Wasseraufbereitungstechnologien in RAS

Einführung

Recirculating Aquaculture Systems (RAS) verwenden eine Reihe integrierter Wasseraufbereitung Technologien zur Aufrechterhaltung der präzisen Wasserqualitätsparameter, die für intensive Aquakulturbetriebe erforderlich sind. Die Wirksamkeit des Systems hängt von fünf kritischen Behandlungsbereichen ab: der Entfernung von Schwebstoffen durch mechanische und biologische Filterprozesse, der Beseitigung von giftigem Ammoniakstickstoff durch Biofiltration und Nitrifikation, der Entfernung von angesammeltem Kohlendioxid durch spezielle Gasaustauscheinheiten, einer umfassenden Desinfektion durch UV-Bestrahlung oder Ozonierung zur Kontrolle von Krankheitserregern und fortschrittlichen Sauerstoffanreicherungstechniken zur Aufrechterhaltung eines optimalen Gehalts an gelöstem Sauerstoff.

Diese vernetzten Technologien arbeiten synergetisch zusammen und schaffen eine stabile Wasserumgebung, die hohe Besatzdichten ermöglicht und gleichzeitig Wasserwiederverwendungsraten von über 90 % ermöglicht. Dadurch werden sowohl der Wasserverbrauch als auch die Umweltbelastung im Vergleich zu herkömmlichen Aquakultursystemen deutlich reduziert. Die ordnungsgemäße Integration dieser Behandlungskomponenten ist entscheidend für die Gesundheit der Fische, die Optimierung des Wachstums und die Gewährleistung der allgemeinen Wirtschaftlichkeit von RAS-Betrieben.

Fünf Schlüsseltechnologien

1. Schwebstoffe und Behandlungstechnologien

Schwebstoffe in industrialisierten Aquakultursystemen stammen hauptsächlich aus dem Futter. Abhängig von der Fütterungsrate liegt ihre Konzentration typischerweise zwischen 5 und 50 mg/l. Bei einer Futterverwertungsrate (FCR) von 0,9–1,0 entstehen pro Kilogramm Gewichtszunahme der Fische 150–200 Gramm Schwebstoffe. Folglich reichern sich Schwebstoffe schnell in Umwälzpumpen an.Aquakulturwasser.

Unter normalen Stoffwechselbedingungen scheiden Fische feste Abfallstoffe in Form von Schwebeteilchen aus. In fließendem Aquakulturwasser liegen die meisten Schwebstoffe als Partikel kleiner als 30 Mikrometer (μm) vor. Diese Partikel haben eine etwas höhere Dichte als Wasser, sind klein, hochbeweglich und leicht haftend und bleiben unter Strömungsbedingungen in der Schwebe. Die Entfernung von Schwebstoffen unter 30 Mikrometern ist seit langem ein wichtiger Schwerpunkt bei der Entwicklung industrialisierter Aquakultursysteme.

Die Ansammlung von Schwebstoffen erhöht die Wassertrübung, beeinträchtigt die Atmungseffizienz der Zuchtarten, erhöht den Umweltstress, verschlechtert die Wasserqualität und verringert den gelösten Sauerstoff (DO). Daher ist die rechtzeitige Entfernung von Schwebstoffen für die Aufrechterhaltung optimaler Wasserbedingungen in industriellen Aquakulturbetrieben unerlässlich.

①Festbettfiltration

Festbettfilter bestehen typischerweise aus groben, mittleren und feinen Filtermedienschichten. Basierend auf der Wasserströmungsdynamik werden sie in folgende Kategorien eingeteilt:

• Sprühfilter
• Druckfilter

Vorteile: Einstellbare Medienkörnigkeit und Bettdicke ermöglichen die gezielte Entfernung von Schwebeteilchen.
Herausforderungen: Großer Platzbedarf, geringe Effizienz, anfällig für Verstopfungen bei längerem Betrieb und schwierige Rückspülung.

②Siebfiltration

Bei der Siebfiltration werden feine Maschen (30–100 μm / 0,03–0,1 mm) verwendet, um Schwebstoffe zu entfernen. Es gibt zwei Haupttypen:

• Statische (Flachbildschirme)
• Rotationstrommelsiebe (effizienter, mit kontinuierlicher Rückspülung)

Leistung:

• Entfernt 36–67 % Schwebstoffe; kleinere Maschenweiten (

Forschungsschwerpunkte: Optimieren Sie die Maschengeometrie, um die Oberfläche zu vergrößern, Verstopfungen zu verhindern und den Rückspülwasserverbrauch zu minimieren.

③Schwebebettfiltration

Anwendung Kunststoffkugeln mit geringer Dichte (z. B. 3 mm Durchmesser) als schwimmfähiges Filtermedium.

Effizienz:

• 100%ige Entfernung von Partikeln >30 μm
• 79 % Entfernung von Partikeln

Herausforderungen: Aufgrund der Partikelagglomeration ist häufiges Rückspülen erforderlich, was zu steigenden Wasser- und Betriebskosten führt.

Zukünftige Arbeit: Verstopfungsfreie Konstruktionen und verbesserte Rückspülmethoden.

④Natürliche Sedimentation

Nutzt Klärbecken oder Tankkonstruktionen zum Aggregieren und Entfernen von Schwebstoffen.

Schlüsselparameter:

• Strömungsgeschwindigkeit: Optimal ≤1 m/min (max. 4 m/min)
• Hydraulische Belastungsrate: 1,0–2,7 m³/(m²·h)

Effizienz: Entfernt 59–90 % der Schwebstoffe, aber es ist eine große Infrastruktur erforderlich, um niedrige Durchflussraten zu bewältigen.

⑤Entspannte Luftflotation (DAF)

Prinzip: Mikrobläschen (10–100 μm) wirken als „Abschirmschicht“ und adsorbieren Schwebstoffe über die Oberflächenspannung.

Kritischer Faktor: Kleinere Blasen (z. B. Nanoblasen) verbessern die Effizienz erheblich.

Anwendung: Wirksam bei Schwebstoffen mit hoher Belastung, basiert jedoch auf einer fortschrittlichen Blasenerzeugungstechnologie.

2. Ammoniakstickstoff und seine Behandlungstechnologien

Ammoniakstickstoff in Kreislaufsystemen der Aquakultur stammt hauptsächlich aus dem Stoffwechsel der Fische, aus Futterresten und aus dem Abbau organischer Stoffe. Nur 7–32 % des von Zuchtfischen ausgeschiedenen Gesamtstickstoffs sind in Schwebstoffen enthalten, während sich der Großteil in der Wassersäule löst und sowohl in ionisiertem Ammonium (NH₄⁺) als auch in nichtionisiertem Ammoniak (NH₃) vorliegt, die sich je nach pH-Wert und Temperaturschwankungen ineinander umwandeln. Ein effektives Ammoniakstickstoffmanagement in Kreislaufwasser durch physikalische, chemische und biologische Behandlungsmethoden ist ein entscheidender Faktor für die Weiterentwicklung der intensiven Aquakulturproduktion.

Die Ansammlung von Ammoniakstickstoff wirkt toxisch auf Fische, wobei nichtionisiertes Ammoniak (NH₃) besonders schädlich ist. In intensiven Aquakultursystemen sollte die Gesamtkonzentration an Ammoniakstickstoff im Allgemeinen 1 mg/l nicht überschreiten, während die Konzentration an nichtionisiertem Ammoniak unter 0,05 mg/l bleiben sollte. Angesichts des pH- und temperaturabhängigen Gleichgewichts zwischen NH₄⁺ und NH₃ ist eine korrekte pH-Anpassung entsprechend den Temperaturschwankungen unerlässlich, um die Konzentration an nichtionisiertem Ammoniak auf einem minimalen Niveau zu halten und gleichzeitig die Ammoniakansammlung insgesamt zu kontrollieren.

① Luftstrippbehandlung

Prinzip:

Die Luftstrippung basiert auf dem Gas-Flüssigkeits-Phasengleichgewicht und dem Henry-Gesetz des Stoffübergangs. Durch intensive Belüftung wird der Partialdruck gelöster Gase reduziert, wodurch Ammoniak im Wasser über die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche verflüchtigt und in die Luft übergeht. Dadurch wird Ammoniakstickstoff entfernt.

Schlüsselfaktoren:

• pH-Abhängigkeit:

Bei einem höheren pH-Wert liegt der größte Teil des Ammoniakstickstoffs als nichtionisiertes Ammoniak (NH₃) vor, das flüchtiger ist.

• Optimale Bedingungen:

Bei einem pH-Wert von 11,5 und einem Luft-Wasser-Volumenverhältnis von 1:107 können 95 % des Ammoniakstickstoffs entfernt werden.

Betriebsüberlegungen:

• pH-Wert-Einstellung:

Entscheidend für die Balance zwischen Behandlungseffizienz und Fischsicherheit (Vermeidung extremer pH-Stress).

• Hoher Luftstrombedarf:

Es werden große Luftmengen benötigt, was die Stabilität der Wassertemperatur in Aquakultursystemen beeinträchtigen kann.

②Ionenaustauschadsorption

Bei der Ionenaustauschadsorption werden Zeolith oder Austauscherharze verwendet, um Ammoniakstickstoff aus Wasser zu entfernen. Zeolith weist eine Adsorptionskapazität von ca. 1 mg/g auf. Bei entsprechender Auslegung kann es bis zu 95 % des Ammoniakstickstoffs entfernen. Nach der Sättigung kann das Medium durch 24-stündiges Besprühen mit 10 %iger Kochsalzlösung zur Wiederverwendung regeneriert werden. Obwohl Zeolith in intensiven Aquakultursystemen gute Ergebnisse zeigt, ist sein Regenerationsprozess umständlich und zeitaufwändig.

③Biologische Bakterienbehandlung

Bei der biologischen Behandlung kommen nitrifizierende Bakterien (Nitrosomonas), nitritoxidierende Bakterien (Nitrobacter) und denitrifizierende Bakterien zum Einsatz, um Ammoniakstickstoff umzuwandeln und zu entfernen. Der Prozess umfasst:

• Ammoniakoxidation zu Nitrit durch Nitrosomonas
• Nitritoxidation zu Nitrat durch Nitrobacter
• Optionale Denitrifikation zu Stickstoffgas unter anaeroben Bedingungen (DO

Hauptmerkmale:

• Nitrat weist eine geringe Toxizität für Fische auf (einige Arten vertragen >200 mg/l)
• Typische Konvertierungsrate: 380 g/(m³·d) Ammoniakstickstoff
• Futterbelastbarkeit: 32 kg/(m³·d)
• Optimale Temperatur >30°C (Aktivität nimmt unter 15°C ab)

④Ozonoxidationsbehandlung

Obwohl Ozon in erster Linie zur Desinfektion und Entfernung von Schwebstoffen eingesetzt wird, weist es eine moderate Ammoniakoxidationskapazität auf:

• Durch direkte Oxidation werden 25,8 % des Ammoniakstickstoffs entfernt
• Katalytische Oxidation verbessert die Effizienz deutlich

Dieser vielversprechende Ansatz erfordert weitere Forschung für Aquakulturanwendungen.

⑤Behandlung von Wasserpflanzen

Das Restwasser fließt durch hydroponische Gemüsekanäle, wo die Wurzelsysteme der Pflanzen einzigartige mikrobielle Ökosysteme schaffen, die Ammoniak, Stickstoff, Nitrite und andere schädliche Verbindungen kostengünstig entfernen.

