Wasserbelüftung

Die Wasserbelüftung ist der Prozess der Erhöhung oder Aufrechterhaltung der Sauerstoffsättigung von Wasser in natürlichen und künstlichen Umgebungen. Belüftungstechniken werden häufig bei der Bewirtschaftung von Teichen, Seen und Stauseen eingesetzt, um niedrige Sauerstoffwerte oder Algenblüten zu bekämpfen. ^{[ 1 ]}

Die Belüftung von Gewässern ist häufig erforderlich, wenn diese unter hypoxischen oder anoxischen Bedingungen leiden, die oft durch menschliche Aktivitäten flussaufwärts verursacht werden, wie z. B. Abwassereinleitungen, landwirtschaftliche Abflüsse oder Überfütterung von Angelgewässern. Die Belüftung kann durch Einleiten von Luft in den Grund des Sees , der Lagune oder des Teichs oder durch Oberflächenbewegung mittels einer Fontäne oder eines Sprühgeräts erreicht werden, um den Sauerstoffaustausch an der Oberfläche und die Freisetzung von Gasen wie Kohlendioxid , Methan oder Schwefelwasserstoff zu ermöglichen . ^{[ 2 ]}

Ein niedriger Gehalt an gelöstem Sauerstoff trägt maßgeblich zur schlechten Wasserqualität bei. Nicht nur Fische und die meisten anderen Wassertiere benötigen Sauerstoff, auch aerobe Bakterien helfen beim Abbau organischer Stoffe. Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen können sauerstoffarme Bedingungen entstehen, die die Lebensfähigkeit des Gewässers beeinträchtigen.

Jedes Verfahren, bei dem Wasser Sauerstoff zugeführt wird, kann als Wasserbelüftung betrachtet werden. Es gibt viele Möglichkeiten der Wasserbelüftung ^{[ 3 ]} , die sich jedoch in zwei Hauptbereiche unterteilen lassen: Oberflächenbelüftung und Untergrundbelüftung . Für beide Ansätze stehen verschiedene Techniken und Technologien zur Verfügung.

Die natürliche Belüftung ist eine Form der Oberflächen- und Untergrundbelüftung. Sie kann durch Unterwasserpflanzen erfolgen. Durch den natürlichen Prozess der Photosynthese geben Wasserpflanzen Sauerstoff ins Wasser ab und versorgen es so mit dem für das Leben der Fische notwendigen Sauerstoff und ermöglichen es aeroben Bakterien, überschüssige Nährstoffe abzubauen. ^{[ 4 ]}

Sauerstoff kann ins Wasser gelangen, wenn der Wind die Oberfläche des Gewässers bewegt, und eine natürliche Belüftung kann auch durch eine Wasserbewegung erfolgen, die durch einen einströmenden Bach , einen Wasserfall oder sogar eine starke Überschwemmung verursacht wird .

In großen Gewässern gemäßigter Klimazonen kann die Herbstzirkulation sauerstoffreiches Wasser in das sauerstoffarme Hypolimnion einbringen .

Der langsam laufende Oberflächenbelüfter ist ein Gerät zur hocheffizienten biologischen Belüftung. Diese Geräte bestehen häufig aus Stahl mit Epoxidbeschichtung und erzeugen ein hohes Drehmoment. Die Durchmischung des Wasservolumens ist ausgezeichnet. Die übliche Leistung liegt zwischen 1 und 250 kW pro Einheit bei einem Wirkungsgrad (SOE) von ca. 2 kg O₂/kW. Langsam laufende Belüfter werden hauptsächlich zur biologischen Belüftung von Anlagen zur Wasseraufbereitung eingesetzt. Je größer der Durchmesser, desto höher der Wirkungsgrad und die Durchmischung.

Ein Springbrunnen besteht aus einer Vorrichtung, die Wasser nach oben in die Luft sprüht. Typischerweise geschieht dies mithilfe eines Motors, der ein rotierendes Flügelrad antreibt . Das Flügelrad pumpt Wasser aus den obersten Metern des Beckens und schleudert es in die Luft. ^{[ 5 ]} Bei diesem Vorgang wird der Sauerstoffaustausch durch den Kontakt zwischen Luft und Wasser genutzt. Beim Aufsteigen in die Luft zerfällt das Wasser in kleine Tröpfchen. Diese kleinen Tröpfchen bieten zusammen eine große Oberfläche, über die Sauerstoff übertragen werden kann. Beim Zurückströmen vermischen sich diese Tröpfchen mit dem restlichen Wasser und geben so ihren Sauerstoff wieder an das Ökosystem ab.

