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Ramsch, B. & Sellner, B.R. 2001:  Calcium- und Karbonathärteversorgung in einem großen Hobby-Meerwasseraquarium. DAS AQUARIUM 1: 39-43; 2: 39-45.

Die Calcium- und Karbonathärteversorgung in einem großen Hobby-Meerwasseraquarium

von Burkhard Ramsch und Beate R. Sellner, Diplom-Biologen der Firma AquaCare, Herten


Turbo-Kalkreaktor Größe 6 der neuesten Generation. Foto: AquaCare

Gelöstkalkversorgung im Naturriff
Varianten der Gelöstkalkversorgung im Aquarium

Anforderungen an einen Kalkreaktor
Der Turbo-Kalkrektor im Test

Praxistest

Nur "Turbo" reicht nicht aus!
Ergebnisse des Turbo-Kalkreaktors Größe 7
Literatur


Gelöstkalkversorgung im Naturriff

Das typische Korallenriff besteht zu einem großen Anteil aus kalkaufnehmende Organismen wie Steinkorallen, Kalkröhrenwürmer, Kalkalgen, Muscheln, Gehäuseschnecken aber auch Weich- und Lederkorallen. Die Tiere und Algen benötigen für die Bildung ihres Kalkskeletts sowohl gelöstes Calcium als auch gelösten anorganischen Kohlenstoff in seinen bekannten Formen Kohlendioxid, Hydrogencarbonat und Carbonat, die in einem pH-Wert-, temperatur- und druckabhängigem Gleichgewicht stehen. Die vier Substanzen werden in diesem Artikel kurz als Gelöstkalk bezeichnet.

Kalkproduzierende Organismen nehmen den Gelöstkalk aus dem sie umgebenden Meerwasser auf. Da die Nettoaufnahmeraten enorm sein können (30 kg CaCO3 pro m² und Jahr, Kastler 1999), muss irgendwoher Nachschub kommen.

Global und über lange Zeiträume betrachtet gibt es zwei gewaltige Kohlenstoff-Calcium- Kreisläufe, die die Riffe mit Gelöstkalk versorgen.

Der Langzeitkreislauf:
In Gebieten mit kalkhaltigem Gestein werden mit Hilfe des Regenwassers und der darin enthaltenen Kohlensäure stetig kleine Teile des Kalks gelöst. Folglich steigen die Konzentrationen von Calcium und gelöstem anorganischem Kohlenstoff. Beide Substanzen werden als Gesamt- und Karbonathärte gemessen. Das aufgehärtete Regenwasser fließt schließlich ins Meer, so dass der Gelöstkalk den Korallen zur Verfügung steht. Im Meer entstehen durch Korallenwachstum, Ausfällprozesse und absinkenden Foraminiferenschalen (Mehlhorn & Ruthmann 1992) riesige Kalkgesteinschichten. Im Laufe der Jahrmillionen können diese Schichten durch die Bewegung der Kontinentalplatten wieder aufsteigen und als Gebirge hervortreten. Der Regen kann dann erneut die Kalkanteile aus den Gesteinen lösen und zum Meer transportieren. (Ramsch & Sellner 1996)

Der Tiefseekreislauf:   
Dem Meerwasseraquarianer ist der Prozess der Kalkbildung durch Korallen und andere Rifforganismen bekannt. Aber im Meer spielt dieser Vorgang nur eine geringe Rolle. Das liegt daran, dass die Gebiete mit Korallenwachstum nur sehr spärlich auf dem Erdball verteilt sind. Die tropische offene Wasserfläche ist um ein Vielfaches größer. Und genau dort wird in den oberen Wasserschichten eine gewaltige Menge an Kalk gebildet. Das Ergebnis ist kaum sichtbar, da meist sehr kleine Organismen – hauptsächlich Foraminiferen - dafür verantwortlich ist. Mit Hilfe des Sonnenlichtes produzieren die kleinen Organismen ihr Kalkskelett (Calcitform) aus Calcium und gelöstem anorganischem Kohlenstoff. Durch Strömungen und dem Absinken nach dem Tod der Organismen werden die Kalkskelette in die Tiefsee verfrachtet. Ab einer bestimmten Tiefe - der sogenannten Lysokline - wird das Kalkskelett wieder aufgelöst. Das gelöstkalkangereicherte Wasser erreicht mit Hilfe der großen Meeresströmungen wieder die Oberfläche, und damit auch die Regionen mit Korallenriffen. (Broecker 1991)



Zwei Kreisläufe spielen für die Versorgung der Korallen mit Gelöstkalk ein Rolle: der Langzeitkreislauf (gestrichelt) und der Tiefseekreislauf (fett). 


