3. Welche Hauptprinzipien überlagern sich?
3.1 Als Beispiele sollen acht Gruppen dargestellt werden:
3.2 Der gelöste Sauerstoff im Abwasser und der gebundene Sauerstoff in den Zellen
Phase A →anaerobes Milieu (Nutzung von Sauerstoff gebunden als PO4
Phase B →anoxischen Milieu (Nutzung von Sauerstoff gebunden als NO3)
Phase C → aerobes Milieu (gelöster Sauerstoff im Abwasser)
Phase D → Inhomogenität des gelösten Sauerstoffs
3.3 Substrat Angebot
→ leicht abbaubare kurzkettige organische Substanzen (Monosaccharid und Alkan Säuren)
→ hochmolekulare organische Substanzen
→ BSB : CSB Verhältnis
→ Substrat Mangel
3.4 Nährstoffangebot
→ Stickstoffverbindungen
→ Organische Phosphorverbindungen
→ C : N : P Verhältnis
3.5 Mineralangebot
→ Kaliumkonzentration (K)
→ Magnesiumkonzentration (Mg)
→ Kalziumkonzentration (Ca)
→ Natriumkonzentration (Na)
3.6 Säuren und Basen – elektrisches Feld
→ pH-Wert
→ Redoxpotential
→ ζ – potential
3.7 Temperaturänderung und der Einfluss auf das Säure-Laugen Gleichgewicht
→ Esterifikation und Verseifung
→ Gleichgewicht in Kaskadenreaktionen
→ Autolyse in weichem Wasser and Einfluss von Temperatur und Zellplasma
3.8 Immobilisierung von Mikroorganismen und Enzymen auf Trägermaterial
→ Auswirkungen auf Nitrosomonas und Nitrobacter
→ Biogene Aktivität von Enzymen für die Proteolyse außerhalb der Zellen
→ Dynamisches Gleichgewicht des Abbaus von organischen Verbindungen und Ausschleusung der entstandenen Substanzen
4. Wie können diese Elemente entsprechend des Standes der Technik für den Betrieb von Kläranlagen genutzt werden?
Kanalsystem:
→ Einfluss von jahreszeitlichen Schwankungen, von Pumpstationen und Aufenthaltszeiten
→ Wasserhärte (auch zeitweise z.B. durch Schneeschmelze
→ BCB : CSB Verhältnis
→ C : N :P Verhältnis
Fäkalieneinfluss:
→ oft teilweise abgebaut
→ Kohlenstoffquellen sind abhängig von der Art und der Instandhaltung der Klärgruben
→ BCB : CSB Verhältnis
→ C : N : P Verhältnis
Zone I: Phosphor Rücklösung (gerührt)
1. Phase A (Erhaltungsstoffwechsel) und Phase D (Autolyse der Zellen) entsprechend der ln-Funktion
2. Leichtabbaubare organische Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht (Monosaccharide und Alkansäuren)
3. Anaerobes Milieu (Nutzung von als PO4 gebundener Sauerstoff und Abwesenheit von NO3 und gelöstem Sauerstoff)
5. Mineralienangebot (Kalium, Magnesium, Kalzium, Natrium)
6. pH-Wert und Redoxpotential.
8. Biogene Aktivität von Enzymen für die Proteolyse außerhalb der Zellen; dynamisches Gleichgewicht beim Abbau von organischen Verbindungen und der Ausschleusung der entstandenen Produkte
Zone II and Zone III : Pre-denitrifications Tank (Mixers)
1. Phase A (Erhaltungsstoffwechsel) entsprechend der ln-Funktion
2. Leichtabbaubare organische Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht (Monosaccharid und Alkansäuren)
3. Anoxisches Milieu (Nutzung von an NO3 gebundenen Sauerstoff)
4. Stickstoffverbindungen (Reduktion von NO3 zu N)
6. pH-Wert und Redoxpotential
7. Veresterung und ihre Umkehrung Verseifung; Gleichgewichtsbedingungen in Kaskaden Reaktionen
8. Dynamisches Gleichgewicht beim Abbau von organischen Verbindungen und der Ausschleusung der entstandenen Produkte
Zone IV: Aeration Tanks (Feinblasige Belüftung)
1. Phase B (Stürmische Wachstumsbedingungen) entsprechend der ln-Funktion
2. Hochmolekulare organische Substanzen
3. Aerobe Milieubedingungen (Gelöstsauerstoff im Abwasser)
4. Stickstoffverbindungen (Oxidation von NH4 zu NO2 durch Nitrosomonas)
5. Mineralienangebot (Kalium, Magnesium, Kalzium, Natrium)
7. Veresterung und ihre Umkehrung Verseifung; Gleichgewichtsbedingungen in Kaskaden Reaktionen
8. Auswirkungen auf Nitrobacter; Biogene Aktivität von Enzymen für die Proteolyse außerhalb der Zellen; dynamisches Gleichgewicht beim Abbau von organischen Verbindungen und der Ausschleusung der entstandenen Produkte
Zone V: Aeration Tanks (Feinblasige Belüftung)