Springbrunnen sind aufgrund ihrer ästhetischen Wirkung eine beliebte Methode zur Oberflächenbelüftung. Die meisten Springbrunnen sind jedoch nicht in der Lage, eine große Fläche mit sauerstoffreichem Wasser zu versorgen. ^{[ 5 ]} Zudem kann die Stromversorgung des Springbrunnens ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Schwimmende Oberflächenbelüfter funktionieren ähnlich wie Springbrunnen, bieten aber nicht deren ästhetische Wirkung. Sie entnehmen Wasser aus den obersten 30–60 cm des Gewässers und nutzen den Luft-Wasser-Kontakt zur Sauerstoffanreicherung. Anstatt das Wasser in die Luft zu schleudern, verwirbeln sie die Wasseroberfläche. Schwimmende Oberflächenbelüfter werden mit Landstrom betrieben. ^{[ 5 ]} Ihre Wirksamkeit ist begrenzt, da sie die Zirkulation und Sauerstoffanreicherung nur in einem Radius von etwa 3 Metern erreichen können. Diese Zirkulation und Sauerstoffanreicherung beschränkt sich somit auf den oberen Teil der Wassersäule, während die unteren Bereiche oft unbeeinflusst bleiben. Langsamlaufende Oberflächenbelüfter können auch auf Schwimmkörpern installiert werden.

Schaufelradbelüfter nutzen den Luft-Wasser-Kontakt, um Sauerstoff aus der Atmosphäre in das Gewässer zu übertragen. Sie werden am häufigsten in der Aquakultur (Zucht von Wassertieren oder Anbau von Wasserpflanzen für die Lebensmittelproduktion) eingesetzt. Diese Belüfter bestehen aus einer Nabe mit daran befestigten Schaufeln und werden üblicherweise über die Zapfwelle eines Traktors, einen Benzinmotor oder einen Elektromotor angetrieben . Sie sind meist auf Schwimmern montiert . Der elektrische Antrieb versetzt die Schaufeln in Rotation, wodurch das Wasser durchmischt und Sauerstoff durch den Luft-Wasser-Kontakt übertragen wird. ^{[ 5 ]} Jeder neu durchmischte Wasserabschnitt nimmt Sauerstoff aus der Luft auf und gibt ihn beim Zurückfließen wieder an das Wasser ab. Insofern funktioniert die Schaufelradbelüftung ähnlich wie schwimmende Oberflächenbelüfter.

Bei der Unterwasserbelüftung werden Blasen am Gewässergrund freigesetzt, die aufgrund ihres Auftriebs aufsteigen. Diffusionsbelüftungssysteme nutzen Blasen sowohl zur Belüftung als auch zur Durchmischung des Wassers. Die Wasserverdrängung durch den Blasenausstoß bewirkt eine Durchmischung, und der Kontakt zwischen Wasser und Blase führt zu einem Sauerstoffaustausch. ^{[ 6 ]}

Die Untergrundbelüftung kann durch den Einsatz von Strahlbelüftern erfolgen , die nach dem Venturi -Prinzip Luft ansaugen und diese in die Flüssigkeit einblasen.

Die Grobblasenbelüftung ist eine Form der Unterwasserbelüftung, bei der Luft von einem landseitigen Kompressor ^{[ 7 ]} über einen Schlauch zu einer am Gewässergrund platzierten Einheit gepumpt wird. Diese Einheit stößt grobe Blasen (mit einem Durchmesser von mehr als 2 mm) ^{[ 8 ]} aus , die beim Kontakt mit dem Wasser Sauerstoff freisetzen und so zur Durchmischung der Wasserschichten beitragen. Durch das Ausstoßen der großen Blasen entsteht eine turbulente Wasserverdrängung, die ebenfalls zur Durchmischung des Wassers beiträgt. ^{[ 6 ]} Im Vergleich zu anderen Belüftungstechniken ist die Grobblasenbelüftung hinsichtlich des Sauerstofftransports sehr ineffizient. Dies liegt am großen Durchmesser und der relativ geringen Gesamtoberfläche der Blasen. ^{[ 6 ]}

