Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Bei wachsendem wirtschaftlichem und \u00f6kologischem Interesse an Marikulturanlagen zur Fischzucht fokussiert sich die angewandte Anlagentechnik zunehmend auf nachhaltige Produktionsverfahren mit integrierten Wasseraufbereitungen (Kreislaufanlagen). F\u00fcr die verfahrenstechnische Umsetzung eines wesentlichen Prozesses der biologischen Wasseraufbereitung – die bakterielle Nitrifikation (Oxidation der fischtoxischen Stickstoffverbindungen Ammonium und Nitrit zum wesentlich unsch\u00e4dlicheren Nitrat) – fehlen gesicherte Kennzahlen f\u00fcr die Auslegung und den Betrieb. Ziel des Projektes ist es, die Zusammensetzung der im moving-bed Filterverfahren eingesetzten Tr\u00e4germaterialien sowie die Betriebsparameter der Filter zu optimieren, um die Anheftung und die Abbauaktivit\u00e4t der Nitrifikanten zu f\u00f6rdern.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Optimierung der Abwasserreinigung soll in einem mehrschichtigen Ansatz \u00fcber jeweils 6 Monate erfolgen. Die Komponenten der verwendeten Kunststoff-F\u00fcllk\u00f6rper werden toxikologisch \u00fcberpr\u00fcft und im Laborma\u00dfstab mit Anreicherungskulturen aus den Anlagen auf m\u00f6gliche Hemmwirkungen untersucht (gemessen durch Stoffumsatz, Sauerstoffverbrauch oder W\u00e4rmeabgabe). Nach molekularbiologischer Charakterisierung der nitrifizierenden und heterotrophen Mikroflora im Biofilm der F\u00fcllk\u00f6rper k\u00f6nnen ent-sprechende Referenzst\u00e4mme als Reinkulturen f\u00fcr die Versuche eingesetzt werden. Begleitend sollen vor Ort die Betriebsparameter wie Bel\u00fcftung, Feststofffracht, pH, Temperatur im Rahmen der M\u00f6glichkeiten auf eine verbesserte Aktivit\u00e4t der Nitrifikanten ausgerichtet und der Bewuchs der heterotrophen Bakterien vermindert bzw. in Grenzen gehalten werden.
\nIm zweiten Zeitraum von 6 Monaten ist geplant, chemisch modifizierte Filtermaterialien in Labortests mit Referenzkulturen und Anreicherungskulturen aus den Anlagen sowie in ersten Praxistests in der Versuchsanlage auf die Anheftung von Nitrifikanten zu untersuchen und mikroskopisch zu analysieren. Hierbei soll ebenfalls die Aktivit\u00e4t der Organismen mittels der zu entwickelnden Tests kontrolliert werden. Die heterotrophe Begleitflora wird \u00fcber Platten- und das MPN- (most probable number) Verfahren quantifiziert.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
In einem vielschichtigen Ansatz wurden die nitrifizierenden Bakterien aus den Biofiltern der Ecomares Fischfarm in B\u00fcsum untersucht. Sie wurden quantifiziert, zum Teil identifiziert und in Laborans\u00e4tzen kultiviert.
\nNach einer Inkubationszeit von 14 Wochen bei 17\u00b0C konnten durchschnittlich 8,0 x 105 Zellen von Ammoniakoxidanten pro F\u00fcllk\u00f6rper in Modul 1 und 3,7 x 105 Zellen von Ammoniakoxidanten pro F\u00fcllk\u00f6rper in Modul 2 nachgewiesen werden. Bei den Nitritoxidanten betrug die mittlere Zellzahl 2,6 x 105 Zellen pro F\u00fcllk\u00f6rper in Modul 1 und 4,1 x 105 Zellen pro F\u00fcllk\u00f6rper in Modul 2.
\nDer Aufbau des nitrifizierenden Biofilms in Form von Mikrokolonien konnte elektronenmikroskopisch visualisiert werden. Anhand der charakteristischen Ultrastruktur konnten Zellen von Nitrosomonas und Nitrosococcus als Ammoniakoxidanten und Nitrospira als h\u00e4ufigster Nitritoxidant identifiziert werden. Die Dominanz von Nitrospira konnte immunologisch best\u00e4tigt werden.
\nDie molekularbiologische Untersuchung mittels spezifischer PCR best\u00e4tigte das Vorkommen von Nitro-somonas und Nitrospira. Die 16S rRNA Sequenzierung zeigte, dass es sich bei einem Stamm von Nitro-somonas um die bekannte Art Nm. cryotolerans handelt, w\u00e4hrend der andere Vertreter zu einer neuen Linie geh\u00f6rt, von der bereits andere Isolate aus marinen Lebensr\u00e4umen vorliegen. Die molekularbiologi-sche Identifizierung von Nitrosococcus steht noch aus.
