Das Herzstück eines Aquaponik-Systems ist sein Biofilter. Die heterotrophen und autotrophen Bakteriengemeinschaften im Biofilter verarbeiten auf natürliche Weise organische Abfälle und liefern biologisch stabiles Wasser, das monatelang recycelt werden kann. Bei der Auswahl eines Biofiltrationssystems für die kommerzielle Aquakulturproduktion sind die Effizienz der Technologie und des Substrats sehr wichtig, da sie die Größe, die Kosten und den Energieverbrauch der teuersten Behandlungskomponente in Kreislaufsystemen bestimmen.

Biofilter

Abbildung: Aquakulturingenieure müssen bei der Auswahl des besten Biofilters für eine bestimmte Anwendung eine Reihe von Entscheidungen treffen. Nacheinander getroffene Entscheidungen an jedem Knotenpunkt des "Entscheidungsbaums" führen zum zuverlässigsten und kostengünstigsten Filter.

FBBs (Floating Bead Bioclarifiers) bieten eine bessere Feststoffabscheidung (100 % bis zu 30 µm) als Mikrosiebe und Sedimentationsbecken und vermeiden gleichzeitig das Problem des Verbackens, das bei hohen organischen Belastungen typischerweise mit Sandfiltern verbunden ist.

Unter Wasser oder über Wasser ?

Aerobe Filter benötigen Sauerstoff. Wenn der Biofilm im Wasser, das zum Filter transportiert wird, ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden kann, wählen Sie einen Unterwasserfilter. Andernfalls sollten Sie sich für einen aufsteigenden Filter entscheiden. Emergente (aufsteigende) Filter (EGSB) verwenden ein kaskadenförmiges Gemisch aus Wasser und Luft, um sicherzustellen, dass ein hoher Sauerstoffgehalt an der Oberfläche des Biofilms aufrechterhalten wird. Tropfkörper verteilen das Wasser über eine mit Biofiltermedien gefüllte Säule. Rotierende biologische Kontaktoren - manchmal auch Nass-/Trockenfilter genannt - verwenden einen eher mechanischen Ansatz. Sie drehen sich langsam in einen Wassertank hinein und wieder heraus, wobei das Medium immer nass bleibt, aber zusätzlich belüftet wird.

Überwasserfilter

Emergente Filter sind in der Lage, eine extrem hohe flächenmäßige Umwandlung von TAN (umgewandelte TAN in Gramm pro Quadratmeter Oberfläche) zu erreichen, werden jedoch durch eine geringe spezifische Oberfläche (Quadratmeter Biofilm pro Kubikmeter Einheitsvolumen) eingeschränkt. Infolgedessen können auftauchende Filter 5 bis 10 Mal größer sein als die untergetauchten Alternativen, und bei einigen Medientypen ist Vorsicht geboten, um eine mögliche Verstopfung zu verhindern. Diese Filter bieten sekundäre Vorteile in Form von Belüftung und Kohlendioxidstrippung. Sie eignen sich am besten für stark belastete Systeme, wo ihre Fähigkeit, dem Biofilm Sauerstoff zuzuführen, einen gewissen Nutzen bringen kann.

TAN: Total ammonia nitrogen / Gesamt-Ammoniak-Stickstoff

Unterwasserfilter

Befürworter von Tauchfiltern weisen darauf hin, dass die Fische in Kreislaufsystemen auf der Zulaufseite der Filter leben und die TAN-Werte sehr niedrig gehalten werden müssen. Sie argumentieren, dass nicht die Sauerstoffdiffusion, sondern die TAN-Diffusion in Biofilme die Leistung der Biofiltration begrenzt. Die Befürworter von Unterwasserfiltern konzentrieren sich in der Regel zunächst auf die Maximierung der spezifischen Oberfläche und dann auf Biofilme und Feststoffmanagement, um die TAN-Diffusionsraten zu verbessern.

