Tiefenwasserbelüftung mit Hypolimnionbelüfter – LIMNO

Restaurierung von Seen mittels Tiefenwasserbelüfter – Rettung für überdüngte und verschmutzte Gewässer

Unsere Seen und Wasserwege sind seit langem Opfer von Verschmutzung. Auch Trinkwasserseen oder Reservoire können durch Zulauf von phosphor- und stickstoffhaltigem Wasser verschmutzt sein. Außerdem können luftübertragene Nährstoffeinträge hinzukommen. Alle diese beeinflussten Gewässer bedürfen für ihre Gesundung äußerer Hilfe. Das Problem manifestiert sich häufig als Sauerstoffmangel. Wenn nichts getan wird, verschlechtern sich die Bedingungen im See immer wieder dahin, dass kein Sauerstoff mehr über und im Sediment vorliegt, womit dort das gesamte biologische Leben in Gefahr gerät. Der Hypolimnionbelüfter LIMNO bietet eine effektive Behandlung für tiefe Seen, die an Sauerstoffmangel leiden.

Sauerstoff als charakteristische Größe

Sauerstoff ist im Wasser als Gas nur im begrenztem Maße löslich. Faktoren, die einen Einfluss auf die Sättigungslöslichkeit haben, sind u.a. Wassertemperatur und Luftdruck. Ein gesunder See weist ein dynamisches Gleichgewicht zwischen der Sauerstoffzufuhr durch Diffusion an der Wasseroberfläche, Photosynthese und dem Sauerstoffverbrauch durch biologischen Abbau organischer Substanz auf. In gemäßigtem Klima, und speziell in geschichteten Seen und Reservoiren, ist die Sauerstoffverteilung stark von den Charakteristiken des Sees, wie z.B. dem Verhältnis zwischen dem Volumen wärmeren Oberflächenwassers (Epilimnion) und dem Tiefenwasser (Hypolimnion), abhängig. Wenn man den Gehalt und die zeitliche – und Tiefenverteilung des gelösten Sauerstoffes im See beobachtet, bekommt man ein gutes Bild des allgemeinen Gesundheitszustandes des Gewässers.

Diffuse Nährstoffquellen, z.B. die Landwirtschaft als auch durch Einleitungen insbesondere von kommunalen und industriellen Abwässern, können dem Gewässer ein Nährstoffangebot zur Verfügung stellen, die das Sauerstoffangebot übertreffen. Wenn der Sauerstoff im Hypolimnion vollständig verbraucht ist, werden die Verhältnisse kritisch: Anaerobe mikrobielle Prozesse (biochemische Prozesse unter Ausschluß von Sauerstoff) setzen ein. Methan und Schwefelwasserstoff werden durch diese reduzierenden Prozesse erzeugt; anorganische Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff werden im Wasser gelöst und später in den Zirkulationsperioden wieder im See verteilt. Um diesen gewässerschädigenden Entwicklungen entgegenzutreten, wurde der LIMNO Belüfter entwickelt. Mit diesem Tiefenwasserbelüfter wird dem Hypolimnion Sauerstoff zugeführt, ohne dass die thermische Schichtung des Sees zerstört wird. Auf diese Weise kann ein hoher Sauerstoffgehalt über die gesamte Stagnationsperiode hin aufrecht gehalten werden, womit die Diffusionsprozesse von Sedimentnährstoffen minimiert werden.

Das LIMNO Belüftungssystem

Das LIMNO System ist speziell für die Sauerstoffanreicherung geschichteter Seen und Reservoire konstruiert.

Funktionsprinzip der Belüfters

Der LIMNO Belüfter besteht aus zwei konzentrischen Schläuchen, die mit einer kugelförmigen Haube überdeckt und durch radiale Wände miteinander verbunden sind.

