Phosphorrecycling in Fischzuchtanlagen (Phosphorrecycling mittels Phosphorfällung in Fischzucht-Kreislaufanlagen)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 710.30.22

Schlüsselwörter (Deutsch)

Phosphor, Fischfutter, Phosphoremissionen, Eutrophierung, Durchflussanlagen, Kreislaufanlagen, Fischzucht.

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Phosphor ist ein essenzieller Bestandteil von Fischfutter. Durch den Metabolismus der Fische wird jedoch nur ein Teil des Phosphors von den Fischen assimiliert, ein Teil wird wieder ausgeschieden und ein weiterer bleibt als Futterreste übrig. Wird Phosphor ins Gewässer eingetragen, führen bereits kleinste Mengen zu starkem Pflanzen- und Algenwachstum (Eutrophierung), welche wiederum einen Rückgang der Artenvielfalt und Einschränkungen in der Nutzung der Lebensräume verursachen. Phosphoremissionen in Gewässer sollten deshalb so klein wie möglich gehalten werden. Für die industrielle Fischzucht kommen in der Schweiz entweder Durchflussanlagen oder Kreislaufanlagen zum Einsatz. Bei Durchflussanlagen findet die Phosphorelimination nur über die Feststoffabscheidung statt, weil eine Fällung der gelösten Phosphorverbindungen aufgrund der tiefen Konzentrationen schwierig ist. Hingegen resultieren bei Kreislaufanlagen aufgrund des reduzierten Wasseraustausches höhere Konzentrationen und eine Fällung mittels Chemikalien (Aluminium-. oder Eisensalzen) im Abwasser der Anlage wird möglich. Darüber hinaus müssen den Kreislaufanlagen Basen hinzugefügt werden, um den sinkenden pH-Wert zu korrigieren, der durch die Nitrifikation des Biofilters hervorgerufen wird.

Die ZHAW in Wädenswil hat ein neues Verfahren entwickelt, um die beiden Prozesse (Phosphorfällung und Basenzugabe) optimal zu kombinieren. Dabei wird das Kreislaufwasser in einen internen Phosphorfällreaktor (IPR) geleitet. Dort wird mittels Fällmittel (Calciumhydroxid) Phosphat in Form von Hydroxylapatit und diversen anderen Phosphor-Calcium-Verbindungen ausgefällt und danach mit einer Sedimentations- und/oder Filtrationsstufe abgetrennt. Das stark basische Wasser wird dann kontinuierlich in die Anlage zurückdosiert, um den pH des Anlagenwassers anzuheben. So kann der pH-Wert kostengünstig kontrolliert werden. Dieses Verfahren soll an der Fischzucht-Kreislaufanlage der ZHAW Wädenswil mit Regenbogenforellen getestet werden. Dafür sollen für den IPR die Betriebsparameter erhoben und eine Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellt werden.  

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 21.10.2022 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Die Systemmodellierung ist abgeschlossen und die Dimensionen, der Aufbau und die Implementation des IPR ist definiert und dessen grundsätzliche operationellen Parameter sind bestimmt.
   
   
2. Der IPR ist in die Fischzucht-Kreislaufanlage der ZHAW Wädenswil mit Regenbogenforellen implementiert und funktioniert.
   
   
3. Der IPR wird während einer zweckmässigen Testdauer betrieben und folgende Parameter werden ermittelt: Futterzugabe, pH im Anlagenwasser (bestimmt den Durchfluss durch den IPR), Menge an Phosphat und partikulärer Phosphor im Inflow und Outflow des IPRs sowie im Effluent (Schlamm) der Anlage.
   
   
4. Die Leistungsfähigkeit des IPR (Menge an Phosphat, das entfernt werden kann pro Zeiteinheit und Konzentration des Phosphats im Anlagenwasser, Energiebedarf, Wartungsaufwand, Materialverschleiss) und die Auswirkungen auf den Anlagenbetrieb sind quantifiziert. Die Wirtschaftlichkeit des IPR ist quantifiziert und die ökonomischen und ökologischen Aspekte des IPR sind mit dem Stand der Technik (Ausfällung im Abwasser der Fischzucht mit Aluminium- oder Eisensalzen und Basenzugabe im Kreislauf einer Kreislaufanlage) verglichen.
   
