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WASSERQUALITÄTSKONTROLLE IN FISCHTEICHEN - Dokument DE69310538T2
 
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Beschreibung[de]

Das erfindungsgemäße System ist für die Wasserqualitätskontrolle in intensiven Fischkultursystemen geeignet. Das Behandlungssystem ist in der Lage, anorganischen Stickstoff und organisches Material in geschlossenen Aquakultureinrichtungen (ohne Wasseraustausch) auf Spiegel zu reduzieren, die für Fische nicht schädlich sind. Das Behandlungssystem ist kompakt und ist insbesondere für Fischkultur in beheizten Hallen-Aquakultureinrichtungen geeignet.

In den letzten Jahren ist die Aquakultur (das Kultivieren von Fischen oder anderen aquatischen Organismen) durch eine Tendenz charakterisiert, mehr Fisch pro Flächeneinheit zu züchten. Spezielle Teiche wurden konstruiert (Zohar und Rappaport, Zohar, G., Rappaport, U. und S. Sang, 1985. Intensive culture of tilapia in concrete tanks. Bamidgeh 37: 103-112, 1985; van Rijn et al., van Rijn, J., Stutz, S., Diab, S. und M. Shilo. 1986. Chemical, physical and biological parameters of superintensive concrete fish ponds. Bamidgeh 38: 35-43. van Rijn, J. und G. Rivera. 1990. Aerobic and anaerobic biofiltration in an aquaculture unit - Nitrite accumulation as a result of nitrification and denitrification. Aquacult. Engineer. 9: 217-234. 1986), die Tierbestandsdichten vom bis zum 50fachen der Tierbestandsdichte, die im allgemeinen in herkömmlichen Fischteichen gehalten werden, ermöglichen. Im Gegensatz zu konventionellen Fischteichen schreitet in diesen intensiven Fischteichen die Verschlechterung der Wasserqualität schnell voran, und ohne das Eingreifen durch den Menschen würde Fischsterblichkeit drohen.

Die DE-A-3 827 716 beschreibt ein System zur Kontrolle der Wasserqualität in intensiven Fischkultursystemen für die Reduktion der Konzentration an organischem Stickstoff und organischem Material in einem offenen System.

Theoretisch bestehen zwei Möglichkeiten, um eine ausreichende Wasserqualität in diesen intensiven Fischkulturteichen aufrechtzuerhalten. Entweder werden die Teiche kontinuierlich mit frischem (unverschmutztem) Wasser gespült, oder das Teichwasser wird kontinuierlich behandelt, um den Spiegel der verunreinigenden Stoffe zu reduzieren. Unbeschränkte Mengen an sauberem Wasser zur Spülung der Teiche sind ein Luxus, der lediglich auf wenige geographische Regionen beschränkt ist. Daher ist die Behandlung des Teichwassers an den meisten Orten die Methode der Wahl.

Das Akkumulieren von anorganischem Stickstoff in intensiv kultivierten Fischteichen ist einer der hauptbegrenzenden Faktoren, der eine weitere Intensivierung verhindert. Anorganischer Stickstoff (insbesondere Ammoniak und Nitrit) ist für Fische toxisch und akkumuliert im Teichwasser durch die Exkretion von Ammoniak durch Fische und die Spaltung organischer Feststoffe. Die meisten Behandlungssysteme, die in Aquakultureinrichtungen benutzt werden, wurden dazu entwickelt, das Wachstum von nitrifizierenden Bakterien, die Ammoniak über Nitrit zu Nitrat oxidieren, zu erleichtern. Ein Nachteil der Beseitigung von Ammoniak mit Hilfe der Nitrifikation ist der nachfolgende Anstieg von Nitrat im Kultursystem. Es wurden Nitratkonzentrationen von bis zu 800 mg pro Liter NO&sub3;-N in halbgeschlossenen Aquakultureinrichtungen, in denen die Nitrifikation als Wasserreinigungsstufe eingesetzt wurde, berichtet. Hohe Nitratkonzentrationen sollten aus mehreren Gründen verhindert werden. Erstens hat Nitrat in hohen Konzentrationen einen toxischen Effekt auf mehrere Fischarten. Zweitens ist die Entsorgung von nitratreichem Abflußwasser in vielen Ländern aufgrund von Umwelt- und Bestimmungen, betreffend die öffentliche Gesundheit, verboten. Die maximal erlaubten Spiegel an Nitrat im Abflußwassser schwanken von Land zu Land und betragen in Europa gemäß der Direktive der Europäischen Gemeinschaft lediglich 11,6 mg pro Liter NO&sub3;-N. Drittens, unter bestimmten Bedingungen wird Nitrat in den Fischkultursystemen in Nitrit, eine Verbindung, die für Fische extrem toxisch ist, umgewandelt.

