Aquakultur: Naturnahe Reinigungsstufe für Ablaufwasser

Verfahrenstechnik
Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch; Stefan Rettig
Aquakultur: Naturnahe
Reinigungsstufe für
Ablaufwasser
Durch die Behandlung des Ablaufwassers einer Kreislaufanlage
in einem bewachsenen Bodenfilter mit anschließender
Rückführung kann der Wasserbedarf weiter minimiert werden.
Situation der Aquakultur weltweit
A
ngesichts einer stetig steigenden Weltbevölkerung ist die Sicherung der Nahrungsmittelversorgung sowie die gleichzeitige Bewahrung der natürlichen Ressourcen
für nachfolgende Generationen eine große
Herausforderung. Hierbei wird der Aquakultur das Potenzial zugeschrieben, einen maßgeblichen Beitrag zu leisten, da die Ökobilanz im Vergleich mit anderen Verfahren zur
Erzeugung tierischen Eiweißes deutlich besser ist. Daher bestehen unter Wahrung der
Säulen der Nachhaltigkeit (ökologisch, ökonomisch, sozial) aufgrund ungenutzter Ressourcen Wachstumsmöglichkeiten /1/.
Bedingt durch eine weltweit steigende
Nachfrage nach Fischprodukten und den
gleichzeitigen Rückgang der natürlichen
Bestände durch Überfischung ist die Aquakultur einer der am schnellsten wachsenden Nahrungsmittelproduktions-Sektoren
(Bild 1). Der Anteil der Fischproduktion
aus Aquakulturen wuchs zwischen den
Jahren 1980 und 2012 durchschnittlich um
8,6 % an. In jüngerer Vergangenheit stieg
die Produktionsmenge von 32,4 Mio. t im
Jahr 2000 um mehr als das Doppelte auf
66,6 Mio. t (2012) an /2/. Beinahe die
Hälfte der gesamten Fischproduktion weltweit wurde damit bereits von der Aquakultur gedeckt (Bild 2). Während die asiatischen Länder, insbesondere China, im Jahr
2012 knapp 89 % zur weltweiten Aquakulturproduktion beitrugen, betrug der Anteil
Europas lediglich 4,32 %. Für 2013 wurde
ein weiterer Anstieg der weltweiten Produktionsmenge um weitere 5,8 % auf insgesamt 70,5 Mio. t erwartet /2/.
Fischaufkommens in Deutschland stammten aus der Eigenproduktion, die sich aus
Eigenanlandungen der deutschen Fischerei,
dem Aufkommen aus der Binnenfischerei
sowie der Aquakultur zusammensetzt. In
Deutschland existierten 2013 6.192 Aquakulturbetriebe, von denen 4.739 Betriebe
Fische in Warmwasserteichen, Kalt- und
Warmwasseranlagen sowie Netzgehegen erzeugten. Die Jahresproduktion betrug rund
26.000 t, davon 20.400 t Fisch, 5.036 t
Weichtiere und 58 t Roggen/Kaviar (siehe
auch Tabelle 1) /3/. Ein positiver Trend ist
bei der Entwicklung der Produktionsmengen aus Warmwasserkreislaufanlagen zu
verzeichnen /4/. Hierzu zählen auch die 10
Betriebe, in denen der Afrikanische Wels
mit einer Jahresproduktionsmenge von ca.
1.400 t Fanggewicht im Jahr 2014 erzeugt
Definition Aquakultur
In der Fischerei-Grundverordnung
der EU wird Aquakultur in Anlehnung
an die FAO (Food and Agriculture
Organization oft the United Nation)
definiert als „kontrollierte Aufzucht
aquatischer Organismen mit Techniken
zur Steigerung der Produktion über die
natürlichen ökologischen Kapazitäten
hinaus. Die Organismen verbleiben in
allen Phasen der Aufzucht bis einschließlich der Ernte Eigentum einer
natürlichen oder juristischen Person.“
In Deutschland ist folgende Definition
gebräuchlich: Der Begriff Aquakultur
beschreibt die kontrollierte Aufzucht,
Haltung und Vermehrung aquatischer
Organismen /1/.
wurde /5/. Der Produktionsumfang dieser
Fischart konnte zwar innerhalb von einem
Jahr verdoppelt werden, der Anteil bezogen
auf die Jahresproduktion von Fischen in
Aquakulturanlagen 2013 liegt bei ca. 7 %.
Obwohl auch in Deutschland die Nachfrage
nach Fischprodukten steigt, gibt es zu wenig
Zuwachs in der Produktionsmenge. Hier
spielen komplexe rechtliche Rahmenbedingungen hinsichtlich Produktqualität, Umweltschutz und Gesundheit bei der behördlichen Genehmigung eine Rolle. Zu erwähnen ist aber auch der starke Preisdruck im
Vergleich zu Importprodukten /4/.
Möglichkeiten der Aquakultur in
Deutschland/Europa
Die Entwicklung der Aquakultur in
Deutschland/Europa stagniert hingegen /1/.
In Deutschland betrug das Gesamtaufkommen an Fisch und Fischereierzeugnissen im
Jahr 2013 rund 2 Millionen Tonnen, von denen rund 1,8 Mio. t (88 %) aus Importen gedeckt wurden. Lediglich 12 % des gesamten
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Bild 1 Forellenaufzucht als Aquakultur
Foto: focus finder
SPECIAL INDUSTRIE + WASSER
19
SPECIAL INDUSTRIE + WASSER 100
%
160
80
140
70
120
60
100
50
80
40
60
30
40
20
20
10
Anteil
Mio. t
0
1990 92
94 96
98 2000 02
04
06
08
gefangener Fisch
in Aqaukultur
produzierte Menge
Anteil
200
weltweit
Anstieg der Aquakulturen bezüglich
der gesamten
Jahrestonnage
0
10 2012
Jahr
Bild 2 Anteil der Aquakultur an der gesamten Fischproduktion /2/
Politische und rechtliche
Rahmenbedingungen
Aufgrund der geschilderten Abkopplung der
Entwicklung der europäischen Aquakultur
vom weltweiten Trend hat die EU reagiert
und mit Artikel 34 der Fischerei-Grundverordnung (EU-Verordnung (EG) 1380/2013)
im Jahr 2013 die Mitgliedsländer aufgefordert, in Anlehnung an die „Strategischen
Leitlinien für die nachhaltige Entwicklung
der Aquakultur in der EU“ nationale Strategien zu entwickeln. Der auf Beschluss der
Agrarministerkonferenz erstellte Nationale
Strategieplan Aquakultur Deutschland enthält drei Kernziele:
❙❙ Erhaltung, Stabilisierung und Ausbau der
vorhandenen Aquakultur-Produktionskapazitäten
❙❙ Erhöhung der Erzeugung von Fischen und
anderen Aquakulturerzeugnissen in nachhaltiger Produktion (Wachstum)
❙❙ E rhaltung von Teichlandschaften und
Wiederinbetriebnahme brachliegender
Grafik: TU Berlin
Teiche als spezielle Form der Aquakultur
mit ihrer typischen extensiven Wirtschaftsweise und ihrer Doppelfunktion
für Fischwirtschaft und Gemeinwohl (Naturschutz, Landschaftsbild, Wasserhaushalt).
Die unverbindlichen quantitativen Wachstumsziele sollen mittelfristig im Zeitraum
2014 bis 2020 erreicht werden. Für Kreislaufanlagen wird als Entwicklungsziel formuliert, die Produktionsmenge auf 20.000 t
zu steigern (mehr als das zehnfache der Jahresproduktion 2011) und die Anzahl der Anlagen auf ca. 100 zu erhöhen (= Verdopplung
im Vergleich zum Jahr 2011). Im Detail wird
auch die Verbesserung der Produktionstechnologie in Teichwirtschaften, Durchflussanlagen und Kreislaufanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Vermeidung bzw.
Verwertung von Abwasser und Abfallstoffen als Ziel benannt /1/.
Diese Aussagen stehen im Widerspruch zu
den genehmigungsrechtlichen Problemen,
die sowohl Baugenehmigungen für technische Aquakulturanlagen im Außenbereich
als auch Einleitungsgenehmigungen betreffen. Baugenehmigungen werden gar nicht
oder erst nach langen Prüfungsverfahren erteilt. Aufgrund der starken regionalen Unterschiede in der Erteilung von Einleitungsgenehmigungen gibt es für Investoren keine
Planungssicherheit /4/.
Für Aquakulturanlagen sind grundsätzlich
die Bundesländer zuständig, eine bundesweite Koordination bei der Lösung branchenspezifischer Probleme wird dadurch erschwert /1/. Bundesweite Gesetze haben
ebenso wie europäische Richtlinien und
Verordnungen direkten Einfluss auf die
Branche.
Aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender Rechtsnormen und der fehlenden Bündelung von Zuständigkeiten können Genehmigungsverfahren in die Länge gezogen und
teuer werden.
Um Hindernisse aus dem Weg zu räumen,
wurde vom Land Schleswig-Holstein im Informationsblatt „Entwicklung und Förderung einer nachhaltigen Aquakultur in
Schleswig-Holstein (Binnenland) – Genehmigungsleitfaden für Investoren“ (2015)
eine Übersicht der ggf. erforderlichen Genehmigungen zusammengestellt. Neben der
baurechtlichen Genehmigung sind eine wasserrechtliche Erlaubnis sowie eine Genehmigung der Aquakulturanlage durch die
Wasserbehörde erforderlich. Weitere ggf.
genehmigungspflichtige betroffene Rechtsbereiche sind das Naturschutzrecht, das Fischereirecht sowie Veterinärrecht, lebensund Futtermittelrechtliche Anforderungen
und Tierschutzrecht. Ein zuständiger Ansprechpartner für die Antragstellung und
Beratung ist nicht vorgesehen, es wird
Tab. 1 Gesamtaufkommen an Fischen (t) aus der Binnenfischerei im Jahr 2013 /3/
Bundesland
Seen- und
Flussfischereia)
Baden–Württemberg
Bayern
Berlin
Brandenburg
Bremen
Hamburg
Hessen
Mecklenburg–Vorpommern
Niedersachsen
Nordrhein–Westfalen
Rheinland–Pfalz
Saarland
Sachsen
Sachsen–Anhalt
Schleswig–Holstein
Thüringen
Deutschland gesamt
366c
370c)
160
1.365*
–
–
6c)
582
97*
6
20c)
–
8
37
234
2
3.253
Warmwasserteicheb)
231
3.120
–
1.062
–
–
18
307
241
10
6
–
3.459
56
91
216
8.816
Kaltwasseranlagenb)
4.630
4.703
–
335
–
–
473
78
1.859
1.321
263
c)
251c)
362
31c)
776
15.143
Aquakultur
Warmwasseranlagena)
–
5
–
152
–
–
41c)
468
887
k. A.
–
–
420
c)
k.A.
k.A.
1.973
Netzgehegea)
–
k.A.
–
19*
–
–
–
k.A.
35*
–
–
–
15
28
20
k.A.
117
Angelfischereia)
Gesamt
2.000*
3.120c)
65*
660*
25c)
k.A.
k.A.
1.435
650*
650*
k.A.
k.A.
249
140
30c)
210*
7.799
7.227
11.318
225
3.593
25c)
k.A.
538
3.769
1.987
289
k.A.
4.402
623
406
1.204
37.101
*geschätzt; k.A. – keine Angaben; a)nach Angaben der obersten Fischreibehörden der Bundesländer; b)Summe aus Speisefischen gemäß Aquakulturstatistikerhebung sowie Satz– und Nebenfischen gemäß Angaben
der Fischereibehörden der Länder; c)bitte Fußnoten in Tabelle des entsprechenden Kapitels beachten
20
9/2015
Futter
N, P, organische
Substanzen
N, P, organische
Substanzen
Abwasser
Nitrifikation
Haltungsbecken
O2
CO2
Atmung
Feststoffabscheidung
Denitrifikation
NH4+
NH3
NO3
NO2
N2
NO3
Schlamm
N2
O2
Bypass
CO2
Keimreduktion
Desinfektion
Belüftung
Frischwasser
O2
Aufbereitung
CO2
CO2
O2
optional
Bild 3 Schematische Darstellung einer Kreislaufanlage /6/
hierzu u. a. auf das Kompetenznetzwerk
Aquakultur (KNAQ) verwiesen /6/.
Anlagentypen
Es werden folgende Anlagentypen für die
Produktion von Speisefischen im Binnenland unterschieden:
❙❙ Teichanlagen
❙❙ Netzgehegeanlagen
❙❙ Durchflussanlagen
❙❙ teilgeschlossene Anlagen
❙❙ geschlossene Kreislaufanlagen (inklusive
Sonderform Aquaponic).
Teichanlagen stellen die älteste Form der
Fischhaltung dar. Karpfenteiche sind typische Bestandteile unserer Kulturlandschaft,
zu finden insbesondere in Bayern, Sachsen
und Brandenburg. In der Regel werden die
Teiche im Frühjahr befüllt/bespannt, im
Jahresverlauf werden lediglich Verdunstungsverluste ausgeglichen. In der Stagnationsphase bis zur Abfischung im Herbst
kann sich der Wasserkörper erwärmen /4/.
Die bewirtschaftete Teichfläche beträgt laut
Aquakulturstatistikerhebung 2011 des statistischen Bundesamtes rund 24.000 ha.
Durchflussanlagen dienen vornehmlich der
Produktion von Forellen. Sowohl Teichanlagen als auch Durchflussanlage sind in den
natürlichen Wasserkreislauf eingebunden,
d.h. sie sind Gewässer bzw. Gewässerbe-
Grafik: TU Berlin
standteile. Die Fischzucht wird direkt von
den natürlichen Gegebenheiten beeinflusst.
Sie gehören zu den nicht abwasserabgabepflichtigen Formen der Fischproduktion.
Kreislaufanlagen hingegen sind technische
Anlagen, die unabhängig von einem Gewässer errichtet werden können. Teilgeschlossene Anlagen sind durch eine vergleichsweise hohe Wasseraustauschrate gekennzeichnet. Als geschlossene Kreislaufanlagen
(siehe Bild 3) hingegen werden Anlagen bezeichnet, die aufgrund einer hohen Rezirkulation des Produktionswassers mit einem geringen täglichen Wasseraustauschvolumen
betrieben werden. Abwasser und Schlamm
müssen täglich abgezogen werden, um die
Konzentrationen der Inhaltsstoffe im Haltungsbecken (Salz, Ammonium, Nitrat,
Phosphor, Keime, Trübung (suspendierte
Stoffe) usw.) auf einem verträglichen Niveau
für die Fischzucht einzustellen. /6/ nennt
weniger als 20 % Frischwassernachfüllung/
Tag als Grenze, in /1/ wird ein Wasseraustausch kleiner 10 % des Gesamtanlagenvolumens/Tag definiert. Aquaponic-Anlagen
stellen eine Sonderform dar. Durch Kombination der Fischzucht mit Pflanzenanbau
sollen Nährstoffkreisläufe geschlossen werden, es kann ein nahezu emissionsfreies
System entstehen/8/.
Randbedingungen für den Betrieb einer
Tab. 2 Belastungshöchstwerte im Ablaufwasser nach /6/
Parameter
g je kg Futter und Tag
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
Phosphor, gesamt (Pges)
Stickstoff, gesamt, als Summe von Ammonium-, Nitrit- und Nitratstickstoff (Nges)
100*
7*
40*
*Frachtermittlung aus einer 24-Stunden-Mischprobe und dem korrespondierenden Volumenstrom
wwt-online.de
SPECIAL INDUSTRIE + WASSER
21
SPECIAL INDUSTRIE + WASSER Tab. 3 Belastungshöchstwerte im Ablaufwasser (Jahresmittel) nach /8/
Phosphor (Pges)*
Stickstoff (GesN)*
Bestehende Süßwasserfischzuchten
Neue und rekonstruierte Süßwasserfischzuchten
Bestehende und neue marine Aquakulturen
*Werte je kg Fisch produziert (Lebendgewicht)
7g
6g
7g
50 g
50 g
50 g
Kreislaufanlage sind eine ausreichende
Frischwasserversorgung, meist über einen
leistungsfähigen Brunnen, sowie ein geeignetes Gewässer oder ein Anschluss an die
öffentliche Kanalisation zur Entsorgung
des Restwassers. Die Anlagen werden als
Warmwasseranlagen betrieben (bis zu 28
°C), für eine nachhaltige Produktion muss
daher eine externe Wärmeversorgung, z. B.
von einer Biogasanlage, vorhanden sein.
Aus der Kopplung der Energie- und Stoffströme ergeben sich Synergien, die über
das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
zu erhöhten Einspeisevergütungen führen
können /4/. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten ist ein Betrieb in wärmeisolierten
Gebäuden empfehlenswert. In der Folge ist
vergleichsweise wenig Heizwärme erforderlich. Das Konzept weist niedrige Emissionswerte auf.
des derzeit in Bearbeitung befindlichen
Merkblattes DWA M 777 „Grundsätze für
Bemessung, Bau und Betrieb von Speisefischproduktionsanlagen“ zu erwarten.
Belastungsberechnung nach LAWA
Das anfallende Ablaufwasser von Aquakulturanlagen ist belastet mit Futtermittelresten, Stoffwechselprodukten der Fische sowie ggf. Medikamenten und Desinfektionsmitteln. Es fehlen jedoch umfassende Messdaten, um für die Auslegungs- und
Genehmigungsphase detaillierte Ablaufqualitäten zu ermitteln. Im Ansatz von
/7/ wurde daher festgelegt, dass die Belastungshöchstwerte für Kreislaufanlagen im
Verhältnis zur durchschnittlichen Tagesfuttermenge in 7 Tagen zu ermitteln sind.
Die Betreiber werden verpflichtet, im Rahmen der Eigenüberwachung den Einsatz von
Futtermitteln in einem Betriebstagebuch zu
dokumentieren. Unterhalb einer Bagatellgrenze von weniger als 1 t jährlichen Futterverbrauch ist eine Überwachung und Behandlung des Ablaufwassers in der Regel
nicht erforderlich /7/. Maßnahmen zur Behandlung des Ablaufwassers sind zu ergreifen, wenn die Werte aus Tabelle 1 überschritten werden oder die Immissionsanforderungen des Einleitgewässers dies erforderlich machen.
In /1/ wird als möglicher Nachhaltigkeitsindikator die Nährstoffabgabe je Mengeneinheit erzeugten Fisches vorgeschlagen. Dieser Ansatz fand auch bei der Festlegung von
Grenzwerten (Tabelle 2) durch /9/ Anwendung. Dabei wurde angenommen, dass lebendige Fische 0,4 % Phosphor und 2,75 %
Stickstoff enthalten.
Weitere Empfehlungen sind mit Erscheinen
22
Beschreibung des
Forschungsvorhabens
Für die Reinigung von Prozessabwässern
aus der Speisefischproduktion bestehen derzeit noch kein Stand der Technik und keine
allgemeine wirtschaftliche Lösung für die
Entsorgung/Verwertung.
Der einfache Ansatz, das behandelte Fischabwasser als Beregnungswasser zu verwerten, ist nicht in jedem Landwirtschaftsbetrieb gegeben und kann nur während der Vegetationszeit sinnvoll sein.
Die Kreislaufanlagen verfügen über eine Sedimentation mit Schrägklärer zur Abscheidung der Feststoffe und eine biologische
Stufe (im Prozess integriert).
Durch die Behandlung des Ablaufwassers
aus der Kreislaufanlage in einem bewachsenen Bodenfilter ergibt sich die Möglichkeit,
mindestens einen Teil des ausgeschleusten
Prozesswassers wieder in den Kreislauf zurückzuführen und das restliche Fischabwasser gezielt zu behandeln, so dass eine geregelte Einleitung in die Oberflächengewässer
möglich wird. Hierdurch wird die Ressource
Wasser geschont, durch die Rückführung
Kosten reduziert und durch die Behandlung
des Abwassers das Genehmigungsverfahren
für Kreislaufanlagen vereinfacht.
Durch eine Integration einer Denitrifikation
in das energieeffiziente Pflanzenkläranlagensystem können die Wasserverluste des
Kreislaufs durch Erzeugung und Nutzung
von Brauchwasser weiter verringert werden.
Nicht genutztes Brauchwasser kann dann
durch die weitergehende Reinigung in der
Regel in nahe Gewässer abgeleitet werden
ohne diese zu schädigen.
Das Arbeitsprogramm umfasst die Analyse
der Prozesswasser- und Abwasserbeschaffenheit von bestehenden Anlagen, um die
Anforderungen für die Reinigung des Ablaufwassers zu ermitteln. Zunächst werden
5 Anlagen einem Screening unterzogen, bei
dem aus Stichproben erste Größenordnungen ermittelt werden. Anschließend sind gezielte Messungen im Wasserkreislauf der
Aquakultur durchzuführen (24h-Mischproben), um die Belastungsgrößen und Zielwerte für die Qualitätsanforderungen zu ermitteln. Die Beprobung wird ergänzt durch
Absetzversuche im Labor sowie die Bestimmung der O 2 -Zehrung und Nitrifikationssowie Denitrifikationsraten.
Im Anschluss sind die Bemessungsansätze
für den bepflanzten Bodenfilter zu entwickeln und die Verfahrenstechnik ist zu optimieren. In eine Wirtschaftlichkeitsanalyse
sollen auch Betrachtungen zum Energiebedarf einfließen. Mit diesem Projekt können
auch genehmigungsrechtliche Standards für
die Abwasseraufbereitung aus geschlossenen Aquakultursystemen abgeleitet werden,
um wassergenehmigungsrechtliche Unklarheiten zu beseitigen.
Danksagung
Das Projekt wird
mit Mitteln der
Deutschen Bundesstiftung Umwelt, DBU, gefördert.
/1/ Nationaler Strategieplan Aquakultur für
Deutschland, 2014
/2/ FAO: The State of World Fisheries and
Aquaculture 2014. Opportunities and challenges.
SOFIA. Rome, 2014
/3/ Fisch-Informationszentrum: FischwirtschaftDaten und Fakten, 2014
/4/ Brämick, U.: Jahresbericht zur Deutschen
Binnenfischerei und Binnenaquakultur 2013. Institut
für Binnenfischerei e.V. Potsdam-Sacrow, 2014
/5/ filetas Fischgut eG & Co. Vertriebs OHG, 2015
/6/ Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft,
Umwelt und ländliche Räume: Entwicklung und
Förderung einer nachhaltigen Aquakultur in
Schleswig-Holstein (Binnenland), 2015
/7/ LAWA: Hinweise zur Verringerung der Belastung
der Gewässer durch die Fischhaltung, 2003
/8/ Kloas, W.: Der Tomatenfisch.
Nachhaltige Aquakultur zur Sicherung der Ernährung
im 21. Jahrhundert. Berlin 18.12.2014
/9/ HELCOM: HELCOM RECOMMENDATION 25/4.
Measures aimed at the reduction of discharges from
fresh water and marine fish farming, 2004
Prof. Dr.-Ing. Matthias Barjenbruch
Dipl.-Ing. Stefan Rettig
Technische Universität Berlin
FG Siedlungswasserwirtschaft
E-Mail: [email protected]
Projektpartner:
Dr. Günther Scheibe, PAL Anlagenbau GmbH
Vivan Blank,
Joachim Krüger, Pflanzenkläranlagen GMB
Dipl.-Ing. Andrea Albold, OtterWasser GmbH
9/2015