   
5. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 4 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
   
   
6. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. Beilage 2) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
7. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

An der Fischzucht-Kreislaufanlage der ZHAW Wädenswil mit Regenbogenforellen soll der von der ZHAW entwickelte, interne Phosphorfällreaktor IPR getestet werden. Mittels IPR können die Phosphoremissionen der Kreislaufanlage reduziert, das Phosphor zurückgewonnen und der pH der Kreislaufanlage kostengünstig kontrolliert werden. Die Betriebsparameter werden erhoben und eine Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellt.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

An der ZHAW wurde ein Verfahren zur Phosphoreliminierung in Fischzuchten entwickelt, das Phosphatfällung mit pH-Kontrolle kombiniert. Phosphat wird in einem internen Reaktor (IPR) mit Calciumhydroxid ausgefällt, das entstehende Präzipitat durch Filtration entfernt und das «basische» Wasser zur pH-Kontrolle wiederverwendet. Ziel ist die Reduktion von Phosphoremissionen und die kostengünstige pH-Regulierung. Der IPR wurde für eine Fischzuchtanlage mit 48 m³ Volumen dimensioniert und erfolgreich betrieben. Dabei konnte unter Versuchsbedingungen eine Phosphat-Ausfälleffizienz von nahezu 100 % und eine Reduktion der Gesamtphosphorkonzentration im Überlaufwasser des Systems um 70 % erreicht werden.

Die analytisch und rechnerisch ermittelte Menge des entfernten Phosphors betrug 423 g oder 4.48 g/kg Fischfutter (= 53% Gesamtreduktion) während des Versuches. Der Energiebedarf betrug 30.6 kWh/Tag und der Wartungsaufwand etwa 4.5 Stunden pro Woche. Eine zukünftige Optimierung könnte durch Automatisierung und Trennung von pH-Kontrolle und Phosphorfällung erfolgen. Das IPR-Verfahren zeigt gegenüber herkömmlicher pH Kontrolle mit NaHCO3 finanzielle Vorteile. Betriebskosten für die pH Dosierung können von CHF 0.17/kg Futter auf 0.08 CHF/kg Futter gesenkt werden, und gleichzeitig die Menge an Phosphor im Schlamm reduziert werden. Der separat gewonnene Phosphor kann zukünftig gezielter in den Phosphor-Kreislauf zurückgeführt werden.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die im Projekt gewonnenen Resultate können in Fischzuchtanlagen angewendet werden, um Phosphoremissionen effektiv zu reduzieren und gleichzeitig die pH-Kontrolle zu optimieren und Betriebsaufwand einzusparen. Mittelfristig trägt die Technologie dazu bei, die Umweltbelastung durch Phosphoremissionen von Fischzuchtkreislaufanlagen zu verringern und einen reduzierten Wasseraustausch zu ermöglich. Langfristig könnte sie zu einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Fischzucht beitragen, das Einleiten von Abwasser unter verschärften Einleitbedingungen ermöglichen (mit reduzierten Betriebskosten) und eine Möglichkeit zum Recycling von Phosphor darstellen.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Der nächste Schritt besteht darin, die Technologie unter kommerziellen Bedingungen im grossen Massstab zu testen, um ihre Praxistauglichkeit in industriellen Fischzuchtanlagen zu überprüfen. Dabei müssen verbleibende verfahrenstechnische Herausforderungen, wie die Optimierung der Automatisierung und die Effizienz der Phosphorfällung, gelöst werden. Das Ziel ist es, ein marktreifes Produkt zu entwickeln, das modular in verschiedene Kreislaufanlagen integriert werden kann. In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner soll dieses System schliesslich zur Marktreife gebracht und kommerziell angeboten werden, um eine breite Anwendung in der Aquakultur zu ermöglichen.