ABWR-Biologische Verfahren

• Mikroorganismen müssen eine ausreichende Menge an Nährstoffen haben (z. B. Stickstoff, Kohlenstoff, Phosphor ...)
• alpha > 0,6 

• aerob:     Sauerstoff ist vorhanden (organische Kohlenstoffverbindungen und Stickstoffverbindungen) durch Nitrifikation, BSB5/CSB Abbau
• anaerob: kein Sauerstoff vorhanden (nur Kohlenstoffverbindungen abbaubar)  BSB5/CSB Umbau  

bei hoch konzentrierten Abwässern (CSB > 5000 mg/L)

• kein Sauerstoff vorhanden 
• NO₃-N und NO₂-N vorhanden 
• BSB5/CSB Abbau 
• In Abwassertechnik: Beschreibung eines Milieus in dessen wässriger Umgebung kaum gelöster, aber chem. gebundener O2 vorhanden ist

Mikroorganismen im Abwasser leben in einer Lebensgemeinschaft. Reinkulturen kommen fast nicht vor. Kommen als Flocken oder Schlamm vor. 

Synonym = biologischer  Rasen  

• Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen 
• Stark vom Substrat- und der Temperatur abhängig 

Ist die Eigeschaft der Mikroorganismen verschiedene Stoffe zu verdauen. Sie zersetzten zunächst die "leichte Kost" und dann die schwere. Damit die Schwere auch abgebaut wird, muss die Substratkonzentration niedrig gehalten werden. Das sorgt für ein hohes Schlammalter.

ein hohes Schlammalter wird benötigt. 

• Aerober Abbau: BSB₅ : N : P  =  100 : 5 : 1
• Anaerober Abbau: BSB₅ : N : P  = 200 bis 500 : 5 : 1

Der zur Volumenbemessung von Belebungsanlagen entscheidende Parameter ist das Schlammalter, welches sich nach dem Reinigungsziel bestimmt.

• Höchstlast, Hochlast, Mittellast, Schwachlast, Stabilisierung
• Bei Biologischen Verfahren gilt der Grundsatz, dass ein gleichmäßiger Betrieb der Aerob- oder Anaerobstufen die höchste Reinigungsleistung ergibt. Keine Stoßbelastung. Biologische Systeme benötigen lange Einfahrzeiten (mehrere Tage bis Wochen) , bis sich ein stabiler Abbau einstellt.
• Mit Hochlast da geringes Schlammalter.

Verfahren mit suspendierter Biomasse (Belebungsverfahren, Druckbiologie): Bakterien sind mobil

Vorteile:

- Kann eingesetzt werden, wo die Trennung von Biomasse und Substrat nicht möglich ist z.B. bei Schlämmen. 

Nachteile:

- kein Rückhalt der Biomasse. Wird die Durchflusszeit kürzer als die Generationszeit der Mikroorganismen, werden sie ausgeschwemmt und folglich bricht der Anaerob-Prozess mangels Biomasse zusammen

Verfahren mit sessiler Biomasse (Festbettverfahren, mehrstufiges Verfahren): Bakterien sind immobil

Vorteile:

- Im Abstrom betriebene Reaktoren haben größere Verstopfungssicherheit; gut bei schlecht absetzbaren Mikroorganismen 

Nachteile:

- Biomasse wird durch Trägermaterialien zurückgehalten, dadurch droht Verstopfung; ungleichmäßige Durchströmung; eigenen sich nicht für Abwässer bei denen Ausfällungen auftreten.

• Mit suspendierter Biomasse: Konventionelles Belebungsverfahren, Hochbiologie, Druckbiologie
• Mit sessiler Biomasse: Tropfkörperverfahren, Scheibentauchverfahren, mehrstufige Verfahren

Vorteile: 

+ Die Biomasse kann vollständig zurückgehalten werden 
+ gute O₂ Ausnutzung
+ Hohes Schlammalter (z. B. 250 Tage) 

Nachteile:

- 20% höherer Energieverbrauch als herkommliche Belebungsanlagen 

Vorteile:

+ unterschiedliche Mischbioznösen 
+ gute Absetzeingeschaften
+ Abwasser kann durch mehrfache Abwasserrückführung ohne zu Verstopfen gereinigt werden 

Nachteile: 

- bei geringerer Spülkraft droht Verstopfung 
- Art und Umfang der Biomasse nicht bestimmbar 
- Giftstöße werden nicht gleichmäßig verteilt 

Unter Nitrifikation wird die Oxidation des Ammoniums über Nitrit zu Nitrat verstanden. Für dieses Prozess sind zwei Gruppen von Bakterien verantwortlich welche zu den strikt aeroben, chemo-litho-autotrophen Organismen gehören. Das Bakterium Nitrosomonas oxidiert das Ammonium zu Nitrit und das Bakterium Nitrobacter das Nitrit zu Nitrat. Die Nitrifikation kann sowohl mit dem Belebschlamm- als auch mit dem Tropfkörperverfahren durchgeführt werden.
 

• Vermehrungsgeschwindigkeit der anderen Vertreter der Lebensgemeinschaft so stark einschränken, dass das Schlammalter der langsamwachsenden Nitrifikanten eingehalten wird.
• Verhältnismäßig viel Sauerstoff, theoretisch 4,6 kg Sauerstoff pro kg Ammoniumstickstoff. Dadurch wird verhindert dass die Nitrifikanten im Kampf um Sauerstoff nicht unterliegen.
• Für die Nitrifikation beim Belebungsverfahren die Schlammbelastung nicht größer als 0,15 kg BSB₅/(kgTS+d) sein.
• Temperatur zwischen 8 und 35 °C sein. Sonst erliegen der Nitrifikation.
• Keine toxischen Konzentrationen
• Starke Abhängigkeit vom pH-Wert. Optimal zwischen pH 7,5 und 8,5.

• Unter Denitrifikation versteht man die mikrobielle Reduktion oxidierter Stickstoffverbindungen, in erster Linie Nitrat und Nitrit, zu elementarem Stickstoff.
• Es müssen anoxische Verhältnisse vorliegen (d.h. die Denitrifikation der Nitrat- oder Nitrit-Ionen findet nur unter Ausschluss von gelöstem Sauerstoff statt)
• Temperatur abhängig Optimal ca. 30°C ( nie unter 8°C sonst erliegen der Reaktion)
• pH-Bereich von 6 bis 9. Optimale Reaktionsbedingungen liegen im neutralen bis schwach alkalischem Medium pH 7 bis 8,5.
• je leichter abbaubar die organische Verbindung, desto schneller die Denitrifikation. 

• Vorgeschaltete Denitrifikation: Bei dieser Betriebsweise wird eine unbelüftete anoxische Denitrifikationszone vor die aerobe Reaktionszone geschaltet, in welche ein Teil des nitrithaltigen Ablaufs der aeroben Stufe zusammen mit dem Belebschlamm zurückgeführt wird. Das für die Denitrifikation erforderliche Substrat wird durch das ebenfalls in die Denitrifikationszone eintretende, noch nicht nitrifizierte Rohabwasser geliefert. Durch Rühren ohne Belüftung wird ein Absetzen des Belebschlammes verhindert. 
• Nachgeschaltete Denitrifikation
• Simultane Denitrifikation: Durch konstruktive Gestaltung des Belebungsbeckens gleichzeitig sowohl ein ausreichend belüfteter Bereich zur Nitrifikation als auch an anderer Stelle eine hinreichende große anoxische Zone zur Denitrifikation vorhandne ist. 
• Intermittierende (alternierenden) Denitrifikation: Die Belüftungsaggregate werden alternierend an- und abgeschaltet.

• SBR = Sequencing-Batch-Reaktor
• Das SBR-Verfahren ist ein diskontinuierliches Verfahren und ist eine Alternative zu den kontinuierlichen Reinigungsverfahren. Es zeichnet sich dadurch aus, dass alle Behandlungsphasen der biologischen Abwasserbehandlung – vom Befüllen/Belüften bis zum Absetzten und Entleeren  - nacheinander in einem Becken ablaufen. Hieraus resultieren niedrige Investitionskosten und ein geringer Flächenbedarf. Die Behandlung kann dabei eine bis mehrere hintereinander folgende Phasen zur Nitrifikation und Denitrifikation sowie eine biologische P-Eliminierung beinhalten.

• Der Energiegewinn, den die Organismen aus dem anaeroben Stoffwechselprozess ziehen können, ist wesentlich kleiner als beim aeroben Stoffwechsel. Daraus resultiert eine deutlich geringere Wachstumsrate der anaeroben Mikroorganismen als der aeroben Mikroorganismen. Wegen der langen Generationszeiten und der Empfindlichkeit gegenüber Milieuschwankungen  der anaeroben Mikroorganismen kann die Einfahrzeit für anaerobe Reaktoren mehrere Monate dauern. Die Einfahrzeit kann eventuell verkürzt werden, indem mit anaeroben Mikroorganismen angeimpft wird.

• Hydrolyse: Hochmolekuläre Stoffe (Polymere) werden durch extrazelluläre Enzyme in gelöste Bruchstücke überführt. Da diese sonst nicht von den Bakterien aufgenommen werden können. 
• Versäuerungsphase: Die bei der Hydrolyse entstehenden Produkte (Monosaccharide, Aminosäuren, Fettsäuren) werden sodann von verschieden fakultativen anaeroben Bakterien als Substrat verwendet.  Je nach Umweltbedingungen und Substrat werden unterschiedliche Abbauprodukte gebildet: In wässriger Phase vorwiegend niedere organische Säuren (Ameisen-, Milch, Essig-, Propion-, Buttersäure) und Alkohole (Methanol, Äthanol), in der Gasphase CO₂ und H₂. Aufgrund der Säureproduktion sinkt der pH-Wert ab.
• Acetogene Phase: Die Methanbakterien können als Substrat nur Essigsäure, Ameisensäure, Methanol, Kohlendioxid und Wasserstoff verwerten. Die Umwandlung höherer organischer Säuren (Propion-, Buttersäure) zu Essigsäure erfolgt durch eine weitere Mikroorganismen-Gruppe, den acetogenen Bakterien. 
• Methanogene Phase: Überführung der in den anderen Schritten gebildeten niedermolekularen Abbauprodukte in die gasförmigen Endprodukte Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂) erfolgt durch die Methanbakterien.

Die mittlere Verweilzeit der Bakterien im Reaktor (Durchflussreaktor) ist dann gleich dem Kehrwert der Wachstumsrate  und wird Schlammalter bezeichnet. Das Schlammalter wird in Abhängigkeit vom Reinigungsziel als Bemessungsgröße für biologische Reaktoren herangezogen.   

\(\tau = \frac{ 1 }{ \mu }\)