Unterwasser-Schüttbett

Die ältesten Biofilter bestehen lediglich aus einem Bett aus untergetauchten Medien, durch die das das Wasser in einem Kreislauf geführt wird. Diese Filter haben im Allgemeinen keine Biofilm- oder Feststoffmanagement-Funktionen, und der spezifischen Oberfläche wird nur wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Diese Filter werden mit großem Erfolg in Haltungssystemen für Meeresfrüchte, leicht belasteten Aquakulturen, Schauaquarien und dergleichen eingesetzt. Die großen, preiswerten Filter leisten gute Arbeit, bis sie überlastet werden und in eine Zone mit positivem Bakterienwachstum geraten, die sie unbrauchbar macht, da kein Wasser mehr in den Filter eindringen kann. Diese Unzulänglichkeiten von getauchten Schüttbetten wurden durch Filter behoben, die das Problem der Feststoffansammlung in den Griff bekommen können.

Expandierbare Granulatfilter

Expandierbare Granulatfilter unterscheiden sich von anderen Filtertypen durch einen Rückspülmechanismus. Expandierbare Granulatfilter, zu denen Feinsandfilter, Kiesfilter und Beadfilter gehören, haben eine ähnliche Rückspülstrategie, die es ihnen ermöglicht, in einem breiten Spektrum von Funktionen zu arbeiten. Diese Wahl steuert den Wasserverlust und hat großen Einfluss darauf, wie einfach die Biofilme der Filter manipuliert werden können. Expandierbare Granulatfilter haben die einzigartige Fähigkeit, als mechanische Filter, Biofilter oder Bioklärer zu arbeiten. Ihre Wirksamkeit in diesen drei Bereichen ist jedoch sehr unterschiedlich.

Feinsandfilter

Feinsandfilter werden in den meisten Anwendungen hauptsächlich als mechanische Filter eingesetzt, tragen aber in Kreislaufsystemen zu einer gewissen Nitrifikation bei. Diese Filter eignen sich in den meisten kommerziellen Anwendungen schlecht als Biofilter, da die Entwicklung eines Biofilms den Waschmechanismus schnell außer Kraft setzt. Alle Sand- und Kiesfilter benötigen hohe Durchflussraten, um ihre Expansion in Gang zu setzen, was auch zu hohen Wasserverlusten bei der Rückspülung führt. Diese Wasserverluste können Biofilm-Management-Strategien behindern, die die Leistungsfähigkeit der Biofilter verbessern. Sandfilter werden häufig als Klärbecken für Schauaquarien, als mechanische Zulauffilter in Aquakulturanlagen und als Biofilter in sehr schwach belasteten Kreislaufsystemen eingesetzt. Grobe Sand- und Kiesmedien werden mit einigem Erfolg eingesetzt, da sie über ausreichende Abrasionskapazitäten verfügen, um Bioflocke abzuschlagen und die Probleme des Verbackens zu vermeiden, die feinere Sandbetten plagen.

Schwimmende Bead-Filter

Floating-Bead-Filter besitzen praktisch alle Eigenschaften von Sand- und Kiesfiltern, reduzieren oder eliminieren jedoch die Probleme des Biofouling und des Wasserverlusts. Je nach Anwendung können Beadfilter effektiv als mechanische Filter, Biofilter oder Bioklärer eingesetzt werden, wobei sie gleichzeitig Feststoffe abfangen und als Biofilter fungieren. Der Rückspülmechanismus und die Häufigkeit der Rückspülung der Anlagen werden als Instrument zur Verwaltung des Biofilms eingesetzt. Gut gemanagte Anlagen sind daher in der Lage, volumetrische TAN-Umwandlungsraten zu erzielen, die mit anderen Biofiltrationsformaten in hohem Maße konkurrenzfähig sind. Darüber hinaus liegt der Wasserverlust bei diesen Filtern zwischen knapp über 1 Prozent und 10 Prozent des Rückspülbedarfs für gleichwertige Kiesfilter.