\nDie phylogenetische Einordnung von Nitrospira zeigte, dass es sich um einen bislang unbekannten Vertreter dieser Gattung handelt, da er mit nur 92% Sequenzhomologie eine sehr geringe Verwandtschaft zu der beschriebenen Art Ns. marina aufweist. Eine Isolierung dieses Stammes ist sinnvoll, da er eine hohe Substrattoleranz gegen\u00fcber Nitrit aufweist, die mit der eines terrestrischen Vertreters aus Belebtschlamm einer kommunalen Kl\u00e4ranlage vergleichbar ist. Nitritoxidanten der Gattung Nitrobacter konnten nur in ge-ringer Anzahl im Biofilm aus Modul 1 detektiert werden.
\nIn einem Kurzzeit-Aktivit\u00e4tstest konnte das Abbaupotential der Ammoniak und Nitrit oxidierenden Bakterien gemessen werden, um den Ist-Zustand der Biofilmzellen aufzunehmen. Es zeigten sich deutliche Abh\u00e4ngigkeiten von der Temperatur, der Zufuhr von Sauerstoff, von den eingesetzten Stickstoffkonzentrationen und der Besatzdichte in den Fischbecken. Bei gleicher Substratmenge zeigten die Nitritoxidanten eine etwa dreimal so hohe Aktivit\u00e4t wie die Ammoniakoxidanten. In Modul 1 wurden Substratums\u00e4tze von 153 – 433 nmol\/h x F\u00fcllk\u00f6rper f\u00fcr die Ammoniakoxidanten und von 430-1128 nmol \/ h x F\u00fcllk\u00f6rper f\u00fcr die Nitritoxidanten gemessen.
\nAnhand eines Langzeit-Hemmversuches war es m\u00f6glich, den Einfluss verschiedener Kunststoffmaterialien auf das Wachstum der Nitrifikanten zu analysieren. Die hemmende Wirkung variierte in Abh\u00e4ngigkeit der Versuchsparameter, sie war aber bei zwei wei\u00dfen fabrikneuen Granulaten am st\u00e4rksten ausgepr\u00e4gt.
\nEine intensive Beprobung der Wasserwerte in der Anlage B\u00fcsum ergab eine geringe Belastung der Stickstoffverbindungen Ammonium (9 – 37 \u00b5M), eine mittlere an Nitrit (15 – 43 \u00b5M) und eine relativ hohe Konzentration an Nitrat (6.000 – 6.500 \u00b5M entspricht 375 – 400 mg\/L). Dies k\u00f6nnte einen hemmenden Ein-fluss auf die nitrifizierenden Bakterien im Biofilter haben, wie erste Versuche im Kurzzeit-Aktivit\u00e4tstest ge-zeigt haben. Die maximale Abbauleistung f\u00fcr Ammonium im Biofilter aus Modul 1 betrug am 19.10.06 18 \u00b5M pro Durchlauf. F\u00fcr Modul 2 wurde eine Ammoniumabnahme von 8 \u00b5M bestimmt. Beim Durchlauf des Kreislaufwassers durch die Biofilter konnte keine Nitritabnahme nachgewiesen werden.
\nIn einem Feldversuch in der Anlage Strande wurde bei 5 untersuchten F\u00fcllk\u00f6rpern nach der Erstbesiedlung die beste Abbauleistung f\u00fcr Ammonium und Nitrit beim Typ E1 (F1) und E3 (F2) festgestellt. Der Typ F2 aus recyceltem PE wird zurzeit standardm\u00e4\u00dfig als Biocarrier in B\u00fcsum und Strande eingesetzt, bei F1 handelt es sich um die entsprechende Rohware. Dagegen schnitt der Biocarrier E3 in einem l\u00e4ngerange-legten Belastungstest schlechter ab als die anderen F\u00fcllk\u00f6rper. In diesem Fall zeigte der Biocarrier E4 aus recyceltem PE, der eine andere Form aufweist als E3, die beste Nitrifikationsaktivit\u00e4t. (Details zu F\u00fcllk\u00f6rpern im Abschlussvermerk s. www.limnomar.de.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Fachvortr\u00e4ge sowie Internet: www.ecomares.de , www.limnomar.de<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
1.\tDer Wasserdurchsatz in den Biofiltern sollte vermindert werden, abgehendes Wasser aus dem Abflu\u00dfsammler direkt der Sauerstoffanreicherung zugef\u00fchrt werden.
\n2.\tDie Bel\u00fcftung in den Biofiltern sollte gem\u00e4\u00df festgestellter Abbauleistung reduziert werden.
\n3.\tEs sollte ein Denitrifikationsmodul zum Nitrat+Organik-Abbau als Prozesserweiterung erwogen werden, ggf. ist dieses in einer Pilotanlage zu testen, um dabei die Problematik der Heterotrophenflora mit untersuchen zu k\u00f6nnen.
\n4.\tDie Entwicklung einer prozessnahen Einrichtung f\u00fcr die Bestimmung der Aktivit\u00e4t der Biofilter sollte entwickelt und etabliert werden.
\n5.\tDie Durchf\u00fchrung weiterer Messkampagnen zur Erweiterung des Datenbestandes als Grundlage einer weiteren Prozessoptimierung ist anzustreben<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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