Wie wählt man das richtige UV-System für das Zulaufwasser in Kreislauf-Aquakultursystemen (RAS) aus?

11 November 2021

Die Aquakultur ist laut dem Bericht der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) der am schnellsten wachsende Sektor der Lebensmittelproduktion weltweit. Der FAO-Bericht prognostiziert, dass bis 2030 die Welt 20 Prozent mehr Fisch essen wird als 2016. Bis dahin wird erwartet, dass die Aquakulturproduktion 109 Millionen Tonnen erreichen wird, was einem Wachstum von 37 Prozent im Vergleich zu 2016 entspricht.

Dies wird zu einer Zunahme der landbasierten Aquakultur führen, einschließlich der Aufzucht in Kreislaufanlagen (RAS). RAS werden in der Zukunft der Aquakultur eine noch wichtigere Rolle spielen, da sie:

• die Gefahr minimieren, dass gezüchtete Fische entkommen,
• die Kontrolle von Krankheiten und Parasiten verbessern,
• eine bessere Kontrolle der Wasserqualität (Temperatur, Sauerstoffgehalt, Nährstoffe und Gehalt an Schwebstoffen) ermöglichen,
• die Kontrolle der Nährstoffabgabe in die Umwelt verbessern.

Fische, die in kontrollierten Umgebungen in Becken aufgezogen werden, oft in hoher Besatzdichte, stellen hohe Anforderungen an die Wasserqualität und die Leistung der Ausrüstung.

In Kreislaufanlagen (RAS) ist die mikrobiologische Sicherheit des Einlasswassers entscheidend, um sicherzustellen, dass keine Krankheiten in die kontrollierte Umgebung eingeschleppt werden. Dies stellt eine große Bedrohung für die hochwertige Produktion dar, die zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen kann. Eine häufig verwendete Desinfektionsmethode zum Schutz der Wasserzufuhr ist die UV-Desinfektion, da sie zahlreiche Vorteile bietet.

Hier sind fünf Schlüsselfaktoren, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen UV-Desinfektionssystems für Kreislaufanlagen (RAS) helfen.

1. Sicherstellung einer ausreichenden Vorfiltration vor der UV-Behandlung

UV-Desinfektion ist eine äußerst effektive Methode gegen pathogene Mikroorganismen. In vielen Fällen erfordert sie jedoch eine ausreichende Vorfiltration, um größere Partikel und Feststoffe herauszufiltern, die einen Schatteneffekt (Abschirmung) für potenziell schädliche Mikroorganismen erzeugen und verhindern könnten, dass diese die notwendige UV-C-Lichtdosis erhalten.

Die richtige Vorfiltrationsmethode und die Maschen-/Porengröße hängen von vielen Faktoren ab, wie der Durchflussmenge, der Anzahl der Schwebstoffe, der Art des Einlasswassers und der UV-Transmissionsrate. UV-Transmission (UVT) beschreibt die Wirksamkeit der UV-Desinfektion, indem gemessen wird, wie viel Licht (in Prozent) bei einer Wellenlänge von 254 nm durch eine Wasserprobe (oft 10 mm) hindurchgeht.

UVT kann stark variieren, je nachdem, ob es sich um Meerwasser, Brackwasser, Süßwasser oder den Standort der Wasserentnahme handelt. Beispielsweise ist Oberflächenwasser in vielen Regionen Schottlands und Norwegens durch Huminstoffe gefärbt. Ein UVT-Wert unter 60 % ist für Einlasswasser keine Seltenheit, was bedeutet, dass der UVT-Wert im RAS noch niedriger sein wird.

Bakterien und Viren variieren ebenfalls in ihrer Größe, was bei der Planung der Vorfiltration berücksichtigt werden muss. Insbesondere in der Lachszucht gibt es eine wachsende Nachfrage nach Ultrafiltrationssystemen (UF), da diese in der Lage sind, Bakterien und Viren bis zu einer 4-log-Stufe (Virusentfernung) aus dem Wasser zu entfernen. Die Kombination aus UV-Behandlung und Ultrafiltration bildet eine sogenannte „Doppelbarriere“ gegen Krankheiten, da sich die Methoden gegenseitig ergänzen.

Richtlinien des Norwegischen Veterinärinstituts empfehlen als Mindestmaß eine Vorfiltration von < 300 µm vor der UV-Behandlung. Als Faustregel gilt jedoch, eine Vorfiltration auf 40 Mikrometer und 3 NTU Trübung einzuhalten.