Expandierte Biofilter

Expandierte Biofilter, bei denen Sand oder Perlen kontinuierlich expandiert werden, fangen keine Feststoffe ab, werden aber als hochwirksame Biofilter eingesetzt. Biofilter mit fluidisiertem Sandbett halten die Sandpartikel gleichmäßig in Suspension, so dass sich das Medium wie eine Flüssigkeit verhält. Die extrem hohe spezifische Oberfläche des Feinsandmediums ermöglicht einen effektiven Betrieb der Filter bei niedrigen Ammoniakwerten von weniger als 0,1 mg-N pro Liter, selbst wenn sie ungünstigen Bedingungen wie einem niedrigen pH-Wert ausgesetzt sind. Feinsandpartikel eignen sich am besten für leicht belastete Systeme, in denen sehr niedrige TAN-Konzentrationen erforderlich sind. Sie werden zum Beispiel mit großem Erfolg in der Zierfischindustrie eingesetzt. Die Einheiten neigen jedoch dazu, Sand zu verlieren, wenn der Substratgehalt steigt, und sind nur begrenzt in der Lage, Biofilm abzutragen.

Grober Sand

Grobsandfilter haben immer noch eine ausgezeichnete spezifische Oberfläche, sind sehr abrasiv und eignen sich gut für höhere Beladungskapazitäten. Grobsand-Wirbelschichten unterstützen sehr hohe TAN-Umsetzungen, allerdings in der Regel nur bei erhöhten Ammoniakwerten von mehr als 1,5 mg-N pro Liter. Bei niedrigen Substratkonzentrationen wird der Biofilm überstrapaziert.

Der Filter... der keiner ist

Es handelt sich hierbei nicht um einen Filter im eigentlichen Sinne, da der Hauptzweck die Abscheidung von gasförmigen bzw. gelösten Substanzen und nicht von festen Partikeln ist. Im Gegensatz zum Biorieselbettreaktor einerseits, bei dem sich auf Einbauten im Reaktor ein sogenannter biologischer Rasen bildet, der kontinuierlich gespült wird, und dem Biowäscher anderseits, bei dem die Mikroorganismen überwiegend in einer Waschflüssigkeit suspendiert sind, sind die Mikroorganismen beim Biofilter auf einer Matrix, die teilweise für die Nährstoffversorgung sorgt, fixiert.

Die Idee, Abluft und Abwässer auf biologischem Wege zu reinigen, existierte bereits in den 1920er-Jahren, spätestens in den 1960er-Jahren erfolgte der technische Einsatz. Im Laufe der Jahre wurden Biofilter für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert.

Funktion

Ein Biofilter filtert zum einen physikalisch unerwünschte Feststoffe und zum Anderen verwandelt er mit Hilfe von Mikroorganismen u.a. das Ammoniak aus den Fisch-Ausscheidungen in Nitrat, was somit von den Pflanzen als Dünger verwendet werden kann.

Mechanische Filterung

Aus dem Fischtank werden neben Wasser auch feste Ausscheidungen der Fische, Futterreste oder Algen in die Pflanzbeete gepumpt. Damit das Substrat der Filter nicht verstopft, müssen entweder Würmer dafür sorgen, dass diese Feststoffe umgesetzt werden oder die Feststoffe müssen vorab mechanisch entfernt werden.

(C) Daniele Pugliesi            

Je nach Anlagengestaltung bietet sich auch ein Absetzbecken an (auch Absetzanlage genannt). Diese ist ein nahezu strömungsfreies Becken, in dem durch die Schwerkraft Wasserinhaltsstoffe sedimentiert werden und damit eine Abtrennung absetzbarer Stoffe von einer Flüssigkeit erzielt werden können. Hier wird die Wassergeschwindigkeit so weit herabgesetzt, dass sich Schwebstoffe am Grund absetzen können. Von dort können sie mit einem Mulmsauger oder einem mechanischen Rechen entfernt werden.

Verwertung der Schwebstoffe durch Würmer

Da auch in den Schwebstoffen Nährstoffe enthalten sind, ist es natürlich besser (und einfacher), diese auch zu nutzen. Deshalb setzt man in die Pflanzbeete Würmer ein. Nicht alle Würmer sind zu diesem Zweck gleich gut geeignet. Die typischen „Regenwürmer“ aus dem Garten brauchen andere Bodentiefen, als wir sie in der Aquaponik bereitstellen können. Gut geeignet sind Rotwürmer (Eisenia foetida, Eisenia andrei, Dendrobena veneta), die für Wurmkompost oder als Angelköder verkauft werden.

