MARIN - Tip : SEHR EMPFEHLENSWERT

Einfluß der Umwälzrate auf die Wasserqualität in Aquariensystemen.

Von Martin Mildenberger

-Diplom Biologe-

Die Wasserqualität in Aquariensystemen wird im Idealfall nur durch die tägliche Futtermenge und die anschließende Art der Ausscheidungsprodukte bestimmt. Ein Teil des Futters wird dabei von Aquarienorganismen, wie Fischen, Wasserpflanzen oder Bakterien aufgenommen und in Biomasse fixiert und verschwindet somit aus der Schadstoffbilanz. So kann der im Futter enthaltene Stickstoff unter bestimmten, genau definierten Bedingungen bis zu annähernd 100% in Fischmasse akkumuliert werden. Dieser, eher theoretische Fall ist das gesetzte Ziel jedes Aquarianers, wird jedoch in der Regel nicht erreicht. Zum einen muß dazu ein exakt ausgewogenes Futter verwendet werden, da beispielsweise die Verdaulichkeit der im Futter vorhandenen Kohlenhydrate nur bis zu 50% beträgt [15], zum anderen ist die Dosierung der Futtermenge sowie die Konsistenz des Futters ausschlaggebend für dessen Aufnahmerate. Letztendlich wird die Wasserqualität durch nicht aufgenommenes oder akkumuliertes Futter und durch die Ausscheidungsprodukte der Fische nachhaltig beeinflußt. Kohlenstoffhaltige Ausscheidungsprodukte werden beispielsweise von im Aquarium lebenden Bakterien und Pilzen aufgenommen und verwertet. Der Abbau der kohlenstoffhaltigen Verbindungen wird als Saprobie bezeichnet und der Trophie gegenüber gestellt, die den Aufbau kohlenstoffhaltiger Verbindungen durch Pflanzen bezeichnet. Die abbauenden Bakterien und Pilze befinden sich im überwiegendem Maße als Biofilm auf Steinen, Pflanzen oder Algen [2, 10, 11]. Bis zu einem gewissen Grad der Saprobie und bei genügender Wasserbewegung reicht die Klärung des Aquarienwassers allein mit der gegebenen Biofilmoberfläche auf Pflanzen und Boden aus [12]. Im Normalfall ist die Schadstoffbelastung oder Saprobie eines Aquariums jedoch schon so hoch, daß eine erhöhte Oberfläche für die große Anzahl von Bakterien und Pilzen geschaffen werden muß. Dafür wird der Aquarienfilter verwendet, der eigentlich nichts filtert, sondern in dem biochemische Reaktionen stattfinden. Insofern ist der Begriff Biofilmreaktor passender. Zwei wichtige Kriterien an Reaktormaterialien sind eine große Oberfläche und gute hydrodynamische Durchlässigkeit [6, 7, 8, 9, 16, 17]. Die große Oberfläche poröser Träger ist nur dann nutzbar, wenn eine Verbindung zu dem Wasserkörper besteht, da nur so die darauf wachsenden Organismen mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt werden können. Aus diesem Grunde ist beispielsweise Blähton für den Einsatz in Biofilmreaktoren ungeeignet, da die Poren hauptsächlich als isolierte Hohlräume ohne Verbindung zum Außenmedium vorliegen. Schaumstoff eignet sich dagegen gut als Träger für Aquarienreaktoren, da die Querwände der Poren meist durchlöchert sind oder bisweilen sogar nach einem speziellen thermischen Verfahren eingeschmolzen werden [4]. Dieser "retikulierte" Schaumstoff weist eine erhöhte Wasserdurchlässigkeit und Festigkeit auf, was sich auch in längeren Reinigungsintervallen niederschlägt. Die biologisch nutzbare Oberfläche von Schaumstoff ist darüber hinaus ca. 10- 20mal größer als die von einer vergleichbaren Blähton- oder Kiesschüttung [6, 14].

Wie hoch die Schadstoffkonzentration im Aquarienwasser ist, hängt nun nicht nur von der Schadstoffproduktion im Aquarium und der Abbauleistung im Reaktor ab, sondern ebenso von der Umwälzrate der Aquarienpumpe. Gesetzt der Fall, daß Schadstoffe relativ plötzlich im Aquarium entstehen (z. B. nach einer Fütterung [15]) und nur im Reaktor abgebaut werden, so nimmt die erhöhte Schadstoffkonzentration bei hohen Pumpenleistung schneller ab als bei geringen. Der aktuelle Anteil des ursprünglich vorhandenen Schadstoffes im Aquarium läßt sich nach folgender Gleichung berechnen.


