Forschungsprojekt Algenrasenfilter - Institut für Umwelt und ...

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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 Dezember 2005, Umwelt Perspektiven, Postfach, 8127 Forch 63
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
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