DE19737299C2

DE19737299C2 - Verfahren zur biologischen Restaurierung eutrophierter stehender Gewässer

Info

Publication number: DE19737299C2
Application number: DE1997137299
Authority: DE
Inventors: Michael Melkonian; Ulrike Lauchert-Massalha
Original assignee: LAUCHERT MASSALHA ULRIKE
Current assignee: ALGENION GMBH & CO. KG, 63128 DIETZENBACH, DE
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2017-08-28
Also published as: DE19737299A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biologischen Restaurierung eutrophierter stehender Gewässer mittels Reduktion von Phytoplankton durch Makrophyten.

Anthropogen bedingte Eutrophierung von Binnengewässern führt zu nährstoffreichen Seen, die durch eine starke Phy toplanktonentwicklung, verbunden mit anaeroben Verhältnis sen im Hypolimnion und geringer Sichttiefe, charakteri siert sind. Die von Algenblüten abgegebenen Toxine, insbe sondere die Cyanobakterientoxine stellen eine Bedrohung der Gesundheit von Mensch und Tier dar. Um der Eutrophie rung der Seen Einhalt zu gebieten, wurden in den letzten Jahrzehnten verschiedene Strategien entwickelt, um eine Reduktion des Nährstoffgehaltes (vor allem des P-Gehaltes) zu erreichen. Man unterscheidet zwischen Sanierungsmaßnah men im Einzugsgebiet (z. B. Ringkanalisation, Kläranlagen, Extensivierung der Landwirtschaft) und Restaurierungsmaß nahmen, die im Gewässer selbst durchgeführt werden.

Folgende Restaurierungsmaßnahmen werden bislang einge setzt:

1. chemische Verfahren:
- 1. Phosphatfällung mit Eisen- und Aluminiumsalzen oder Calziumverbindungen,
- 2. Zugabe von Algiziden/Herbiziden,
- 3. Versiegeln der Sedimentoberfläche mit P-bindenden Salzen
2. physikalische/mechanische Verfahren:
- 1. Vollzirkulation durch Umwälzung des Wasserkörpers mit Kompressoren,
- 2. Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit,
- 3. Tiefenwasserableitung,
- 4. Tiefenwasserbelüftung,
- 5. Zeitweises Trockenlegen des Gewässers,
- 6. Entfernung des Detritus durch Ausbaggern (Ent schlammung),
- 7. Versiegeln der Sedimentoberfläche durch Abdecken mit Folie,
3. biologische Maßnahmen:
- 1. Biomanipulation (Nahrungskettensteuerung v. a. Abfischen zooplanktivorer Fische oder Besatz mit Raubfischen),
- 2. Abernten von Algen (Entwurzeln oder Abschneiden),
- 3. Beschattung des Gewässers (z. B. durch Uferbäume),
- 4. Schilfgürtel z. T. mit Mahd der Röhrichte,
- 5. Stimulation des Makrophytenwachstums durch Wasser spiegelabsenkung im Frühjahr,
- 6. Anpflanzen von submersen Makrophyten vor dem Wie derauffüllen entleerter Gewässer,
- 7. Schwimmplateau mit emersen Makrophyten auf dem Gewässer zur Eliminierung von Nährstoffen und Schadstoffen.

Aus Derwent Abstract 88-203929/29 ist es bekannt, Pflanzen auf Trägern wachsen zu lassen, die am Grund des Gewässers angeordnet sind. Derwent Abstract 86-1755680/27 offenbart, den Grund eines zu reinigenden Gewässers mit aufgeschnit tenen Dämmen zu versehen, auf denen Pflanzen wachsen. Es ist ferner allgemein aus JP-Abstract 6/178996 (A) bekannt, Phytoplankton aus Gewässern zu eliminieren, in dem das von Phytoplankton zu befreiende Wasser durch einen mit Seegras oder Algen versehenen Kanal hindurchgepumpt wird, um an schließend dem Gewässer wieder zugeführt zu werden (Zirku lationssystem). In Derwent Abstract 94516 E/44 ist be schrieben, miteinander verbundene Schwimmträger für Pflan zen quer über ein fließendes Gewässer anzuordnen, wobei diese Kette aus Schwimmträgern am Ufer befestigt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur biologischen Restaurierung eutrophierter stehender Gewässer zu schaffen, das sich durch hohe Effizienz aus zeichnet und insbesondere ohne gravierenden Eingriff in das Gewässer und dessen Umgebung einsetzen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Ver fahren zur biologischen Restaurierung insbesondere eutro phierter Gewässer mittels Reduktion von Phytoplankton durch Makrophyten vorgesehen, bei dem Phytoplankton im Gewässer schichtweise von den Makrophyten verdrängt wird, und zwar beginnend in einer oberflächennahen Schicht des Gewässers bis in darunter befindliche Gewässerschichten, vorzugsweise bis zum Gewässergrund, wobei die Makrophyten auf Trägern angeordnet und die Träger innerhalb des Gewäs sers schrittweise abgesenkt werden.

