Auf dem Weg zu entkoppelten Aquaponik-Systemen 3

4.2. Modellbeschreibung – Flussdiagramme
Abbildungen 4 und 5 zeigen den Wasserfluss in traditionellen RAS- und Ein-Kreislauf-Aquaponiksystemen.
Während der Abfluss in RAS-Systemen hauptsächlich durch die Wasserdurchflussrate und die Schlammentfernung bestimmt wird, erfolgt der Hauptabfluss in Ein-Kreislauf-Aquaponiksystemen durch Evapotranspiration und Schlammentfernung.
Abbildung 6 veranschaulicht die Unterschiede zwischen DAPS und anderen Ansätzen. Obwohl der Hauptwasserabfluss ebenfalls durch Evapotranspiration bestimmt wird, reduziert DAPS den Wasserverlust durch die Schlammrückführung. Die Schlammproduktion kann durch die Aufrechterhaltung einer konstanten Fischbiomasse stabilisiert werden (Abbildung 7).
Da Aquakulturschlämme zu 95–97 % aus Wasser bestehen [32], wird durch die Schlammremineralisierung Wasser in die Hydroponikkomponente zurückgeführt (Abbildung 8). Je nach Dimensionierungsparameter und/oder Anbaufläche kann eine zusätzliche Denitrifikation im RAS erforderlich sein, falls der
verdunstungsabhängige Wasserfluss zur hydroponischen Komponente nicht ausreicht, um die erforderlichen Nitratwerte im RAS aufrechtzuerhalten.

Abbildung 4. Wasserfluss in einem RAS-System. Der Tank repräsentiert das gesamte RAS-System mit allen seinen Bestandteilen (dies gilt auch für die folgenden Abbildungen). Hinsichtlich der Nachhaltigkeit stellt die Wassernutzungseffizienz einen Nachteil dieses Ansatzes dar, da Wasser abgeleitet wird, um eine akzeptable
Wasserqualität für die Fische zu gewährleisten. Dies führt zu einer Verschwendung von Wasser und Nährstoffen sowie zu Nährstoffemissionen. Zudem wird der nährstoffreiche Schlamm oft nicht zur Düngung wiederverwendet, sondern in die Kanalisation eingeleitet.
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Abbildung 5. Wasserfluss in einem Ein-Kreislauf-Aquaponiksystem. Dieser Systemansatz bildet die Grundlage für die Aquaponik. Im Gegensatz zum RAS wird das nährstoffreiche Wasser nicht abgeleitet, sondern zur Düngung der Pflanzen verwendet. Beide Komponenten sind ähnlichen Wasserbedingungen ausgesetzt. In Ein-Kreislauf-Systemen verlässt das Wasser das System hauptsächlich durch die Evapotranspiration (ETc) der Pflanzen und den Schlamm. Geringfügige Wasserverluste sind im integrierten Wasserflussdiagramm in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 6. Wasserfluss in einem DAPS. Da die ANRC voraussichtlich den größten Teil des Stickstoffs entfernt, kann eine aktive Denitrifikation im RAS erforderlich sein, um die Nitratkonzentration zu senken. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Wasserdurchfluss zur Hydroponik-Komponente nicht ausreicht, um die Wasserqualität im RAS auf dem gewünschten Niveau zu halten.
Das Flussdiagramm zeigt außerdem weitere Anpassungen des Ein-Kreislauf-Aquaponiksystems: (1) eine ANRC, die den Schlamm remineralisiert und den Wasser- und Düngemittelbedarf reduziert; und (2) manuelle Nährstoffzugabe und nährstoffreiche Nährstoffausläufe der ANRC versorgen die Hydroponik-Komponente
mit optimalen Nährstoffkonzentrationen, die sich nicht im Gesamtsystem verdünnen.

Abbildung 7. Die Schwankungen der Wasserzusammensetzung hängen eng mit der Nährstoffzufuhr des Systems zusammen. Da Fischfutter der Hauptbestandteil von Aquaponiksystemen ist, sollten diese mit Fischen verschiedener Wachstumsstadien betrieben werden, um eine nahezu konstante und gleichmäßige Futterzufuhr zu gewährleisten. Die Fischmenge ändert sich nicht wesentlich; die unterschiedlichen Fischgrößen dienen lediglich der Veranschaulichung.

Abbildung 8. Das Wasserflussdiagramm zeigt die Wasserströme innerhalb eines DAPS-Systems. Es ist ersichtlich, dass die Implementierung eines ANRC die Wasserverfügbarkeit im System beeinflusst. Obwohl der Wasserverlust durch Evapotranspiration den Verlust durch Schlammentfernung übersteigt, ist dies dennoch ein wichtiger Schritt zur Schließung des Kreislaufs.

Abbildung 9. Nährstoffflussdiagramm in einem DAPS. Die Nährstoffanreicherung kann den essbaren Pflanzenteilen, den essbaren Fischteilen (z. B. Fischfilet) und den Ausscheidungen zugeordnet werden. Die gestrichelte Linie zeigt den Einfluss eines ANRC auf die Nährstoffflüsse. Recycelte Nährstoffe werden dem Hydrokulturwasser zugesetzt und können sich im Pflanzengewebe anreichern, während die Fische keinen schädlichen Nährstoffkonzentrationen
im Wasser ausgesetzt sind.

Durch die Anwendung des Schlammbehandlungsverfahrens (siehe Abbildungen 8 und 9) lassen sich die Nachteile des Nährstoffverlusts begrenzen. Der in kommerziellen RAS-Systemen anfallende Schlamm muss vor der Entsorgung behandelt werden, sofern keine zentralen Abwasserbehandlungsanlagen zur Verfügung stehen [82]. Daher sollte bei der Planung von DAPS (Abbildung 6) die Implementierung zukunftsorientierter Recyclinglösungen berücksichtigt werden .

5. Ergebnisse
5.1. Schätzungen der Fischbiomasse
Die Ergebnisse des DAPS-Modells (siehe Abbildungen A1–A4) sind in den Abbildungen 10–19 dargestellt. Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse eines Parametervariationsexperiments zur Bestimmung der benötigten Fischmenge für eine maximale Besatzdichte von 50 kg/m³ pro Becken. Basierend auf dieser Parametrisierung konnte die durchschnittliche Fischdichte ermittelt werden (Abbildung 11). Abbildung 11 verdeutlicht den Vorteil der Verwendung mehrerer
Fischbecken, um starke Schwankungen der Fischbiomasse und damit des Futtereinsatzes durch die Verwendung eines Bestandes unterschiedlicher Größenklassen zu vermeiden.

Abbildung 10. Ergebnis eines Parametervariationsexperiments zur Ermittlung der benötigten Fischmenge für eine maximale Besatzdichte (y-Achse) von 50 kg/m³ pro Becken. Die Tage sind auf der x-Achse dargestellt. Für diese Simulation waren etwa 100 Fische erforderlich, um dieses Ziel zu erreichen.

Abbildung 11. Durchschnittliche Biomasse pro Fischbecken und Gesamtbiomasse aller Fischbecken (in g; y-Achse) im RAS während der ersten 1000 Tage (x-Achse). Die Fischbiomasse erreicht alle 50 Tage einen Höchstwert, entsprechend dem geplanten Ernteplan.

Abbildung 12. Experiment zur Parametervariation: Schätzung der aus dem RAS stammenden N-NO3-Konzentration in mg/L (y-Achse) basierend auf verschiedenen Anbauflächen (m²) unter natürlichen Lichtbedingungen. Die Tage sind auf der x-Achse dargestellt. Es ist ersichtlich, dass 200 mg/L N-NO3 bei einer Anbaufläche von 100 m² nicht überschritten werden.

Abbildung 13. Experimentelle Parametervariation der geschätzten N-NO₃-Konzentration (in mg/L) bei unterschiedlichen Anbauflächen (in m²). Im Vergleich zur ausschließlichen Nutzung von natürlichem Licht zeigt die Anwendung von künstlichem Licht in der industriellen Produktion ein anderes Bild. Die y-Achse zeigt die N-NO₃-Konzentration im RAS-System, die x-Achse die Anzahl der Tage.

Abbildung 14. Die Abhängigkeit des Wasserflusses (in Litern; y-Achse) von der Evapotranspiration vom RAS zur Hydrokulturkomponente ist in dieser Abbildung deutlich zu erkennen. Sie zeigt den Fluss vom RAS zur Hydrokulturkomponente unter natürlichen Lichtbedingungen. Die Tage sind auf der x-Achse dargestellt.

Abbildung 15. Abhängig von der Evapotranspirationsrate (Abbildung 14) lassen sich unterschiedliche Nitratflüsse vom RAS zum Hydrokultursystem beobachten. Die Nitratbilanz des RAS in mg L⁻¹ (y-Achse) für die ersten 1000 Tage (x-Achse) ist bei ausschließlich natürlicher Beleuchtung und einer Anbaufläche von 600 m² dargestellt
.

Abbildung 16. P-Dynamik in der Hydrokulturanlage mit einer Anbaufläche von 600 m². Der P-Verbrauch des Salats (y-Achse) wird als konstant angenommen, obwohl dies nicht der Fall ist. Die Gesamt-N-Aufnahme des Salats wird dadurch jedoch nicht verringert. Die Tage sind auf der x-Achse dargestellt.

Abbildung 17. Akkumuliertes P-Defizit (y-Achse) in der hydroponischen Komponente des Systems mit einer Anbaufläche von 600 m². Nach 1000 Tagen (x-Achse) ist das Defizit nahezu ausgeglichen.

Abbildung 18. Das erforderliche Volumen (L) des UASB-Reaktors hängt vom einfließenden Schlamm, dessen Schlammverweilzeit (SRT) und der hydraulischen Verweilzeit (HRT) ab. Hierbei wird angenommen, dass die Schlammdecke 60 % des Reaktorvolumens des UASB-Reaktors bedeckt. Die Gesamtfüllkapazität beträgt somit ca. 140 L und dient als guter Richtwert für die Dimensionierung des Reaktors. Die Tage sind auf der x-Achse dargestellt.

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