Varianten der Gelöstkalkversorgung im Riffaquarium

Im Hobbyaquarium hat der Aquarianer natürlich nicht die Zeit um den Langzeitkreislauf zu realisieren. Auch den Tiefseekreislauf zu verwirklichen, ist im aquaristischen Bereich unmöglich.

Um den Korallen und anderen kalkabhängigen Organismen eine Lebensgrundlage zu bieten, muss auf andere Weise Gelöstkalk dem Wasser zugeführt werden. In den letzten Jahrzehnten haben sich drei Methoden durchgesetzt. (Ramsch & Sellner 1996)

  1. Zudosieren von Calcium- und Hydrogencarbonationen: Wird ein regelmäßiger Wasserwechsel vorgenommen, kann durch die anderen in den Lösungen enthaltenen Salzkomponenten keine schädliche Veränderung des Meerwassers (Ionenverschiebung) erfolgen. Auch einige Aufhärtsalze enthalten beide Komponenten in fester Form.
  2. Kalkwassermethode: Die Verbindungen Calciumhydroxid (auch Calciumoxid ist möglich) wird in Umkehrosmosewasser aufgelöst und der klare Überstand langsam in das Aquariumwasser getropft. So wird das Wasser mit gelöstem Calcium angereichert. Der hohe pH-Wert der Lösung gebietet zur Vorsicht. Die Zufuhr des ebenfalls wichtigen Hydrogencarbonats erfolgt indirekt durch die Diffusion von Kohlendioxid oder mit der erweiterten Methode durch künstliche Zufuhr von CO2 in das Wasser. Ohne CO2-Injektion sind mit dieser Methode jedoch keine hohen Karbonathärten zu produzieren.
  3. Der Kalkreaktor: In einem geschlossenen Gefäß, gefüllt mit kalkhaltigem Material (Korallenbruch, Muschelbruch, Calciumcarbonatgranulat, Turbo-Granulat), wird Wasser gepumpt, dass mit Kohlendioxid angereichert ist (Hebbinghaus 1994). Das Kohlendioxid bildet sich teilweise zu Kohlensäure um, die den pH-Wert senkt. Das angesäuerte Wasser ist dazu in der Lage, das Kalkmaterial langsam aufzulösen. Calcium und Hydrogencarbonat werden genau in dem Verhältnis produziert, wie die Korallen es benötigen. Nachteilig ist der niedrige pH-Wert des Wassers, das auch den pH-Wert des Aquariumwasser senkt und zu vermehrtem Grünalgenwachstum führen kann.

Grundsätzlich sind alle Methoden miteinander kombinierbar. Unsere Erfahrungen zeigen, dass mit einer Kombinierung z.B. von Kalkwasser plus Kalkreaktor aber auch Kalkwasser plus KH-Ca-Lösungen die besten Ergebnisse in einem Steinkorallenbecken erzielt werden.


Anforderungen an einen Kalkreaktor

Wie bei jeder Aquarientechnik gibt es eine Vielzahl von Kalkreaktormodellen. Die Ausführungen sind zum Teil aber nicht so gut, dass eine sichere Betriebsweise nicht gewährleistet werden kann. Deswegen zeigen wir einige Punkte auf, die ein Kalkreaktor erfüllen muss.

Ein Beispiel: Reaktor 1 produziert Wasser mit einer Karbonathärte von 50°dH bei einem Wasserdurchfluss von 0,5 Litern pro Stunde; Reaktor 2 nur 25°dH, aber 5 Liter pro Stunde. Weiterhin wird angenommen, dass im Aquariumwasser, also das zum Reaktor zulaufende Wasser, 10 KH gemessen werden. Bei beiden Reaktoren muss zuerst 10°dH abgezogen werden; denn nur die dazuproduzierte Härte interessiert. So bleiben für Reaktor 1 40° und für den zweiten Reaktor 15° übrig. Der Vergleich ist aber erst sinnvoll, wenn der Härtegrad mit der Wassermenge multipliziert wird:
Reaktor 1 = 40° × 0,5 l/h = 20°·l/h.
Reaktor 2 = 15° × 5 l/h = 75°·l/h.
So wird schnell deutlich, dass die imposante Zahl von 50°dH des ersten Reaktors nur zu 20 Härtelitern pro Stunde oder 480 Härteliter pro Tag reicht; Reaktor 2 hingegen erreicht 75°·l/h bzw. 1800°·l/h. Die Angaben können natürlich auch auf das Calcium bezogen werden. Die Leistung sollte dann in mg/h (Milligramm pro Stunde) bzw. g/d (Gramm und Tag) angegeben werden.
Zu beachten ist, dass im obigen Beispiel Reaktor 2 10mal mehr CO2 in das Aquariumwasser bringt – vorausgesetzt die Reaktoren arbeiten mit dem gleichen internen pH-Wert.