Dauergeflutete Pflanzbeete mit einfachem Überlauf eigenen sich nicht für die Verwendung von Kompostwürmern. Die regelmäßige Überflutung in gepumpten Systemen hingegen schadet den Würmern nicht.

Chemische Filterung

Das Substrat bildet auch den Lebensraum für die Bakterien, die in einem zweistufigem Prozess von den Fischen ausgeschiedenes Ammoniak in Nitrat umwandeln. Der erste Schritt dieser sogenannten Nitrifikation läuft aerob (in sauerstoffhaltiger Umgebung) als Oxidation des Ammoniak zu Nitrit durch Nitritbakterien ab. 

Im zweiten Prozessschritt wandeln Nitratbakterien Nitrit durch Oxidation in Nitrat um. Auch diese Bakterien leben aerob, brauchen also Sauerstoff. Verstopfen die Filter durch Schwebstoffe, entstehen anaerobe Zonen, in denen die Bakterien des Nitrifikationsprozesse sterben und anaerobe Fäulnisprozesse einsetzen. Den Sauerstoff erhält das Wasser durch das Einpumpen in das Substrat und mit Druckluft die zugegeben wird.

Wirkung von Nitrat

Nitrat ist ein wichtiger Pflanzendünger, der vor allem Blattwachstum erzeugt. Bei Salaten ist dieses im gewissen Umfang wünschenswert. Zu hohe Nitratmengen lagern sich in den Blättern ab und werden beim Verzehr im Körper aufgenommen. Nitrat und Nitrit stehen im Verdacht durch Umwandlung in Magen und Darm zu u.a. Nitrosaminen krebserregend zu sein.
Darüber hinaus führt ein Überangebot an Nitrat bei fruchtbildenden Pflanzen (z.B. Tomaten) zu übermäßigem Blattwachstum und Verkümmern der Fruchtansätze. Daher ist auf ein ausgewogenes Verhältnis von Biofiltern zu Biomasse Fisch zu achten.

Umweltbedingungen

Ein Produkt der Nitrifikation ist Säure, daher kann das Wasser im Kreislauf zunehmend versauern. Die Bakterien im Biofilter benötigen aber eher eine basische bis neutrale Umgebung, weshalb im Rahmen der regelmäßigen Wartung Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung des pH-Wertes zu ergreifen sind.

Je nach Jahreszeit und Breitengrad muss auf die Temperatur geachtet werden. Minimal sollten, je nach verwendeten Mikroorganismen Temperaturen von 40⁰ Celsius keinesfalls überschritten werden. Auch unter 10° Celsius verlangsamen manche Bakterien ihre Arbeit soweit, das sie keinen Nutzen mehr haben. Ab 0° Celsius sterben die Bakterien der Biofilter ab. Ein solches System muss immer "Eingefahren" werden !

Noch ein Wort zu TAN ( Total ammonia nitrogen / Gesamt-Ammoniak-Stickstoff )

Quantifizierung der Nitrifikation

In der Vergangenheit wurden in Studien die Nitrifikationsraten auf der Grundlage der spezifischen Oberfläche der Medien angegeben, wobei höhere SSA-Werte (Specific Surface Area) bevorzugt wurden. Theoretisch gilt: Je größer die SSA, desto mehr Lebensraum für Bakterien. In einer idealen Welt würde dies zu höheren Nitrifikationsraten führen.

In der realen Welt der kommerziellen Aquakultur bilden die Bakterien jedoch einen Biofilm, der das Medium effektiv bedecken kann, möglicherweise in einer Weise, die die topografischen oder porösen Merkmale des Mediums verstopft, die zur Vergrößerung der spezifischen Oberfläche gedacht sind. Durch diese Bedeckung des Mediums wird im Wesentlichen eine neue Medientopografie geschaffen und die tatsächlich von den Bakterien genutzte Oberfläche verringert.

