Biologische Wasseraufbereitung effizient und stabil führen

In biologischen Abwasserreinigungsprozessen übernehmen Mikroorganismen die zentrale Aufgabe des Abbaus organischer und stickstoffhaltiger Verbindungen. Damit diese Mikroorganismen effizient arbeiten, benötigen sie neben den Hauptnährstoffen Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Phosphor (P) auch eine Vielzahl an Spurenelementen. Dazu zählen unter anderem Eisen, Kupfer, Zink, Kobalt, Nickel, Molybdän und Mangan.

Diese Spurenelemente wirken als Kofaktoren von Enzymen, die für Schlüsselfunktionen im Stoffwechsel verantwortlich sind:

• Nitrifikation: Enzyme wie Ammonium-Monooxygenase oder Nitrit-Oxidoreduktase benötigen Kupfer, Eisen und Nickel.

• Denitrifikation: Hier sind u. a. Molybdän und Eisen essenziell für die Reduktion von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff.

• CSB-Abbau: Viele Enzyme, die organische Kohlenstoffverbindungen spalten, sind metallabhängig.

Fehlen diese Spurenelemente oder sind sie nicht in bioverfügbarer Form vorhanden, führt das zu:

• Abnahme der biologischen Aktivität,

• instabilen Ablaufwerten (z. B. Anstieg von Ammonium oder CSB),

• erhöhtem Schlammanfall und Störungen wie Filamentwachstum,

• im schlimmsten Fall zu einem biologischen Prozessabsturz.

ALMA AQUA entwickelt deshalb maßgeschneiderte Spurenstofflösungen, die genau auf die jeweilige Abwassercharakteristik abgestimmt sind. So werden Defizite behoben und die Biologie arbeitet stabil und effizient.

Industrielle Abwässer unterscheiden sich stark in ihrer Zusammensetzung. Ein Molkereiabwassser enthält beispielsweise viel Stickstoff, aber oft zu wenig Spurenelemente. Ein Abwasser aus der Papierindustrie hingegen kann reich an organischem Kohlenstoff sein, aber wichtige Metalle fehlen. Standardprodukte können diese Unterschiede nicht abbilden.

Deshalb geht ALMA AQUA den Weg der Individualisierung:

1. Prozessanalytik: Detaillierte Analyse des Zulauf- und Ablaufwassers sowie der Biomasse. Dabei werden Hauptnährstoffe, Spurenelementgehalte und mögliche Hemmstoffe bestimmt.

2. Biologische Tests: Messung von Atmungsraten, Nitrifikationsleistung, Denitrifikationsgeschwindigkeit sowie mikroskopische Schlammdiagnostik.

3. Ableitung des Bedarfs: Identifikation von limitierenden Faktoren – z. B. Eisenmangel bei Nitrifikanten oder Kobaltmangel bei Denitrifikanten.

4. Formulierung: Entwicklung einer exakt abgestimmten Spurenstofflösung, die die Defizite ausgleicht, ohne Überdosierungen oder ungünstige Nebenreaktionen zu riskieren.

5. Pilotierung: Erprobung der Rezeptur im Betrieb und Anpassung auf Basis der Ergebnisse.

So entsteht eine maßgeschneiderte Lösung, die dem Betreiber eine stabile Biologie, verlässliche Ablaufwerte und oft auch geringere Betriebskosten sichert.

Wenn die Biologie nicht optimal versorgt wird, äußert sich das in typischen Betriebsproblemen. Diese lassen sich mit Spurenstoff- und Nährstoffkonzepten gezielt vermeiden.

Häufige Störungen bei Mangel:

• Schaumbildung: Durch Überwucherung filamentöser Bakterien, die bei unausgewogener Nährstoffversorgung überhandnehmen.

• Geruchsbildung: Schwefelwasserstoff (H₂S) entsteht, wenn die Denitrifikation stockt und Sulfatreduzierer dominieren.

• Instabile Ablaufwerte: Überschreitungen von Ammonium, CSB oder Nitrat bei mangelnder Enzymaktivität.

• Überschussschlamm: Ineffizienter Stoffwechsel führt zu mehr Biomasse bei gleichem Substratabbau.

Gezielte Gegenmaßnahmen:

• Regelmäßige Prozessanalytik zur frühzeitigen Erkennung von Defiziten.

• Bedarfsgerechte Dosierung von Stickstoff, Phosphor und Spurenelementen.

• Individuell entwickelte Spurenstofflösungen, die exakt auf den Prozess abgestimmt sind.

• Kontinuierliches Monitoring von Schlüsselparametern wie Ammonium, Nitrat, Schlammindex oder Sauerstoffverbrauch.

So lassen sich Störungen nachhaltig verhindern und der Betrieb läuft stabil – auch bei wechselnden Belastungen.