Das Riffaquarium

Auf Wunsch eines befreundeten Aquarianers, sollten wir einen Kalkreaktor konzipieren, der für seine Aquariumanlage ausreicht. Es sollten hauptsächlich Steinkorallen gehalten werden.

Die Aquariumanlage besteht aus zwei Becken, die durch einen gemeinsamen Kreislauf verbunden sind. Das Wohnzimmeraquarium ist ein Fünfeck mit einer Frontscheibe von 2,80 m × 1,20 m und fasst ca. 5,7 m3. Das Kelleraquarium ist ein Neuneck mit zwei Frontscheiben à 1,20 m × 0,73 m und einer mit den Maßen 1,30 m × 0,73 m und fasst ca. 5,4 m3. Die Gesamtanlage beinhaltet somit ca. 11 m³ plus ca. 2 m³ im Filtersystem. Betrieben wird das System mit zwei Abschäumer à 1,5 m3/h Lufteinzug und zwei Kreislaufpumpen mit je 12 m3/h. Für die Strömung werden in jedem Aquarium je eine Pumpe mit 26 m3/h und je 8 Turbellen à 8 m3/h betrieben – also zusammen eine theoretische Gesamtleistung von 180 m³/h. Beleuchtet wird das Neuneckaquarium des Kellers mit 4 × 1000 W HQI, 2 × 400 W HQI und 27 × 58 W blauen Leuchtstoffröhren. Über dem Wohnzimmeraquarium hingen 3 × 400 W HQI, 4 × 250 W und 15 × 58 W Blauröhren. Nach ca. 1½ Jahren wurde die Leistung auf 3 × 1000 W, 2 × 400 W, 2 × 250 W und 15 × 58 W Blauröhren erhöht – wenn alle Leuchten unter Spannung stehen, verbrauchen sie insgesamt 11,5 kW plus die Leistung der Vorschaltgeräte. Insgesamt bevölkern das Aquariumsystem ca. 200 Fische und 450 Korallen - hauptsächlich Steinkorallen – und jede Menge an Seeigeln, Schnecken und anderen Wirbellosen.

Aufgrund der enormen Wasserbewegung und der extrem starken Beleuchtung musste mit einem sehr hohem Gelöstkalkbedarf der Niederen Tiere gerechnet werden. Bereits nach einem halben Jahr wurden die ersten Steinkorallen eingesetzt, nachdem das Grünalgenwachstum mit Seeigeln, Turbo-Schnecken, 10 großen Zebrasoma flavenscens und einigen anderen algenfressenden Tieren bekämpft wurde.


Übersicht Wohnzimmer: Diese Aquarium fasst 5,7 m3 Wasser und hat eine maximale Wassertiefe von 1,30 m. Foto: AquaCare


Entwicklung des Turbo-Kalkreaktors

Folgende Forderungen wurden an den zu konzipierende Kalkreaktor gestellt:

  1. Maximale Löslichkeit des Kalkmaterials, um auch reinen Steinkorallenbecken genügend Gelöstkalk anbieten zu können.
  2. Keine Kanalbildung bei möglichst großer Reaktionsfläche des Kalkmaterials.
  3. Auf eine interne pH-Wertsteuerung sollte verzichtet werden, um den Kalibrieraufwand zu eliminieren.
  4. Automatische Entlüftung der Fremdgase.
  5. Der Kohlendioxideintrag ins Aquarium sollte bei möglichst niedrigem internen pH-Wert so gering wie möglich sein.

Zu Forderung 1
Mit dem Ziel der „eierlegenden Wollmilchsau“ wurde zunächst das best mögliche Kalkmaterial gesucht. Getestet wurden Korallenbruch, Calciumcarbonatgranulat und ein neuartiges poröses, kugelförmiges Calcitmaterial, dass später von uns Turbo-Granulat getauft wurde. Die Körnung der drei Materialien war vergleichbar mit ca. 2-4 mm Durchmesser; zuvor wurden alle Materialien gründlich gewaschen, um Verschmutzungen und Salzrückstände zu entfernen. Als Maß für die Löslichkeit der Materialien wurde die elektrische Leitfähigkeit c bei 25°C gewählt. Mit dieser Methode ist ein Anstieg der gelösten Teilchen sehr schnell und einfach zu messen. Wenn in saurem Reinstwasser (< 1 µS/cm) kalkhaltiges Material gebracht wird, können einige feste Calciumcarbonatteilchen zu Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen gelöst werden. Je schneller dieser Vorgang ist, desto schneller steigt die Leitfähigkeit an.

In Bechergläsern wurde kohlendioxidangereichertes Reinstwasser und jeweils die gleiche Masse der zu untersuchenden Materialien gegeben. Die Leitfähigkeit wurde im Laufe der Zeit gemessen.


