ist aus hygienischer Sicht so zu bewerten, dass Infektionen beim Fisch auszuschließen sind.
Nachweise auf wesentliche Krankheitserreger bei Zypriniden, wie Aeromonas punctata, Chodrococcus columnaris sowie für spezifische Myco- und Myxobakterien verliefen negativ.
Ausgehend von der Eigenschaft verschiedener Mikroorganismen, bevorzugt auf Oberflächen zu siedeln, wäre eine Steigerung der Stoffwechselleistung durch Aufkonzentrieren der Biomasse mittels Adsorption an inertem Trägermaterial möglich. Bei Verwendung von Trägermaterial zeigte die inokulierte Biomasse vergleichsweise zu einer Submerskultur ohne Trägerkörper sowohl eine höhere Atmungsaktivität als auch eine schnellere Umsetzung der Stickstoffverbindungen. Diese erhöhte Stoffwechselleistung wurde insbesondere bei Verwendung von porösem Sinterglas beobachtet. Sie betrug das bis zu 3,6-fache einer Submerskultur ohne Trägerkörper.
In den praxisrelevanten Untersuchungen stellte sich jedoch heraus, dass unter den gewählten Prozessbedingungen eine Verwendung von Trägerkörpern für die Besiedelung der Mikroflora nicht erforderlich war, da diese auch in Submerskultur ausreichend hohe Zellkonzentrationen und Stoffwechselaktivitäten erreichten, um die Stickstoffassimilation zu realisieren.
Die Ammoniumkonzentration im Kreislaufwasser ist auf einen niedrigen Wert stabilisiert, nämlich kleiner 1,0 mg/l. Sie steigt mit der Anhäufung von überschüssigem Bioschlamm an, die Sauerstoffkonzentration nimmt ab und die CO₂-Konzentration nimmt zu. Die Abtrennung des Schlammes im Maße seines Zuwachses ist deshalb unbedingtes Verfahrenserfordernis. Der pH-Wert liegt stabil im Neutralbereich. Die Nitrifikation und die damit einhergehende Freisetzung von Nitrit und Nitrat ist unterbunden. Für die Abtrennung des Schlamms bieten sich kontinuierliche, gegebenenfalls auch diskontinuierliche Abtrennungsverfahren an. Dazu Bevorzugt sind Siebverfahren einzusetzen. Mit Blick auf deren technische Ausgestaltung sollte vorerst noch auf den Stand der Technik zurückgegriffen werden. Die Anwendung von Filtern hat sich bisher nicht bewährt, da diese einen zu hohen Wartungsaufwand erfordern und Entsorgungsprobleme für das Filtermaterial verursachen. Ab dem 4. Tag werden täglich 25–30% Biomasse entfernt.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel an Hand von sechs Kleinkreislaufanlagen für die Karpfenzucht, die unter produktionsnahen Bedingungen analysiert wurden, näher erläutert.
Dazu geben die zugehörigen 1–3 ausschnittsweise die Prozessverläufe der Ammoniumbelastung der Kreisläufe in Abhängigkeit von der Menge des zugegebenen Fischfutters und der C-Quelle unter den jeweils gewählten Versuchsbedingungen wieder. 4 zeigt den Prozessverlauf der Ammoniumbelastung bei Dosierung von Saccharose und diskontinuierlicher Abtrennung der Biomasse.
Die Kreislaufanlagen wurden ca. 4 Monate auf der Grundlage von unter Laborbedingungen ermittelten Ergebnisse betrieben. Jeder Kreislauf war, wie nachfolgend angegeben, technisch ausgestattet.

– Rundbecken mit je 1000 l,
– zentrale Wärmeversorgung mit rechnergestützter Regelung,
– Entspannung durch Lufteintrag,
– Sauerstoffversorgung über Reaktor mit angeschlossener Pumpe,
– Vorratsbehälter und Dosierpumpe für C-Quelle,
– Messsonden und Regeleinrichtung für Temperatur, pH-Wert und Sauerstoff,
– kein mechanischer und biologischer Filter,
– kein Wasserumlauf.