Eine effiziente Biologie benötigt weniger externe Energie und produziert weniger Nebenprodukte. Die gezielte Versorgung mit Spurenelementen und Nährstoffen hat daher direkte Effekte auf die Betriebskosten:

• Energieeinsparung: Mikroorganismen mit vollständiger Spurenelementversorgung arbeiten effizienter. Sie benötigen weniger Sauerstoffeintrag für den gleichen Substratabbau – das reduziert die Belüfterleistung, die meist den größten Energieverbrauch in Kläranlagen verursacht.

• Reduzierter Schlammaufwand: Optimierte Stoffwechselwege vermeiden überschüssige Biomasse. Weniger Überschussschlamm bedeutet geringere Entsorgungskosten.

• Stabile Prozesse: Weniger Notfallmaßnahmen, geringere CIP-/Spülhäufigkeiten und keine ungeplanten Stillstände senken die OPEX.

• Höhere Anlageneffizienz: Ein stabiler biologischer Prozess reduziert die Notwendigkeit nachgeschalteter Behandlungen und sichert dauerhaft die Ablaufgrenzwerte.

Durch die Kombination aus Prozessanalytik und individuell entwickelten Spurenstofflösungen lassen sich biologische Abwasseranlagen somit nicht nur stabiler, sondern auch wirtschaftlicher und nachhaltiger betreiben.

Die Nitrifikation – also die Umwandlung von Ammonium (NH₄⁺) zu Nitrat (NO₃⁻) – wird von speziellen Bakterien (Nitrosomonas, Nitrobacter) durchgeführt. Diese Organismen sind sensibel gegenüber Spurenelementmangel, weil ihre Schlüsselenzyme metallabhängig sind.

Wichtige Spurenelemente für die Nitrifikation:

• Kupfer (Cu): Bestandteil der Ammonium-Monooxygenase.

• Eisen (Fe): Notwendig für die Nitrit-Oxidoreduktase.

• Nickel (Ni): Essenziell für Urease und Hydrogenasen, die oft parallel wirken.

• Kobalt (Co) & Molybdän (Mo): Beteiligt an Denitrifikations- und Redoxsystemen.

Anzeichen für Mangel:

• Anstieg von Ammonium im Ablauf trotz ausreichender Belüftung.

• Langsamer Nitritabbau (Anhäufung von NO₂⁻).

• Höherer Sauerstoffverbrauch ohne entsprechende Abbauleistung.

• Mikroskopisch: schwache, instabile Flockenbildung.

Gezielte Spurenelementdosierung auf Basis von Analysen stellt sicher, dass die Nitrifikation auch bei hohen Lasten stabil bleibt.

Filamentöse Bakterien treten oft auf, wenn die Biologie aus dem Gleichgewicht gerät. Häufige Ursachen sind Nährstoffmangel, Spurenelementdefizite oder unausgewogene C:N:P-Verhältnisse. Filamente führen zu Schaum, Blähschlamm und Entwässerungsproblemen.

Ursachen für Filamentwachstum:

• Stickstoff- oder Phosphormangel bei kohlenstoffreichem Abwasser.

• Fehlende Spurenelemente, die das Wachstum der gewünschten heterotrophen Bakterien limitieren.

• Ungünstige Betriebsführung (z. B. niedrige Schlammalter, Sauerstoffschwankungen).

Strategien zur Kontrolle:

• Individuell entwickelte Spurenstofflösungen, die gezielt die gewünschte Biomasse fördern.

• Anpassung der Nährstoffversorgung, sodass das Verhältnis C:N:P (100:5:1) eingehalten wird.

• Stabilisierung der Betriebsführung (Belüftung, Schlammalter, Rücklaufführung).

Mit der richtigen Spurenelementversorgung können Betreiber die Wachstumsbedingungen so steuern, dass Filamente zurückgedrängt und stabile Flocken gefördert werden.

In anaeroben Prozessen übernehmen Bakterien und Archaeen die Umsetzung von organischem Material zu Methan und Kohlendioxid. Diese Konsortien sind hochsensibel gegenüber Spurenelementmangel, da viele ihrer Schlüsselenzyme metallabhängig sind.

Wichtige Spurenelemente in der Anaerobie:

• Nickel (Ni): Bestandteil der Methyl-Coenzym-M-Reduktase, Schlüsselenzym der Methanogenese.

• Kobalt (Co): Wichtiger Faktor für Vitamin B₁₂-abhängige Enzyme in der Propionat- und Acetatspaltung.

• Molybdän (Mo) & Wolfram (W): Notwendig für Formiat- und Hydrogenasen.

• Eisen (Fe): Bestandteil vieler Redoxenzyme.

Probleme bei Mangel:

• Erhöhte Propionat- oder Acetatkonzentrationen im Gärschlamm.

• Abfall der Methanproduktion und steigende CO₂-Anteile im Biogas.

• Säuresturz und instabile Fermentation.

Mit einer gezielten Spurenelementversorgung, abgestimmt auf die Fütterung und Substratzusammensetzung, können Biogasanlagen und anaerobe Abwasserbehandlungen stabil, gasreich und störungsfrei gefahren werden. ALMA AQUA entwickelt hierfür individuelle Lösungen, die auf einer genauen Analyse der Substrate und Fermentationsbedingungen basieren.