Volumetrische TAN-Umwandlungsrate

Daher spiegelt die theoretische Nitrifikationskapazität eines bestimmten Filtermediums auf der Grundlage der SSA (Specific Surface Area) nicht immer die tatsächlich erreichte Nitrifikation in der realen Welt wider. Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass die Nitrifikationsraten von Biofiltern auf der TAN-Umsetzung (TAN: Total Ammonia Nitrogen / Gesamt-Ammoniak-Stickstoff) pro Volumeneinheit des nicht expandierten Filtermediums basieren sollten. Als volumetrische TAN-Umwandlungsrate (VTR) bezeichnet, sind typische Einheiten für dieses Standardmaß der Nitrifikation Gramm entfernte TAN pro Kubikmeter Biofiltermedium pro Tag.

Weiterführender Artikel: Biofilter: Bakteriengemeinschaften

Kontext: 

ID: 158

The heart of an aquaponics system is its biofilter. The heterotrophic and autotrophic Bacterial communities in the biofilter naturally process organic waste and deliver biologically stable water that can be recycled for months. When choosing a biofiltration system for commercial aquaculture production, the efficiency of the technology and the substrate are very important because they determine the size, cost and energy consumption of the most expensive treatment components in circulatory systems.

Figure: Aquaculture engineers have to make a number of decisions when choosing the best biofilter for a particular application. Successive decisions at each node of the "decision tree" lead to the most reliable and cost-effective filter.

FBBs ( Floating Bead Bioclarifiers ) offer better solids separation ( 100% up to 30 µm ) as micro sieves and sedimentation tanks and at the same time avoid the problem of baking, which is typically associated with sand filters under high organic loads.

Under water or over water ?

Aerobic filters require oxygen. If the biofilm in the water that is transported to the filter can be adequately supplied with oxygen, choose an underwater filter. Otherwise, you should choose an ascending filter. Emergent (ascending) filters (EGSB) use a cascade-shaped mixture of water and air to ensure that a high oxygen content is maintained on the surface of the biofilm. Drip bodies distribute the water via a column filled with biofilter media. Rotating biological contactors - sometimes called wet / dry filters - use a more mechanical approach. They slowly turn into a water tank and out again, whereby the medium always stays wet, but is additionally aerated.

Overwater filter

Emergent filters are able to achieve an extremely high area conversion of TAN (converted TAN in grams per square meter surface), are limited by a small specific surface area (square meters of biofilm per cubic meter of unit volume). As a result, emerging filters can be 5 to 10 times larger than the submerged alternatives, and caution should be exercised with some media types to prevent possible constipation. These filters offer secondary benefits in the form of ventilation and carbon dioxide stripping. They are best suited for heavily loaded systems, where their ability to supply oxygen to the biofilm can bring some benefits.

TAN: Total ammonia nitrogen / total ammonia nitrogen

Underwater filter

Proponents of immersion filters point out that the fish live in circulatory systems on the inlet side of the filters and that the TAN values have to be kept very low. They argue that it is not oxygen diffusion, but TAN diffusion in biofilms that limits the performance of biofiltration. Proponents of underwater filters usually focus first on maximizing the specific surface and then on biofilms and solids management to improve TAN diffusion rates.

Underwater pouring bed

The oldest biofilters consist only of a bed of submerged media through which the water is circulated. These filters generally have no biofilm or solid management functions, and little attention is paid to the specific surface. These filters are used with great success in husbandry systems for seafood, lightly polluted aquaculture, show aquariums and the like. The large, inexpensive filters do a good job until they are overloaded and get into a zone with positive bacterial growth that makes them unusable because no more water can penetrate the filter. These shortcomings in dipped bulk beds have been remedied by filters that can deal with the problem of solids accumulation.

Expandable granulate filters

Expandable granulate filters differ from other filter types by a backwash mechanism. Expandable granulate filters, which include fine sand filters, gravel filters and bead filters, have a similar backwash strategy that enables them to work in a wide range of functions. This choice controls water loss and has a major impact on how easily the filters' biofilms can be manipulated. Expandable granulate filters have the unique ability to work as mechanical filters, biofilters or bioclars. However, their effectiveness in these three areas is very different.

