Was ist biologische Abwasserbehandlung?
Unter biologischer Abwasserbehandlung versteht man den gezielten Einsatz von Mikroorganismen zur Entfernung biologisch abbaubarer Inhaltsstoffe aus Abwasser. Die Mikroorganismen nutzen organische Verbindungen als Nahrungs- und Energiequelle und wandeln diese in Biomasse, Kohlendioxid, Wasser oder – bei anaeroben Prozessen – in Biogas um.
Wichtige Bewertungsgrößen sind der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) und der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB5). Sie beschreiben die organische Belastung des Abwassers und geben Hinweise auf dessen biologische Abbaubarkeit.
Wie funktioniert die biologische Abwasserbehandlung?
Eine biologische Behandlungsanlage besteht in der Regel aus mehreren aufeinander abgestimmten Prozessschritten:
- Mechanische Vorreinigung zur Entfernung von Grobstoffen und Feststoffen.
- Homogenisierung und Pufferspeicherung zur Vergleichmäßigung von Mengen- und Frachtspitzen.
- Biologische Reaktionsstufe mit Mikroorganismen.
- Abtrennung der Biomasse.
- Weitergehende Behandlung oder Einleitung des gereinigten Wassers.
Ziel ist es, die organische Belastung zu reduzieren und gegebenenfalls Stickstoff- und Phosphorverbindungen zu entfernen. Die biologische Stufe bildet häufig das Kernstück einer industriellen Abwasserbehandlungsanlage.
Aerobe Verfahren
Bei aeroben Verfahren erfolgt der biologische Abbau unter Sauerstoffzufuhr. Die notwendige Belüftung gehört deshalb zu den wichtigsten Betriebseinrichtungen einer Anlage.
Typische aerobe Verfahren sind:
- Belebtschlammverfahren
- Sequencing Batch Reactor (SBR)
- Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)
- Membranbioreaktor (MBR)
Beim Belebtschlammverfahren liegen die Mikroorganismen als suspendierte Biomasse vor. Nach dem biologischen Abbau wird die Biomasse in einer Nachklärung vom gereinigten Wasser getrennt.
MBBR-Anlagen nutzen frei bewegliche Kunststoffträger, auf deren Oberfläche ein Biofilm wächst. Dadurch können hohe Biomassekonzentrationen erreicht werden. Membranbioreaktoren kombinieren biologische Reinigung und Membranfiltration. Die Membran ersetzt die klassische Nachklärung und liefert ein weitgehend feststofffreies Permeat.
Aerobe Verfahren ermöglichen neben dem Kohlenstoffabbau auch die Nitrifikation und Denitrifikation zur Stickstoffelimination.
Anaerobe Verfahren
Anaerobe Verfahren arbeiten ohne gelösten Sauerstoff. Organische Verbindungen werden durch verschiedene mikrobielle Stoffwechselstufen zu methanhaltigem Biogas umgewandelt.
Typische Reaktorkonzepte sind:
- UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Bed)
- EGSB-Reaktoren (Expanded Granular Sludge Bed)
- Anaerobe Festbettreaktoren
- Hochlastreaktoren mit Biomasseträgern
Die anaerobe Behandlung eignet sich insbesondere für hoch belastete Industrieabwässer mit hohen CSB-Frachten. Vorteile sind ein vergleichsweise geringer Schlammanfall und die Möglichkeit der Energiegewinnung aus Biogas. Da die Ablaufqualität häufig nicht ausreicht, wird die Anaerobstufe oft mit einer nachgeschalteten aeroben Reinigung kombiniert.
Wichtige Betriebsparameter
Die Leistungsfähigkeit biologischer Verfahren hängt von zahlreichen Einflussgrößen ab:
- CSB- und BSB5-Fracht
- Temperatur
- pH-Wert
- Sauerstoffversorgung
- Nährstoffverhältnis von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor
- Schlammalter
- Leitfähigkeit und Salzgehalt
- toxische oder biologisch hemmende Inhaltsstoffe
Insbesondere Stickstoff- und Phosphormangel können den biologischen Abbau begrenzen. Ebenso können hohe Salzfrachten, Lösemittel, Desinfektionsmittel oder andere Hemmstoffe die Aktivität der Mikroorganismen beeinträchtigen.
Bedeutung für Wasserrecycling
Die biologische Abwasserbehandlung ist häufig die Grundlage für industrielle Wasserrecyclingkonzepte. Sie reduziert organische Belastungen und schafft damit die Voraussetzungen für nachfolgende Aufbereitungsstufen.
Für eine Wiederverwendung des Wassers sind jedoch häufig zusätzliche Verfahren erforderlich, beispielsweise:
- Filtration
- Aktivkohleadsorption
- Oxidationsverfahren
- Ultrafiltration
- Umkehrosmose
- Desinfektion
Welche Verfahrenskombination erforderlich ist, hängt von den Qualitätsanforderungen der späteren Nutzung ab. Kühlwasser, Prozesswasser oder Reinigungswasser stellen unterschiedliche Anforderungen an die Wasserqualität.
Industrielle Herausforderungen
Schwankende Abwasserfrachten
Problem: Produktionswechsel, Reinigungsprozesse oder Chargenbetrieb führen zu stark wechselnden Belastungen.
Auswirkung: Die biologische Stufe kann über- oder unterlastet werden.
Lösungsansatz: Misch- und Ausgleichsbehälter sowie eine angepasste Prozesssteuerung stabilisieren den Betrieb.
Hemmstoffe und toxische Inhaltsstoffe
Problem: Bestimmte Stoffe können Mikroorganismen schädigen oder ihre Stoffwechselaktivität reduzieren.
Auswirkung: Verminderte Reinigungsleistung, gestörte Nitrifikation oder Biomasseverlust.
Lösungsansatz: Teilstrombehandlung, Vorbehandlung kritischer Abwässer und kontinuierliches Monitoring.
Energie- und Schlammmanagement
Problem: Aerobe Verfahren benötigen Energie für die Belüftung und erzeugen Überschussschlamm.
Auswirkung: Höhere Betriebs- und Entsorgungskosten.
Lösungsansatz: Optimierte Belüftung, Energieeffizienzmaßnahmen sowie gegebenenfalls der Einsatz anaerober Vorstufen zur Biogaserzeugung.
Fazit
Die biologische Abwasserbehandlung ist eine zentrale Technologie der industriellen Abwasserreinigung. Aerobe Verfahren ermöglichen hohe Reinigungsleistungen und die Elimination von Stickstoffverbindungen. Anaerobe Verfahren eignen sich besonders für hoch belastete Abwasserströme und ermöglichen die Nutzung organischer Frachten zur Biogaserzeugung.
Die Auswahl des geeigneten Verfahrens hängt von Abwasserzusammensetzung, Reinigungsziel und betrieblichen Randbedingungen ab. Für Wasserrecycling und anspruchsvolle Ablaufqualitäten wird die biologische Behandlung häufig mit chemisch-physikalischen oder membrantechnischen Verfahren kombiniert.
