Forschungsprojekt Algenrasenfilter - Institut für Umwelt und ...

Wasser/Abwasser: Nahrungsketten und ihre Dynamik
Forschungsprojekt
Algenrasenfilter
Die Fachstelle Ökotechnologie der Hochschule Wädenswil (HSW) arbeitet an einem
zweijährigen Forschungsprojekt. Im Vordergrund steht der Algenrasenfilter, ein Verfahren
zur Abwasserreinigung. Im Projekt wird das Potenzial dieser Algenrasenfilter
für eine biologische Elimination des Mikronährstoffes Phosphor getestet. Die Anlagen
sind systemneutral und können bei allen Gewässern eingesetzt werden, um aktiv
Phosphor zu entziehen. In einem Schwimmteich ergänzen sie die Abbauleistung des
Kiesfilters; dieser soll dadurch kleiner dimensioniert werden können.
Der Algenrasenfilter auf einem Garagendach.
VON ANDREAS GRABER UND
RANKA JUNGE
Ökologische Lebensgemeinschaften
bestehen aus Nahrungsketten,
die eine vertikale
Interaktion zwischen verschiedenen
Trophieebenen darstellen – «fressen»
und «gefressen werden». Somit besteht
eine Nahrungskette aus Produzenten
und Konsumenten. In einem
aquatischen Lebensraum sind die Produzenten
vereinfacht zusammengefasst
Phytoplankton (freischwebende
Algen) und Pflanzen, die Konsumenten
bestehen aus Zooplankton
(freischwimmende Wasserkrebschen),
anderen wirbellosen Tieren und Fischen.
Nahrungsketten können entweder
von den unteren (Bottom-up) oder
den oberen Trophieebenen (Topdown)
kontrolliert werden. Bei der
Bottom-up-Kontrolle spielen die
Nährstoffe die zentrale Rolle: Je mehr
Nährstoffe vorhanden sind, desto
mehr Phytoplankton wächst heran.
Dieses grössere Futterangebot wiederum
führt zu erhöhten Mengen von
Zooplankton und mehr Fischen, die
sich von diesem Zooplankton ernähren.
Umgekehrt beeinflussen bei
62 Dezember 2005, Umwelt Perspektiven, Postfach, 8127 Forch
Bilder: Andreas Graber
der Top-down-Kontrolle die Konsumenten
die Nahrungskette. Carnivore
Fische wie Hechte, Barsche und Forellen
reduzieren die Dichte von Zooplankton
fressenden Fischen wie Felchen
und Karpfenartigen. Dadurch
kann sich das Zooplankton stärker
vermehren, was in der Folge das
Phytoplankton dezimiert. Oft wird die
Nahrungskette in einem stehenden
Gewässer von beiden Mechanismen
abwechselnd kontrolliert. Diese Prozesse
können auf verschiedene Weisen
gesteuert werden, um in Teichen unerwünschtes
Phytoplankton oder Fadenalgen
zu bekämpfen.
Biomanipulation
der Primärproduzenten…
Da man die Eutrophierung tiefer
Seen durch die Manipulation der
Phosphorkonzentration kontrollieren
kann, wurde lange Zeit angenommen,
dass man flache Seen ebenso steuern
kann. Mehrere Studien (Moss 1998,
Jeppesen in press) zeigten jedoch, dass
dem nicht so ist. Es zeigte sich, dass in
Teichen, in denen die Pflanzenbiomasse
intakt ist,eine Zufuhr von Phosphor
weder eine Verdrängung von Pflanzen
noch einen Anstieg der Algenbiomasse
oder von gelöstem Phosphor bewirkte
(Moss 1998). Wurden vor der
Düngung die Pflanzen entfernt, hatte
der zugegebene Phosphor einen star-
Andreas Graber
Dipl. Natw. ETH, Wissenschaftlicher Mitarbeiter,
Fachabteilung Umwelt & Natürliche
Ressourcen, Hochschule Wädenswil.
Ranka Junge
Prof. Dr., Fachabteilung Umwelt & Natürliche
Ressourcen, Hochschule Wädenswil.

ken Effekt, Phytoplankton und gelöster
Phosphor stiegen mit der Nährstoffzufuhr
an.