Kalklöseversuch verschiedener kalkhaltiger Materialien in kohlendioxidangereichertem Reinstwasser. Zur Kontrolle diente Quarzkies (nicht kalkhaltig).

Wie vermutet stieg die Leitfähigkeit der Kontrolle „Quarzkies“ nicht an, weil kein Kalk in diesem Material vorhanden ist. Bei den kalkhaltigen Materialien jedoch zeigt sich eine starke bis sehr starke Erhöhung der Leitfähigkeit. Dass die Kurven nach einiger Zeit abflachen, liegt daran, dass das in diesem Standversuch zur Verfügung stehende Kohlendioxid verbraucht, somit der pH-Wert erhöht wurde und kein neues Material gelöst werden konnte.

Das massive Calciumcarbonatgranulat schnitt bei diesem Versuch am schlechtesten ab. Danach folgte der Korallenbruch. Mit Abstand am schnellsten löste sich das Turbo-Granulat. Zu erklären sind diese Kurven folgendermaßen: Calciumcarbonatgranulat ist zwar reiner als Korallenbruch und damit grundsätzlich besser löslich, hat aber keinen porösen Aufbau wie Korallenbruch. Das Turbo-Granulat verbindet beide Vorteile miteinander: hohe Porosität und beste Löseeigenschaften durch hohen Reinheitsgrad.

Wenn der anfängliche lineare Bereich als Berechnungsmaßstab benutzt wird, ergeben sich folgende Lösungsgeschwindigkeiten. Die Leitfähigkeit in diesem Versuch kann ebenso als Karbonathärte ausgedrückt werden. In Vorversuchen entsprachen 31,6 µS/cm einem deutschen Härtegrad. Je Härtegrad werden 7,12 mg Calcium produziert.

Material

Leitfähigkeit
in µS/cm*min

Anstieg von Karbonathärte in °dH*min

Calcium
in mg/l*min

Quarzkies (Kontrolle) 0 0 0
Calciumcarbonatgranulat 16 0,5 4
Korallenbruch 32 1,0 7
Turbo-Granulat 180 5,7 41

Die Zahlen machen deutlich, dass sich Korallenbruch unter den Versuchs­bedingungen doppelt so gut löst, wie Calciumcarbonatgranulat. Das Turbo-Granulat löst sich mehr als 5mal besser als Korallenbruch und mehr als 11mal besser als das feste Calciumcarbonatgranulat. Somit stand fest, welches Material für den zu konzipierenden Kalkreaktor benutzt werden sollte.

Zu Forderung 2
Als zweites wurde das Kanalbildungsproblem und dadurch verursachte abfallenden Produktionsraten der herkömmlichen Reaktoren in Angriff genommen. Wie jeder Entwickler standen wir vor folgendem Dilemma: je feiner das Material, desto größer die zur Verfügung stehende Oberfläche aber auch desto schneller kommt es zur Kanalbildung und damit einem Abfall der Leistungsfähigkeit. Wird das Material zu grob gewählt, ist zwar die Langzeitstabilität gewährleistet, aber die Leistung ist nur gering, so dass sehr große Volumina benötigt werden. Das Verschlammungsproblem, dass sich nach längerem Betrieb ohne Wartung bei den herkömmlichen Reaktoren auftritt, sollte zumindest verringert werden.

Nach einigen Experimenten entschieden wir uns für das in der Technik wirkungsvollste Verfahren: das Wirbelschichtverfahren. Dabei wird das Material durch eine genügend hohe Wasserbewegung immer in Bewegung gehalten. Somit kann sehr feines Material mit einer hohen Oberfläche benutzt werden und gleichzeitig wird die Kanalbildung verhindert - die Leistung bleibt so auf längere Zeit erhalten. Sehr positiv wirkt sich die Kugelform des Turbo-Granulats aus; es wird nicht zu viel Pumpenenergie benötigt. Zu kleinen Teilchen (→ Schlammbildung) werden aus dem Kalkmaterialrohr.

Zu Forderungen 3 und 4
Aus den nächsten Forderungen „keine interne pH-Messung“ und „automatische Entlüftung“ entstand die Trennung von CO2-Eintrag und Lösen des Kalkmaterials. In einem Kreislauf, der mit einer robusten Pumpe betrieben werden sollte, sind das CO2-Rohr und das Calcitrohr miteinander verbunden. Im CO2-Rohr kann somit der CO2-Stand mit einer sicheren mechanischen Steuerung geregelt werden; eine pH-Steuerung und damit eine regelmäßige Kalibrierung und das regelmäßige Ersetzen der pH-Messkette entfällt. Ein weiterer Vorteil ist die CO2-Zirkulation: falls CO2-Gasblasen in das Calcitreaktionsrohr gelangen, werden sie durch den Kreislaufstrom erneut in das CO2-Rohr verfrachtet.