2. Korrekte Dimensionierung des Einlass-UV-Systems

Die korrekte Dimensionierung des UV-Systems ist der wichtigste Faktor, um eine schützende „Firewall“ gegen Mikroorganismen im Einlasswassersystem zu gewährleisten. Die richtige Dimensionierung umfasst mehrere Faktoren, einschließlich einer korrekt angewendeten UV-Dosis, Lampentechnologie, hydraulischer Effizienz des UV-Systems und seiner Zulassungen für die Anwendung in der Aquakultur.

Wie die korrekte UV-Dosis angewendet wird

UV-Bestrahlung inaktiviert Mikroorganismen, indem sie deren DNA und RNA schädigt, was sie daran hindert, sich zu vermehren und Infektionen zu verursachen. Die Inaktivierungsfähigkeit von Mikroorganismen durch UV hängt von der angewendeten UV-Dosis ab (auch Fluenz genannt), die üblicherweise in mJ/cm² oder J/m² gemessen wird. Diese ist das Produkt aus UV-Lichtintensität, Verweilzeit und UV-Transmission durch das Wasser. Der DNA-Absorptionsbereich liegt zwischen 200–300 nm, was zu einer effektiven Desinfektion bei 254 nm führt.

Es gibt Mechanismen in Zellen, die Schäden an der DNA/RNA reparieren können. Je niedriger die angewendete UV-Dosis für einen Mikroorganismus, desto höher ist die Möglichkeit für photoreaktive und Dunkelreparaturmechanismen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass es bei einer UV-Dosis von über 15 mJ/cm² nahezu kein Potenzial für Photoreaktivierung gibt, unabhängig von der verwendeten UV-Lampentechnologie.

Es ist entscheidend, die Ziel-UV-Dosis zu verstehen, um das einströmende Wasser in die Anlage effektiv zu desinfizieren. Im Allgemeinen sind Bakterien empfindlicher gegenüber UV-Licht als die meisten anderen Viren. Beispielsweise sind in der Lachsindustrie die häufigsten Zielmikroorganismen mit einer Mindestreduktion von 3-log (99,9 %):

• Infectious Pancreatic Necrosis Virus (IPNV)
• Aeromonas salmonicida
• Vibrio anguillarum
• Infectious Salmon Anaemia Virus (ISAV)
• Vibrio salmonicida
• Yersinia ruckeri

Das IPNV ist eines der UV-resistentesten Viren, die in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben werden, und erfordert eine UV-Dosis von mindestens 246 mJ/cm².

Wie man die beste Lampentechnologie für das Einlass-UV-System auswählt

UV-Systeme, die auf Amalgam-Niederdrucklampen mit hoher Lichtausbeute (LPHO) basieren, bieten monochromatische UV-Bestrahlung bei 253,7 nm, was sie zu den am häufigsten angewendeten Systemen für die Desinfektion in der Aquakultur macht. Niederdruck-Lampentechnologie kann auch zur Entfernung von Ozonresten eingesetzt werden. Ozonreste werden durch UV-Licht zwischen 250–260 nm zerstört.

UV-Systeme mit Mitteldrucklampen, die UV-Licht in einem breiteren Spektrum (200–400 nm) liefern, sind ebenfalls verfügbar, werden aber aufgrund ihrer höheren Betriebskosten in der kontinuierlichen Anwendung weniger häufig für die Desinfektion in der landbasierten Aquakultur verwendet.

Im Vergleich zu LPHO-Lampen verbrauchen Mitteldrucklampen (MP) mehr elektrische Energie pro Einheit des keimtötenden Lichtausstoßes und benötigen 2-3 Mal mehr Leistung. MP-Lampen wandeln in der Regel nur bis zu 15 % ihrer Eingangsleistung in nutzbare UV-C-Leistung um, während Niederdrucklampen bis zu 40 % effizient sein können. Zudem kann die höhere Betriebstemperatur von MP-Lampen (bis zu 900°C) die Verschmutzung der Quarzschutzhüllen erhöhen. Dies erfordert eine häufigere Reinigung und den Austausch verschmutzter Komponenten wie Lampenhüllen und Sensorfenster.

UV-Systeme mit MP-Lampentechnologie haben ihre Vorteile, wenn Anwendungen eine hohe UV-Intensität auf kleinem Raum erfordern, wie beispielsweise bei Wellbooten oder anderen Anwendungen mit begrenztem Installationsraum und ohne kontinuierlichen Betrieb.

