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