Zusätzlich dient das CO2-Rohr als Blasenzähler, der nicht mehr austrocknen kann. Wenn die Kreislaufpumpe außer Betrieb genommen wird, kann der Reaktor durch das zulaufende Aquariumwasser entlüftet werden. So kann durch eine einfache Schaltuhr unkompliziert der Reaktor von Fremdgasen befreit werden. Die Entlüftungszyklen sind selbst wählbar.

Der pH-Wert spielt neben den oben erwähnten Faktoren wie Löslichkeit des Materials und effektive Oberfläche die zentrale Rolle: je niedriger der pH-Wert desto schneller wird Kalk aufgelöst. Im Turbo-Kalkreaktor sollte deswegen der pH-Wert unter dem der herkömmlichen Modelle liegen. Die Versuche ergaben pH-Werte von 5,2 - 5,5. Damit ist eine hohe Löslichkeit garantiert und der Nachteil des geringen Kalkmaterialvolumens, bedingt durch das Wirbelschicht­verfahren, wieder wett gemacht. Bleibt nun das Problem, dass der niedrige pH-Wert des Wassers nicht in das Aquarium gelangen darf.

Zu Forderung 5
Der erste Versuch, den pH-Wert mit einer zweiten mit Turbo-Material gefüllten Säule zu erhöhen, schlug fehl. Wenn die zweite Säule zu klein ist, reicht die Neutralisierungskraft nicht aus. Ist die Säule für die Neutralisierung ausreichend, hat man sich das Problem der Kanalbildung wieder eingekauft - oder die Säule müsste extrem lang gestaltet werden. So musste ein anderer Weg gefunden werden. Die Lösung besteht in einer Neutralisierungsröhre, die mit Luft betrieben wird. Mit dieser Methode ist es möglich, dass auslaufende Wasser auf einen pH-Wert von 7,0 bis 7,3 zu bringen. Verglichen mit einem Auslauf-pH-Wert von 6,0 der herkömmlichen Reaktoren entspricht das ca. 80% weniger freies CO2. Eine Algengefahr durch eine CO2-Überdüngung im Aquarium ist somit minimiert. In Aquarien, in denen ein Mangel an Stickstoff, Phosphat und Kohlenstoff besteht, kann durch Drosselung der Neutralisierungsluft eine CO2-Injektion vorgenommen werden. – Saures Wasser eines Kalkreaktors in einen Abschäumer zu leiten – wie es von einigen Herstellern und Zoofachhändlern empfohlen wird – bringt leider überhaupt nichts. Sobald das CO2 angereicherte Wasser in den Abschäumer gelangt, wird es durch das Vielfache an Aquariumzulaufwasser dermaßen verdünnt, dass der pH-Wert im Abschäumer nur geringfügig unter dem des Aquariumwassers liegt. Bei einer so geringen pH-Differenz kann selbst bei sehr starkem Lufteintrag des Abschäumers so gut wie kein CO2 aus dem System gestrippt (ausgetragen) werden.

Eine vierte Röhre wurde erforderlich, weil während des Wirbelschichtbetriebs feines Material aufgrund der gegenseitigen Reibung der Calcitkugeln abgerieben wird. In der Sedimentröhre wird der größte Teil des Abriebs gesammelt. Zusätzlich kann dort Phosphat aus dem Aquariumwasser gebunden werden. Kalkmaterialien können bei passendem pH-Wert auf der Oberfläche mittels Chemosorption Phosphat binden. Die Kapazität ist zwar nicht besonders hoch, weil nur die Oberfläche für die Calciumorthophosphat genutzt werden kann, jedoch wird beim Turbo-Kalkreaktor kontinuierlich frischer Abrieb nachgeliefert, der neue Oberflächen schafft. Somit kann der Reaktor fortdauernd kleine Mengen Phosphat binden. Verglichen mit anderen Reaktoren, die wegen des benutzten Korallenbruchs zum Teil erhebliche Mengen Phosphat freisetzen, sehen wir die Phosphatadsorption an das Turbo-Granulatabriebs als Vorteil an. Wird das Sedimentrohr gesäubert, entfernt man infolgedessen das gebundene Phosphat aus dem Aquariumsystem.

Der Turbo-Kalkreaktor im Test


Versuchsaufbau des kleinen Größe-1-Reaktors. Foto: AquaCare

Labortest
Bevor der neue Reaktor patentiert wurde, mussten natürlich die Leistung und der praktische Betrieb getestet werden. Im Labor wurde hierfür die kleinste Reaktorgröße bei verschiedenen Durchflussgeschwindigkeiten getestet.