Mehrere wissenschaftliche Arbeiten belegen, daß das Wachs tum von Makrophyten die Bildung von Phytoplanktonblüten vermindert bzw. verhindert. Verschiedene Autoren weisen darauf hin, daß diese antagonistischen Beziehungen zwi schen Makrophyten und dem Phytoplankton auf der Konkurrenz um Nährstoffe und Licht beruhen oder durch allelopathische Mechanismen entstehen.

Makrophyten sind in der Lage, Nährstoffe aus der Wasser säule zu assimilieren, wenn die Nährstoffkonzentration dort höher ist, als im Interstitialwasser. In der Regel nehmen Rhizophyten jedoch Nährstoffe über Sproß und Wurzel auf und verstärken somit die Nährstoffrücklösung aus dem Sediment.

Die Erfindung sieht den Einsatz submerser Makrophyten zur biologischen Restaurierung eutrophierter Gewässer vor. Die Makrophyten wachsen dabei auf Schwimmträgern unter Wasser, insbesondere ohne Verbindung zum Sediment, damit die Nähr stoffaufnahme ausschließlich aus dem Pelagial erfolgt. Bei dieser Art der Biomanipulation steht das Konkurrenzverhal ten zwischen verschiedenartigen Primärproduzenten im Vor dergrund, nicht das Räuber-Beute-Prinzip, d. h. die Reduk tion des Phytoplanktons erfolgt in erster Linie durch ver schlechterte Wachstumsgrundlagen (Entzug von Nährstoffen und Licht, evtl. Allelopathie).

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist also vorgesehen, Makrophyten in einen oberflächennahen Bereich des Gewäs sers einzubringen. Die Makrophyten sorgen in diesem ober flächennahen Schichtbereich des Wassers für eine ver schlechterte Wachstumsgrundlage für das Phytoplankton. Nachdem die oberflächennahe Schicht des Gewässers auf die se Weise von Phytoplankton befreit ist bzw. die Menge an Phytoplankton reduziert ist, werden die Makrophyten abge senkt, um in der Schicht unterhalb der bereits gereinigten Gewässerschicht für eine Reduktion des Phytoplanktons zu sorgen. Dieses Verfahren kann automatisiert werden, indem die Absenkung der Makrophyten in Abhängigkeit von dem Meß wert eines physikalischen, chemischen und/oder biochemi schen Parameters des Gewässers, insbesondere beispielswei se in Abhängigkeit von der Lichtdurchlässigkeit und/oder des Sauerstoffgehalts des Gewässers erfolgt.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgese hen, daß das Schrittmaß, um das die Makrophyten jeweils abgesenkt werden, unterschiedlich groß oder gleich groß gewählt wird. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, daß der die Absenkung der Makrophyten auslösende Schwellwert des jeweils gemessenen physikalischen, chemi schen und/oder biochemischen Parameters des Gewässers in Abhängigkeit von der Tiefe, in der sich die Makrophyten innerhalb des Gewässers befinden, unterschiedlich oder gleich groß vorgegeben wird. Insbesondere ist es von Vor teil, den Schwellwert mit zunehmender Tiefe zu verringern, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn als Parameter für die automatisierte Absenkung der Makrophyten die Lichtdurchlässigkeit des Gewässers gewählt wird.

Nachfolgend wird anhand der Zeichnung, in der schematisch eine Anlage zur biologischen Restaurierung von eutrophier ten Gewässern mittels Reduktion von Phytoplankton durch Makrophyten dargestellt ist, ein bevorzugtes Ausführungs beispiel der Erfindung näher erläutert.

Pflanzenmaterial

Verwendet werden autochtone Makrophyten, die bereits an das Gewässer angepaßt sind.

Makrophytenanlage

Das Material wird nach folgenden Kriterien gewählt:

- Stabilität: sowohl Zug- als auch Druckfestigkeit im Temperaturbereich von 0-30°C
- inert in Wasser: keine Abgabe von anorganischen Ele menten oder organischen Verbindungen
- Haltbarkeit: keine Verrottung
- Bearbeitung: Zuschnitt, Verbindungen
- Handhabbarkeit: Gewicht
- Kosten: möglichst preiswert lieferbar

Die Makrophytenanlage soll aus einzelnen Modulen (ca. 1 m² Grundfläche) bestehen, die beliebig miteinander verbunden werden können. Beim Einsatz vieler Module muß auf Freiräu me für Fische und Taucher geachtet werden.