Der äußere Schlauch hat am unteren Ende einige Auslassstutzen. Ein Abluftrohr verbindet die obere Haube mit der Atmosphäre. Die Einheit wird permanent am Boden mit Hilfe von Betongewichten und Nylonbändern verankert, die an dem äußeren Schlauch und dem unteren Ringrahmen befestigt sind. Sowohl bei Betrieb wie bei Stillstand wird die Einheit durch das in der oberen Haube eingeschlossene Luftkissen aufrecht gehalten.

Ein am Ufer aufgestellter Kompressor versorgt den Belüfter über einen auf dem Boden verlegten Schlauch mit Druckluft. Durch den primären Verteiler, der unter dem Ansaugkegel angeordnet ist, wird der Druckluftstrom in feinste Luftblasen zerteilt. Die im inneren Schlauch aufsteigenden Luftblasen erzeugen einen aufwärts gerichteten Wasserstrom (Mammutpumpenprinzip).

Durch die Erzeugung einer hohen spezifischen Grenzfläche und turbulenter Strömung zwischen den Luftblasen und dem Wasser erfolgt der Sauerstofftransport.

Beim Übertritt des Wasser-Luftgemisches über die Oberkante des inneren Schlauches vermindert sich die Strömungsgeschwindigkeit. Die Luftblasen aus dem Wasser können entweichen und werden durch das Abluftrohr des Belüfters abgeleitet.

Das blasenfreie Wasser fließt dann nach unten durch den Außenschlauchring und verlässt den Belüfter durch die Ausflussstutzen in Form eines Wasserstrahles und verteilt sich im Hypolimnion.

Druckluft kann je nach Konstruktion des Gerätes auch in einem sekundären Verteiler zugeführt werden, wobei dieser in Form eines Ringes zwischen den Schläuchen im unteren Teil der Einheit angeordnet ist. Die Luftblasen von diesem Verteiler begegnen dem nach unten gerichteten Wasserstrom und ermöglichen eine weitere Aufsättigung. Dieser Luftvolumenstrom wird strömungstechnisch optimal ausgelegt, sodass die erforderliche Aufstiegsgeschwindigkeit nicht unterschritten wird.

Die Druckluft vom sekundären Verteiler wird ebenfalls in der Haube des Belüfters abgefangen und über das Abluftrohr der Atmosphäre zugeleitet. Das Abluftrohr wird durch eine Boje nahe an der Oberfläche gestreckt gehalten.

Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass das sauerstoffarme oder sauerstofffreie Wasser des Hypolimnions zum Belüfter hin und durch ihn hindurch gesaugt, dort mit Sauerstoff angereichert und dann horizontal wieder im Tiefenwasser verteilt wird.

Mechanische Eigenschaften

Der LIMNO Belüfter ist komplett aus flexiblem Material hergestellt, wodurch Transport und Installation stark vereinfacht werden. Sämtliche Komponenten einer LIMNO Einheit bestehen aus nicht korrodierendem Material, hauptsächlich Kunststoff. Die Schläuche, Wände, Haube wie auch der Ansaugkegel und die Ausflussstutzen bestehen aus Spezial-Polyestergewebe. Dieses Material entspricht folgenden Standardbedingungen: BS No. 3424, DIN 53352 und 53354, Fed-Std-5041 und 5100.

Alle Verbindungen werden automatisch hochfrequenzgeschweißt und mit Verstärkungsstreifen versehen. Die Ringrahmen – sowohl der obere wie der untere – bestehen aus Polyethylen (PE), wie auch das Abluftrohr und die Druckluftverteiler. Der Druckluftschlauch besteht ebenfalls aus Polyethylen. Je nach Durchmesser des Schlauches, wird er entweder mit einem um den Schlauch gewickelten Bleidraht (bei kleinen Durchmessern) oder mit Betongewichten und Edelstahlbändern verankert.

LIMNO Gewebedaten Äußerer Schlauch Innerer Schlauch und radiale Wände
spezifisches Gewicht 1000 g/m2 670 g/m2
Zugfestigkeit 4400 N/50 mm 3000 N/50 mm

Kapazitäten und Abmessungen

Alle LIMNO Einheiten werden nach den Spezifikationen des Kunden konstruiert und hergestellt, so daß sie den Anforderungen des jeweiligen Projektes entsprechen. Die nachfolgende Tabelle soll einen Überblick über die Kapazitätsbereiche geben, in dem LIMNO Belüfter dimensioniert werden. Auf Wunsch können bei Bedarf größere Belüftungseinheiten projektiert und gebaut werden.