(Gleichung 1.)

p Anteil des nicht abgebauten Ursprungsschadstoff

e Losschmidt´sche Zahl (2,7182818)

Volumenstrom (Umwälzrate)

V Volumen des Aqariums

t Zeit

[-]

[-]

[l/h]

[l]

[h]

gl1.jpg (11508 Byte)
Abbildung 1: Anteil eines plötzlich eingesetzten Schadstoffes im Aquarium in Abhängigkeit von der Zeit und der Pumpenleistung. Berechnet wurden die Werte nach Gleichung 1. bei einem 100 Liter Aquarium und einer Pumpenförderleistung von 20, 100 und 500 l/h, halblogarithmisch aufgetragen.

Auch wenn Schadstoffe gleichmäßig über den Tag verteilt entstehen, ist die Schadstoffkonzentration im Aquarium bei hohen Pumpenleistungen geringer als bei kleinen Leistungen. Vorrausgesetzt die Schadstoffmenge wird nur im Reaktor abgebaut, hängt die Schadstoffkonzentration des Aquarienwassers, neben der Produktionsrate, sogar nur von der Förderleistung der Pumpe ab und nicht von der Aquariengröße. Dieser Zusammenhang läßt sich nach folgender Gleichung berechnen:


(Gleichung 2.)

cS Schadstoffkonzentration im Aquarium

cges produzierte Schadstoffmenge pro Stunde

Volumenstrom (Umwälzrate)

[mg/l]

[mg/h]

[l/h]

gl2.jpg (11596 Byte)
Abbildung 2: Schadstoffkonzentration (Ammonium) im Aquarium in Abhängigkeit von der Umwälzrate. Berechnet sind die Werte nach Gleichung 2. bei einer konstanten Ammoniumbildung von 50 (1), 300 (2) und 1000 (3) mg pro Stunde.

Die beiden oben beschriebenen Gleichungen beziehen sich auf den Fall, daß die biologische Umsetzung der Schadstoffe nur im Reaktor erfolgt. Dies ist nicht ganz korrekt, da auch ein gewisser Teil der Schadstoffe von Bakterien abgebaut werden, die sich als Biofilm im Aquarium befinden. Doch auch diese Umsetzung erfolgt bei hohen Umwälzraten besser als bei geringen Raten. Hier sorgt eine stärkere Vermischung des Aquarienwassers für verringerte Substratgradienten [10, 11] also eine bessere Sauerstoff- und Schadstoffversorgung am Aquarienboden.

Die beiden Gleichungen setzen ebenfalls voraus, daß die Schadstoffe bei einmaliger Passage durch den Reaktor auch abgebaut werden. Bei langen Aufenthaltszeiten im Reaktor kann diese Annahme als berechtigt angesehen werden. Ob dies jedoch auch bei sehr kurzen Aufenthaltszeiten also sehr hohen Umwälzraten gilt, war Gegenstand einer Arbeit am Institut für Tierphysiologie der Freien Universität Berlin. Fragestellung war, ob die Schadstoffabbaurate im Reaktor von dem Volumenstrom unabhängig ist. Wäre dies der Fall, so könnte nach Gleichung 1. und 2. die Schadstoffkonzentration im Aquarium durch hohe Umwälzraten wirksam reduziert werden. Sänke die relative Abbaurate dagegen ab, so würde sich die Investition einer großen Aquarienpumpe nicht auszahlen.

Die in jedem Aquarium stets nachweisbaren Stickstoffverbindungen dienten zur Überprüfung dieses Ansatzes. Stickstoffverbindungen gelangen mit der Gabe von Fischfutter ins Aquarium. Je nach Proteingehalt des Futters werden so bisweilen erhebliche Mengen Stickstoff ins Aquarium eingebracht. Werden beispielsweise in ein 100 Liter Aquarium pro Tag 4 Gramm Fischfutter mit einem Proteingehalt von 50 % verabreicht, steigt die Stickstoffmenge im Aquarium um 0,32 g [15]. Ziel ist natürlich, daß das Futter von den Fischen vollständig aufgenommen wird und als Gewichtszunahme aus der Schadstoffbilanz verschwindet. Ein Teil des im Futter enthaltenen Stickstoffes wird aber wieder als Ammoniak über die Kiemen der Fische abgegeben [13]. Im Wasser verbindet sich der größte Teil des für Fische giftigen Ammoniaks mit (dissoziiertem) Wasser zu Ammonium. Im Aquarienreaktor wird Ammonium durch Bakterien aus der Familie der Nitrifikanten zu Nitrat oxidiert, welches dann weitgehend unschädlich ist [3], als Pflanzennährstoff aber die Trophie des Aquarienwassers erhöht. Ungenügende oder verlangsamte Nitrifikation gefährdet die Gesundheit der Aquarienorganismen, da sowohl Ammoniak als auch Nitrit (das Zwischenprodukt der Nitrifikation) ausgesprochen giftig sind. Im Aquarium sollte von beiden Stoffen nicht mehr als 0,2 bis 0,3 mg/l nachweisbar sein [3, 13]. Allerdings sind diese Grenzwerte abhängig von Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH [1].

Für die Durchführung der Versuche wurde ein "normales" Aquariensystem simuliert. Das Becken bestand aus einem 100 Liter fassende Aquarien, an den im Kreislauf ein 1,1 Liter großer Reaktor angeschlossen war. Dem Aquarium wurde gleichmäßig eine anorganische Nährlösung (Ammoniumsulfat) zugeführt. Als Träger für die Bakterien (Filtermaterial) diente im Handel erhältlicher Schaumstoff der Fa. Tetra. Dabei wurden zwei verschiedene Schaumstofftypen eingesetzt; grober Schaumstoff (0,5 mm Porengröße, retikuliert) und feiner Schaumstoff (0,4 mm Porengröße, nicht retikuliert). Für statistisch aussagekräftigere Ergebnisse wurden insgesamt 10 Aquarienkreislaufanlagen aufgebaut.

Pro Tag wurde 50 mg Ammoniumstickstoff zugeführt, der nach der abgeschlossenen Einfahrphase bei allen Volumenströmen und beiden Schaumstofftypen ohne Probleme vollständig abgebaut wurde. Bei kontinuierlicher Schadstoffzugabe konnte also kein Einfluß des Volumenstroms auf die Ammoniumabbaurate im Reaktor beobachtet werden. Gleichung 1. und 2. hätten demnach Gültigkeit.

Dies änderte sich aber bei plötzlichen Schadstoffzugaben. Hier zeigte sich, daß die zu Versuchsbeginn im Überschuß gegebene Ammoniummenge bei hohen Volumenströmen signifikant schneller abgebaut wurde, als bei geringen Volumenströmen. Die Abbaugeschwindigkeit war bei feinem Schaumstoff dabei schneller als bei grobem Schaumstoff und übertraf die adaptierte Abbaugeschwindigkeit um das ca. 5-fache.


Gleichung 3.
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Abbildung 3: Maximale Ammoniumabbaurate bei plötzlicher Ammoniumzugabe in Abhängigkeit von dem Volumenstrom in mg pro Tag. Als Gerade ist die kontinuierlich zudosierte und bei allen Volumenströmen gleichmäßig abgebaute Ammoniummenge eingetragen.

Als Ergebnis dieser Untersuchung kann festgehalten werden:

• Die Schadstoffkonzentration im Aquarium kann unabhängig von der Aquariengröße allein durch Verwendung leistungsstarker Aquarienpumpen herabgesetzt werden (Gleichung 2.).

• Die Ammoniumabbaurate entspricht bei einem eingefahrenen und kontinuierlich betriebenen Aquarium der Ammoniumproduktion. Sofern die Schadstoffproduktion konstant erfolgt, existiert kein Einfluß des Volumenstromes auf die Schadstoff- abbaurate.

• Bei plötzlichen Ammoniumstößen ist die Abbaurate bei hohen Volumenströmen dagegen deutlich erhöht. Dabei wirken sich die hydrodynamische Unterschiede von Trägermaterialien auf die Höhe der Abbaurate aus.

Leistungsstarke Pumpen sorgen also dafür, daß Schadstoffteilchen früher in den Reaktor gelangen als bei kleinen Pumpen und die Schadstoffabbaurate bei plötzlichen Stößen erhöht wird. Dabei wird der mathematisch begründete Vorteil leistungsstarker Pumpen nach Gleichung 1. und 2. durch den biologischen Vorteil des verstärkten Abbaus bei hohen Volumenströmen sogar noch erhöht. In Verbindung mit anderen positiven Effekten leistungsstarker Aquarienpumpen, wie erhöhte Sauerstoffkonzentration im Aquarienwasser, Aktivierung des Bewegungsverhaltens der Fische, Reduzierung von Konzentrationsgradienten im Aquarium, Verhinderung einer Kahmhaut auf der Wasseroberfläche etc., zahlen sich die Investitionskosten der teureren Pumpen also sehr bald aus. Mit großen Pumpen bestückte kleine Reaktoren können demnach genauso viel Schadstoffe abbauen, wie große Reaktoren mit kleinen Pumpen. Das Design von Aquarienreaktoren kann auch in der Richtung verbessert werden, daß turmartig hohe Säulen kleiner ausfallen können als flache zylinderförmige Reaktoren.


[1] Dombrowski, T. 1991: Kinetik der Nitrifikation und Reaktionstechnik der Stickstoffeliminierung aus hochbelasteten Abwässern, VDI Fortschrittsberichte, Reihe 15 UwT.Nr. 87, 132 Seiten.
[2] Focht, D. D. ; Verstrate, W. 1977: Biochemical Ecology of Nitrifikation and Denitrifikation, Advances in Microbial Ecology 1. ; pp 135-214.
[3] Graaf, F. d. 1988: Das tropische Meerwasseraquarium. Verlag J. Neumann – Neudamm, 316 Seiten.
[4] Griesinger, R. E. 1995: Persönliche Mitteilung (Mitarbeiter der Fa. Tetra).

[5] Hartmeier, W. 1986: Immobilisierte Biokatalysatoren. Seite 64 - 88. Springer Verlag.

[6] Heinrich, D. 1984: Untersuchungen zur Nitrifikation von Abwässern in überstauten Festbettreaktoren. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Band 81, 204 Seiten.
[7] Kayser, R. (Herausgeber) 1987: Biologische Stickstoff- und Phosphorelimination in Abwasserreinigungsanlagen. Weiterbildungsseminar März 1987. Veröffentlichungen des Instituts für Stadtbauwesen TU Braunschweig, Heft 42, 427 Seiten.
[8] Larsen-Vefring, W. 1993: Simulation der Nitrifikation und anderer bakterieller Stoffumwandlungen im Biofilm. VDI Verlag Reihe 15 Band. 104, Dissertation TU Berlin 102 Seiten.
[9] Müller, Wolf-Rüdiger 1984: Beitrag zur Nitrifikation in Festbetten am Beispiel eines abwärts durchströmten Sandfilters. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft; Bd. 82, 399 Seiten.
[10] Rheinheimer, G. 1981: Mikrobiologie der Gewässer. 3. Auflage, Gustav Fischer Verlag, Seite 21-33, 126-216.
[11] Rieker , C. 1990: Über die mikrobielle Trinkwasserdenitrifikation in Festbettreaktoren mit natürlicher Besiedlung auf Poly-b-hydroxybutyrat, Weich-PVC und PE mit Stärke. Dissertation TU Stuttgart, 218 Seiten. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Band 111.
[12] Schlüter, M. 1991: Im Test: Juwel- Aquariumfilter DATZ 44 (9) 1991.
[13] Schreckenbach, K. 1982: Die Bedeutung von Umweltfaktoren bei der Fischproduktion in Binnengewässern, Mh. Vet.-Med. 37, 220-230.
[14] Sekoulov, I. ; Heinrich, D. 1981: Pilotversuche zur Nitrifikation in Festbettreaktoren, Wasserwirtschaft 71 (11), Seite 331-333.
[15] Steffens, W. 1985: Grundlagen der Fischernährung, 226 Seiten, Gustav Fischer Verlag Jena.

[16] Uhlmann, D. 1988: Hydrobiologie. Ein Grundriß für Ingineure und Naturwissenschaftler. Gustav Fischer verlab Jena, 298 Seiten.

[17] Zastrutzki, M. 1995: Charakterisierung von porösen Trägermaterialien mit immobilisierten Mikroorganismen für die Nitrifikation im Airlift-Reaktor. Dissertation, Verlag Mainz, Wissenschaftsverlag Aachen, 160 Seiten.
 

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