Die Entscheidung für eine spezifische UV-Lampentechnologie sollte auf den betrieblichen und konstruktiven Vorteilen beruhen, wobei die Eigenschaften der UV-Lampen und vor allem die standortspezifischen Bedingungen berücksichtigt werden.

Gewährleistung optimaler hydraulischer Effizienz des UV-Systems

Hydraulische Effizienz bedeutet eine optimale und gleichmäßige UV-Bestrahlung aller möglichen Krankheitserreger, die durch die Kammer strömen, bei minimalem Druckverlust.

Probleme bei der Erzielung einer gleichmäßigen Durchmischung des Wassers sind oft auf nicht optimierte Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des UV-Reaktors zurückzuführen, verursacht durch eine falsche Reaktorkonfiguration und eine UV-Lampenkonfiguration, die nicht zu den Eigenschaften des Wassers passt. Zum Beispiel führt eine quer zur Einlassströmung angeordnete UV-Lampe zu einer sehr kurzen Verweilzeit an beiden Seiten der UV-Lampe und nahe der Reaktorwand.

Parallel zur Einlassströmung angeordnete UV-Lampen verlängern die Verweilzeit und sorgen für eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung, was zu einer gleichmäßigen Dosisverteilung und nahezu idealer Leistung führt.

Die gleichmäßige Durchmischung, um die UV-Dosis weiter zu erhöhen, wird häufig durch interne Leitbleche verstärkt. Das endgültige hydraulische Verhalten des Wassers innerhalb des UV-Reaktors wird mittels Computational Fluid Dynamics (CFD-Analyse) analysiert, wie im obigen Bild zu sehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die insgesamt von den verschiedenen Reaktorkonfigurationen gelieferte UV-Dosis und die Leistungskennzahlen je nach UV-Transmission des Wassers, Durchflussmengen und UV-Lampenintensitäten schwanken können.

Erwerb aquakulturspezifischer UV-Systemzulassungen

Da es weltweit zahlreiche UV-Systemhersteller gibt, sind Zertifikate vertrauenswürdiger Unternehmen entscheidend, um die Validität der Produkte der Hersteller sicherzustellen.

Die ULTRABARRIER UV-Systeme von ULTRAAQUA wurden offiziell vom Norwegischen Veterinärinstitut (NVI) zugelassen. Das NVI ist ein biomedizinisches Forschungsinstitut und ein nationales Kompetenzzentrum für die Biosicherheit von Fischen und Landtieren.

Zudem wurde die Technologie im Rahmen des EU-Programms Environmental Technology Verification (ETV) für die Wasseraufbereitung validiert. Die ETV ist eine Bestätigung, die Technologien durch qualifizierte Dritte anhand von Testergebnissen validiert, um die wissenschaftliche Überprüfung der Umwelttechnologie-Leistung sicherzustellen.

3. Betriebliches Optimieren des UV-Desinfektionssystems

Die betriebliche Optimierung des UV-Desinfektionssystems bringt zahlreiche Vorteile mit sich, wie Kostenersparnis, Zeitgewinn und erhöhte Sicherheit.

Ein wichtiger wirtschaftlicher Aspekt ist die energieeffiziente Nutzung des UV-Systems bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des erforderlichen UV-Dosisniveaus. Das UV-System sollte basierend auf dem eintreffenden Wasserfluss und der angestrebten UV-Dosis betrieben werden. Beispielsweise sollte das System die Lampen dimmen können, wenn die Durchflussrate nicht maximal ist, um Energie zu sparen, während die angestrebte UV-Dosis beibehalten wird. Diese Funktion wird als „Dose Pacing“ bezeichnet. Außerdem sollte das System ein Signal an das Strömungsrelais senden können, um im Falle von Fehlern den Wasserfluss zu stoppen.

Laut NVI-Zulassung ist es zwingend erforderlich, das Strömungsrelais an ein Ventil oder ein ähnliches Gerät anzuschließen, das den Wasserfluss durch die UV-Einheit steuert.