Von den Erfindern (van Rijn und Rivera, 1990) wurde ein Behandlungssystem entwickelt, welches die Reduzierung des anorganischen Stickstoffs aus dem Teichwasser mit Hilfe der Induktion zweier mikrobieller Prozesse zum Ziel hatte: Nitrifikation (Oxidation von Ammoniak in Nitrat) und Denitrifikation (Reduktion von Nitrat zu gasförmigem N&sub2;). Die Nitrifikation wurde in einem sogenannten Rieselfilter, der Material enthielt, welches für diesen Zweck zuvor noch nicht verwendet wurde, induziert. Die Denitrifikation wurde in einem Reaktor mit fluidisierter Schicht induziert. Da die Denitrifikation ein heterotropher Prozeß (denitrifizierende Bakterien benötigen für ihr Wachstum und den Metabolismus organisches Material) ist, wurde organisches Material, welches vom Fischteich stammt, durch den Reaktor mit fluidisierter Schicht geleitet. Dieses Behandlungssystem war nicht vollständig befriedigend, da die denitrifizierende Aktivität in den Reaktoren mit fluidisierter Schicht in hohem Maße unvorhersehbar war und große tägliche Schwankungen bei der Nitratentfernung beobachtet wurden. Außerdem wurde bei allen getesteten Laufbedingungen eine Nitritakkumulation durch den Reaktor mit fluidisierter Schicht beobachtet (van Rijn und Rivera, 1990). Erfindungsgemäß wurde das Behandlungssystem dadurch modifiziert, daß eine Absetzstufe eingefügt wurde, bei welchem das organische Material, welches von dem Fischteich stammt, teilweise abgebaut wird. Der Überstand dieses Absetzteiches, der reich an organischen Abbauprodukten ist, wird dann dazu verwendet, die denitrifizierende Aktivität in dem Reaktor mit fluidisierter Schicht "anzuheizen".

Es wurde gezeigt, daß dieses modifizierte Behandlungssystem sowohl im Laboratoriumsmaßstab als auch unter experimentellen Feldbedingungen effektiv ist. In einer dieser Fischkultur-Forschungsstationen konnte Fisch in einer Dichte von 20 kg pro m³ in einem 50 m³-Teich während einer Dreimonatsperiode (Juli bis September) gehalten werden. Dieses System wurde auf praktisch geschlossene Weise betrieben (um Verluste durch Verdampfung zu kompensieren, wurden pro Tag lediglich 3 m³ Wasser zu dem Teich gegeben). Sowohl anorganischer Stickstoff als auch organisches Material wurden auf Spiegel erniedrigt, die optimales Fischwachstum während der experimentellen Periode sicherstellten.

Gegenstand der Erfindung ist ein geschlossenes System für die Wasserqualitätskontrolle in intensiven Fischkultursystemen für die Verhinderung der Akkumulation von anorganischem Stickstoff und organischem Material, umfassend in Kombination einen Fischteich, Einrichtungen für das Leiten von zu behandelndem Wasser von dem Fischteich zu einem Absetzteich, wo organisches Material zu CO&sub2; und hauptsächlich kurzkettigen flüchtigen Fettsäuren reduziert wird, einen Reaktor mit fluidisierter Schicht, in den Wasser von dem Absetzteich gepumpt wird und wo das Nitrat zu gasförmigem N&sub2; reduziert wird und die kurzkettigen flüchtigen Fettsäuren zu CO&sub2; durch eine Vielzahl anaerober Bakterien (anaerobe Stufe) oxidiert werden, während Wasser von dem Teich durch einen Rieselfilter (aerobe Stufe) geleitet wird, wo Ammoniak durch nitrifizierende Bakterien zu Nitrat oxidiert wird und in den Teich zurückgeführt wird.