Bereich
Sauerstoffeintragsrate [kg/d] 100 – 1600
Druckluftverbrauch [l/s]
(bei 1013 mbar)
7 – 112
Durchmesser [m] 2 – 8,8
Masse [kg]
(ohne Anker)
250 – 1300
Ankermasse [kg]
(unter Wasser)
350 – 4500

Installation

AGO Hydroair bietet an, die Installation von LIMNO Belüftungsanlagen zu leiten und von eigenem Personal ausführen zu lassen. Die Ausrüstung wird ans Seeufer geliefert. Die LIMNO Einheit ist zusammengefaltet in einer Kiste verpackt. Ein Gabelstapler oder ähnliches wird zum Abladen sowie zum Einsetzen der kübelförmigen Betongewichte (die bei einem Meter Wassertiefe schwimmen) in das Wasser verwendet . Mittels eines Arbeitsbootes werden die Ankergewichte zu den Ankerplätzen transportiert, mit Wasser gefüllt und abgesenkt. Am Seeufer wird die LIMNO Einheit entfaltet und mit Zubehör vervollständigt. Dann wird der Belüfter zu Wasser gelassen, zum Ankerplatz gebracht, mit den Ankergewichten verbunden und mit Hilfe eines Tauchers in die Tiefe gezogen und gesichert. Der Druckluftschlauch wird aufgerollt geliefert. Die Beschwerung erfolgt entweder durch Bleigewichte oder durch Befestigen von Betonsteinen mit dem Auslegen auf dem Gewässer. Nach Anschluß und Kontrolle ist die Einheit unmittelbar einsatzbereit.

Betrieb

Die LIMNO Anlage wird nach der Zirkulationsperiode im Frühling eingeschaltet, um dem ansteigenden Sauerstoffbedarf im Hypolimnion entgegenzuwirken.

Die LIMNO Belüfter werden gewöhnlich über die gesamte Stagnationsperiode im Sommer betrieben. Mit dem Beginn der Herbstzirkulation wird das System außer Betrieb genommen, wobei sie jederzeit gestartet werden kann, wenn es im Winter nötig ist. Die Konstruktion des Systems ermöglicht Winterbetrieb ohne Störung der Eisschicht. Die Anreicherungskapazität der LIMNO Einheiten kann dem variierenden Sauerstoffverbrauch angepaßt werden. Durch Vermindern der Druckluftmengen und/oder Abschalten einzelner Einheiten kann die vorgegebene Sauerstoffkonzentration gesteuert werden.

Druckluftversorgung

Die gesamte MSR-Technik und der Kompressor werden als kompakte Einheit in einen begehbaren Spezialcontainer installiert und nahe dem Ufer aufgestellt. Der Container wird so ausgelegt, daß alle erforderlichen Richtlinien und Beurteilungspegel z.B. nach TA-Lärm eingehalten werden. Durch entsprechende Lackierung und Bepflanzungen kann eine sehr gute Einbindung in die Landschaft erreicht werden.

Die Druckluft für die LIMNO Einheiten wird von einem Kompressor geliefert. Der benötigte Luftdruck entspricht der Summe des hydrostatischen Druckes an den Druckluftverteilern und dem Druckabfall in den Versorgungsschläuchen. Die Druckluft muß ölfrei sein. Aus diesem Grund werden ausschließlich ölfrei verdichtende Kompressoren eingesetzt, die nur ein Minimum an Wartung benötigen. Für Druckluftschläuche aus Polyethylen kann es notwendig sein, einen Nachkühler zu installieren.