Wie die Leistung des UV-Desinfektionssystems überwacht wird

Das UV-System muss mit einem geeigneten Überwachungssystem ausgestattet sein, um den Status innerhalb des Reaktors zu überwachen. UV-Intensität, Durchflussrate, Betriebsstunden der Lampen, UV-Dosis, Leistung einzelner UV-Lampen und die Temperatur der Kammer sollten kontinuierlich durch die Steuerungseinheit (PLC) überwacht werden. Zusätzlich sollten mindestens die folgenden Daten protokolliert werden:

• Datum und Uhrzeit
• Temperatur
• Bestrahlungswert
• UV-Dosis
• Aktueller Durchfluss
• Maximal zulässiger Durchfluss
• Eingestellte UV-Dosis

Der Leistungseffekt eines automatischen Wischsystems im UV-Desinfektionssystem

Wie bereits erwähnt, können die Eigenschaften des einströmenden Wassers erheblich variieren. Das UV-System verliert seine optimale Desinfektionsfähigkeit, wenn sich Ablagerungen auf den Quarzschutzhüllen der UV-Lampen bilden.

Es gibt verschiedene Arten von Ablagerungen, abhängig von der Quelle des Wassers. Im Allgemeinen ist ein fortschrittliches, robustes automatisches Wischsystem effektiv gegen selbst hartnäckige Ablagerungen, ohne dass eine chemische Reinigung (CIP – Clean-in-Place) erforderlich ist. Dies eliminiert den Umgang mit gefährlichen Chemikalien, zusätzliche Kosten, Ausfallzeiten und Betriebskosten, während das System in Betrieb bleibt.

Wie das richtige Material für einen UV-Reaktor und Schaltschrank ausgewählt wird

Abhängig von der Quelle des Einlasswassers kann die Umgebung aufgrund von Salzgehalt oder Luftfeuchtigkeit sehr korrosiv sein. Dies stellt eine Herausforderung für die üblicherweise verwendeten Materialien in UV-Reaktoren und Schaltschränken dar.

Basierend auf 25 Jahren Erfahrung in der Meerwasserdesinfektion in warmen und kalten Wasserumgebungen hat ULTRAAQUA UV das UV-stabilisierte Polypropylen (PP) entwickelt, das ein korrosionsbeständiges Material für Anwendungen in warmem Meerwasser ist. Für Anwendungen in kaltem Meerwasser und Süßwasser werden die ULTRABARRIER UV-Systeme aus innen und außen elektropoliertem SS316L gefertigt. Dies gewährleistet eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit außen und eine verbesserte UV-Lichtleistung durch interne Reflexion innen.

Alle Schaltschränke bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFRP) mit passiver oder aktiver Kühlung, wodurch das Innere der Schränke vor äußeren Einflüssen geschützt wird.

4. Wartung des UV-Desinfektionssystems

Eine effektive UV-Desinfektion erfordert eine planmäßige Wartung des UV-Systems. Die Wartungshäufigkeit variiert stark zwischen den verschiedenen Herstellern und hängt von der Stromversorgung, der Robustheit und der Zuverlässigkeit des Systems ab.

Alle ULTRAAQUA UV-Systeme sind darauf ausgelegt, einen absoluten Wartungsminimalaufwand zu erfordern. Sie verwenden robuste und langlebige Komponenten, die außergewöhnlichen Bedienkomfort bieten. Jahrzehnte an Forschung, Entwicklung und Innovation ermöglichen es, unseren Kunden zuverlässige Systeme anzubieten, die kostengünstig zu installieren und zu betreiben sind und zudem so wartungsarm, dass sie auch von Nicht-Fachleuten genutzt werden können.

5. Effektive Kommunikation zwischen Hersteller und Endkunde

Zuletzt, aber nicht weniger wichtig, ist die Bedeutung einer effektiven Kommunikation zwischen dem UV-Systemhersteller und dem Betreiber der Kreislaufanlage (RAS) nicht zu unterschätzen.

Die Auswahl eines Lieferanten mit umfassendem technischem Support ist entscheidend, insbesondere in Notfällen, in denen schnelle betriebliche Unterstützung erforderlich ist. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines 24-Stunden-Supports mit technischen Ingenieuren, die unabhängig von der Zeitzone zur Verfügung stehen.

ULTRAAQUA ist ein UV-Desinfektionssystemhersteller, der seinen Kunden umfassende Unterstützung während des gesamten Prozesses bietet – von der Festlegung der Anforderungen bis hin zum laufenden Betrieb. Unsere Verantwortung endet nicht mit dem Versand des Systems.

Kontaktieren Sie uns gerne, wenn Sie weitere Informationen darüber erhalten möchten, wie wir Ihnen helfen können.