Deutlich erkennt man, dass die höchste Karbonathärte (Quadrate) bei den niedrigsten Durchflussraten produziert wird. Je höher die Durchflussrate, desto weiter fällt die Karbonathärte ab. Aber wie schon besprochen, interessiert nur die Leistung für die Versorgung eines Aquariums. Die Leistungskurve (Dreiecke) macht deutlich, dass mit steigender Durchflussrate die Härteleistung ebenfalls ansteigt. Natürlich darf die Durchflussrate nicht beliebig erhöht werden, weil sonst zu viel CO2 trotz der Neutralisierungsstufe in das Aquarium eingetragen wird. Diese Größe des Turbo-Kalkreaktors sollte mit nicht mehr als 2.000 Härteliter pro Tag angegeben werden. Für ein 500 Liter-Aquarium ist diese Leistung selbst bei reinem Steinkorallenbesatz mehr als ausreichend. Wegen der enormen Leistung läuft der Reaktor im Normalfall nur 1-10 Stunden pro Tag.


Abhängigkeit von Karbonathärte und Leistung von der Durchflussgeschwindigkeit (gemessen bei Turbo-Kalkreaktor Größe 1)

Bis zum ersten Einsatz im eingerichteten Aquarium vergingen ca. 1½ Jahre Entwicklungsarbeit; das Patent für das neue Verfahren wurde auch bereits anerkannt. So fehlte nur noch der Praxistest.

Praxistest

Für den ersten Test wurde ein 400 Liter-Aquarium gewählt, besetzt mit meist Weichkorallen aber auch einigen Steinkorallen. Das Aquarium wurde zuvor ohne Kalkreaktor betrieben und nur mit KH- und Calciumlösungen versorgt. Die Carbonathärte lag zwischen 5 und 6 Härtegraden (Die Karbonathärte wurde mittels Säuretitration bis pH 4,3 ermittelt. Die Genauigkeit liegt bei <0,1°dH). Die pH-Wertschwankungen zwischen morgens und abends waren zum Teil erheblich; früh morgens bevor das Licht (1 x 400 W HQI, 2 x 36 W Leuchtstoffröhren Farbton 21, 2 x 36 W Leuchtstoffröhren Farbton 67) einschaltete lag der pH-Wert unter 7,9 und stieg tagsüber nicht über 8,2. Diese Werte sind zwar akzeptabel aber nicht optimal.


 Praktischer Betrieb des Turbo-Kalkreaktors in unserem 400 Liter-Versuchsaquarium. Technische Daten siehe Fosså & Nilsen 1998.

Nachdem der Turbo-Kalkreaktor gestartet wurde - zunächst lief er 8 Stunden pro Tag -, stieg die Karbonathärte innerhalb eines Tages um 1,6° auf über 7°dH. Danach wurde die CO2-Versorgung abgeschaltet, der Reaktor jedoch nicht entlüftet. Die fehlende Entlüftung wurde am nächsten Tag bei erneuter CO2-Zugabe deutlich: bei gleicher Laufzeit stieg die Karbonathärte nur um 0,8°dH an. Ab nun wurde nach jeder Laufzeit der Reaktor entlüftet, indem die Kreislaufpumpe nach der Produktionszeit ebenfalls abgeschaltet wurde. Am nächsten Tag wurden 1,3° bei gleicher Laufzeit produziert. Im weiteren Verlauf konnten die tägliche Laufzeit in diesem Aquarium auf 1 Stunde reduziert werden, um einen Karbonathärte von 10° im Wasser zu erhalten.

Nach 10 Monaten Laufzeit wurde der Besatz im Aquarium leicht verändert. Die größten Weichkorallen mussten in ein anderes Becken ausweichen, um einigen Steinkorallen Platz zu machen: mehrere Acropora spec., Acropora spec. „Stüber“, Fungia spec., Stylopora spec.. Die Laufzeit des Reaktors wurde auf 1½ Stunden pro Tag erhöht.

Nur "Turbo" reicht nicht aus!

Für das am Anfang des Artikels vorgestellte 11.000 Liter-System reichte der „Kleine“ natürlich nicht aus. Das System wurde von 250 ml Granulatvolumen (Größe 1) auf 5.000 ml Granulatvolumen (Größe 5) erhöht.


Blick in das Aquarium, für das wir den Kalkreaktor entwickelt haben. Foto: AquaCare

Während der Einfahrphase des Systems wurde die gewünschte Härtezahl von ca. 10°KH mit nur wenigen Stunden Laufzeit problemlos erzielt. Aber bereits ein halbes Jahr später, als der Besatz mit Steinkorallen begann, musste die Laufzeit des Reaktors von Woche zu Woche erhöht werden, um den Tieren genügend Gelöstkalk bieten zu können. An einem Punkt stand fest, dass der Verbrauch bereits über 20.000°dH-Liter pro Tag lag. Die Grenzen des Turbo-Kalkreaktors würden bald erreicht sein, zumal der Besatz immer noch nicht komplett war. Auch das Wachstum der Tiere machte uns zu schaffen: innerhalb eines Jahres hatte sich das Volumen einiger Korallen mehr als verzehnfacht. Den Wasserdurchfluss auf über 100 l/h zu erhöhen war zu risikoreich. Eine Algenplage in einem so jungen Aquarium wäre wahrscheinlich die Folge gewesen.

Für dieses Aquarium mussten wir uns erneut Gedanken machen, wie die Leistung des Systems gesteigert werden konnten. Zunächst musste das Granulatvolumen erhöht werden. In dem neuen System sollte es 20 Liter in einem 160 mm Rohr betragen. Aber wie sollte die dafür benötigte CO2-Menge in das Wasser eingetragen werden. Das CO2-Rohr musste aus bautechnischen Gründen einen Durchmesser von nicht größer als 110 mm haben. Zur Lösung dieses Problems wurde der Reaktorinnendruck erhöht. Das CO2 ist bei höherem Druck wesentlich schneller löslich. Damit verbunden ist natürlich eine größere Zulaufpumpe; sie musste über 10 m Förderhöhe haben, um den gewünschten Druck von 1 bar zu erzeugen, aber nur maximal 500 Liter pro Stunde fördern. Auch sollte der Innendruck leicht einstellbar sein. Hierfür wurde ein einstellbares Druckhalteventil aus PVC verwendet. Die Kreislaufpumpe musste natürlich auch dem Druck von 1 bar gewachsen sein. Die Entwicklungsarbeit an diesem Turbo-Modell zog sich über 1 Jahr hin. Viele Lösungen konnten von den kleinen Modellen nicht für die große Anlage übernommen werden; Teile, die sich im Betrieb bewährt hatten, funktionierten an der Anlage im technischen Maßstab nicht zufriedenstellend.

Turbo-Kalkreaktor 7 (Prototyp) im Betrieb an einem 11.000-Liter-Aquarium. Um Messungen machen zu können, musste ein Minilabor aufgebaut werden. Foto: AquaCare

Ergebnisse des Turbo-Kalkreaktors Größe 7

Nachdem die technischen Probleme gelöst wurden, konnten endlich die ersten Messungen am realen System gemacht werden. Der Reaktor mit einer Grundplatte von 2,20 × 1,85 m ist einfach zu groß, um Laborversuche durchführen zu können. Auch das Leergewicht mit ca. 100 kg ist nicht gerade leicht zu händeln.

Zunächst wurde die produzierte Härte bei einem Wasserzulauf von 100 l/d und Normaldruck durchgeführt. Der Normaldruck beträgt aufgrund der im Reaktor befindlichen Wassersäule 0,17 bar. Die ersten gemessenen Maximalwerte überraschten uns nicht: 44°dH bei einem Zulaufwasser von 10,9°KH. Das entspricht einer maximalen Leistung von ca. 70.000 Härtelitern pro Tag (gemittelte Werte von 80 bis 100% Effektivität).

Der zweite Versuch wurde bei 0,5 bar Überdruck durchgeführt. Alle System hielten dem Druck aus und funktionierten ohne Probleme. Die CO2-Zufuhr war bei 5 Liter pro Stunde eingestellt. Sobald das Druckhalteventil auf den Sollwert eingestellt war, erhöhte sich der interne Druck auf 0,5 bar und gleichzeitig wurde das vorher im CO2-Rohr sichtbare Gas sehr schnell weniger. Bei dem Arbeitsdruck konnte das Gas wesentlich effektiver in das Wasser diffundieren. Erst nach einigen Minuten konnte die weitere CO2-Zufuhr wieder die gewünschte Gasblase im CO2-Rohr erzeugen, so dass die mechanische Regelung anspringen konnten. Der gemessene Härtegrad war mit 58°dH deutlich höher – und das bei 100 l/h Durchfluss. Die maximale Tagesleistung liegt abzüglich der nun bereits vorhandenen 12°dH im Aquariumwasser somit bei annähernd 100.000 Härtelitern (gemittelte Werte von 80 bis 100% Effektivität).


Verlauf der produzierten Karbonathärte im Turbo-Kalkreaktor 7 bei 170 und 500 mbar Reaktorüberdruck. Die Härte des Zulaufwasser (Aquariumwasser) wurde zuvor abgezogen.