Folgende Prozessbedingungen waren vorhanden:

Temperatur:	24,0°C,
Sauerstoffsättigung:	80%,
Lufteintrag:	35 l/min,
Fischbesatz:	anfänglich 10 kg/Kreislauf,
Futtermenge:	täglich ca. 1,6% der Fischmasse bei 3 Fütterungen,
vorläufige Biomasseabtrennung:	Siebvorrichtung (Maschenweite 0,5 mm),
Animpfen des Kreislaufwassers:	Bazillen-Mischpopulation,
	Anfangskonzentration ca. 1 × 10⁶ KbE/ml,

C-Quellen:	Maisstärke	Kreisläufe 1 und 6,
	Saccharose	Kreisläufe 4, 5; Kreislauf 1 (Neuansatz),
	Na-Acetat	Kreislauf 2,
	Essigsäure	Kreislauf 3.

Während des Prozessverlaufs wurden folgende Parameter gemessen:

– Ammonium, Nitrit, Nitrat, gelöstes Phosphat, CO₂/HCO₃,
– ausgewählte Spurenelemente (Fe, Cu, Cd, Ni, Mn, Zn, Sn, K, Ca, Cl),
– Leitfähigkeit,
– Mikroorganismenkonzentration/-Qualität,
– Schlammvolumen/-Beschaffenheit.