1. Phase C (lag-Phase) und D (Autolyse der Zellen) entsprechend der ln-Funktion
2. Reste von hochmolekularen organischen Substanzen
3. Aerobe Milieubedingungen (Gelöstsauerstoff im Abwasser)
4. Stickstoffverbindungen (Oxidation von NO2 zu NO3 durch Nitrobacter)
5. Mineralienangebot (Kalium, Magnesium, Kalzium, Natrium)
7. Veresterung und ihre Umkehrung Verseifung; Gleichgewichtsbedingungen in Kaskaden Reaktionen
8. Dynamisches Gleichgewicht beim Abbau von organischen Verbindungen und Ausschleusung der entstandenen Produkte
5. Was geschieht in der Zone I ?
Die Zone I hat ein anaerobes Milieu, das Redoxpotential soll sehr negativ sein. In der Zone I fließt das Abwasser, das durch die Art des Kanalnetzes gekennzeichnet ist und wird, abhängig vom gewählten Reinigungsprozess, mit Rücklaufschlamm oder intern rezirkuliertem Abwasser aus der biologischen Behandlung gemischt. Das bedeutet, dass abhängig von der Länge und Struktur des Kanalnetzes (saisonale Schwankungen, Aktivität des Bioschleims an den Rohrwandungen, dem CSB : BSB-Verhältnis, der Retentionszeit und der Inhomogenität der Geschwindigkeit) beinhaltet das Abwasser mehr oder weniger leicht assimilierbare niedermolekulare Substanzen.
Abhängig vom gewählten Behandlungsprozess variiert auch die Konzentration der Kohlehydrate im rezirkulierten Abwasser sowie im Rücklaufschlamm (entsprechend der Gleichgewichtsbedingungen für den BSB5 = 40 bis 70 mg/l für hohe Schlammbelastung, 15 bis 30 mg/l für niedrige Schlammbelastung und 6 bis 20 mg/l für die Nährstoffeliminationsprozesse). Die Prozesse sind abhängig vom pH-Wert, der Redoxspannung, und der Konzentration von Phosphaten im Rücklaufschlamm. Die Mikroorganismen haben durch die Produktion von Enzymen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit für die Umwandlung und Anpassung an extreme Stoffwechselsituationen. Die Enzyme in einem Einzeller werden auf bis zu 5.000 - 10.000 Arten geschätzt. Im Falle der Biofilmtechnologie wird die biogene Aktivität von Enzymen für die Proteolyse auch außerhalb der Zellen wirksam, weshalb das dynamische Gleichgewicht beim Abbau von organischen Verbindungen erhöht wird.
Wir erinnern uns: Während der aeroben Phase haben die Mikroorganismen einen rasanten Baustoffwechsel, wenn eine ausreichende Substrat- und Nährstoffversorgung gewährleistet ist. Sind Kohlenhydrate und Fette in ausreichender Konzentration in der Flüssigkeit, dann besteht der Exoenzymschleim hauptsächlich aus Polysaccharid-lipoid-hydrolasen. Die organischen Stoffe des Abwassers werden in einer Kaskadenreaktion (das Substrat der folgenden Reaktion ist das Resultat der vorherigen Reaktion) abgebaut und synthetisiert als Substrat in Form von Einzellereiweiß, Nukleinsäuren und Phosphoprotein sowie im Falle einer "Überproduktion" als anorganisches Polyphosphat wie Valutingranula als Energiereserve und Triglyceride als Fettreserve gespeichert. Diese Hydrolasen wirken aufgrund ihres hohen Molekulargewichtes wie industriell produzierte Flockungsmittel und verursachen die Bildung von Flocken im Belebtschlamm.
Wenn die Zellen dann in der lag-Phase und Autolysephase wegen Nahrungsknappheit Zellsubstrat wie Protein und Aminosäuren in die Flüssigkeit ausstoßen, stehen hauptsächlich Proteine und Aminosäuren als Substrat zur Verfügung. In diesem Fall ändert sich der Exoenzymschleim zu Exopeptidasen and Amidasen um die Möglichkeit zu haben, die eigenen inneren Reserven und die Zellsubstrate der lysierten Zellen sowie die leicht assimilierbaren niedrigmolekularen Alkansäuren (meist Polyhydroxy-butyric-acid) und Glukose zum Überleben zu nutzen und schnell auf den Proteinstoffwechsel zu wechseln. Die anorganischen Polyphosphat-Energiereserven sind nun nicht mehr nötig und werden zur Verhinderung eines Überdrucks in den Zellen als ortho-Phosphat in die Flüssigkeit ausgestoßen. Verursacht durch die Zellyse gelangen auch Purine (Bestandteile der Nukleinsäuren) und Polyphosphate in das Abwasser, die zusätzlich als Deflockulanten fungieren und die ausgestoßenen Histidine wirken als Chelatbildner mit der Folge, dass die Zellen sehr stark ihre guten Flockungseigenschaften verlieren.
6. Was geschieht in den Zonen II und III ?
Die Zone II hat ein anoxisches Milieu, das heißt in dieser Zone ist kein Gelöstsauerstoff vorhanden. Das Redoxpotential ist negativ und an Nitrat gebundener Sauerstoff wird für die Denitrifikation genutzt. Wesentlich ist, dass in dieser Zone ausreichend leicht assimilierbare niedrigmolekulare organische Substanzen wie Monosaccharide und Alkansäuren vorhanden sind. Die Belebtschlammrezirkulierung und die interne Abwasserrezirkulation haben einen entscheidenden Effekt auf die Zusammensetzung des Zellsubstrates. Die verschiedenen Abwasserbehandlungstechnologien fordern unterschiedliche Rezirkulierungsstrategien. Schauen wir zunächst auf den klassischen Belebtschlammprozess. Bei diesem Prozess bewirkt eine lange Aufenthaltszeit in den Nachklärbecken und in den Pumpensümpfen eine rasche Verringerung der Gelöstsauerstoff-konzentration. Die Folge ist, dass die Mikroorganismen in die Nitratatmung umschalten und die während des Aufenthaltes in der Zone I eingelagerten Fettsubstrate (Alkansäuren) für den Stoffwechsel verbrauchen.
Im Fall des MBR-Prozesses wird die interne Abwasserrezirkulation in die Zone II geleitet. Es ist der gleiche Effekt wie bei der Einleitung des Rücklauf-Belebtschlamms in eine Denitrifikationsstufe. Das heißt die endogenen Substrate werden während der Aufenthaltszeit in der anoxischen Zone ebenfalls für die Nitratatmung genutzt. Die Phosphoproteine des Zellsubstrates und die Polyphosphate werden stark reduziert.
Wenn der Denitrifizierungsprozess durch eine Restmenge an Gelöstsauerstoff oder durch eine Temperaturänderung (im Bereich der Siedepunkte der Alkane und Amine) gestört würde, würde eine verstärkte Autolyse der Zellen auftreten. Da das Zellplasma reich an Polyhydroxyalkansäuren ist, reagieren diese Verbindungen abhängig von der Pufferkapazität und dem elektrokinetischen Potenzial des Abwassers zu Seifen und Ester (durch eine Säure mit einem Alkohol, wie Glykol, z.B. Triglycerid).
Im Fall einer verstärkten Autolyse der Zellen wird auch die Konzentration von Eiweiß und Aminosäuren erhöht. Wenn die Konzentration von Eiweiß und Aminosäuren während dieser Phase dominiert, bekommen die fadenförmigen Mikroorganismen hervorragende Wachstumsbedingungen. Die Zelleiweiße, die bei der Autolyse der Flockenbildner wegen Substratmangel oder Temperatureinflüssen ausgeschüttet werden, können die fadenförmigen Mikroorganismen direkt assimilieren. Dadurch dass diese Mikroorganismen bei einer geringeren Kohlehydratkonzentration die Aminosäuren und Proteine direkt für ihren Stoffwechsel nutzen können, wird ihnen die Möglichkeit für ein Massenwachstum gegeben. Diese Fähigkeit der fadenförmigen Mikroorganismen beruht darauf, dass sie eine geringere Monod-Konstante Ks als die Flockenbilder in der Monod-Gleichung haben (siehe Abschnitt 8. Gründe für die Blähschlammbildung). Das Massenwachstum führt zu Blähschlamm, der aus diesen Fadenbakterien besteht.
Veresterung und die Gegenreaktion Verseifung sind eine Gleichgewichtsreaktion, wo die Resultate vom quantitativen Verhältnis der Reaktoren abhängen. Entsprechend des Massenwirkungsgesetzes wird:
Das bedeutet, wenn der Zähler dieses Bruchs vergrößert wird, muß sich auch die Konzentration der Ester erhöhen, weil der Wert des Bruches eine Konstante ist. Der umgekehrte Prozess ist die Verseifung, das heißt, die im Abwasser enthaltenen Ester werden in Alkanole und Säuren gespalten, wenn die Säurekonzentration durch alkalische Lösungen und OH-Gruppen, die während des Denitrifikationsprozesses entstehen, verringert wird.
Wenn die Abwassertemperatur im Winter den Temperaturbereich der Siedepunkte der Alkane und Amine durchläuft, wird die Konzentration dieser Verbindungen im Abwasser erhöht. Im Fall, dass die Schwellkonzentration dieser Verbindungen überschritten wird, kann in weichem Wasser die Synthese von schäumenden Stoffen eingeleitet werden. Die Salze der Karbonsäuren sind Seifen. Die Alkali- und Ammoniumsalze von Karbonsäuren sind wasserlöslich und reagieren alkalisch. Karbonsäuren bilden mit Kalium weiche Seifen, die auch im kalten Wasser eine gute Schaumbildung haben. Sie bilden eine Emulsion mit Fetten und setzen die Oberflächenspannung des Wassers (ζ-Potential) herab, worauf ihre Fähigkeit zur Schaumbildung beruht. Die gleichen Effekte haben die Ammoniumseifen.
In hartem Wasser, das Kalzium- und Magnesiumionen enthält, werden mit diesen Ionen wasserunlösliche Seifen gebildet, die keine Schaumfähigkeit haben. Mit Fällungsmitteln, wie Eisen-III-Chlorid oder Aluminiumsulfat, können Karbonsäuresalze gefällt werden.
7. Der Stoffwechsel in den Zonen IV und V
Die Zonen IV und V haben ein aerobes Milieu mit gelöstem Sauerstoff im Abwasser. Bei polyauxischer Nährstoffversorgung, d. h. durch die schrittweise Anpassung der Organismen an veränderte Bedingungen durch Kaskadenreaktionen, bekommen die Mikroorganismen die Fähigkeit zu Umbauten und Anpassungen und können auch externe makromolekulare Verbindungen durch Produktion von Enzymen nutzen. Wenn während der logarithmischen Wachstumsphase eine hohe Konzentration von hochmolekularen Kohlehydraten und Fetten vorherrscht, produzieren die Mikroorganismen Exoenzyme, die an der Zellmembran lokalisiert sind, und starten Kaskadenreaktionen durch Flockung und arbeiten in der Flocke zusammen wie ein Konsortium. Sie beginnen einen vehementen Baustoffwechsel über endogene Proteasen. Diese Proteasen beeinflussen die katalytische Beschleunigung und werden proportional zur Biomasse produziert. Die Stickstoffquelle für die Bildung von Biomasse ist die NH4 - Konzentration im Abwasser. Überschussiges Ammonium wird zu NO2 und NO3 im Abwasser oxydiert.
Enthält das Abwasser noch gelöste Phosphate sind diese in den Zellen als Energiereserve in Form von anorganischem Polyphosphat wie Valutingranula gebunden, um eine Überhitzung der Zellen zu verhindern. Die Erhaltung des Gleichgewichtszustandes dieses Prozesses (d. h. Temperatur, Sauerstoffpartialdruck, Nahrung, und Nährstoffversorgung) ist daher von entscheidender Bedeutung für die Stabilität des Prozesses. Die verschiedenen lag-Phasen für hohe und niedrige Temperatur des Abwassers werden oft technologisch nicht ausreichend zur Kenntnis genommen.
8. Was ist die Ursache für die Bildung von Blähschlamm?
Im Falle von Substratbegrenzung (Begrenzung von Kohlenstoffquellen) haben fadenförmige Mikroorganismen trotz der niedrigeren Wachstumsrate einen Vorteil gegenüber Flockenbildnern, da sie eine geringere Sättigungskonstante in der MONOD-Gleichung haben. Wenn im System eine Begrenzung von Kohlenhydraten und Fett auftritt, beginnt die sogenannte "stringent Reaktion". Das bedeutet, dass nach einem "Stand-by-Modus" oder "lag-Phase", während dieser alle energie- und baustoffwechselintensiven Reaktionen, wie Aminosäure verbrauchende Reaktionen, gestoppt werden. Es folgt die Autolyse der Zellen. Das kann durch eine Temperaturveränderung intensiviert werden, und der Grund dafür ist, dass im System eine höhere Konzentration von Proteinen und Aminosäuren auftritt. Damit bestehen die besten Voraussetzungen für die Entwicklung der filamentösen Mikroorganismen, die eine höhere Effizienz beim Eiweißstoffwechsel haben.
Monod-Gleichung:
worin bedeuten:
• μ ist die spezifische Wachstumsrate der Mikroorganismen
• μmax ist die maximale spezifische Wachstumsrate der Mikroorganismen
• S ist die Konzentration der begrenzenden Substrate für das Wachstum
• Ks ist die "halbe Geschwindigkeitskonstante" - der Wert von S, wenn μ/μmax = 0,5 ist
• μmax und Ks sind empirische Koeffizienten der Monod Gleichung. Sie differieren zwischen den Spezies der Mikroorganismen auf der Grundlage der Milieubedingungen
In einigen Anwendungen sind mehrere Begriffe der Form [S/(Ks+S) ] miteinander vorhanden, in denen mehr als ein Nährstoff- oder Wachstumsfaktor das Potenzial zur Wachstumsbegrenzung hat (z.B. organische Materie und Sauerstoff sind beide für heterotrophe Bakterien nötig). Die fadenförmigen Mikroorganismen bilden keinen Exoenzymschleim zur Flockenbildung. Die während der Autolyse der Zellen ins Abwasser ausgetragenen Purine (Bestandteil von Nukleinsäuren) und Polyphosphate fungieren zusätzlich als Deflockulanten und das Histidin wirkt als Chelatbildner mit dem Ergebnis, dass Blähschlamm entsteht. Diese Agenten kann man mit industriell produziertem Waschmittel zur Suspensionsstabilisierung vergleichen. Sie sind in extrem geringen Konzentrationen (1 ... 5 ppm) sehr effektiv. Bereits in einer Konzentration von 1 ppm bleibt Kalk in Lösung. Die CaCO3-Ausbildung, die für die Flockung erforderlich ist, ist völlig blockiert. Eisensalze bleiben ebenfalls unwirksam. Diese Phänomene werden oft in unterbelasteten Kläranlagen und/oder während der Perioden, der Temperaturverschiebung, beobachtet.
9. Wie entsteht Schaum?
In der Winterperiode werden Metallsalze (Eisen(III)-Chlorid oder Eisensulfat) zugegeben, um die chemische Phosphatfällung zu beschleunigen, die während der Rezirkulation bei Temperaturverschiebung mit den Stoffwechselprodukten der Mikroorganismen reagieren. Durch Änderung der Balance des Stoffwechselgleichgewichtes kann das zur Verseifung führen und mit Alkylgruppen (Methyl-CH3 oder Ethyl-CH2-CH3) kann eine Reaktion zu Sulfonsäuren erfolgen. Diese sind gut wasserlöslich. Damit wird auch eine starke Schaumbildung eingeleitet.
10. Wie kann man diese Prozesse steuern?
Die Steuerung der Prozesse, die auf Mängel und Stress gegründet werden, ist aufgrund der kurzen Intervalle der Änderung der Konzentration der C-Quellen und der Konzentration des gelösten Sauerstoffs schwierig. Das ist durch die Notwendigkeit der Steigerung des Energiestoffwechsels der Mikroorganismen und das Ziel zur Reduzierung der Bildung von Biomasse durch volumen- und zeitabhängige Konzentration des Substrats und des Sauerstoffs in den verschiedenen Reaktorzonen unter Berücksichtigung der Temperaturveränderung bedingt.
Wenn wir einen Blick auf die Nitrifikations-/Denitrifikationsvorgänge haben, sehen wir:
Die bei der mikrobiellen Oxidation von Ammonium zu Nitrat beteiligten Bakteriengruppen haben relativ geringe Wachstumsraten, die durch hohe Konzentrationen von NH4+, NO2 - und NO3- stark gehemmt werden. Die Nitrifikation greift sogar negative in das Puffersystem durch die Bildung von H+-Ionen ein. Die Säurekapazität führt bei unzureichender Denitrifikation zum kritischen Wert von 1,5 mmol/l. Unter diesen Bedingungen müssen Maßnahmen zur Erhöhung der Säurekapazität ergriffen werden.
Im Gegensatz zur Nitrifikation, erhöht sich bei der Denitrifikation durch die Bildung von OH--Ionen die Pufferkapazität und der pH-Wert. Wie wir bereits gesehen haben, kann die Erhöhung der OH- - Ionenkonzentration in weichem Wasser und im Temperaturbereich der Siedepunkte der Alkane (z. B. 2,2-Dimethylpropan) und Amine (z.B. Dimethylamin) nach einem "Threshold-Effekt" die Verseifung von Estern starten und so schäumende Substanzen bilden. Die Balance zwischen Nitrifikation und Denitrifikation muss daher gesichert werden, nicht nur aus energetischer Sicht, sondern auch um einen Zusammenbruch des Systems zu verhindern.
Einen weiteren Einfluss auf die Nitrifikation hat das Verhältnis der organischen Belastung und der Ammoniumkonzentration im Zufluss des Abwassers. Je geringer das Verhältnis BSB:N im Zufluss in das System ist, desto stärker wirken sich Lastschwankungen und Temperatur aus. Die Änderung der Belastung durch C-Quellen wirkt sich besonders dadurch aus, dass ein Überschuss von Kohlenstoffverbindungen am Tage und ein Mangel während der Nachtstunden auftritt. Das Verhältnis C:N:P im Protoplasma der Zellen ist ~ 20:5:1. Der Überschuss von N und P wird in der aeroben Zone zu anorganischem NO3 und PO4 oxidiert. Die Polyphosphate können mit dem Überschussschlamm ausgeschleust werden. Stickstoff kann durch Denitrifikation gasförmig in die Atmosphäre ausgetragen werden. Für den Fall, dass im Verhältnis C:N die assimilierbare CO2-Konzentration zu niedrig ist und die Zellyse nach einem "Stand-by-Modus" startet, haben die Mikroorganismen mit einer kleineren Monod-Konstanten Ks viel bessere Voraussetzungen für die Massenentwicklung als die Flockenbildner. Das heißt, die fadenförmigen Mikroorganismen werden stürmisch wachsen und das Ergebnis ist ein Blähschlamm mit einem sehr hohen Schlammvolumenindex.
Je nach den Verzögerungszeiten (lag-times) der mikrobiologischen Systeme werden die Zellen bei Stresssituationen durch Intervalländerungen der Konzentration des gelösten Sauerstoffs oder bei Mangel an C-Quellen sehr schnell reagieren und sich dem anaeroben oder aeroben Milieu anpassen. Da die mikrobiologischen Systeme unterschiedliche Verzögerungszeiten für hohe und niedrige Temperatur des Abwassers haben, muß auch dieses Phänomen technologisch für die Nitrifikation/Denitrifikation Prozesse beachtet werden.
Jetzt wollen wir noch einen Blick auf den Phosphorentfernungsprozess werfen:
Während des Übergangs von der aeroben zur anaeroben Reaktorzone ändert sich grundsätzlich die Zusammensetzung der Zellsubstanz der Mikroorganismen. In der aeroben Zone wird Polyphosphat, sogenannte "Valutingranula", in den Zellen gespeichert werden. Bei intervallmäßiger Änderung der Milieubedingungen erhöht sich die Phosphatkonzentration bis zu 4,5 % und mehr. In der anaeroben Zone werden diese Polyphosphate depolymerisiert und in das Abwasser ausgeworfen. Wenn in dieser Zone leicht assimilierbare Monosaccharide und Alkansäuren vorhanden sind, werden diese mit der Zeit mehr und mehr mit den fetthaltigen Substanzen (niedermolekulare Alkanhydroxysäuren) unter anaeroben Milieubedingungen in die Zellen eingebaut.
Diese werden in der anoxischen Zone für den Energiestoffwechsel mit dem Sauerstoff von Nitrat genutzt. Im Falle einer zu niedrigen Versorgung mit Kohlenstoff wird die Zellyse initiiert und es wird auf den Eiweißstoffwechsel umgestellt, mit dem Ergebnis, dass Oligopeptide und Aminosäuren als assimilierbare Substanzen verwendet werden. Die Flockungseigenschaften der Exoenzyme verschwinden, die Prozesse der Nährstoffeliminierung brechen zusammen und innerhalb der Zellen wird eine große Menge von chemisch gebundenem Wasser gebildet. Dieses Wasser kann nur durch die Zerstörung der Zellmembranen beseitigt werden. Daher verschlechtert sich die Entwässerungsfähigkeit des Überschußschlamms sehr, weil die Exoenzyme, die wie Flockungsmittel wirken, verschwunden sind. Die Aminosäure Histidin wirkt darüber hinaus als Deflockulant und bildet mit Metallen sehr stabile Komplexverbindungen und das chemisch gebundene Wasser kann durch physikalische Methoden wie Zentrifugen oder Pressen nicht entfernt werden. Der bei diesen Prozessen erreichbare Trockensubstanzgehalt des entwässerten Schlamms sinkt entsprechend ab.
11. Wie kann man diese Elemente für den Betrieb von Schlammbehandlungs- anlagen speziell für den Moving-Bed- Bioreactor-Prozess (MBBR-process) und den Membran-Bioreactor-Prozess (MBR-process) nutzen?
Die Aufgabe kann dadurch gelöst werden, dass der Überschussschlamm unabhängig vom Rücklauf-Belebtschlamm am Ende des Reaktors mit anoxischen Milieubedingungen (Zone III), in dem die niedrigste Nitratkonzentration im Abwasser vorhanden ist, entnommen wird. Die Konzentration von Phosphor in den Mikroorganismen der internen Rezirkulation und ihr Zellsubstrat ist in dieser Phase nicht deutlich verringert, deshalb können die Phosphorverbindungen mit dem entwässerten Schlamm aus dem System entfernt werden. Der Rücklaufschlamm wird am Ende der Kette der Behandlungstanks entnommen (Zone V), wo er die höchste Phosphorkonzentration und das Abwasser nur die zulässige Nitrat- und Phosphorkonzentration hat.
Für die Behandlung von Abwasser, ist das C:N-Verhältnis entscheidend für die Art des Stoffwechsels. Die Mikroorganismen mit einer kleinen Sättigungskonstante Ks in der Monod-Gleichung (fadenförmige Bakterien) dominieren die Flockenbildner im Fall einer hohen Protein- und Aminosäurekonzentration im Abwasser und können bei einer niedrigen C-Konzentration den Proteinstoffwechsel starten und so ein Massenwachstum der filamentösen Mikroorganismen verursachen, das ist der Grund für Entstehung von Blähschlamm. Dies wird durch die erhöhte Autolyse der Zellen am Ende der anoxischen Zone III verstärkt. Diese Situation wird im Falle von weichem Abwasser noch verschärft. Diese Situation tritt auch im Fall von nur gelegentlicher Mischung mit geschmolzenem Schneewasser auf. Wenn die Abwassertemperatur dann auch noch in den Bereich der Siedepunkte der Alkane kommt, sind für einige Amine die Voraussetzungen für die Bildung von Alkali- und Ammoniumseifen gegeben, weshalb in weichem Wasser eine spontane Schaumbildung beginnt. Wenn der Überschussschlammschlamm aus der Zone III entnommen wird, ist entsprechend der Schlammbelastung die Voraussetzung gegeben, diese Phänomene zu steuern.
Im Falle von hartem Wasser, wenn eine ausreichende Konzentration von Kalzium- und Magnesium-Ionen vorhanden ist, kann die flüssige Phase der Schlammeindickung und der Schlammentwässerung direkt in die anaeroben und/oder anoxischen Reaktorzonen geführt werden, da in diesen Fällen wasserunlöslichen Seifen gebildet werden. Die OH-Gruppen, die in der anoxischen Zone durch Denitrifikation freigesetzt werden, würden die Konzentration von Alkansäuren überlagern und das würde zu einer Verseifung nach dem Massewirkungsgesetz führen. Durch die notwendige Prozessführung wird weder die anaerobe Zone durch Nitrat und gelösten Sauerstoff belastet noch eine übermäßige Autolyse der Zellen, die durch die Bildung von OH-Gruppen während der Denitrifikation in der anoxischen Zone entstehen, verursacht.
Durch die Einleitung der flüssigen Phase der Schlammeindickung und Schlammentwässerung in die anaerobe Phase, kann die Rezirkulation von Abwasser aus der anoxischen Zone in die anaerobe Zone reduziert werden. Eine deutliche Erhöhung der Wirksamkeit der Phosphorelimination wird erreicht, wenn anstelle der flüssigen Phase, ein Teil des eingedickten Schlamms in die anaerobe Zone I und die flüssige Phase in die aeroben Zone IV eingeleitet wird.
Das Funktionsprinzip des MBR-Prozesses ist durch die Tatsache charakterisiert, dass im Bioreaktor die Konzentration der Trockensubstanz (MLSS) von 6 bis 20 g/L entsprechend der gewählten Schlammbelastung eingestellt werden kann. Die Konzentration der MLSS liegt im Bereich der Konzentration von Überschußschlamm bei konventionellen Belebungsanlagen. Die fest/flüssig Trennung erfolgt durch belüftete Mikro- oder Nanomembranen, das ist der Grund, warum das Volumen der Membrankammern mit zum aeroben Reaktorvolumen gerechnet wird. Der Überschussschlamm wird aus der anoxischen Zone III entnommen und hat die niedrigste Nitratkonzentration. Der Rücklaufschlamm wird aus der Membrankammer entnommen. Vom Ende der aeroben Zone V wird die interne Rezirkulation des Abwassers gestartet und in die anoxische Zone II gepumpt. Die Mikroorganismen dieser Mischung haben eine sehr hohe Phosphorkonzentration, die nicht reduziert wird, solange Nitrat während des Aufenthaltes in der anoxischen Zonevorhanden ist. Weil der chemisch gebundene Sauerstoff der Nitrate in dieser Zone durch die Mikroorganismen für die Respiration verwendet wird, kann aus dieser Zone der Überschußschlamm ohne Probleme für die folgenden Schlammbehandlungsschritte entnommen werden. Aus dieser Zone wird auch das Abwasser für die anaerobe Abwasserrezirkulation in die anaerobe Zone I entnommen. In dieser Zone I wird von den Mikroorganismen, als Energiequelle der der als PO4 chemisch gebundene Sauerstoff für die Speicherung von Fettsäuren genutzt und die ortho-Phosphate werden in das Abwasser ausgestoßen.
Eine mögliche Variante ist, dass statt einer separaten anaeroben Rezirkulation die flüssige Phase der Schlammeindickung und/oder der Schlammentwässerung in die anaerobe Zone I eingeleitet wird. Das ist besonders vorteilhaft für hartes Wasser mit ausreichend Kalzium und/oder Magnesium Ionenkonzentrationen. Damit werden keine separaten Aufwendungen für den Bau, die Ausrüstung, für Pumpen und Rohrleitungen benötigt. Bei weichem Abwasser würde es möglich sein, dass die als Folge der Autolyse der Zellen freigesetzten ortho-Phosphate, Fettsäuren und Zellsubstrate (Purin, Histidin, Nukleinsäuren) im Falle einer Erhöhung des pH-Wertes als Ergebnis der freigesetzten Hydroxy-Gruppen zu Verseifung und damit zu Schaumbildung führen. Die freigegebenen Zellsubstrate fungieren als Deflockulanten und Komplexbildner. Deshalb muss der Prozess durch eine Redoxpotential Messung und die aerobe Zone IV entsprechend verringert (Steuerstufe) und die Schlammbelastung durch Abzug von Überschussschlamms gesteuert werden. Durch die anaerobe Rezirkulation wird weitgehend die Autolyse der Zellen unterdrückt und somit keine günstigen Bedingungen für eine Massenpopulation von filamentösen Mikroorganismen geschaffen.
Eine weitere mögliche Variante ist, dass auch beim klassischen Belebungsverfahren mit Nährstoffeliminierung der Überschußschlamm aus der anoxischen Zone III entnommen wird. Es ist vorteilhaft, in diesem Fall die Schlammeindickung mit der anaeroben Rezirkulation zu kombinieren, so dass die flüssige Phase als anaerobe Rezirkulation in die anaerobe Zone I genutzt werden kann. Wenn weiches Abwasser (auch temporäre während der Zeit der Schneeschmelze) behandelt wird und der Schlamm durch Gravitation eingedickt wird, ist es vorteilhaft, die Flüssigphase in die aerobe Zone IV zu führen.
Eine weitere Möglichkeit ist, dass der Überschussschlamm separat oder zusammen mit dem Primärschlamm oder Siebmaterial vom Microsieb in einem einstufigen oder zweistufigen Stabilisierungsprozess konditioniert und hygienisiert wird.
Wir wollen nun noch die Prozesskombinationen bei der biologischen Nährstoffelimination mit aerober Stabilisierung und mit Faulung zeigen.
Für die erste Kombination haben wir zwei Varianten:
Für die zweite Kombination wollen wir nur die meist angewandte Verfahrensvariante diskutieren:
12. Einfluss auf die Schlammeindickung und die Schlammentwässerung
In den letzten Jahren wurden in einigen Kläranlagen, die die oben genannte Prozesskombination nutzen, eine Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften des Faulschlamms und Ablagerungen in den Supernatantpumpen und -leitungen beobachtet. Um dieses Phänomen zu beheben, können wir oft eine falsche Diagnose der Ursachen sehen. So wird zum Beispiel erläutert:
- Die erhöhte Phosphorkonzentration würde dazu führen, dass im Faulschlamm ein erhöhter Anteil an chemisch gebundenem Wasser beobachtet wird. Dadurch würde der Trockensubstanzgehalt des entwässerten Schlamms sinken und mehr Flockungsmittel benötigt werden.
- Die Auflösung von Phosphor in den Faulbehältern führe zu einer Erhöhung der Phosphatkonzentration. Durch die
Rezirkulation von Supernatant wird im Bioreaktor die Effektivität des P-Abbaus verringert.
- Die erhöhte Phosphorkonzentration würde zur Bildung von Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP, Struvit) führen.
- MAP und Kalziumphosphat würden im Fall eines pH-Wert über 7,2 (durch die Entgasung von CO2) Ablagerungen in den Abflussleitungen des Faulbehälters und in den Supernatantpumpen verursachen.
Was geschieht wirklich im Faulbehälter? Die Löserate für Phosphor liegt zwischen 15 und 23 % und führt zu einer Phosphatkonzentration in der flüssigen Phase von 200 bis 750 mg/L. Ein größerer Anteil kristallisiert im Faulbehälter als Magnesium-Ammonium-Phosphat. Daher wird oft diskutiert, dass die flüssige Phase, die Kapazität des biologischen P-Abbaus überschreiten würde. In diesem Fall würde nicht berücksichtigt, dass höhere Phosphorkonzentrationen erheblich schneller abgebaut werden als niedrigere Konzentrationen. Zum Beispiel, wenn der Zufluss eine Konzentration von 9 mg/L hätte, würde diese auf ~11 mg/l ansteigen. Die Kapazität der p-Reduzierung würde nicht signifikant geändert.
Was ist die wahre Ursache für die Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften des Faulschlamms? Wir erinnern uns an die physiologischen Grundlagen der biologischen Abwasserreinigung und können sehen, dass der Grund für dieses Phänomen im Prozessschritt vor dem Faulbehälter liegt. Das wird besonders deutlich, wenn der Klärschlamm gravitativ eingedickt wird und es wird besonders im Fall der gemeinsamen gravitativen Eindickung des Primärschlamms und des Überschussschlamms kontraproduktiv. Der Grund dafür ist der Start der Nitratatmung durch die mit der gemeinsamen Eindickung von Primär- und Überschußschlamm verbundenen biochemischen Aufnahme von Wasser in die Zellen, die nicht mit physikalischen Methoden entwässert werden können.
Eine Abhilfe kann deshalb dafür nur geschaffen werden, dass der Primärschlamm gesondert gravitativ und der Überschußschlamm mechanisch eingedickt werden!
Je nach Zusammensetzung des Abwassers treten in der Tat Ablagerungen von Magnesium-Ammonium-Phosphat und Kalziumphosphat in den Ablaufleitungen des Faulbehälters, den Speicherecken und Supernatantpumpen auf. Das kann verhindert werden durch:
- Dosierung von FeClSO4-Lösung auch im Fall eines gut funktionierenden biologischen P-Abbaus vor dem Nachklärbecken mit dem Ziel, den SVI und den Schwefelgehalt im Biogas zu verbessern.
- Verringerung der Ablagerungen von Kalziumphosphat durch Dosierung von FeClSO4-Lösung und Zitronensäure (Antiscaling Lösung) vor den Zentrifugen.
- Schutz der Supernatantpumpen und Rohre durch Beschichtung mit Polyurethan
In Anbetracht der mikrobiologischen Stoffwechselwege, wie in der folgenden Abbildung gezeigt und schon vorher erklärt, sehen wir auch, dass in jedem Fall die gemeinsame Eindickung von Primär- und Überschussschlamm in Schwerkrafteindickern als Ergebnis eine Verschlechterung der Entwässerungseffektivität hat. Daher sollte in der Praxis konsequent für die Eindickung des Überschussschlamms eine mechanische Technologie gefordert werden und die Entwässerung ohne Zwischenspeicherung erfolgen, um den Beginn der Nitratatmung während dieses Prozesses zu verhindern. Die daraus resultierenden Entwässerungseigenschaften sind unabhängig vom Entwässerungsprozess, wie Schlammtrockenbeete, Bandfilterpressen oder Zentrifugen, weil sie während der Abwasserbehandlung und der Eindickungsprozesse gebildet werden.
Zur Demonstration werfen wir einen Blick auf die folgende Abbildung, die die Abhängigkeit der Leistung der Schlammtrockenbeete vom spezifischen Filterkuchenwiderstand zeigt:
Die Abhängigkeit der Oxydation/Reduktion vom elektrokinetischen Potenzial ist nach Böhringer:
