Mikrobiologie und Technik der Denitrifikation

In der geschlos­se­nen Aqua­kul­tur – also in Anla­gen mit einem Was­ser­wech­sel von unter 10% pro Tag – ist der Ein­satz einer Deni­tri­fi­ka­ti­on unum­gäng­lich (sie­he auch Blog­bei­trag Nitri­fi­ka­ti­on und Deni­tri­fi­ka­ti­on). Die Deni­tri­fi­ka­ti­on wan­delt mit Hil­fe von spe­zi­el­len Bak­te­ri­en, den sog. Deni­tri­fi­kan­ten, das in der Nitri­fi­ka­ti­on aus den Fisch­aus­schei­dun­gen (Ammonium/Ammoniak) gebil­de­te Nitrat (NO3) um. Aus dem Nitrat wird unter Sauer­stoff­abschluss mole­ku­la­rer Stick­stoff (N2) gebil­det, der anschlie­ßend gas­för­mig aus der Anla­ge ent­weicht. Das ist völ­lig umwelt­un­be­denk­lich, da zum einen die ent­ste­hen­den Men­gen sehr gering sind und zum ande­ren die Atmo­sphä­re bereits zu fast 80% aus Stick­stoff besteht.

Die Deni­tri­fi­ka­ti­on ist damit ein wich­ti­ger Teil­pro­zess in der Auf­recht­erhal­tung der Was­ser­qua­li­tät und trägt damit zu weni­ger Stress und Sterb­lich­keit bei den Fischen bei. Wei­ter­hin ermög­licht erst sie beson­ders gerin­ge Was­ser­wech­sel­ra­ten, die der Umwelt zu Gute kom­men.

Der Deni­tri­fi­ka­ti­ons-Pro­zess ist rela­tiv anspruchs­voll und schwer zu kon­trol­lie­ren, d. h. bei der Kon­struk­ti­on eines sol­chen Fil­ters kommt es auf jedes Detail an:

Biologische Aspekte

Die Deni­tri­fi­ka­ti­on arbei­tet nur unter Sauer­stoff­abschluss. Das kommt daher, dass Deni­tri­fi­zie­rer dem Nitrat (NO3) sei­nen Sauer­stoff ent­neh­men (Reduk­ti­on) und zusam­men mit einer Koh­len­stoff­quel­le (C‑Quelle) zu ver­füg­ba­re­rer Ener­gie umwan­deln. Dabei kann zwi­schen der Deni­tri­fi­ka­ti­on mit auto­tro­phen oder hete­ro­tro­phen Bak­te­ri­en unter­schie­den wer­den. Auto­tro­phe Denis nut­zen als C‑Quelle die auf natür­li­che Wei­se im Was­ser vor­han­de­nen Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen, wohin­ge­gen bei hete­ro­tro­phen Denis eine Koh­len­stoff­quel­le wie z.B. Essig­säu­re (CH3COOH) gezielt zudo­siert wird. Das macht die Deni­tri­fi­ka­ti­ons­fil­ter effi­zi­en­ter, da leicht ver­füg­ba­re C‑Quellen genutzt und sehr genau auf den Pro­zess abge­stimmt zuge­ge­ben wer­den kön­nen. Aller­dings muss immer mit Mess­tech­nik gear­bei­tet wer­den, um eine Über­do­sie­rung der C‑Quelle zu ver­hin­dern, da dies nega­ti­ve Fol­gen für den Gesamt­kreis­lauf haben kann. Hier haben auto­tro­phe Deni­tri­fi­ka­tio­nen trotz deut­lich schlech­te­rer Effi­zi­enz einen Vor­teil.

 

Technische Aspekte

Die Deni­tri­fi­ka­ti­on kann als Fest‑, Schwe­be­bett- oder Flo­cken­re­ak­tor aus­ge­führt wer­den. Fest­bett­de­nis sind meist auto­tro­phe Denis, da die Bak­te­ri­en an dem hier­für ein­ge­setz­ten Trä­ger­ma­te­ri­al sowohl anhaf­ten als es auch abbau­en, um es als Ener­gie­quel­le zu nut­zen.
Bei Schwe­be­bett­de­nis kom­men Füll­kör­per meist aus Kunst­stoff zum Ein­satz, die sich in dem Reak­tor durch eine Pum­pe oder ein Rühr­werk frei bewe­gen kön­nen. Die­se Füll­kör­per die­nen ledig­lich zum Anhaf­ten der Bak­te­ri­en und wer­den nicht abge­baut. In einen Schwe­be­bett­re­ak­tor wird gezielt eine Koh­len­stoff­quel­le zur Ener­gie­ge­win­nung zuge­ge­ben.
In einer Flo­cken-Deni schwim­men die Bak­te­ri­en­an­samm­lun­gen frei im Was­ser. Es gibt kei­ne Füll­kör­per o.ä. an denen sie haf­ten kön­nen. Die Rück­hal­tung der Bak­te­ri­en im Reak­tor erfolgt dabei durch einen Fil­ter am Aus­lauf. Meist wird die­se Vari­an­te auch hete­ro­troph, also mit Zudo­sie­ren einer Koh­len­stoff­quel­le, betrie­ben.

 

Konstruktive Aspekte

Ein Teil der Ener­gie ver­wen­den die Deni­tri­fi­zie­rer zum Auf­bau von eige­ner Bio­mas­se. Daher ist es eine gro­ße kon­struk­ti­ve Her­aus­for­de­rung, dass sowohl die ste­tig wach­sen­de Men­ge an Bio­mas­se zwi­schen­zeit­lich ent­fernt wer­den kann (z.B. Ablas­sen des Sedi­ments am Behäl­ter­bo­den) als auch die mög­lichst homo­ge­ne Durch­mi­schung und damit Nähr­stoff­ver­sor­gung des Reak­tors. Beson­ders dicke und alte Bio­fil­me ver­blo­cken den Reak­tor und des­sen Röh­ren. Zudem kön­nen die Bak­te­ri­en in einem sol­chen Bio­film kaum noch Nitrat oder Koh­len­stoff errei­chen, sodass die Abbau­ka­pa­zi­tät des Reak­tors man­gels Nähr­stof­fe ein­bricht.

Egal wel­che Art von Deni­tri­fi­ka­ti­on ein­ge­setzt wird, jede hat ihre eige­nen Vor- und Nach­tei­le. Beson­ders wich­tig ist, dass der Pro­zess der Deni­tri­fi­ka­ti­on gewis­sen­haft kon­trol­liert wird. Durch schlech­te Aus­le­gung oder feh­ler­haft ein­ge­stell­te Para­me­ter kann das Tier­wohl beein­träch­tigt wer­den. Hier­zu zäh­len uner­wünsch­te Neben­pro­duk­te wie Nitrit oder Schwe­fel­was­ser­stoff, die bei einer Koh­len­stoff­un­ter- bzw. über­do­sie­rung ent­ste­hen kön­nen.

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Refe­ren­zen

— van Rijn, J.; Tal, Y.; Schrei­er H. J.: Deni­tri­fi­ca­ti­on in recir­cu­la­ting sys­tems: Theo­ry and app­li­ca­ti­ons. Else­vier B.V., 2005
— Lom­pe, D.; Wies­mann, U.: Bio­lo­gi­sche Deni­tri­fi­ka­ti­on nitrat­hal­ti­ger Abwäs­ser und Grund­wäs­ser. VCH Ver­lags­ge­sell­schaft mbH, Wein­heim, 1991
— Lee, P. G.; Lea, R. N. et al.: Deni­tri­fi­ca­ti­on in aquacul­tu­re sys­tems: an examp­le of a fuz­zy logic con­trol pro­blem. Else­vier Sci­ence B.V., 2000
— Soares, M. I. M.: Bio­lo­gi­cal deni­tri­fi­ca­ti­on of ground­wa­ter. Klu­wer Aca­de­mic Publishers, 2000.
— Bild­quel­le: SEAWATER Cubes