Einzelmodul

Eine stabile Rahmenkonstruktion soll ein Netz oder Gitter mit den Makrophyten tragen. Vorteilhaft ist ein geschlos sener Netz-/Gitterraum für die Makrophyten (kein Verdrif ten, und Fraßschutz), in dem sie frei flottieren bzw. sich mit Wurzel/Rhizoiden festheften können. Eine Unterteilung der Grundfläche von 1 m² in kleinere Räume ist sinnvoll, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Makrophyten auf dem Träger zu erreichen. Die Netz-/Gitterporen dürfen eine gewissen Porengröße (etwa 0,5-1 cm²) nicht unter schreiten, um die Sedimentbildung in der Anlage zu verhin dern. Die Gitterräume müssen zum Entfernen der Biomasse (und evtl. Reinigen) geöffnet werden können.

Von besonderer Bedeutung ist die feste Verankerung der Anlage 10 im Seegrund sowie die flexible Befestigung der einzelnen Module 12. Hierbei soll die Anzahl und Anordnung der Module 12 sowie die Tiefenpositionierung der Anlage variabel sein. Zur Befestigung müssen mindestens zwei, besser vier, Bojen 14 verankert werden. Die Befestigung verhindert einerseits das Verdriften der Anlage 10, dient aber auch der variablen Tiefeneinstellung. Vorrichtungen 16 zum Absenken und Anheben der auf einem Träger 18 ange ordneten Module 12 sind vorgesehen. Bei den Modulen 12 handelt es sich um Kassetten mit (Loch-) Gitterdeckeln; die Module 12 sind also an ihrer Oberseite partiell offen, so daß die Makrophyten von Wasser umgeben sind. Die variable Positionierung der Anlage 10 in der Tiefe des Gewässers 20 erlaubt die sukzessive Absenkung der Makrophyten 22, das heißt die Makrophyten werden zunächst in oberflächennahen Bereichen mit guter Lichtversorgung eingesetzt. Wenn die Sichttiefe durch die Konkurrenz der Makrophyten 22 mit dem Phytoplankton zunimmt, kann die Anlage nach und nach abge senkt werden. Somit werden direkt im kritischen Tiefenbe reich Sauerstoff eingebracht und Nährstoffe entzogen. Nach einem deutlichen Rückgang der Phytoplanktonpopulation be steht die Möglichkeit, die Anlage auf dem Sediment zu be lassen.

Die Anlage ist vorzugsweise mit Meßvorrichtungen 24 zur direkten oder indirekten Erfassung physikalisch/chemi scher/biochemischer Parameter im Nahbereich der Anlage sowie in definiertem Abstand davon ausgestattet. Die Mes sung der Lichtverhältnisse, P-Ge, P-Gehalt, N-Gehalt O₂-Gehalt, pH sowie Temperatur und evtl. Probennahmevorrichtung für quantitative Planktonuntersuchungen läßt sich in den je weiligen Sichttiefen des Gewässers 20 durchführen, wenn die Meßvorrichtungen 24 z. B. auf dem Träger 18 angeordnet sind. Die Meßvorrichtungen 24 sind mit einer Steuereinheit 26 verbunden, an die Verstellmotoren 28 der Absenk- und Anhebevorrichtungen 16 angeschlossen sind. Jede Vorrich tung 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel in Form eines umlaufenden Seils bzw. Kette 30 ausgebildet, das um eine am Boden 32 des Gewässers 20 mittels eines Ankers 34 ver ankerte Rolle 36 und um eine von dem Verstellmotor 28 an getriebene Rolle 38 geführt ist. An den Seilen 30 ist der Träger 18 befestigt. Die Verstellmotoren 28 sind in den Bogen 14 untergebracht. Durch Antreiben der Seile 30 kann der Träger 18 innerhalb des Gewässers 20 angehoben und ab gesenkt werden, um auf diese Weise in unterschiedliche Gewässerschichten verbracht zu werden.

Zur Reduktion des Phytoplanktons im Gewässer 20 wird der Träger 18 mit Hilfe der Vorrichtungen 16 zunächst in einen oberflächennahen Bereich des Gewässers 20 verbracht, bis die vom Träger 18 gehaltenen Makrophyten-Module 12 für eine ausreichende Reduktion des Phytoplanktons im Bereich der Oberfläche des Gewässers 20 gesorgt haben. Die tole rierte Menge an Phytoplankton ist beispielsweise meßtech nisch durch die Ermittlung der Lichtdurchlässigkeit des Gewässers 20 ermittelbar. Wenn mittels der Meßvorrichtung 24 eine Lichtintensität ermittelt worden ist, die größer ist als eine Mindestlichtdurchlässigkeit, welche wiederum in der Steuereinheit 26 vorgegeben ist, so werden die Vor richtungen 16 durch die Steuereinheit 26 angesteuert, um den Träger 18 in eine tiefere Schicht des Gewässers 20 zu transportieren. Die dabei verwendete Schrittweite kann konstant, zeitgesteuert oder ebenfalls in Abhängigkeit von dem Meßsignal der Meßvorrichtungen 24 gewählt sein. Es ist nämlich beispielsweise denkbar, daß man den Träger 18 so weit herabfährt, bis die Meßvorrichtungen 24 einen Meßwert liefern, der unterhalb eines ebenfalls vorgebbaren (zwei ten) Schwellwerts liegt. Dieses Prozedere wird solange fortgesetzt, bis sich der Träger 18 schließlich auf dem Boden 32 des Gewässers 20 befindet, womit das gesamte Ge wässer 20 biologisch restauriert ist, d. h. in diesem Fall soweit restauriert ist, daß der Bestand an Phytoplankton das tolerierte Maß nicht überschreitet.