Interessant wurden die Versuche, wenn die Langzeitproduktion beobachtet wurde. Die Kurve bei Normaldruck sinkt erwartungsgemäß - wie bei allen Kalkreaktoren - nach der Startphase und dem Optimalbetrieb aufgrund der Anreicherung der Fremdgase langsam ab. Eine Entlüftung alle 95 Minuten ist sinnvoll, um den Betrieb bei 80 - 100% Effektivität zu optimieren.

Die 0,5 bar Kurve zeigt, dass die Zeit, nach der die Effektivität langsam absinkt, wesentlich länger ist. Eine Entlüftung ist frühestens erst nach 150 min sinnvoll. Zu erklären ist dieser Umstand mit der bei höherem Druck niedrigeren Entgasung der Fremdgase. Wenn nicht die volle Kapazität des Reaktors benötigt wird, kann die Zeit zur nächsten Entlüftung natürlich weiter herausgezögert werden. Durch die bessere Nutzung wird CO2 eingespart.

Zur Zeit läuft der Turbo-Kalkreaktor 7 an diesem „Hobbyaquarium“ bei 0,5 bar Überdruck und einer Laufzeit von 8-9 Stunden pro Tag – das entspricht einer theoretischen Produktion von ca. 35.000 Härtelitern. Auch wenn die Tiere noch mehr wachsen sollten - und das werden sie mit Sicherheit -, sehen wir keine Probleme, dass der Reaktor genügend Gelöstkalk produzieren kann. Die Laufzeit kann erhöht und der Wasserdurchsatz durch den Reaktor bis auf 500 Liter pro Stunde gesteigert werden. Wenn man von den am Anfang dieses Artikels erwähnten 30 kg CaCO3/m² • a ausgeht und die Dimensionen des Aquariums in die Berechnung mit einbezieht, kann man von einem täglichen Bedarf von 56.000 Härtelitern ausgehen. Dabei sind natürlich nicht die Verluste durch Ausfällungen oder die künstlichen Bedingungen, unter denen die Korallen wachsen, oder Ein- und Austräge durch Wasserwechsel (immerhin 100 Liter pro Tag) mit einberechnet.

Unsere Abschätzungen ergaben, dass die maximale Leistung des installierten Systems bei ca. 500.000 Härtelitern pro Tag liegt; es können also weit größere Steinkorallenaquarien damit betrieben werden. Weitere Versuche mit diesem Verfahren im technischen Bereich werden in Zukunft an unserer Niedere-Tiere-Anlage durchgeführt werden. Ein Bericht folgt. Auch werden wir über das vorgestellte „Hobbyaquarium“ weitere Berichte veröffentlichen.

Wir bedanken uns für die gewissenhafte Laborarbeit unserer Praktikanten Aicke Böhm, Burçin Cetincaya und Tim Krüger.

Literatur

Brockmann, D. 1999: Sind Korallenriff-Aquarien Kohlendioxid-Mangelbecken? Zur Bedeutung von CO2 in der modernen Korallenriffaquaristik. 5. Int. Meerwassersymposium, Bochum.

Broecker, W.S. 1991: Der Stoffkreislauf des Ozeans. In: Biologie der Meere. Heidelberg, Berlin, New York: Spektrum Akademischer Verlag.

Fosså, S.A. & Nilsen, A.J. 1998: Korallenriffaquarium. Band 6. Bornheim: Schmettkamp.

Hebbinghaus, R. 1994: Der Löbbecke-Kalkreaktor. D. Aqu. u. Terr. Z. (DATZ) 47 (8): 517-522.

Kastler, T. 1999: Seegrasökosysteme – Bedeutung und Bedrohung eines vielfältigen marinen Lebensraumtyps. 5. Int. Meerwassersymposium, Bochum.

Mehlhorn, H. & Ruthmann, A. 1992: Allgemeine Protozoologie. Stuttgart: Gustav Fischer Verlag Jena. 

Ramsch, B. & Sellner, B.R. 1996: Der Kohlenstoffkreislauf. D. Aqu. u. Terr. Z. (DATZ) Teil 1: 6: 398 - 401, 7: 441 - 443.

Ramsch, B. 1997: Der pH-Wert und seine Messverfahren. DAS AQUARIUM Teil 1: Definition und Pufferkapazität 3: 50-54. Teil 2: Chemische Bestimmung des pH-Wertes mit Indikatoren. 4: 50. Teil 3: Potentiometrische Bestimmung des pH-Wertes mit pH-sensitiven Messketten. 5: 50-52. Teil 4: Besondere Messsituationen - eine Frage der Messketten und des Meßsystems. 6: 51-54. Teil 5: Wartung von Meßketten.7: 26-28 .Teil 6: Qualitätskriterien für pH-Messketten und -Messgeräte. 8: 52-53.

 

Kategorie: Chemie/Physik