Borgmann Aquaponik Hydroponik
Tabelle 1. Beobachtete Sonnenscheinstunden (pro Monat) und die jeweilige geschätzte Referenzverdunstung (ETo in mm/Tag) für Köln-Bonn.
Abbildung 2. Referenzverdunstung (ETo in mm/Tag) bei normaler natürlicher Beleuchtung (Köln-Bonn) oder bei konstanter Bestrahlung mit (zusätzlichem) künstlichem Licht.
3.3. Eingangsdaten und Parametrisierung für das RAS
Das modellierte RAS bestand aus vier Fischbecken mit einem Volumen von je 1 m³. Zusätzliche RAS-Komponenten (z. B. Biofilter, Trommelfilter, Sumpf usw.) erhöhten das Volumen um weitere 3 m³. Die Wassertemperatur im RAS wurde konstant bei etwa 28 °C gehalten. Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor für das Fischwachstum, und ihr Einfluss auf das Tilapia-Wachstum (cm∙Monat−1) kann anhand der folgenden Formel für eine maximale Temperatur von 29,5 °C vorhergesagt werden [32]:
wobei T die Durchschnittstemperatur (in ˝C) des RAS ist.
Kennt man die Länge des Fisches, kann man sein Gewicht berechnen [32].
Im Modell wurden 10 cm große Jungfische nacheinander in die Fischbecken eingesetzt. Der gesamte Wachstumszyklus der Fische betrug 200 Tage. Daher wurden alle 50 Tage Fische entnommen und in eines der Fischbecken zurückgesetzt . Die Fische wurden mit artgerechtem Futter mit einem Proteingehalt von 35 % gefüttert, wovon 9,2 % der Proteine zu Gesamtprotein (TAN) umgewandelt wurden [32]. Die Futtermenge wurde als Prozentsatz des Körpergewichts berechnet, welches wiederum vom Futterverwertungsverhältnis (FCR) abhing [32]. Es wurde angenommen, dass das optimale FCR für Tilapia je nach Wachstumsstadium zwischen 1,1 und 1,3 liegt [32], obwohl in Aquaponiksystemen FCR-Werte von 1,7–1,8 beobachtet wurden [33]. Es wurde angenommen, dass die Wasserqualitätsparameter des RAS innerhalb akzeptabler Grenzen liegen (Tabelle 2) und keinen Einfluss auf die Mortalitätsrate haben. Der Hauptfaktor für die Überlebensrate der Fische war somit die Besatzdichte [34]. Die passive Denitrifikationsrate betrug 10 % [32]. Die Futteraufnahmerate der Fische (d. h. der Anteil des tatsächlich aufgenommenen Futters) wurde mit 95 % angenommen [32].
Unter Berücksichtigung dieser Parameter ergab das mit AnyLogic durchgeführte Optimierungsexperiment mit der Entscheidungsvariablen „Fischmenge“, dass man mit 60 Jungfischen beginnen sollte, um nach 200 Tagen eine Fischbiomasse von etwa 50 kg¨ m´3 Fischen pro Becken zu erreichen.
3.4. Eingangsdaten und Parametrisierung für Hydrokultur
Der Wachstumszyklus für Salat wurde auf 35 Tage festgelegt. Die Pflanzen wurden in DWC-Systemen mit einer Tiefe von 30 cm angebaut. Der Zufluss vom RAS zum DWC wurde durch die Evapotranspirationsrate bestimmt, d. h. ETc multipliziert mit der Fläche des Hydrokultursystems, und ergibt sich aus:
ANRC steht hierbei für die anaerobe Nährstoffremineralisierung. Unter optimalen Bedingungen können Kopfsalate vier Wochen nach dem Umpflanzen in das Hydrokultursystem ein Gewicht von 150 g erreichen [33,41]. Pro m² wurden 16 Kopfsalatpflanzen kultiviert, die jeweils im Wachstumszyklus 6 g Stickstoff und 50 mg Phosphor aufnahmen [9].