Die Parameter Sauerstoff, Temperatur, pH-Wert (wenn erforderlich) wurden gemessen und geregelt, ebenso die C-Quelle durch automatische kontinuierliche Zugabe der empirisch ermittelten Dosis pro Tag.
Registriert wurden die Futtermenge/Tag (händige Zugabe 3 × pro Tag) und der Fischbesatz (Gesamtgewicht, 14-tägig).
Die Untersuchungsergebnisse werden nachfolgend dargestellt und diskutiert:
Die Zugabe von Stärke zu den Kreisläufen 1 und 6 war technisch sehr aufwändig und schwierig realisierbar, da die native Stärke für ihre bessere mikrobielle Angreifbarkeit zuvor verkleistert werden musste.
Auf den Einsatz von Stärkehydrolyseprodukten als Ersatz wurde aus Kostengründen zunächst verzichtet. Obwohl sich Stärke und Hydrolysate generell als C-Quelle eignen, wurden die Untersuchungen nach vier Wochen Versuchsdauer abgebrochen und die Kreisläufe auf Basis von Saccharose- bzw. Na-Acetat/Essigsäure weitergeführt.
In den 1 und 2 ist der Verlauf der Ammoniumkonzentration in den Kreisläufen 4 bzw. 5 bei Dosierung von Saccharose während eines Zeitraumes von jeweils 36 Tagen dokumentiert.
Die registrierten Ammoniumwerte verdeutlichen, dass die Ammoniumkonzentrationen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren während des dargestellten Zeitraumes auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden können.
Die durchschnittliche Ammoniumkonzentration lag in beiden Kreisläufen bei 0,8 mg/l. Diese Konzentrationen waren realisierbar, wenn die Dosierung der C-Quelle kontinuierlich erfolgte und die Dosis der korrespondierenden Futtermenge entsprechend angepasst war.
Ein Wasserwechsel ist nur erforderlich, wenn infolge der massiven Zunahme der mikrobiellen Biomasse, erkennbar am ansteigenden Bedarf der C-Quelle bei gleichbleibender Futtermenge, eine ausreichende Sauerstoffversorgung sowohl für die Fisch- als auch für die Mikroorganismenpopulation nicht mehr möglich ist und ein nur ungenügender CO₂-Austrag erfolgt, wobei sich ein sofortiger Abfall der Sauerstoffkonzentration und ein Anstieg der Ammoniumkonzentration zeigt. Letztere war vorrangig auf Lyse der Biomasse zurückzuführen. Abhilfe kann nur geschaffen werden, indem die mikrobielle Biomasse teilweise entfernt wird, und zwar zunächst durch Teilwasserwechsel.
Nachteilig für den Prozess bei Saccharose-Dosierung ist, dass viele Mikroorganismen in der Lage sind, aus diesem Substrat bei Überschuss ein Exopolysaccharid (Laevan) zu bilden, das im Wasser akkumuliert und bei hoher Konzentration die Fließfähigkeit vermindert.
Eine Verschlechterung der Sauerstoffkonzentration und des CO₂-Austrags sind die Folge. Andererseits kann eine in geringem Maße erfolgende Polymerbildung auch von Vorteil sein, da bei Saccharosemangel das Polysaccharid wieder abgebaut wird und somit als Depot und langsam fließende C-Quelle fungiert. Einem sprunghaften Anstieg der Ammoniumkonzentrationen als Folge von C-Mangel kann somit vorgebeugt werden.
In 3 ist der Prozessverlauf bei Dosierung von Na-Acetat/Essigsäure während eines Zeitraumes von 49 Tagen dargestellt.
Innerhalb dieser Zeit waren mehrere Teilwasserwechsel auf Grund der starken Biomassezunahme erforderlich.
Die durchschnittliche Ammoniumkonzentration des Kreislaufwassers lag bei 1,09 mg/l und war damit geringfügig höher als bei Gabe von Saccharose.
Außerdem traten Konzentrationsspitzen aber auch Konzentrationsminima häufiger auf. Insgesamt zeigt der Kurvenverlauf ein unruhigeres Bild.
Ursache hierfür ist möglicherweise eine zu schnelle Auszehrung des C-Vorrats. Eine gleichzeitige Zugabe einer langsam fließenden C-Quelle könnte hier Abhilfe schaffen.
Die aus den eingestellten Prozessbedingungen resultierende mikrobielle Biomasse zeigte folgende Charakteristik:
Die Konzentrationen an frei beweglichen Bakterienzellen in den jeweiligen Kreislaufwässern lagen im Durchschnitt bei 10⁶ bis 10⁷ KbE/ml und stiegen in den Phasen vor der Biomasseabtrennung auf ca. 10⁸ KbE/ml an.
Der Anteil an Pilzen betrug nur ca. 1 bis 2 KbE/ml.
Die Artenzusammensetzung war sehr unterschiedlich. In Abhängigkeit von der zudosierten C-Quelle reicherte sich infolge des Selektionsdrucks neben den inokulierten Bazillen der jeweils am besten angepasste Populationsanteil der autochthonen Mikroflora an.
Bei Zugabe von Saccharose überwogen neben den Bazillen Pseudomonaden.
Bei Zugabe von Na-Acetat/Essigsäure etablierten sich neben den Bazillen bevorzugt Aquaspirillen. Der Anteil an coliformen Bakterien lag bei durchschnittlich 10³ KbE/ml. Spezifische Krankheitserreger für Karpfen wurden nicht nachgewiesen.