Überwachung

Vom Kompressor strömt die Druckluft zu einem Verteilerrohr, an das jede einzelne LIMNO Einheit über ihren individuellen Druckluftschlauch angeschlossen ist. Mit je einem Volumenstrommeßgerät, Präzisionsdruckmessern und Regulierventil wird eine einfache Kontrolle der einzelnen LIMNO Belüfter draußen im See ermöglicht. Auf Kundenwunsch können weitere Optionen z. B. eine Fernüberwachung realisiert werden.

Tiefenwasserbelüftung Limno_kl_30
Belüftung des Tiefenwassers bei Erhalt einer intakten Schichtung

Beschaffenheitsveränderung des Tiefenwassers durch Belüftung mit dem LIMNO

In jedem See erhält man etwas abweichende Ergebnisse nach der Hypolimnionbelüftung – je nach den vorliegenden Charakteristiken des ökologischen Systems, sei es der eutrophierte See oder das an Eisen und Mangan reiche Trinkwasserreservoir. Trotz alledem sollen in dem dargestellten Diagramm einige allgemeingültige und typische Ergebnisse zusammengefaßt dargestellt werden.

Prinzipdiagramm zur charakteristischen Parameterentwicklung während der Belüftung
Prinzipdiagramm zur charakteristischen Parameterentwicklung während der Belüftung

Wenn die LIMNO Belüftungsanlage in einem vollständig sauerstofffreien Hypolimnion gestartet wird, erfolgt die Drucklufterzeugung mit maximaler Kapazität. Man erhält einen raschen Anstieg der Sauerstoffkonzentration im Wasser. Ist die benötigte Sauerstoffkonzentration durch Belüftung während der Stagnationsperiode erreicht, kann das System auf reduzierte Druckluftkapazität eingestellt werden, um diese Konzentration beizubehalten.

Hand in Hand mit erhöhtem Sauerstoffgehalt geht normalerweise ein unmittelbarer und steiler Abfall des Phosphatgehaltes einher. Gleichzeitig erfolgt ein rapider Abfall des Eisengehaltes. Diese initial eintretende Reduktion deutet man als das Ergebnis der Fällung von Eisenhydroxyd mit adsorbierten Phosphaten. Eine langsamere Verminderung des Phosphatgehaltes, die der ersten schnellen Reaktion folgt, ist durch die oxydierte Sedimentoberfläche zu erklären.

Die Tiefenwasserbelüftung bedingt auch einen Abfall des Gehaltes an anorganischem Stickstoff. Es setzt eine biologische Reaktion mittels Mikroorganismen vom Ammonium zu Nitrat ein.

Der Abfall des Eisengehaltes wurde schon im Zusammenhang mit der Phosphatreduktion genannt. Der Gehalt an Eisenionen ist in belüfteten Seen erheblich geringer. Die Löslichkeit von Mangan ist erheblich höher als die des Eisens, aber es reagiert auf ähnliche Weise. In Trinkwasserreservoiren, in denen LIMNO Belüfter betrieben werden, hat man den Gehalt beider Metalle so gut wie vollständig unterdrücken können. Daraus resultieren eine bessere Trinkwasserqualität und geringere Aufbereitungskosten.

Die normale Variationsbreite dieser Parameter ist groß, wozu z.B. Unterschiede in meteorologischen und hydrologischen Faktoren sowie unregelmäßige Einträge von Nährstoffen beitragen. Jedoch wurde bei vielen LIMNO Belüftungsprojekten eine ständige Abnahme des Chlorophylls beobachtet und somit eine erhöhte Sichttiefe erreicht.

Referenzliste LIMNO Tiefenwasserbelüfter

Projektname Auftraggeber Spezifikation
Tegeler See Senat für Stadtentwicklung und Umweltschutz und Technologie Berlin 4.500 kg Sauerstoff pro Tag
Flughafensee Senat für Stadtentwicklung und Umweltschutz und Technologie Berlin 450 kg Sauerstoff pro Tag
Groß-Glienicker See Senat für Stadtentwicklung und Umweltschutz und Technologie Berlin 1.800 kg Sauerstoff pro Tag