3. CO₂-Stripping-Behandlung

Das wichtigste Schadgas in Kreislaufanlagen ist Kohlendioxid (CO₂), das durch die Atmung und den Stoffwechsel der Fische entsteht und in Form von Mikrobläschen im Wasser vorliegt. Erhöhte CO₂-Konzentrationen (> 20 mg/l) verursachen bei Fischen Gasdruckstress, der sich wie folgt äußert:

• Oberflächenüberfüllung in der Nähe von Belüftungsgeräten
• Deutliche Reduzierung der Fressaktivität

CO₂ reagiert reversibel mit Wasser und bildet Kohlensäure (H₂CO₃), eine schwache Säure, die den pH-Wert des Systems senkt und die Wasserqualität verschlechtert. Da Kohlensäure sehr instabil ist, zersetzt sie sich an der Luft leicht in Wasser und CO₂. Eine effektive CO₂-Entfernung erfordert daher einen maximalen Wasser-Luft-Kontakt.

①Mechanische Entfernung (Belüftung)

• Verwendet Belüfter oder Diffusoren, um eine vertikale Wasserzirkulation zu erzeugen
• Verbessert den atmosphärischen Austausch für den Kohlensäureabbau
• Standardmethode bei den meisten RAS-Operationen

②Entfernung des hydraulischen Designs

• Berücksichtigt Höhenunterschiede zwischen Rücklaufrohren und Kanälen
• Erzeugt Wasserfalleffekte, um die Luftzufuhr während der Wasserrückführung zu maximieren
• Passiver Ansatz erfordert sorgfältige Wasserbauarbeiten

③Mikroblasenentfernung

• Installiert feine Blasendiffusoren entlang der Wasserkanäle
• Nutzt die Blasenkoaleszenz, um gelöstes CO₂ einzufangen
• Aufsteigende Blasen transportieren CO₂ an die Oberfläche und geben es dort in die Atmosphäre ab
• Besonders effektiv für Systeme mit hoher Dichte

Schlüsselparameter:

• Kritischer Schwellenwert: 20 mg/L CO₂ (Verhaltensstress erkennbar)
• Optimaler Bereich:
• pH-Wechselwirkung: Alle 10 mg/l CO₂ ≈ 0,1 pH-Einheiten Abnahme

4. Desinfektion und Sterilisation

In intensiven Aquakultursystemen führen hohe Besatzdichten und erhebliche Futtermengen zur Anreicherung von Nährstoffen im Wasser und schaffen so ideale Bedingungen für Bakterienwachstum. Ohne rechtzeitige Desinfektion können sich unter diesen Bedingungen Krankheiten schnell ausbreiten und potenziell katastrophale Verluste verursachen. Daher ist die Integration effektiver Sterilisationsgeräte in das Systemdesign unerlässlich. Zu den wichtigsten Desinfektionsmethoden gehörenOzonierung Und ultraviolette (UV) Bestrahlung.

①Ozon-Desinfektion

Ozon (O₃) ist ein hochgradig instabiles und starkes Oxidationsmittel, das in bestimmten Konzentrationen die Zellmembranen von Bakterien, Viren und Parasiten zerstört. Studien zeigen, dass eine optimale Sterilisation durch die Aufrechterhaltung eines Ozonspiegels von 0,1–0,2 mg/l für 1–30 Minuten erreicht wird.

Zusätzliche Vorteile:

• Fällt Schwebstoffe aus
• Oxidiert Ammoniakstickstoff (NH₃/NH₄⁺)

Wenn seine multifunktionale Effizienz verbessert wird, könnte Ozon in der intensiven Aquakultur breitere Anwendung finden.

②Ultraviolett (UV) Desinfektion

Untersuchungen bestätigen, dass UV-Licht bestimmter Wellenlängen (180–300 nm) Krankheitserreger wirksam sterilisiert.