...und der Konsumenten
Bei einer Biomanipulation im
Round Lake in Michigan USA wurde
der gesamte Fischbestand mit Rotenon
vernichtet. Die Zusammensetzung
der Algengemeinschaft veränderte
sich, nach einer anfänglichen
Abnahme der Algenbiomasse dominierten
im See Algenarten, die resistent
waren gegen Frass durch das
Zooplankton (Lampert & Sommer
1993). Diese frassresistenten Algen
führten zu einer erneuten Wassertrübung,
unter den verschlechterten
Lichtbedingungen kann sich auch der
Pflanzenbestand verändern und damit
die Fauna, die wiederum davon abhängig
ist. In den Niederlanden hingegen
führte ein Abfischen von Seen dazu,
dass Daphnien die Algenkonzentrationen
tief halten konnten, trotz hohem
Nährstoffangebot. Dies führte zu
einer höheren Sichttiefe, das Wasser
wurde also klarer, gefolgt von einem
Wachstum von grossen Wasserpflanzen
(Lampert & Sommer 1993).
Makroinvertebraten wie Schnecken
und Köcherfliegenlarven beeinflussen
die Pflanzen- und Algenzusammensetzung
in einem Gewässer
ebenfalls. Denn nicht nur Phytoplankton,
sondern auch Aufwuchsalgen
konkurrieren mit Pflanzen um CO2, Nährstoffe und Licht. In Gewässern
mit Schnecken und anderen aufwuchsfressenden
Wirbellosen ist die Biomasse
der Aufwuchsalgen gering. Im
Gegensatz dazu testete Brönmark
(1994) den Einfluss von Schleien,
einem typischen Larven fressenden
Teichfisch, auf ein Gewässer. Die
Schleien reduzierten erfolgreich die
Wirbellosen, gefolgt von einer Zunahme
an Aufwuchsalgen und einer Abnahme
des Pflanzenwachstums.
Offensichtlich gibt es keine generellen
Patentrezepte für vordefinierte
Fälle, prinzipielle Handlungsvorschläge
können dennoch abgeleitet werden.
Nährstoffe im Schwimmteich
Es ist bekannt, dass hauptsächlich
überhöhte Phosphorgehalte im Teichwasser
Voraussetzung sind für eine
Massenvermehrung von Algen. Schon
eine Phosphorkonzentration von 10 µg/l
reicht dazu aus. Bei einem typischen
Teichvolumen von 100 m3 ist das gerade
mal 1 g Phosphor im ganzen
Schwimmteich! Wesner (2004) hat beschrieben
was der Einzelne tun kann,
um diese kritische Phosphorkonzentration
zu unterschreiten.Ziel ist,möglichst
kein Phosphor in den Teich zu
bringen und gleichzeitig möglichst viel
aus dem Wasser herauszubekommen.
Wie das?
Offensichtlich sind Algen ja Meister
in dieser Kunst – seit Jahrtausenden
haben sie sich darauf spezialisiert,
kleinste Phosphormengen aus dem
Wasser aufzunehmen. Gewässerökologen
haben unsere natürlichen Grossseen
untersucht und festgestellt, dass
das Algenvorkommen einem klar vorgegebenen
Ablauf folgt. Dieser ist abhängig
von der Jahreszeit und wiederholt
sich Jahr für Jahr nach dem
gleichen Muster (Sommer et al. 1986).
Kurz gefasst treten zweimal jährlich
hohe Algendichten auf, das erste Mal
gefolgt von einer Massenvermehrung
von Algen fressendem Zooplankton,
das alles Futter wegputzt bis der See
eine Klarwasserphase erreicht. Bis in
den Spätsommer wird so sämtlicher
Phosphor aus dem Freiwasser in die
Tiefenzone versenkt, von wo er erst im
nächsten Winter durch die seeinterne
Wasserzirkulation wieder auftaucht.
In tiefen Seen hat die Natur also effiziente
Mechanismen entwickelt, die
Algen auszuhungern.
Die Algenproduktion in natürlichen
Flachseen ist praktisch nie
limitiert durch Phosphor, sondern
durch die verfügbare Lichtmenge.
Freischwebende Algen sind ein ideales
Futter für Wasserflöhe, die sich rasant
vermehren. Diese «Algensuppen»
sollten im Schwimmteich kein Problem
darstellen, notfalls kann von einem
benachbarten Gewässer Zooplankton
zugesetzt werden. Das ist
auch der Grund, warum ein Schwimmteich
keine Fische beherbergen sollte –
diese fressen unsere kleinen Helfer
sehr effizient und restlos weg. Wasserflöhe
sind übrigens für den Menschen
absolut harmlos, ihren Namen verdienten
sie sich einzig durch die ruckartige
Schwimmweise.