Bei starker Entwicklung der Makrophyten kann eine Entfer nung der Biomasse in einfacher Weise erfolgen. Hierzu wird die Anlage an die Seeoberfläche angehoben und die Makro phyten aus den Modulen 12 abgeerntet. Die in den Makrophy ten gebundenen Nährstoffe werden somit dem See effektiv entzogen.

Alternativ zu der zuvor beschriebenen Konstruktion können die Module 12 in mehreren Ebenen ggf. versetzt zueinander angeordnet sein, wobei die Makrophyten der unteren Ebenen vorzugsweise lichtempfindlicher sind als die der oberen Ebenen.

Vorteile der erfindungsgemäßen Restaurierungsmaßnahme:

- Naturnahe Maßnahme ohne Einsatz von Chemikalien, bzw. großtechnischen Anlagen.
- Konkurrenz der Makrophyten mit dem Phytoplankton um Nährstoffe und Licht.
- Aufnahme der Nährstoffe direkt aus dem Wasser über die gesamte Pflanzenoberfläche. Fixierung von Nährstoffen und Lagerung über einen langen Zeitraum in kontrol lierbarer Form.
- Durch das Ernten der Biomasse können die inkorporier ten organischen Stoffe aus dem Wasser entfernt werden (evtl. Nutzung der Biomasse als Brennstoff, Düngemit tel, Rohstoff)
- Positionierung der Makrophyten in beliebiger Tiefe, je nach Lichtversorgung.
- Vom Ufer her kaum sichtbar, d. h. der Freizeitwert des Gewässers wird nicht gravierend beeinträchtigt.
- Erhöhte Sauerstoffversorgung in der gewählten Tiefe.
- In kalkreichen Gewässern steigt die autochone Kalzit fällung CO₂-Verbrauch bei der Photosynthese bewirkt eine Übersättigung an CaCO₃ =< Kopräzipitation von Kalzit und anorganischen und organischen Stoffen, so mit erfolgt durch das Einbringen von freischwebenden Makrophyten eine künstliche Intensivierung der durch Algen induzierten natürlichen Kalzitfällung.
- Kein Anstieg der internen Nährstoffrücklösung aus dem Sediment. Es erfolgt kein Transport von Nährstoffen aus dem Sediment durch Rhizoide bzw. Wurzeln, außerdem wird die P-Remobilisierung aus dem Sediment durch eine erhöhte Sauerstoffkonzentration im Tiefenbereich ver mindert.
- Bedrohte einheimische Arten können verwendet und wie der angesiedelt werden. Arterhaltung.
- Makrophyten bieten den Cladoceren Schutz vor zooplank tivoren Fischen =< Zunahme der phytoplanktivoren Daph nien.
- Einsatz von Algen als Makrophyten.
- Im Vergleich zu den meisten herkömmlichen Restaurie rungsmaßnahmen weniger kostenintensiv.
- Einsatzmöglichkeit auch in Gartenteichen/Parkanlagen usw.

Claims

1. Verfahren zur biologischen Restaurierung eutrophierter stehender Gewässer mittels Reduktion von Phytoplankton durch Makrophyten, wobei die Makrophyten auf Trägern angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

1. daß Phytoplankton im Gewässer schichtweise ver drängt wird, und zwar beginnend von einer ober flächennahen Schicht des Gewässers bis in darunter befindlichen Gewässerschichten, indem die Träger innerhalb des Gewässers schrittweise abgesenkt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absenken der Träger bis zum Gewässergrund erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Makrophyten immer dann abgesenkt werden, wenn die Lichtdurchlässigkeit und/oder der Sauerstoff gehalt der Gewässerschicht bzw. -schichten zwischen den Makrophyten und der Gewässeroberfläche einen je weils vorgebbaren Schwellwert übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert jeweils in Abhängigkeit von der Tiefe, in der die Makrophyten innerhalb des Gewässers ange ordnet sind, vorgegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert stets gleich groß ist oder mit zuneh mender Tiefe, in der die Makrophyten innerhalb des Gewässers angeordnet sind, verringert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schrittmaß, um das die Makro phyten jeweils abgesenkt werden, unterschiedlich groß gewählt wird.