Als nachteilig erwies sich, dass mit zunehmender Belastung des Wassers durch Futter und C-Quelleneintrag und daraus resultierender Biomassebildung die Trübung erheblich zunahm. Im Prozessverlauf bildete sich ein kleinflockiger feiner Bioschlamm. Die Flocken bestanden im inneren Bereich aus anorganischem Material bzw. unbelebter organischer Substanz, vorwiegend durch Einlagerung von Kot und Futterresten.
Die Randzonen waren durch einen hohen Anteil an lebenden aktiven Organismen mit hoher Artenvielfalt an Bakterien, Protozoen und Protophyten charakterisiert. Letztere waren mit geringeren Individuenzahlen als Bakterien vertreten.
Korrelierend mit der Anhäufung von überschüssigem Bioschlamm stiegen die Ammoniumkonzentrationen sprunghaft an, die Sauerstoffkonzentration und der CO₂-Austrag verschlechterten sich erheblich.
Daraus ergab sich das zwingende Erfordernis der Abtrennung des Schlammes im Maße seines Zuwachses.
Da die Schlämme in der Regel eine geringe Ausbildung fadenförmig wachsender Mikroorganismen aufwiesen, ergab sich ein relativ gutes Absetzverhalten.
Erste Versuche der diskontinuierlichen Abtrennung des Bioschlammes mittels Sedimentation erwiesen sich für die Prozessführung insofern als erfolgreich, als dass die negativen Auswirkungen auf die Wasserqualität zumindest vorübergehend beseitigt werden konnten.
Die pH-Werte lagen während des Versuchsverlaufs bei Zugabe von Saccharose bzw. Essigsäure um 6,5. Nur bei alleiniger Zugabe von Na-Acetat stiegen diese auf 7,5 bis 8,0 an. In Kombination mit Essigsäure konnte eine pH-Wert-Senkung auf ca. 6,5 realisiert werden.
Leitfähigkeitsmessungen ergaben bei Saccharose- bzw. Essigsäurezugabe Werte von 500 bis 800 μS/cm. Bei alleiniger Zugabe von Na-Acetat stiegen die Werte bis auf 2000 μS/cm.
Unabhängig von der Art der zugegebenen C-Quelle waren Nitrit und Nitrat im Kreislaufwasser nicht nachweisbar.
Durch Entnahme des überschüssigen Bioschlamms konnten gleichzeitig andere, das Wasser belastende Stoffe entfernt werden.
Durch Festlegung in der Biomasse wurde insbesondere Phosphat aus dem Wasser eliminiert, so dass die Gehalte an löslichem Phosphat in keinem Fall Werte von 0,5 mg/l überschritten.
Eine Akkumulation anderer Elemente (Fe, Cu, Cd, Ni, Mn, Zn, Sn, K, Ca, Cl) in fischgiftigen Konzentrationen wurde nicht festgestellt. Die gemessenen Werte lagen durchweg um 20 mg/l.
Das Fischwachstum zeigte insgesamt Zuwachsraten, die denen bei konventioneller Haltung entsprechen. Die Gewichtszunahme korrelierte mit der zugeführten Futtermenge im normalen Verhältnis. Weder in ihrem äußeren Erscheinungsbild, insbesondere an Haut, Kiemen und Flossen, noch in ihrem Fress- und Schwimmverhalten zeigten die Fische krankhafte Veränderungen. Vereinzelte Verluste waren auf technische Ausfälle und dadurch verursachte Stressbedingungen zurückzuführen. Krankheiten, verursacht durch jegliche Art von Infektionen, traten im Prozessverlauf nicht auf.
In 4 ist der Prozessverlauf bei Dosierung von Saccharose und diskontinuierlicher Teilabtrennung der Biomasse während eines Zeitraumes von 21 Tagen aufgezeigt. Die Abtrennung der Biomasse ist auf Grund des festgestellten Anstiegs der Ammoniumkonzentrationen mit der Anhäufung von überschüssigem Bioschlamm, wie bereits erwähnt, für die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens unbedingtes Erfordernis.
Im Beispiel erfolgte die Abtrennung der Biomasse mit einer eigens hierfür entwickelten Siebvorrichtung.
Ab dem 4. Tag wurden täglich etwa 25–30% der Biomasse entfernt.
Mit Ausnahme von Konzentrationsspitzen am 6. und 10. Tag, die auf noch ungenügende Biomasseabtrennung zurückzuführen waren, konnten die Ammoniumwerte in einem Bereich von 0,7–0,8 mg/l gehalten werden.
Die Zunahme der Ammoniumkonzentration am 18. Tag resultierte aus einem technischen Defekt der C-Dosierung. Als Folge des akuten C-Mangels stieg die NH₄-Konzentration sprunghaft auf einen Wert von 8,04 mg/l an.
Durch sofortige C-Dosierung in erhöhter Menge und unter Beibehaltung der Biomasseabtrennung konnte die Ammoniumakkumulation innerhalb kürzester Zeit wieder beseitigt und die Konzentration auf einem Wert um 0,75 mg/l stabilisiert werden.
Mit dauerhafter Abtrennung der Biomasse nahm der C-Bedarf beträchtlich ab.
Das Verhältnis von Futter zu C-Quelle konnte signifikant verbessert werden. Gegenwärtig ist ein Verhältnis von 3:1 erreicht.
Vor der Teilabtrennung der Biomasse betrug das Verhältnis dagegen durchschnittlich 3:2 und im schlechtesten Fall sogar nur 1:2 (siehe 1 und 2).
Einhergehend mit der Biomasseabtrennung verringerte sich der Bedarf an einzutragendem Sauerstoff beträchtlich. Dieser konnte auf etwa die Hälfte reduziert werden.
Insgesamt verdeutlichen die Ergebnisse, dass für die Stabilisierung des Prozesses eine kontinuierliche Teilabtrennung der mikrobiellen Biomasse unabdingbar ist. Gegebenenfalls ist auch eine diskontinuierliche Teilabtrennung ausreichend.