Die Erfindung wird mit Hilfe eines Beispiels dargestellt, das sich lediglich auf die beigefügte schematische Figur bezieht, welche ein Schema eines Fischteiches und eines Wasserbehandlungssystems gemäß der Erfindung ist.

Wie in dieser Figur gezeigt, ist der Fischteich "a" mit dem Rieselfilter "b" und dem Absetzteich "c" verbunden, von dem Wasser zum Absetzteich "c" und von diesem zum unteren Teil der Säule "d" mit fluidisierter Schicht gepumpt wird, und nach Passage durch "d" zum Teich "a" rückgeführt wird.

Der Rieselfilter "b" besitzt eine große innere Oberfläche, und es sind Mittel bereitgestellt, Wasser an seiner Oberseite vorzugsweise durch Sprühen einzuführen. Dieses Wasser rieselt über eine Vielzahl von Kanälen den Filter hinab. Wasser wird vorzugsweise vom Mittelpunkt des Teiches "a" zum Absetztank (Teich) "c" gepumpt, und das Überstandswasser dieses Teiches wird in den unteren Teil der Säule mit fluidisierter Schicht "d" gepumpt, und das Wasser, welches diese Säule passiert hat, wird dem Fischteich "a" rückgeführt. Der Absetztank dient dazu, das organische Material vom Fischteich zu konzentrieren, und der Zerfall dieses Materials, der unter anderem zur Bildung von Acetat führt, findet in diesem Absetztank statt. Der Überstand dieses Tanks wird dem Reaktor (Säule) mit fluidisierter Schicht, in den das Acetat als Kohlenstoffquelle von Bakterien, die Nitrat zu gasförmigem Stickstoff reduzieren, verwendet wird, zugeführt. Während die Verweilzeit im Absetztank im Bereich von Stunden liegt, ist die Verweilzeit im Reaktor mit fluidisierter Schicht im Bereich von Minuten. Im allgemeinen ist ein Absetztank von 3 bis 10 m³ für die Verwendung in Verbindung mit einem Fischteich von etwa 50 m³ ausreichend. Mit Hilfe eines Beispiels, welches lediglich der Darstellung dient, wird ein befriedigendes experimentelles System im folgenden beschrieben.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren dargestellt, wobei:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Fischteichs und Behandlungssystems ist;

Figur 2 die Ammoniak- (A), Nitrit- (B) und Nitrat- (C) Konzentrationen in einem erfindungsgemäßen System darstellt;

Figur 3 das gleiche in einem Kontrollteich darstellt.

Die folgenden Parameter dienen dazu, einen groben Überblick über die Größenordnung des Betriebs des erfindungsgemäßen Systems zu ergeben:

Im allgemeinen ist das Volumen des Absetztanks in der Größenordnung von 3 bis etwa 10% des Volumens des Fischteichs.

Im allgemeinen wird das Wasser aus dem Teich mit einer Rate in der Größenordnung von etwa 20 bis etwa 40% des Teichvolumens pro Stunde durch den Rieselfilter geleitet. Für einen Teich von etwa 50 m³ ergab ein Filter, ein Rieselfilter mit 2 m x 2 m x 1,5 m als auch jede entsprechende Anordnung mit etwa 150 bis etwa 300 m innerer Oberfläche gute Ergebnisse. Für den gleichen Teich kann eine Säule mit fluidisierter Schicht von etwa 3 bis 6 Metern Höhe und 15 bis etwa 25 cm Innendurchmesser mit einer Retentionszeit von etwa 5 bis etwa 15 Minuten verwendet werden.