Im Sommer reicht die nächtliche
Abkühlung meist aus, um einen Teich
natürlich zu durchmischen. Abgestorbene
Biomasse wird am Teichgrund
zersetzt und gibt Phosphor wieder frei,
die Nährstoffe bleiben im Kreislauf.
Unter diesen Umständen können Fadenalgen
ganzjährig wachsen und zerfallen.
Die Nährstoffe müssen also
unnatürlich aus dem Teich entfernt
werden, d.h. durch Eingriff des Menschen.
Entfernung von Nährstoffen
Am einfachsten geschieht dies
durch Einsetzen von wüchsigen Pflanzen
und rigorosen Rückschnitt im
Herbst. Ein weiteres Argument für einen
gezielten Rückschnitt lieferten
Akeret und Stössel (1995): Sie untersuchten
die Wasserpflanzen von neun
Weihern in der Umgebung von Zürich
und fanden insgesamt 192 Arten. Im
Total von sieben Weihern stellten sie
eine hohe Biodiversität fest. Hingegen
wurden 65 Prozent der Arten nur in einem
Weiher, 20 Prozent nur in zwei
und bloss eine Art in allen Weihern gefunden.
Die Untersuchung zeigt, dass
jedes Kleingewässer ein eigenes Gepräge
besitzt und Weiher untereinander
nur bedingt vergleichbar sind. Danach
ist im Schwimmteich eine
Artenverarmung zu erwarten. Innert
wenigen Jahren würden sich einige dominante
Arten durchsetzen und konkurrenzschwache
verdrängen, wenn
nicht der Besitzer seine Lieblinge
pflegte.
Eine weitere Möglichkeit zur Entfernung
von Nährstoffen ist das Abfischen
von Fadenalgen und Teichlinsen,wo
immer man sie sieht und fassen
kann.Auf diesen Weg setzt das laufende
Forschungsprojekt.
Forschungsprojekt
Algenrasenfilter
Seit Sommer 2004 arbeitet die
Fachstelle Ökotechnologie der Hochschule
Wädenswil (HSW) zusammen
mit dem Schweizer Verband für naturnahe
Badegewässer und Pflanzenkläranlagen
(SVBP). Ziel ist, die
Schwimmteichtechnik durch innovative
Systemkomponenten zu verbessern.
Die HSW leitet ein zweijähriges
Forschungsprojekt, das vom SVBP, elf
Schweizer Schwimmteichbauern und
der Kommission für Technologie und
Innovation des Bundes (KTI) finanziert
wird.
Objekt der Forschung ist der Algenrasenfilter,
ein in den USA patentiertes
Verfahren zur Abwasserreinigung
(Adey 1982). Im Projekt wird
das Potenzial dieser Algenrasenfilter
(ARF) für eine biologische Elimination
des Mikronährstoffes Phosphor
getestet. Die Anlagen sind systemneutral
und können bei allen Gewässern
eingesetzt werden, um aktiv
Phosphor zu entziehen. Im Schwimmteich
ergänzen sie die Abbauleistung
des Kiesfilters; dieser soll dadurch
kleiner dimensioniert werden können.
Das soll einen höheren Nutzungsanteil
im Schwimmteich und letztlich tiefere
Bau- und Betriebskosten ermöglichen.
Durch verbessertes Systemverständnis
und Öffentlichkeitsarbeit
wird auch die Akzeptanz von
Schwimmteichen gestärkt.
System Algenrasenfilter (ARF)
Der Algenrasenfilter besteht aus
einem flachen Wasserbecken, das kontinuierlich
mit Schwimmteichwasser
versorgt wird. Darin werden Fadenalgen
durch optimale Lichtversorgung
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und Nährstoffzufuhr ideale Wachstumsbedingungen
geboten. Eine
Kippschale beim Wassereinlauf sorgt
für eine permanente Wellenbewegung,
was das Algenwachstum um Faktor
drei verbessert. Die Algen wachsen
und entziehen dem Wasser so lange
Phosphor, bis sie selbst phosphorlimitiert
sind.In diesem Zustand wird auch
das Algenwachstum im Schwimmteich
stark reduziert oder verhindert, und
jeder neue Phosphoreintrag während
der Badesaison wird im ARF gebunden.
Diese Biomanipulation setzt also
nach dem Bottom-up-Prinzip an.