3.5. Eingangsdaten und Parametrisierung für die Remineralisierung
Nitrat und Nitrit werden unter anaeroben Bedingungen zu Ammoniak und molekularem Stickstoff abgebaut [42]. Sowohl Zhao et al. [43] als auch Cuervo-López et al. [44] beobachteten in UASB-Reaktoren mit einer hydraulischen Verweilzeit (HRT) von 9–12 Tagen bzw. 2 Tagen Abbaugrade von Nitrat und Nitrit von ca. 99 %. Mirzoyan und Gross [17] berichten über ähnliche Abbaugrade von Nitrat und Nitrit. In ihrer Arbeit enthielt das Abwasser jedoch 17,7 mg/L TAN (pro 10² g/kg Zulauf zum UASB-Reaktor) bei einer HRT von 8 Tagen und einer Gesamtkonzentration suspendierter Feststoffe im Schlamm von 3,8 %. Die Stickstoffzusammensetzung des Zulaufschlamms ergibt sich aus dem Stickstoffgehalt im Wasser und dem Stickstoffgehalt der Trockenmasse. Die Zusammensetzung der Trockenmasse wurde von Neto und Ostrensky [10] ermittelt. Sie berichten von einem Stickstoffgehalt von ca. 15 % der Trockenmasse bei einem Stickstoffgehalt des Zulaufschlamms von 5,3 % und einem Phosphorgehalt des Zulaufschlamms von 1,5 % [10,12]. Das Volumen des UASB-Reaktors wurde anhand der folgenden HRT-Formel bestimmt::
Dabei ist HRT die hydraulische Verweilzeit in Stunden.
Die angestrebte HRT betrug 10 Tage, da sich damit kürzlich die beste Vergärungsleistung gezeigt hatte [17].
Da eine HRT von 10 Tagen diese Anforderung in der Praxis nicht erfüllen kann, war für jeden UASB-Reaktor eine zusätzliche Umwälzpumpe erforderlich. Die Zuflussrate in den Reaktor wurde anhand der täglich von den Fischen produzierten Schlammmenge bestimmt, die mit einem bestimmten TSS-Wert aus dem Absetzbecken (siehe Abbildung 3) entnommen wurde. In unserem Fall betrug die Schlammverweilzeit (SRT) 80 Tage, da die Schlammdecke 60 % des Reaktorvolumens bei einem TSS-Wert von 3 % einnahm. Die täglich entnommene Schlammmenge wurde mit 10 % der organischen Belastung (ORL) angenommen.d. h. des zugegebenen Frischschlamms. Mirzoyan und Gross [17] zeigten eine TSS-Entfernung von 90 % im Frischschlamm. Dieselbe TSS-Entfernung wurde in dieser Studie angenommen.
Die Formel für die Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit lautet wie folgt:
wobei V up die Aufwärtsgeschwindigkeit (mxh - 1), H die Reaktorhöhe (m) und HRT die hydraulische Verweilzeit (h) ist.
Abbildung 3. Prozessablaufdiagramm eines einfachen DAPS-Layouts. Die blauen Markierungen kennzeichnen die RAS-Komponente, die grünen die Hydroponik-Komponente und die roten die ANRC-Komponenten. Die Position jeder Komponente ist in den kleinen Kästchen numerisch dargestellt und gibt die vertikale Fließrichtung an; hohe Zahlen stehen für eine höhere, niedrige für eine niedrigere Position. Schwerkraftströmung tritt auf, wenn Wasser von höheren zu niedrigeren Ebenen fließt; Druckströmung ist erforderlich, wenn der Fluss von niedriger zu hoher Ebene erfolgt.
4. Theorie
4.1. Entkoppeltes Systemdesign
4.1.1. Begründung für entkoppelte Systeme
Die Nitratkonzentrationen in Aquaponiksystemen können durch Wasseraustausch, Pflanzenaufnahme und/oder Denitrifikation mittels anoxischer bakterieller Reduktion reguliert werden. Die Wasseraustauschraten lassen sich über die Massenbilanz bestimmen, während die Stickstoffentfernung durch Denitrifikation oder Pflanzenaufnahme anhand verfügbarer Informationen zu den Stickstoffentfernungsraten verschiedener Pflanzen und Denitrifikationsreaktorkonfigurationen berechnet werden muss. Im Gegensatz zu Stickstoff, der in Aquaponiksystemen hauptsächlich in gelöster Form vorliegt und sich anreichert , finden sich einige wichtige Pflanzennährstoffe fast ausschließlich in Klärschlamm, der aus Futterresten und Fäkalien stammt. Bis vor Kurzem konzentrierten sich Veröffentlichungen im Bereich Aquaponik hauptsächlich auf die Verfügbarkeit, Konzentration und Akkumulation von Nitrat, das als wichtigster Makronährstoff für das vegetative Wachstum gilt. Obwohl dies die Komplexität des Gesamtprozesses erhöht und nicht im Fokus dieser Arbeit steht, ist es unerlässlich, die Akkumulation aller Mikro- und Makronährstoffe zu berücksichtigen, die für optimale Wachstumsbedingungen notwendig sind. Dies gewinnt an Bedeutung, da in DAPS die Nährstoffanreicherung in der Hydrokulturkomponente aus verschiedenen Quellen stammt (z. B. Zufluss aus dem Kreislaufsystem, Zufluss aus der Remineralisierungskomponente und Nährstoffzugabe) und die Verdünnung reduziert wird, da die Abflüsse des ANRC nur in der Hydrokulturkomponente und nicht systemweit verdünnt werden. Da der spezifische Nährstoffbedarf von Fischen und Pflanzen von einer Vielzahl von Abhängigkeiten und Wechselwirkungen abhängt, müssen im Design Kompromisse zugunsten der bestmöglichen Mittel gefunden werden, um optimale Bedingungen für Fische und Pflanzen zu schaffen und somit die Teilsysteme hinsichtlich der Nährstoffnutzung und -rückführung zu optimieren. Diese heterogenen Bedingungen der jeweiligen Teilsysteme und ihre Auswirkungen auf die Nährstoffanreicherung haben einen signifikanten Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems.
Die Vorteile unabhängig steuerbarer Komponenten werden in den Tabellen 3 und 4 hervorgehoben.
Die in Tabelle 3 aufgeführten Beispiele für optimale Bedingungen für verschiedene Pflanzen- und Fischarten sowie die Komponenten Biofiltration und ANRC verdeutlichen dies. Je stärker die Bedingungen von RAS und Hydroponik von ihren optimalen Bedingungen abweichen, desto geringer ist die zu erwartende Produktionseffizienz . Anstatt Kompromisse zwischen den einzelnen Komponenten zu berücksichtigen, sollte das Ziel darin bestehen, für jede Komponente und jede Artenkombination die bestmöglichen Bedingungen zu schaffen. Obwohl ähnliche Wachstumsraten zwischen Aquaponik und Hydroponik beobachtet wurden, könnte die Optimierung der jeweiligen Bedingungen zu einem verbesserten Fisch- und Pflanzenwachstum führen [6]. Dies ist nur in unabhängig gesteuerten und betriebenen Teilsystemen möglich. Dies deckt sich mit Tabelle 4. Auch hier zeigen sich deutliche Unterschiede in den Umwelt- und Nährstofffaktoren. Der signifikante Unterschied in der Nährstoffkonzentration lässt sich dadurch erklären, dass Kompromisse hinsichtlich der spezifischen Bedürfnisse von Pflanzen und Fischen eingegangen werden müssen, was die Ursache für diese Abweichungen ist.
Tabelle 3. Optimale Bedingungen für verschiedene Fische in RAS (d. h. Tilapia, Flussbarsch und Regenbogenforelle), Pflanzenarten unter hydroponischen Bedingungen (d. h. Salat und Tomate), Biofiltrationseffizienz als Teil von RAS und anaerobe Vergärung.
Hinsichtlich der Nährstoffdynamik hängt der Fluss jedes Nährstoffs von vielen Faktoren ab,
darunter die Fischart, das Systemdesign, die Biofilterleistung, die Remineralisierungsmethode, die Futterzusammensetzung usw. Etwa 25 % des Futters (Trockenmasse) werden zu Schlamm [32, 73]. Neto und Ostrensky [10] analysierten die Nährstoffzusammensetzung des Schlamms (Tabelle 5). Sie berichten, dass sich 55 % des über das Fischfutter in das System gelangten Phosphors im Schlamm anreichern. Der Schlamm besteht aus 37 % Kot und 18 % nicht verbrauchtem Futter.
Der Anteil des nicht verbrauchten Futters ist jedoch mit Vorsicht zu interpretieren, da die Daten aus RAS-Käfigzuchtsystemen stammen. Obwohl die Werte von Neto und Ostrensky [10] auf Käfigzuchtsystemen basieren, liegen unsere Messwerte (Tabelle 5) näher an diesen Werten als an den Beobachtungen von Refiee und Saad [74] in RAS. Wir beobachteten ähnliche Konzentrationen bei Verwendung von Fischfutter mit 9,7 % N und 1,7 % P. Allerdings reicherte sich mehr P in den Fischen als im Klärschlamm an. Die Remineralisierungstechnologie birgt jedoch großes Potenzial für das Recycling eines hohen Anteils an Makronährstoffen wie P, K und N (z. B. bei Durchführung unter anaeroben Bedingungen) etc. [15,16,75].
Tabelle 5. Stickstoff- (N) und Phosphorfluss (P) aus der Fütterung von Nil-Tilapia in der RAS-Käfigproduktion.
Im Vergleich zu Ein-Kreislauf-Aquaponiksystemen verläuft der Nährstofffluss in DAPS etwas anders.
Wie in Abschnitt 4.2 erläutert, kann die Schlammremineralisierung einen Beitrag zur Entwicklung eines integrierten Systemansatzes leisten. Neben der Nährstoffergänzung kann die Nährstoffremineralisierung auch zur Nährstoffanreicherung in der Hydrokultur genutzt werden. Dies kann einen wirtschaftlichen Vorteil bieten, da das Wurzel-Spross-Verhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen essbaren Pflanzenteilen und Resten) von der Nährstoffkonzentration in der Pflanze abhängt. Laut Lambers et al. [76] sinkt das Wurzel-Spross-Verhältnis bei ausreichendem Vorhandensein von Stickstoff (N), Phosphor (P) und höchstwahrscheinlich auch bei Sulfatmangel, wie er in Ein-Kreislauf-Aquaponiksystemen auftritt. Das wichtigste Prinzip im Aquaponik-Design besagt, dass die Nährstoffbelastung des Systems zwischen der Nährstoffbelastung (abhängig von Fischbiomasse, Futteraufnahme, Stoffwechsel und Ausscheidung sowie Futterresten und Kot) und dem Nährstoffbedarf der Pflanzen ausgeglichen werden kann [9]. Daher hat sich die Bestimmung des Fisch-Pflanzen-Verhältnisses als gängigster Ansatz für die Systemausgewogenheit etabliert. Da jedoch jede Pflanzen- und Fischart unterschiedliche Nährstoffbedürfnisse hat, die zudem vom Wachstumsstadium/Lebenszyklus und externen Faktoren (einschließlich des Systemdesigns) abhängen, ist die genaue Bestimmung dieses Verhältnisses komplex, systemabhängig und erfolgt üblicherweise anhand empirischer Daten. Je mehr Systemdesigns untersucht werden, desto genauer lassen sich die Fisch-Pflanzen-Verhältnisse abschätzen und desto effizienter können Nährstoffflüsse und Erträge gesteuert werden. Obwohl spezifische Schätzungen für eine bestimmte Systemkonfiguration gelten mögen, kann die Anwendung dieser Methode zur Dimensionierung oder zum Ausgleich völlig neuer Designs ohne experimentelle Evaluierung problematisch sein. Unabhängig von den Systemparametern und der spezifischen optimierten Nährlösung hängt die Nährstoffaufnahme von Pflanzen stark von Nährstoffverfügbarkeit, Beleuchtung, Temperatur, pH-Wert usw. ab. Diese Abweichungen von den optimalen Bedingungen spiegeln sich in pflanzenspezifischen Koeffizienten wider. Die Möglichkeit, die beste Kombination aus Pflanzen, Fischen und Futter auszuwählen, die die bestmögliche Wasserqualität und damit optimales Wachstum ermöglicht, ist ein überzeugendes Argument für DAPS (Digital Aquatic Plant Systems). Die Erzielung der bestmöglichen Wasserqualität stellt im Systemdesign nach wie vor ein untergeordnetes Kriterium dar. Sind jedoch sowohl die Fisch- als auch die Pflanzenarten und ihre spezifischen Nährstoffbedürfnisse bekannt, lässt sich die Größe der Pflanzenkomponente anhand der geschätzten Nährstoffbelastung des RAS (Recycling-Aquakultur-Systems) sowie der Remineralisierungskapazität vorhersagen. Es wurde eine Verdauungsmethode angewendet. Mehrere mathematische Modelle zur Stickstoffaufnahme wurden entwickelt [77–79] und ermöglichen eine gute Abschätzung des Stickstoffverbrauchs der Pflanzen. Die Nährstoffentfernungseffizienz verschiedener Pflanzenarten und Entwicklungsstadien unter Aquaponikbedingungen muss jedoch noch untersucht werden, um die Nährstoffflüsse aller wichtigen Nährstoffe innerhalb von DAPS modellieren zu können.
4.1.2. Hardware-Layout
Das schematische Design eines DAPS-Layouts ist in Abbildung 3 dargestellt. Es besteht aus drei Teilen:
(1) konventionellem RAS; (2) Hydroponik-Komponente; und (3) ANRC. Die Implementierung eines solchen ANRC in ein Aquaponiksystem unter Berücksichtigung eines Einweg-Flussansatzes erfordert mehrere Designüberlegungen, die im Folgenden erläutert werden:
1. Das Rücklaufsystem (RAS) dient der Behandlung des Fischschlamms und der Kontrolle der wichtigsten Wasserqualitätsparameter (gelöster Sauerstoff, Gesamtstickstoff (TAN), Schwebstoffe und Kohlendioxid).
2. Da UASBs ein hohes Denitrifikationspotenzial aufweisen, das sowohl von der hydraulischen Verweilzeit (HRT) als auch von der Schlammverweilzeit (SRT) abhängt, ist ein direkter Einwegfluss vom RAS zur Hydrokulturkomponente erforderlich, um die Nitratdosierung zu steuern (d. h. die Pflanzen mit Stickstoff zu versorgen). Dies beinhaltet auch eine Rücklaufoption, z. B. für den Fall, dass ein Teilsystem wieder gekoppelt werden muss.
3. Die Schlammeindickung ist eine notwendige Voraussetzung für die anaerobe Vergärung [15].
Für diesen Prozess wird ein Offline-Absetzbecken vor dem UASB verwendet. In der Praxis können Belebtschlamm-Denitrifikationsreaktoren vor dem UASB installiert werden, um einen Teil der Kohlenstoffquelle zur Nitratentfernung und zur Reduzierung des Schlammvolumens zu nutzen [80]. In unserem Fall ist es erwünscht, Stickstoff im System zu halten. Die Stickstoffrückgewinnung bei der anaeroben Schlammbehandlung ist jedoch stark von der hydraulischen Verweilzeit (HRT) abhängig und nur geringfügig, wenn diese mehrere Stunden überschreitet [16].
4. Theoretisch wird nicht erwartet, dass die Abwässer aus dem Faulturm in die Rücklaufanlage (RAS) die Wasserqualität und damit das Wohlbefinden der Fische aufgrund der Verdünnung beeinträchtigen, obwohl sie einen hohen Sulfidgehalt aufweisen [17]. Dies gilt auch für den Überlauf des Hydroponiksystems in die RAS. 5. Zwei mechanische Filtrationsstufen minimieren den Gehalt an Schwebstoffen (TSS) im Ablauf des UASB.
6. Das Hydroponiksystem ist ein Hybridsystem, das Dosiersysteme zur präzisen Steuerung von Nährstoffen, pH-Wert, elektrischer Leitfähigkeit (EC), gelöstem Sauerstoff und Redoxpotenzial nutzt, um akzeptable Nährstoffkonzentrationen aufrechtzuerhalten.
7. Der Abfluss aus dem ANRC und der RAS sowie das im Hydroponiksystem verwendete Wasser sind kongruent. Daher muss die im Hydroponiksystem verwendete Wassermenge und somit die Wasserzufuhr zu den Fischbecken ausreichend hoch sein, um eine Nährstoffanreicherung in der RAS zu vermeiden.
8. Die ANRC kann durch eine aerobe Vor- oder Nachbehandlung ergänzt werden, da eine bessere Remineralisierungsleistung angenommen werden kann und eine Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) beobachtet wurde [81]. Es ist jedoch zu beachten, dass der Nachteil eines zusätzlichen aeroben Schrittes in der zusätzlichen Produktion von Biomasse (d. h. Bakterienwachstum) besteht, die einen Teil der verfügbaren Nährstoffe verbraucht. Ob die aerobe Behandlung vor oder nach der anaeroben Behandlung erfolgt, hängt davon ab, ob man die Kohlendioxidkonzentration im Gewächshaus erhöhen (Vorbehandlung) oder den anaeroben Fermenter als Biogasanlage nutzen möchte (Nachbehandlung).
Dies bietet höchstwahrscheinlich weitere Vorteile (z. B. H₂S-Reduzierung), ist aber nicht Teil unserer Softwareberechnungen . Der Vollständigkeit halber haben wir es dennoch in dieses Schema aufgenommen.
9. Die durch die CH₄-Verbrennung erzeugte Energie in Form von Strom und Wärme kann dem System wieder zugeführt werden. Diese Verbrennung reduziert zudem die Treibhausgasemissionen. Die Verbrennungsprodukte (d. h. CO₂ und H₂O) können als sauberes Wasser und CO₂ (für Treibhausgase erforderlich) in das System zurückgeführt werden, um das Pflanzenwachstum zu fördern.
Auf dem Weg zu entkoppelten Aquaponik-Systemen 3
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