Projekt 13750/01

Einsatz von neuen biologisch abbaubaren Kunststoffen zur Verringerung der Nitratbelastung in der Fischproduktion

Projektträger

Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft (ISWA) Abteilung Biologie
Bandtäle 1
70569 Stuttgart
Telefon: 0711/685-5441

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kreislaufanlagen zur Fischproduktion sind eine ökologisch verträgliche Alternative zu konventionellen Fischfarmen, da der Wasser- und Energieverbrauch verringert wird. Dies wird möglich durch die Aufbe-reitung des Kreislaufwassers mit einer biologischen Oxidation des von den Fischen ausgeschiedenen Ammoniums zu Nitrat (Nitrifikation). Nitrat wird von den Fischen in weitaus höheren Konzentrationen vertragen als Ammonium, jedoch muss das Kreislaufwasser ständig mit größeren Mengen Frischwasser verdünnt werden, um die Akkumulation von Nitrat in Grenzen zu halten. Die Nitrifikation führt darüber hinaus zu einer Absenkung des pH-Wertes, der dann durch Zugabe von Chemikalien oder Frischwasser eingestellt werden muss. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Einfachtechnologie zur biologischen Nitratelimination (Denitrifikation) in Kreislaufanlagen, um den Verbrauch von Wasser, Energie und Chemikalien in der Fischproduktion noch weiter zu senken und die Lebensbedingungen der Fische zu verbessern. Ein wasserunlösliches und nur biologisch abbaubares Polymer diente als Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation und gleichzeitig als Auswuchsfläche für die Mikroorganismen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Realisierung des Verfahrens erfolgte in drei Phasen. In Phase 1 wurden Batchtests durchgeführt, um unterschiedliche biologisch abbaubare Polymere hinsichtlich ihrer Eignung für den vorgesehenen Einsatz zu testen (Aquarienversuche). In Phase 2 wurden mit einem ausgewählten Polymer (PCL) Betriebsbedingungen für die technische Umsetzung und mögliche Auswirkungen auf die Fische erkundet (Laborversuche).
Die Umsetzung der Ergebnisse erfolgte dann in Phase 3 in der Aalfarm Domäne Voldagsen (ADV), die als Kreislaufanlage betrieben wird (Praxistests). Hier wurde ein Vergleich zwischen einem konventionellen Produktions-Kreislauf und einem Kreislauf mit dem neuen Denitrifikationsverfahren durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die Verfahrenstechnik der Denitrifikation mit dem biologisch abbaubaren Polymer PCL (Poly-e-Caprolacton) in der Aquakultur, insbesondere im Hinblick auf eine geforderte Einfachtechnologie, praxistauglich ist. Trotz gelegentlicher Ausfälle der technischen Komponenten war ein weitgehend problemloser Betrieb möglich.
Sowohl die Versuche in Aquarien als auch die Versuche mit der Labor-Aquakulturanlage haben gezeigt, dass das neue Verfahren geeignet ist, die Nitratkonzentrationen dauerhaft zu senken und auf einem niedrigen Niveau zu halten. Im Vergleich zu den bis dahin vorliegenden Ergebnissen konnte in der Denitrifikationsanlage der ADV eine erhebliche Steigerung der Denitrifikationsraten beobachtet werden.
In Anlagen ohne Denitrifikation verringert sich durch die Nitrifikation die Pufferkapazität und der pH-Wert muss durch Zugabe von Chemikalien oder von Frischwasser mit hoher Säurekapazität wieder erhöht werden. Nicht alle Kreislaufanlagen haben ihren eigenen Brunnen oder ihre eigene Quelle und müssen deshalb Trinkwasser verwenden. Die Konstanz des pH-Werts sowie der geringere Energie- und Wasserverbrauch beim Einsatz der Denitrifikation führen damit zu einem unmittelbaren Vorteil für den Betreiber einer Fischfarm. (Zum Erwärmen des Frischwassers auf . 24 °C werden erhebliche Energiemengen benötigt.)
Positive Nebeneffekte des Verfahrens sind die Erniedrigung der Nitrit- und Phosphatkonzentrationen, was einerseits der Gesundheit der Fische dient und andererseits die Belastung des Abwassers zusätzlich vermindert.
Bei den vorliegenden Untersuchungen konnte ein Einfluss der Denitrifikation auf das Fischwachstum aus versuchstechnischen Gründen nicht nachgewiesen werden. Bei den Laboraquakulturanlagen lag dies an der restriktiven Fütterung (Futterbeschränkung), in der ADV dominierten andere Einflüsse den Zuwachs an Fischmasse.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

A. Boley, W.-R. Müller, A.-B. Fink and G. Haider, 1998: Denitrification in recirculated aquaculture systems with different biodegradable polymers. Oral pres. at Aquaculture Europe 98 conf., Bordeaux, 07.-10.10.1998.
A. Boley and W.-R. Müller, (2000): Evaluation of different biodegradable polymers for nitrate removal in aquaria. Oral Pres. at 5th International Aquarium Congress, Monaco, 20.-25.11.2000.
A. Boley, K. Wiss, C. Muller and W.-R. Müller, 2001: Denitrification with biodegradable polymers as solid substrate in recirculating aquaculture systems - pilot-scale implementation. Pres. at Aquaculture Europe 01 conf., Trondheim, 04.-07.08.2001.
Boley, A., Müller, W.-R., and Haider, G. (2000): Biodegradable Polymers as Solid Substrate and Biofilm Carrier for Denitrification in Recirculated Aquaculture Systems, Aquacult. Eng. 22 (2000), 75-85.
Boley, A., Müller, W.-R (2001): Evaluation of different biodegradable polymers for nitrate removal in aquaria. Bulletin de lInstitut océanographique, Monaco, n° spécial 20, fascicule 1.
A. Boley, C. Muller, K. Wiss und W.-R. Müller, Stuttgart (2001): Denitrifikation mit PCL (Polycaprolacton) in der Aquakultur. In: Der Stickstoff im Wasser/Abwasser. 1. Hydrochemisches und Hydrobiologisches Kolloquium, 29.11.2001. Stuttg.Ber.Siedl.Wass.Wrtsch. Bd. 166, München: Oldenbourg Industrieverlag.


Fazit

Hervorzuheben ist der Beitrag der Denitrifikation in Aquakulturanlagen zum Umweltschutz durch Ressourcenschonung (Wasser und Energie) sowie die Verminderung der Nährstofffracht des Abwassers. Besonders in bezug auf die Problematik der Massentierhaltung und die zunehmend kritische Einstellung der Konsumenten könnte die Verwendung von sanften Technologien mit Blick auf eine tier- und umweltschonende Produktion zu einem erheblichen Imagegewinn führen.
Die Denitrifikation mit PCL kann wirtschaftlich sinnvoll sein. Dies gilt besonders dann, wenn hohe Wasser- und Abwasserkosten entstehen und Säurekapazität und Temperatur des zur Verfügung stehenden Frischwassers niedrig sind. Eine Einzelfallbetrachtung ist jedoch grundsätzlich erforderlich.
Für die Zukunft können dieser einfachen Verfahrenstechnik gute Chancen eingeräumt werden, da sie offensichtlich zuverlässig ist und den Bedürfnissen der Betreiber von Aquakulturanlagen nach einfacher Bedienung, geringem Wartungsaufwand und hoher Betriebsstabilität in großem Maße entgegen kommt.