Claims

Verfahren zur biologischen Wasserreinigung in geschlossenen Kreislaufanlagen zur Fischzucht bzw. -haltung durch Entfernung der im Wasser akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen und anderer Nährstoffe mittels aerober Assimilation in Submerskultur und Abtrennung der entstehenden überschüssigen Biomasse, wobei eine organische Kohlenstoff- und Energiequelle, ausreichend Sauerstoff und schnell wachsende chemoorganotrophe Mikroorganismen im gesamten Prozesswasser vorhanden sind, wobei jedoch im gesamten Prozesswasser kein Trägermaterial vorhanden ist, gekennzeichnet dadurch, dass das im Kreislauf geführte Prozesswasser in der Anfangsphase der Fischhaltung mit Bakterienstämmen aus einer Bazillen-Mischpopulation, die Stickstoffverbindungen besonders gut assimilieren können und ein breites Verwertungsspektrum gegenüber Kohlenstoffquellen besitzen, in einer Anfangskonzentration von zirka 10⁶ KbE/ml angeimpft wird, wobei die Bakterienstämme ausnahmslos den aeroben Spurenbildnern der Gattung Bazillus zuzuordnen sind und als hitzeresistente Sporen in Form von Bioschlamm mit einer Haltbarkeit von zirka einem Jahr bevorratet und abrufbar sind, dass die Konzentrationen an frei beweglichen Bakterienzellen in den jeweiligen Kreislaufwässern im Durchschnitt bei 10⁶ bis 10⁷ KbE/ml liegen und in den Phasen vor der Biomasseabtrennung auf ca. 10⁸ KbE/ml ansteigen, dass die Prozesswassertemperatur im Bereich zwischen 18 und 26°C liegt, dass in diesem Temperaturbereich der Sauerstoffsättigungsgrad 80% beträgt und mittels Lufteintrag von 35 l/min erreicht wird, dass für den Abbau von Stickstoffverbindungen Stärke, Glukose, Saccharose und/oder Essig- und/oder Zitronensäure als organische Säuren oder deren Salze, als Kohlenstoff- und Energiequellen zugegeben werden, dass die Ammoniumkonzentration im Prozesswasser auf niedrigem Wert stabilisiert ist, nämlich kleiner 1,0 mg/l, und dass der pH-Wert stabil im Neutralbereich liegt, dass die Nitrifikation und die damit einhergehende Freisetzung von Nitrit und Nitrat unterbunden ist, dass ab dem 4. Tag täglich 25–30% der Biomasse entfernt werden, und dass die Abtrennung des Schlammes mittels Siebverfahren erfolgt.