Entwicklung eines umwelt- und fischgesundheitsfreundlichen Membran-Denitrifikations-Verfahrens für landbasierte Salzwasser-Aquakultur-Kreislaufanlagen (Nachbewilligung)
Projektdurchführung
Aqua-Schwarz GmbH
Maschmühlenweg 40 + 42
37081 Göttingen
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Das Projekt zielte darauf ab, ein innovatives Verfahren zur Wasseraufbereitung in Aquakultur-Kreislaufsystemen zu entwickeln, das den Frischwasserverbrauch vermindert, die Belastung des Prozesswassers minimiert und Stickstoffverbindungen wie Nitrat effizient reduziert, um die Umweltbelastung zu senken. Durch die Kombination eines Denitrifikationsreaktors mit einer Ultrafiltrationsmembran sollten die Wasserqualität verbessert, Emissionen verringert und das Wohlbefinden der Fische gesteigert werden.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten begannen mit der Konstruktion eines Membran-Denitrifikationsreaktors (MDR), der eine Ultrafiltrationsmembran mit einem Denitrifikationsverfahren kombiniert. Mit einem Laborreaktor wurde die Reinigung der Membranen durch Rückspülung und Bewegung von Granulaten und die Funktion als Denitrifikationsreaktor in einer marinen Umgebung geprüft. In einer halbtechnischen Anlage wurde das Konzept getestet. Zuvor wurden Methoden zur Analyse von Wasserparametern, mikrobieller Aktivität und Fischgesundheit entwickelt und angepasst. Onlinesensoren zur Überwachung von pH-Wert, Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen sowie Steuerungssysteme für Pumpen und Ventile wurden implementiert. Parallel dazu wurden in Laborversuchen Batch-Systeme mit biologisch abbaubaren Festsubstraten (BAFs) als Trägermaterialien und Kohlenstoffquelle eingesetzt.
Ergebnisse und Diskussion
Das entwickelte Verfahren erwies sich als wirksam bei der Entfernung von Nitrat und Mikropartikeln.
Batch-Versuche zeigten, dass die biologisch abbaubaren Festsubstrate als Kohlenstoffquelle und Trägermaterial für die Denitrifikation im Meerwasser geeignet sind.
Mit dem Labor-MDR konnte die Funktion von Denitrifikation und Filtration im Meerwasser unter ungünstigen Bedingungen durch Messungen von chemischen und physikalische Wasserparametern verifiziert werden. Weiterhin wurden technische Probleme identifiziert und teilweise gelöst, die zu Modifikationen des Labor-Reaktors führten und anschließend auch beim halbtechnischen Reaktor realisiert wurden.
Der halbtechnische MDR wurde in einer marinen Aquakultur-Kreislaufanlage unter realen Bedingungen eingesetzt. Dabei zeigten die Messungen eine signifikante Reduktion der Nitratkonzentrationen, was die Effektivität der Denitrifikation unter den spezifischen Bedingungen der Meerwasser-Aquakultur bestätigte.
Die Tests zur Membranreinigung durch hydraulische Rückspülung allein ergaben, dass die Methode nicht ausreichend war. Der Einsatz von Kunststoffgranulaten als mechanische Unterstützung der Reinigung kann nicht abschließend beurteilt werden, da die Granulate in der Reaktorkonstruktion aufgrund von Verstopfungen sich noch nicht optimal bewegen ließen. Weitere Herausforderungen ergaben sich auch in der marinen Umgebung, da die Stabilität der Biofilme und die Anpassung der Biozönose an Salzwasser langsamer verliefen als im Süßwasser.
Die Untersuchungen zur Tiergesundheit zeigten, dass die optimierte Wasseraufbereitung zu einem Rückgang von Krankheitssymptomen und einer Minderung von Stressindikatoren wie den Cortisolwerten führte.
Trotz technischer Probleme, darunter Verzögerungen bei der Materialbeschaffung und Funktionsausfälle bei Komponenten, konnte die Umsetzbarkeit des Verfahrens in der Praxis nachgewiesen werden. Langfristig könnte die Technologie nicht nur den Wasserverbrauch in Aquakulturen senken, sondern auch die Umweltbelastung durch salzhaltige Abwässer und reaktive Stickstoffverbindungen deutlich reduzieren.
Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation
Markus Sterneberg 2024: Einfluss eines Membran-Denitrifikations-Reaktors auf das Mikrobiom und die Fischgesundheit in Salzwasserkreislaufsystemen, Vortrag EAFP-Tagung (European Association of Fish Pathologists) vom 9. bis 11.10.2024 in Ulm.
Fazit
Das Projekt hat gezeigt, dass die Kombination von Denitrifikations- und Ultrafiltrationsverfahren eine nachhaltige und effektive Lösung für die Wasseraufbereitung in Aquakultur-Systemen ist. Durch die Verminderung von Nitrat- und Partikelkonzentrationen im Wasser werden sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile erzielt. Die verbesserte Wasserqualität fördert das Wohlbefinden der Fische, vermindert Krankheitsrisiken und führt nachhaltig zu einer Verbesserung der Tiergesundheit.
Die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik, insbesondere bei der Membranreinigung und der Integration biologisch abbaubarer Materialien, ist jedoch erforderlich, um die Prozesse effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Insgesamt liefert das Verfahren einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung ressourcenschonender und umweltfreundlicher Technologien für die Aquakultur und hat das Potenzial, die Nachhaltigkeit der Fischproduktion langfristig zu sichern. Weitere Forschungen sind erforderlich, um die Technologie zu optimieren und eine breitere Anwendung zu ermöglichen.