Die Belüftung mit Feinblasen ist eine effiziente Methode, um einem Gewässer Sauerstoff zuzuführen. ^{[ 9 ]} Ein Kompressor an Land pumpt Luft durch einen Schlauch, der mit einer Unterwasser-Belüftungseinheit verbunden ist. An der Einheit sind mehrere Diffusoren angebracht. Diese Diffusoren sind als Scheiben, Platten, Rohre oder Schläuche erhältlich und bestehen aus glasgebundenem Quarzglas, porösem Keramikkunststoff , PVC oder perforierten Membranen aus EPDM-Kautschuk (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) . ^{[ 5 ]} Die durch die Diffusormembranen gepumpte Luft wird ins Wasser abgegeben. Diese Bläschen werden als Feinblasen bezeichnet . Die EPA definiert eine Feinblase als alles mit einem Durchmesser von weniger als 2 mm. ^{[ 8 ]} Diese Art der Belüftung weist eine sehr hohe Sauerstoffübertragungseffizienz (OTE) auf, die bis zu 15 Pfund Sauerstoff pro (PS * Stunde) (9,1 Kilogramm Sauerstoff pro (Kilowatt * Stunde)) betragen kann. ^{[ 5 ]} Im Durchschnitt werden bei der Belüftung mit diffuser Luft etwa 2–4 ​​cfm (Kubikfuß Luft pro Minute) (56,6–113,3 Liter Luft pro Minute) diffundiert, einige arbeiten jedoch mit Werten von nur 1 cfm (28,3 l/min) oder bis zu 10 cfm (283 l/min).

Die Belüftung mit feinen Blasen maximiert die Oberfläche der Blasen und ermöglicht so die Übertragung von mehr Sauerstoff ins Wasser pro Blasenvolumen. Da kleinere Blasen länger brauchen, um die Oberfläche zu erreichen, wird nicht nur die Oberfläche maximiert, sondern auch die Verweildauer jeder Blase im Wasser, wodurch sie mehr Zeit für die Sauerstoffübertragung hat. Generell gilt: Kleinere Blasen und ein tieferer Austrittspunkt führen zu einer höheren Sauerstoffübertragungsrate. ^{[ 10 ]}

Ein Nachteil der Feinblasenbelüftung besteht darin, dass die Membranen von Keramikdiffusoren mitunter verstopfen und gereinigt werden müssen, um ihre optimale Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Außerdem ist die Durchmischung der Wassersäule mit Feinblasenbelüftung nicht so effektiv wie mit anderen Belüftungstechniken, beispielsweise der Grobblasenbelüftung. ^{[ 5 ]}

Umwälzpumpen werden häufig eingesetzt, um Teiche oder Seen durchzumischen und so die thermische Schichtung zu verringern . Sobald das umgewälzte Wasser die Oberfläche erreicht, erleichtert die Grenzfläche zwischen Luft und Wasser den Sauerstoffaustausch mit dem Seewasser.

Naturschutz- und Umweltmanager stehen seit Langem vor der Herausforderung, Probleme zu bewältigen, die durch die thermische Schichtung von Seen verursacht werden. ^{[ 2 ] [ 11 ]} Fischsterben wird direkt mit Temperaturgradienten, Stagnation und Eisbedeckung in Verbindung gebracht. ^{[ 12 ]} Übermäßiges Planktonwachstum kann die Freizeitnutzung von Seen und die kommerzielle Nutzung von Seewasser einschränken. ^{[ 13 ]} Bei starker thermischer Schichtung in einem See kann auch die Trinkwasserqualität beeinträchtigt werden. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Für Fischereimanager ist die räumliche Verteilung der Fische in einem See oft negativ von der thermischen Schichtung betroffen, und in manchen Fällen kann dies indirekt zu einem massiven Sterben von für die Freizeitfischerei wichtigen Fischen führen. ^{[ 12 ]}

Ein häufig angewandtes Mittel zur Verringerung der Schwere dieser Probleme im Seemanagement ist die Beseitigung oder Abschwächung der thermischen Schichtung durch Belüftung. ^{[ 2 ]} Viele Arten von Belüftungsanlagen wurden eingesetzt, um die thermische Schichtung zu reduzieren oder zu beseitigen. Die Belüftung war teilweise erfolgreich, erwies sich jedoch selten als Allheilmittel. ^{[ 11 ]}

