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.

Du möch­test erfah­ren, wie wir die bio­lo­gi­schen Pro­zes­se im SEAWATER Cube unter Ein­satz der Deni­tri­fi­ka­ti­on opti­miert haben?

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

Newsletter abonnieren

Du möchtest regelmäßige Updates zu SEAWATER Cubes erhalten? In unserem monatlichen Newsletter informieren wir zu aktuellen Themen und Entwicklungen rund um unser Unternehmen. Außerdem warten spannende Fachbeiträge zum Thema Aquakultur sowie exklusive Informationen zu Veranstaltungen auf Dich.

Vielen Dank! Du hast Dich erfolgreich für unseren Newsletter angemeldet.