Der ARF wurde modulartig entwickelt,
die Standardmasse sind 55 cm
Breite und 200 cm Länge, was 1 m 2 Algenfläche
ermöglicht. Die Filter können
an beliebiger Stelle positioniert
werden, ideal sind ungenutzte Flachdächer
mit starker Sonnenexposition.
Die Hochschule Wädenswil betreibt
im Gewächshaus eine Laboranlage
mit sechs unabhängigen Modulen. Seit
Mai 2005 läuft der Praxistest bei einem
privaten Schwimmteich mit fünf Modulen.Je
nach Algenwachstum werden
die Algen alle zwei bis drei Wochen
manuell geerntet und kompostiert,
wobei ein Modul rund 100 Liter Spülwasser
verbraucht.
Resultate der
Algenproduktion
In beiden Anlagen wurden bisher
Wachstumsraten von 3.2 g Algen-
Trockensubstanz pro m2 und Tag gemessen.
Bei einem Trockensubstanzgehalt
von durchschnittlich 8 Prozent
entspricht das 40 g feuchten Fadenal-
Algenernge aus fünf Algenrasenfiltern nach zwei Wochen Betrieb.
gen, die täglich in einem Modul heranwachsen.
Laut Literaturangaben für
ähnliche Systeme sind bis zu zehnmal
höhere Wachstumsleistungen möglich
(Craggs 1996 & 2001, Kebede 2003,
Mostert 1987, Schumacher 2002, Wilkie
2001). Diese Werte wurden jedoch
bei Algenproduktion in Agrarabwässern
erreicht, wo die Algen üppig mit
Nährstoffen versorgt wurden (rund 5 mg
P/l).Ein Versuch zur Phosphorelimination
im Tagesverlauf zeigte, dass Fadenalgen
auch im nährstoffarmen Wasser
der Schwimmteiche gediehen und
ihr Wachstum erst bei rund 5 µg P/l limitiert
wurde (Brunner 2005).
Sechs Wochen nach Inbetriebnahme
bot sich in der Praxisanlage ein gespenstisches
Bild. Sämtliche Algen
waren verschwunden, die Chromstahlwannen
blitzblank geputzt, kaum
mehr ein Algenfädchen sichtbar.
Dafür tummelten sich in den Becken
massenweise Eintagsfliegenlarven, die
emsig Algen abgrasten. Diese Reinigungstruppe
ist im Schwimmteich sehr
willkommen, reinigt sie doch sämtliche
Oberflächen und verhindert offensichtlich
hocheffizient das Wachstum
von Fadenalgen. Das Prinzip des
ARF hingegen basiert auf einem Algenwachstum,
in den Algenwannen
können diese Frassfeinde nicht toleriert
werden. Geeignete Massnahmen
zu ihrer Kontrolle werden nun geprüft.
Phosphorentzug
Die gemessene Elimination der
Labormodule lag im Februar bei rund
14 mgP/m2 /Tag. Berechnet man den
Phosphatentzug der Algen (Algenproduktion
mal Phosporgehalt), wird
64 Dezember 2005, Umwelt Perspektiven, Postfach, 8127 Forch
deutlich, dass die Fixierung in der Algenbiomasse
rund 20 bis 70 Prozent
dieses Totalentzugs ausmacht.Ein weiterer
Eliminationsweg ist die chemische
Fällung, bei pH-Werten über 9
wird Calciumphosphat ausgefällt. Im
Juli stieg der Phosphorentzug auf 60
bis 250 mgP/m2 /Tag an, die stärkere
Sonneneinstrahlung hatte einen messbaren
Einfluss auf das Algenwachstum.
Verglichen mit Literaturwerten
steht diese Entzugsleistung noch in
den hinteren Rängen (Craggs 1996 &
2001, Jarvie 2002, Kebede 2003, Schumacher
2002,Wilkie 2002).Warum waren
die Module bis zu Faktor neun
langsamer im P-Entzug? Mögliche
Gründe sind das Faktor 10 langsamere
Algenwachstum, die Faktor 500 tiefere
Phosphorkonzentration im Produktionswasser
und vermutlich Lichtlimitierung
(Mitteleuropa verglichen mit
Kalifornien). Möglich wäre auch, dass
in den Systemen nicht die idealen
Algenarten wuchsen. Diese sind aber
durch die Algengemeinschaft im
Schwimmteich vorgegeben und nicht
kontrollierbar.