Fine sand filter

Fine sand filters are mainly used as mechanical filters in most applications, but contribute to a certain nitrification in circulatory systems. These filters are poorly suited as biofilters in most commercial applications because the development of a biofilm quickly overrides the washing mechanism. All sand and gravel filters require high flow rates to start their expansion, which also leads to high water losses during backwashing. These water losses can hinder biofilm management strategies that improve the performance of biofilters. Sand filters are often used as sewage treatment tanks for show aquariums, as mechanical inlet filters in aquaculture systems and as biofilters in very weakly loaded circulatory systems.Coarse sand and gravel media are used with some success because they have sufficient abrasion capacities to cut off organic flakes and to avoid the problems of baking that plague finer sandbeds.

Floating bead filter

Floating-bead filters have practically all the properties of sand and gravel filters, but reduce or eliminate the problems of biofouling and water loss. Depending on the application, bead filters can be used effectively as mechanical filters, biofilters or bioclars, at the same time intercepting solids and acting as biofilters. The backwash mechanism and the frequency of backwash of the plants are used as an instrument for managing the biofilm. Well-managed plants are therefore able to achieve volumetric TAN conversion rates that are highly competitive with other biofiltration formats. In addition, the water loss for these filters is between just over 1 percent and 10 percent of the backwash requirement for equivalent gravel filters.

Expanded biofilters

Expanded biofilters, in which sand or pearls are continuously expanded, do not catch any solids, but are used as highly effective biofilters. Biofilter with fluidized sand bed keep the sand particles in suspension evenly so that the medium behaves like a liquid. The extremely high specific surface of the fine sand medium enables the filters to operate effectively at low ammonia values of less than 0.1 mg-N per liter, even if they are exposed to unfavorable conditions such as low pH. Fine sand particles are best suited for lightly stressed systems in which very low TAN concentrations are required. For example, they are used with great success in the ornamental fish industry. However, the units tend to lose sand when the substrate content increases,and are only able to remove biofilm to a limited extent.

Coarse sand

Coarse sand filters still have an excellent specific surface, are very abrasive and are well suited for higher loading capacities. Coarse sand vertebral layers support very high TAN conversions, but usually only with increased ammonia values of more than 1.5 mg-N per liter. The biofilm is overused at low substrate concentrations.

The filter... which is not one

This is not a filter in the strict sense, since the main purpose is to separate gaseous or dissolved substances and not solid particles. In contrast to the biodiesel bed reactor, on the one hand, in which a so-called biological lawn forms on installations in the reactor, which is continuously flushed, and the bio-washer on the other hand, in which the microorganisms are predominantly suspended in a washing liquid, the microorganisms in the biofilter are fixed on a matrix that partially provides the nutrient supply.

The idea of cleaning exhaust air and waste water biologically already existed in the 1920s, and technical use took place in the 1960s at the latest. Over the years, biofilters have been optimized for a variety of applications.

Function

On the one hand, a biofilter filters physically undesirable solids and, on the other hand, it transforms with the help of microorganisms, among other things. the ammonia from the fish excretions into nitrate, which can therefore be used by the plants as fertilizer.

Mechanical filtering

In addition to water, solid excretions of the fish, feed residues or algae are pumped into the plant beds from the fish tank. So that the substrate of the filters does not clog, worms must either ensure that these solids are converted or the solids must be removed mechanically beforehand.

Depending on the system design, there is also a sedimentation basin (also called a sedimentation system). This is an almost flow-free basin, in which water constituents are sedimented by gravity and thus a separation of removable substances from a liquid can be achieved. Here the water speed is reduced to such an extent that suspended matter can settle at the bottom. From there they can be removed with a mulm vacuum cleaner or a mechanical rake.

Recycling of suspended matter by worms

Since nutrients are also contained in the suspended matter, it is of course better (and easier) to use them. That is why worms are placed in the plant beds. Not all worms are equally suitable for this purpose. The typical „ earthworms “ from the garden need different soil depths than we can provide in aquaponics. Redworms (Eisenia foetida, Eisenia andrei, Dendrobena veneta), which are sold for worm compost or as fishing bait, are well suited.

Permanent flooded plant beds with a simple overflow are not suitable for the use of compost worms. Regular flooding in pumped systems, on the other hand, does not harm the worms.