Schlüsselparameter:

• Erforderliche UV-Intensität: 15.000–30.000 µW/cm²
• Bei 30.000 µW/cm², UV-Bestrahlung erreicht:
  • 100 % Inaktivierung des Shrimp White Spot Virus (WSSV) in 2,67 Sekunden
  • Beseitigung von Saprolegniasis (Wasserschimmel) und viraler hämorrhagischerSeptikämie (VHS) in 1,60 Sekunden

Hybride UV-Ozon-Systeme:
In einigen Studien wurden UV-Ozongeneratoren getestet, die neben der UV-Desinfektion auch Ozon produzieren und so eine gleichzeitige Sterilisation und Ammoniakoxidation für eine verbesserte Effizienz ermöglichen.

5. Sauerstofftechnologien

Der gelöste Sauerstoff (DO) im Aquakulturwasser ist für das Überleben der Fische und die mikrobielle Aktivität in den Aufbereitungsanlagen von entscheidender Bedeutung. In intensiven Aquakultursystemen sollten die DO-Werte wie folgt gehalten werden:

• ≥60 % der Sättigung oder > 5 mg/L für normales Fischwachstum
• Nitrifizierende Bakterien verlieren ihre Ammoniak-oxidierende Funktion

Primäre Sauerstoffverbraucher:

• Fischatmung
• Abbau von Stoffwechselabfällen
• Mikrobielle Ammoniakbehandlung

Der Sauerstoffbedarf variiert je nach Art, Besatzdichte und Fütterungsrate und erfordert maßgeschneiderte Sauerstoffversorgungsstrategien bei der Systemgestaltung.

①Belüftung (Luftbasierte Sauerstoffanreicherung)

Aufgrund des begrenzten Platzes für mechanische Belüfter werden häufig Gebläse- und Diffusorsysteme verwendet, die kleine Blasen zur Sauerstoffanreicherung erzeugen.

Eigenschaften:

• Vorteile: Kostengünstig, einfache Bedienung
• Einschränkungen: Geringe Effizienz (~1,300 kg O₂/kWh bei 20 °C; sinkt auf 0,455 kg O₂/kWh bei 28 °C)
• Maximale Besatzdichte: 30–40 kg/m³

Gängige Belüftungsmethoden:

• Diffuse Belüftung (zB Feinblasige Diffusoren)
• Schaufelradbelüfter
• Oberflächenrührwerke (zB Propellerstaubsauger)

② Reine Sauerstoffinjektion

Sauerstoffquellen:

• Drucksauerstoffflaschen
• Flüssigsauerstofftanks
• Sauerstoffgeneratoren vor Ort

Herausforderungen traditioneller Methoden:

• Geringe Effizienz (≤40 % Auslastung) durch Sauerstoffentzug
• Erfordert spezielle Ausrüstung für optimale Auflösung

Drucksättigungsmethode (Hocheffizienzlösung):

• Hochdruckmischen: Wasser und O₂ sättigen sich unter Druck.
• Entspannung auf atmosphärischen Druck: Erzeugt übersättigtes DO-Wasser (~90 % O₂-Ausnutzung).
• Molekulare Diffusion: Sauerstoff durchdringt das umgebende Wasser.

Maximale Besatzdichte: Bis zu 100 kg/m³

③Mikrobläschen-Sauerstoffanreicherung

Technologie:

• Ultraschall-Blasenzertrümmerung erzeugt , wodurch die Effizienz der Gasübertragung verbessert wird.

Vorteile:

• Höhere DO-Absorptionsraten
• Verbesserte Sauerstoffverwertung

Einschränkungen:

• Hohe Betriebskosten
• Technische Komplexität

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die RAS-Wasseraufbereitung mehrere Technologien integriert, um Schwebstoffe, toxische Stickstoffverbindungen, CO₂-Ansammlungen, mikrobielle Risiken und den Sauerstoffbedarf zu reduzieren. Durch die Optimierung dieser Systeme erreicht RAS eine effiziente Wasserwiederverwendung, reduziert die Umweltbelastung und unterstützt eine hochdichte Aquakultur. Zukünftige Weiterentwicklungen werden ihre Präzision und Energieeffizienz weiter verbessern.