Mobile Messtechnik
Zur Kontrolle der Auswirkungen
der ARF und zur schnelleren Problemfindung
bei Teichsanierungen
wurde ein mobiles Messsystem konzipiert,
das seit März 2005 erfolgreich
im Einsatz ist. Damit erhält der
Schwimmteichbauer ein Instrument,
das ihm eine permanente Überwachung
der Schwimmteiche ermöglicht.
Die Messdaten werden per Mobilfunknetz
auf das Internetportal
www.m2m-control.com übermittelt.
Der Teichbauer überwacht die Teiche
am PC und spart so Kontrollgänge.Die
HSW setzt das System auch in Fischzuchtbetrieben
ein,wo Sauerstoff- und
Temperaturwerte gemessen und alarmiert
werden.
Einfluss der Algenrasenfilter
auf den pH-Wert
In der Praxisanlage in Grünen BE
fliesst das Schwimmteichwasser durch
einen vertikalen Kiesfilter, bevor es in
die ARF-Module gepumpt wird. Erstaunlicherweise
war die pH-Amplitude
im Schwimmteich dreimal grösser
als die des Algenrasenfilters und mit
2 pH-Einheiten sehr ausgeprägt. Die
Pufferfunktion im ARF-Ablauf ist
vermutlich dem vorgeschalteten Kiesfilter
zuzuschreiben. Die kurze Verweilzeit
von rund fünf Minuten ist ein
weiterer Grund, dass in den ARF der
pH nicht weiter anstieg. In der Laboranlage
an der HSW wurden im ARF-
Ablauf pH-Werte bis 10.5 erreicht, bei

Einfluss der Algenrasenfilter auf den pH-Wert
Die Abbildung zeigt die Tagesgänge pH im Schwimmteich und Ablauf der ARF-Module.
pH 11 lösen sich die Algen von den
Trägermatten und koagulieren zu
schleimigen Ballen.
Der Einfluss von Algenernten ist
deutlich sichtbar: Geerntet wurden am
6. Juni im ARF 2.4 kg Feuchtgewicht,
am 20. Juni 2.2 kg im ARF und zusätzlich
im Schwimmteich 2.5 kg Feuchtgewicht.
Dadurch verkleinerte sich die
pH-Amplitude im ARF-Ablauf, aber
auch im Schwimmteich. Die pH-
Tagesamplitude wurde massgeblich
durch die Algenbiomasse bestimmt.
Ein weiterer Trend: Mit zunehmender
Algenbiomasse stieg der pH im
Schwimmteich.
Taugt der Algenrasenfilter
zum Solarmodul?
Ein erwünschter Zusatznutzen der
ARF-Module wäre ein Wärmeeintrag
und dadurch eine Verlängerung der
Temperaturgänge im Schwimmteich.
Badesaison. Der Datenauszug vom Juni
zeigt die verschiedenen Auswirkungen:
Vom 4. bis 11. Juni kühlte sich der
Teich ab, die Temperatur im ARF lag
rund 1° C tiefer, er beschleunigte somit
die Abkühlung. Ab dem 16. Juni
heizte die Sonne den Schwimmteich
auf, die Temperatur im ARF lag rund
2 °C höher als im Teich, er wurde effektiv
zum Sonnenkollektor. Ab dem
21. Juni wurde tagsüber ein Wärmeeintrag,
nachts eine Abkühlung gemessen.
Der Wärmegewinn aus dem
ARF kann also optimiert werden,
wenn er nur tagsüber betrieben wird.
Fazit
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Festbettfiltern erlaubt der ARF eine
biologische Wasserreinigung ohne
Schädigung von Zooplankton. Der Filter
entfernt Phosphor aus dem Zielgewässer
und vermindert damit ein un-
erwünschtes Algenwachstum. Der
ARF setzt das Sonnenlicht zur Keimreduktion
ein, um die hygienische
Wasserqualität zu verbessern. Durch
gezielte Wasserumwälzung kann die
Temperatur im Teich gesteuert werden.
Mit dem ARF können auch bestehende
Schwimmteiche mit einer
Überbelastung an Phosphor oder
ungenügender mikrobiologischer
Wasserqualität einfach und gezielt
nachgerüstet werden. Und zwar gleichermassen
private wie öffentliche
Anlagen, unabhängig vom Teichsystem.
Im Sommer 2006 werden weitere
Praxisanlagen getestet.
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