Bei Starkregen treten die Abwasserkanäle Londons über und gelangen in die Themse. Dadurch sinkt der Sauerstoffgehalt im Wasser drastisch, was die dort lebenden Arten bedroht. ^{[ 16 ]} Zwei eigens dafür errichtete Schiffe von McTay Marine , die Sauerstoffanreicherungsschiffe „Thames Bubbler“ und „Thames Vitality“ , werden eingesetzt, um den Sauerstoffgehalt wieder aufzufüllen. Dies ist Teil der fortlaufenden Bemühungen, den Fluss zu sanieren, der mittlerweile 115 Fischarten und Hunderte weiterer Wirbelloser, Pflanzen und Vögel beherbergt. ^{[ 16 ]}

Die Sauerstoffkonzentration in der Cardiff Bay in Wales wird bei mindestens 5 mg/l gehalten. Druckluft wird von fünf Standorten rund um die Bucht durch ein System aus stahlverstärkten Gummileitungen gepumpt, die auf dem Grund der Bucht sowie der Flüsse Taff und Ely verlegt sind. Diese sind mit etwa 800 Diffusoren verbunden. Reicht dies zeitweise nicht aus, setzt die Hafenbehörde ein mobiles Sauerstoffanreicherungsschiff der Firma McTay Marine ein, das mit flüssigem Sauerstoff in einem Tank ausgestattet ist. Der flüssige Sauerstoff wird durch einen elektrisch beheizten Verdampfer geleitet und anschließend in einen Wasserstrom eingespritzt, der aus der Bucht gepumpt und wieder zurückgeführt wird. Das Schiff kann bis zu 5 Tonnen Sauerstoff innerhalb von 24 Stunden anreichern. ^{[ 17 ]}

Ähnliche Optionen wurden vorgeschlagen, um die Chesapeake Bay in den USA zu sanieren. Dort besteht das Hauptproblem im Mangel an filtrierenden Organismen wie Austern , die für die Wasserreinigung verantwortlich sind. Einst gab es in der Bucht mehrere zehn Milliarden Austern, die innerhalb weniger Tage das gesamte Wasservolumen durchkämmten. Aufgrund von Verschmutzung, Krankheiten und Überfischung ist ihr Bestand heute auf einen Bruchteil des historischen Niveaus geschrumpft. Wasser, das einst meterweit klar war, ist heute so trüb und sedimentreich, dass man im Wasser die Füße nicht mehr sieht, bevor die Knie nass sind. Sauerstoff wird normalerweise durch Photosynthese von Unterwasserpflanzen produziert . Verschmutzung und Sedimente haben jedoch die Pflanzenbestände reduziert, was zu einem Rückgang des gelösten Sauerstoffs geführt hat. Dadurch sind Teile der Bucht für aerobe Wasserlebewesen ungeeignet geworden. In einer symbiotischen Beziehung liefern die Pflanzen den Sauerstoff, den Unterwasserorganismen zum Überleben benötigen, und im Gegenzug halten die Filtrierer das Wasser sauber und klar genug, damit die Pflanzen ausreichend Sonnenlicht erhalten. Forscher haben die künstliche Sauerstoffanreicherung als Lösung zur Verbesserung der Wasserqualität vorgeschlagen. Die Belüftung sauerstoffarmer Gewässer erscheint vielversprechend und wurde bereits mehrfach erfolgreich an Süßwasserteichen und kleinen Seen erprobt. Bislang wurde jedoch noch kein Belüftungsprojekt in der Größe einer Flussmündung durchgeführt . ^{[ 18 ]}

Ein 353 Hektar großer Teil der Bucht, der mit dem Rock Creek verbunden ist , wird seit 2016 mithilfe von Rohren belüftet. Das System begann als Großblasensystem, das hauptsächlich zur Entschichtung des Wassers diente und eine 74 Hektar große sauerstoffreiche Zone schuf. Es wurde 2019 auf Feinblaseninjektoren umgerüstet, um mehr Sauerstoff direkt zuzuführen. ^{[ 19 ]}

Viele Wasseraufbereitungsverfahren nutzen verschiedene Belüftungsformen, um biologische Oxidationsprozesse zu unterstützen. Ein typisches Beispiel ist das Belebtschlammverfahren , bei dem Fein- oder Grobblasenbelüftung oder mechanische Belüftungskegel zum Einsatz kommen. Diese saugen das Belebtschlammwasser vom Boden eines Behandlungsbeckens an und leiten es durch die Luft, wo es mit Sauerstoff angereichert wird.

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