Chemical filtering

The substrate also forms the habitat for the bacteria, which convert ammonia excreted by the fish into nitrate in a two-stage process. The first step of this so-called nitrification takes place aerobically ( in an oxygen-containing environment ) as oxidation of the ammonia to nitrite by nitrite bacteria. 

In the second process step, nitrate bacteria convert nitrite into nitrate by oxidation. These bacteria also live aerobic, so they need oxygen. If the filters clog through suspended matter, anaerobic zones arise in which the bacteria in the nitrification process die and use anaerobic putrefaction processes. The water receives the oxygen by pumping into the substrate and with compressed air that is added.

Effect of nitrate

Nitrate is an important plant fertilizer that mainly produces leaf growth. For salads, this is desirable to a certain extent. Amounts of nitrate that are too high are deposited in the leaves and are absorbed in the body when consumed. Nitrate and nitrite are suspected by converting them into the stomach and intestines, among others. Nitrosamines to be carcinogenic.
In addition, an oversupply of nitrate in fruit-forming plants (e.g. tomatoes) leads to excessive leaf growth and atrophy of the fruit sets. It is therefore important to ensure a balanced ratio of biofilters to biomass fish.

Environmental conditions

A product of nitrification is acid, so water in the cycle can increasingly acidify. However, the bacteria in the biofilter need a basic to neutral environment, which is why countermeasures to stabilize the pH value must be taken as part of regular maintenance.

Depending on the season and latitude, attention must be paid to the temperature. Depending on the microorganisms used, temperatures of 40 should be minimal⁰ Celsius should never be exceeded. Even under 10° Celsius some bacteria slow down their work to such an extent that they are no longer useful. From 0 ° Celsius, the bacteria in the biofilter die. Such a system must always be "run in !

One more word about TAN (Total ammonia nitrogen / total ammonia nitrogen)

Quantification of nitrification

In the past, studies have shown nitrification rates based on the specific surface of the media, with higher SSA values being preferred. Theoretically, the larger the SSA, the more habitat for bacteria. In an ideal world, this would lead to higher nitrification rates.

In the real world of commercial aquaculture, however, the bacteria form a biofilm that can effectively cover the medium, possibly in a way that clogs the topographical or porous features of the medium, which are intended to enlarge the specific surface. This covering of the medium essentially creates a new media topography and reduces the surface actually used by the bacteria.

Volumetric TAN conversion rate

Therefore, the theoretical nitrification capacity of a certain filter medium based on the SSA does not always reflect the nitrification actually achieved in the real world. It was recently suggested, that the nitrification rates of biofilters should be based on the TAN conversion per unit volume of the non-expanded filter medium. Designated as the volumetric TAN conversion rate ( VTR ), typical units for this standard measure of nitrification are grams of TAN removed per cubic meter of biofilter medium per day.

Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket

Die anaerobe Granulatschlammbett-Technologie bezeichnet ein spezielles Reaktorkonzept für die anaerobe Behandlung von Abwässern mit hohem Durchsatz. Das Konzept wurde mit dem UASB-Reaktor (UASB = upward-flow anaerobic sludge blanket) eingeführt. Ein Schema eines UASB-Reaktors ist in der Abbildung dargestellt.

Aus der Sicht der Hardware ist ein UASB-Reaktor auf den ersten Blick nichts anderes als ein leerer Tank (also eine extrem einfache und kostengünstige Konstruktion).