Diese Daten dienen lediglich dazu, eine Größenordnung anzugeben, und es ist verständlich, daß diese von Teich zu Teich entsprechend der besonderen Bedingungen, Konzentration an Ammoniak usw. variieren werden.

Ein Schema des Fischteichs und des Behandlungssystems ist in Figur 1 gezeigt. Der Rieselfilter (b) mit der Dimension 2,0x2,0x1,5m wurde aus PVC-Material (Jerushalmi Ltd., Nes Ziona, Israel) dergestalt hergestellt, daß Wasser, welches auf die Oberseite des Filtermaterials aufgesprüht wurde, den Filter durch eine große Anzahl von glatten Kanälen hinunterrieselt. Die Oberfläche, die von diesem PVC-Material bereitgestellt wird, ist 200 m² pro m³. Das Wasser wird von der Oberfläche des Fischteichs (a) auf den Rieselfilter mit einer Flußrate von 15 m³ pro Stunde gepumpt. Vom Zentrum des Fischteichs wird Wasser, das reich an partikelförmiger organischer Materie ist (vergleiche van Rijn und Rivera, 1990), zum Absetzteich (c) mit einem Gesamtvolumen von 3 m³ gepumpt. Das Überstandswasser vom Absetztank wird in den unteren Teil der Säule mit fluidisierter Schicht (d) mit einer Flußrate von 0,6 bis 1,2 m³ pro Stunde gepumpt. Die Säule mit fluidisierter Schicht hat eine Höhe von 4,8 m und einen Innendurchmesser von 19,3 cm (Nettovolumen: 131,5 Liter). Die Retentionszeit von der Säule variierte daher von 6,5 bis 13 Minuten. Die Säule mit fluidisierter Schicht wurde mit Sand (Durchmesser 0,3 bis 0,9 mm) bis zu einer Säulenhöhe von 40 bis 50 cm gefüllt. Wasser, welches die Säule über einen Seitenarm an der Oberseite verläßt, wird dem Fischteich erneut zugeleitet. Die Wasserflußrate vom Fischteich (50 m ) zum Absetzteich ist gleich der Flußrate vom Absetzteich zu der Säule mit fluidisierter Schicht. Daher variierte die Retentionszeit des Absetztanks von 2,5 bis 5 h.

Leistung

Während des Sommers 1992 wurde das Behandlungssystem in einer experimentellen Station in Israel getestet. Gemeine Karpfen (Cyprinus carpio) wurden im Fischteich (50 m³) während 3 Monaten in einer Dichte von 20 ± 4 kg pro m³ gezüchtet. Während dieser Zeit wurde das Behandlungssystem mit einer Flußrate von 15 m³ pro Stunde durch den Rieselfilter und einer Flußrate von 0,6 m³ pro Stunde durch den Absetzteich und den Reaktor mit fluidisierter Schicht betrieben. Um Verdampfungsverluste auszugleichen, wurde dem Fischteich sauberes Wasser mit einer Rate von 3 m³ pro Tag zugeführt.

Beseitigung anorganischen Stickstoffs

Die Konzentrationen an anorganischem Stickstoff im Behandlungsteich waren während dieses Zeitraums relativ niedrig, deutlich unterhalb der Grenzen, die für die Fische als toxisch betrachtet werden (Figur 2). Die um den Tag 40 herum beobachteten erhöhten Ammoniakspiegel waren auf eine Reparatur des Rieselfilters zurückzuführen. Es sollte bemerkt werden, daß Ammoniakkonzentrationen über 1 bis 2 mg pro Liter NH&sub4;-N und Nitritkonzentrationen oberhalb 0,5 bis 1,0 mg pro Liter NO&sub2;-N als schädlich für das Fischwachstum betrachtet werden. Ein ähnlich betriebener Kontrollteich, dem ein Behandlungssystem fehlte, wurde während eines Zeitraums von 15 Tagen betrieben. Während dieses Zeitraums erreichten die Konzentrationen an Ammoniak und Nitrit toxische Spiegel (Figur 3), die von Tag 10 an Fischsterblichkeit zur Folge hatten. Von zusätzlichen Kontrolläufen (nicht gezeigt) mit unterschiedlichen Mengen zugeführten sauberen Wassers konnte geschlossen werden, daß pro Tag wenigstens 250 m³ sauberes Wasser benötigt werden (5 Teichvolumen Austausche), um die niedrigen Konzentrationen an anorganischem Stickstoff, welche in dem behandelten Teich gefunden wurden, zu erreichen.

Entfernung organischen Materials

Es wurde geschätzt, daß die Nettoentfernung organischen Materials durch den Abbau des organischen Materials im Absetzteich und in dem Reaktor mit fluidisierter Schicht während des experimentellen Zeitraums 20 bis 30% der Gesamtmenge an organischem Material, welches täglich in den Fischteich kommt, betrug. Es wurde weiterhin gefunden, daß die kurzkettigen Fettsäuren, insbesondere Acetat, welche während des Dekompostierungsprozesses im Absetzteich freigesetzt wurden, als eine Energie- und Kohlenstoffquelle für denitrifizierende Bakterien in der Säule mit fluidisierter Schicht verwendet wurden. Es sollte festgehalten werden, daß das Hauptziel die Entwicklung eines Behandlungssytems war, welches in der Lage ist, die Spiegel an anorganischem Stickstoff im Fischteich zu reduzieren. Aus vorläufigen Untersuchungen kann geschlossen werden, daß höhere Raten der Entfernung an anorganischem Material durch Änderung der Retentionszeit in den verschiedenen Komponenten des Behandlungssystems erreicht werden können.


Anspruch[de]

1. Geschlossenes System für die Wasserqualitätskontrolle in intensiven Fischkultursystemen für die Verhinderung der Akkumulation von anorganischem Stickstoff und organischem Material, umfassend in Kombination einen Fischteich, Einrichtungen für das Leiten von zu behandelndem Wasser von dem Fischteich zu einem Absetzteich, wo organisches Material zu CO&sub2; und hauptsächlich kurzkettigen, flüchtigen Fettsäuren reduziert wird, einen Reaktor mit fluidisierter Schicht, in den Wasser von dem Absetzteich gepumpt wird und wo das Nitrat zu gasförmigem N&sub2; reduziert wird und die kurzkettigen, flüchtigen Fettsäuren zu CO&sub2; durch eine Vielzahl anaerober Bakterien (anaerobe Stufe) oxidiert werden, während Wasser von dem Teich durch ein Rieselfilter (aerobe Stufe) geleitet wird, wo Ammoniak durch nitrifizierende Bakterien zu Nitrat oxidiert wird und in den Teich zurückgeführt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser periodisch zu dem Teich zur Kompensierung für verdampftes Wasser gegeben wird.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Absetztanks von etwa 3 Vol.-% bis etwa 10 Vol.-% des Fischteichs beträgt und daß die Retentionszeit in der Größenordnung von einigen Stunden liegt

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rieselfilter mit einer großen inneren Oberfläche, welche die Nitrifizierungs-Bakterien trägt, ausgebildet ist und daß durch ihn Wasser in einer Menge von etwa 20 bis 40 Vol.-% des Teichs pro Stunde geleitet wird.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Teich von 50 m³ das Rieselfilter eine Innenoberfläche von etwa 200 m² bis etwa 500 m² besitzt.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um das Wasser von dem Absetztank in einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 bis etwa 2 m³ pro Stunde für einen 50 m³-Fischteich einzuleiten, mit einer Retentionszeit in der Größenordnung von etwa 5 bis 15 Minuten in der fluidisierten Schicht.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil der fluidisierten Schicht mit einem inerten teilchenförmigen Material gefüllt ist.

8. System nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand von dem Absetztank, der reich an organischem Material und insbesondere an kurzkettigen Fettsäuren ist, in den Reaktor mit fluidisierter Schicht eingeleitet wird, wo er als Kohlenstoffquelle für die Denitrifizierungs-Bakterien dient.







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