Das Abwasser wird über entsprechend angeordnete Einlässe in den Tank geleitet. Das Abwasser fließt nach oben durch ein anaerobes Schlammbett, wo die Mikroorganismen im Schlamm mit den Abwassersubstraten in Kontakt kommen. Das Schlammbett besteht aus Mikroorganismen, die auf natürliche Weise Körnchen (Pellets) mit einem Durchmesser von 0,5 bis 2 mm bilden, die eine hohe Sedimentationsgeschwindigkeit aufweisen und daher auch bei hoher hydraulischer Belastung nicht aus dem System ausgewaschen werden. Der daraus resultierende anaerobe Abbauprozess ist in der Regel für die Produktion von Gas (z. B. CH4- und CO2-haltiges Biogas) verantwortlich. Die Aufwärtsbewegung der freigesetzten Gasblasen verursacht hydraulische Turbulenzen, die für eine Durchmischung des Reaktors ohne mechanische Teile sorgen. Am oberen Ende des Reaktors wird die Wasserphase in einem Dreiphasenabscheider (auch Gas-Flüssigkeits-Feststoffabscheider genannt) von den Schlammfeststoffen und dem Gas getrennt. Der Dreiphasenabscheider ist in der Regel eine Gaskappe, über der sich ein Absetzer befindet. Unterhalb der Öffnung des Gasdeckels werden Leitbleche verwendet, um das Gas zur Öffnung des Gasdeckels zu leiten.

Kurze Geschichte UASB

Das UASB-Verfahren wurde von Dr. Gatze Lettinga und Kollegen in den späten 1970er Jahren an der Universität Wageningen (Niederlande) entwickelt. Angeregt durch Veröffentlichungen von Dr. Perry McCarty (Stanford, USA) experimentierte das Team um Lettinga mit einem anaeroben Filterkonzept. Der anaerobe Filter (AF) ist ein anaerober Hochgeschwindigkeitsreaktor, in dem Biomasse auf einem inerten porösen Trägermaterial immobilisiert wird. Bei Versuchen mit dem AF hatte Lettinga beobachtet, dass sich neben der auf dem Trägermaterial fixierten Biomasse ein großer Teil der Biomasse zu freien körnigen Aggregaten entwickelte. Das UASB-Konzept kristallisierte sich während einer Reise von Gatze Lettinga nach Südafrika heraus, wo er in einer anaeroben Anlage zur Behandlung von Weinvinasse beobachtete, dass sich der Schlamm zu kompakten Granulaten entwickelte. Das Reaktordesign der besuchten Anlage war ein "Clarigestor", der als Vorläufer des UASB betrachtet werden kann. Der obere Teil des "Clarigestor"-Reaktors hat ein Klärbecken, aber keinen Gasdeckel.

Die Geburt des UASB

Das UASB-Konzept entstand aus der Erkenntnis, dass ein inertes Trägermaterial für die Biomassebefestigung nicht notwendig ist, um einen hohen Anteil an aktivem Schlamm im Reaktor zu halten. Stattdessen beruht das UASB-Konzept auf einem hohen Rückhaltegrad der Biomasse durch die Bildung von Schlammgranulat. Bei der Entwicklung des UASB-Konzepts berücksichtigte Lettinga die Notwendigkeit, die Ansammlung von körnigem Schlamm zu fördern und die Ansammlung von dispersem Schlamm im Reaktor zu verhindern. Die wichtigsten Merkmale für die Entwicklung von körnigem Schlamm sind erstens die Aufrechterhaltung eines Aufwärtsstroms im Reaktor, der Mikroorganismen auswählt, die sich zusammenballen, und zweitens die Gewährleistung einer angemessenen Trennung von Feststoffen, Flüssigkeit und Gas, um ein Auswaschen der Schlammkörner zu verhindern.

Erster UASB. Das UASB-Reaktorkonzept wurde rasch zur Technologie entwickelt, die erste Pilotanlage wurde in einer Rübenzuckerraffinerie in den Niederlanden (CSM suiker) installiert. Danach wurde in den Niederlanden eine große Anzahl von großtechnischen Anlagen in Zuckerraffinerien, kartoffelstärkeverarbeitenden Betrieben und anderen Lebensmittelindustrien sowie in Altpapierfabriken installiert. Die ersten Veröffentlichungen über das UASB-Konzept erschienen in den späten 1970er Jahren in niederländischsprachigen Fachzeitschriften, und die erste internationale Veröffentlichung erschien 1980 (Lettinga et al. 1980).

Grahik: By Tilley, E., Ulrich, L., Lüthi, C., Reymond, Ph., Zurbrügg, C. - Compendium of Sanitation Systems and Technologies - (2nd Revised Edition). Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology (Eawag), Duebendorf, Switzerland. ISBN 978-3-906484-57-0., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42267210

Kontext: