Grundlagen der biologischen Abwasserreinigung


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2005

18 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Prinzip der biologischen Abwasserreinigung
2.1 Allgemeines
2.2 Aerobe und anaerobe Abwasserreinigung
2.3 Voraussetzungen für eine biologische Abwasserreinigung

3. Abwasseranalytik und Betriebsparameter
CSB – Chemischer Sauerstoffbedarf
BSB5 – Biologischer Sauerstoffbedarf
Redox-Potential
Sauerstoffkonzentration
Absetzbare Stoffe
Ammonium-Stickstoff
TOC- Gesamter organisch gebundener Kohlenstoff

4. Vorbehandlung des Abwassers
4.1 Mechanische / physikalische Behandlungsverfahren
4.2 Chemisch / physikalische Behandlungsverfahren

5. Hauptreinigung: Die biologische Abwasserbehandlung
5.1 Allgemeines
5.2 Die biologische Kohlenstoffelimination
5.2.1 Aerobe Kohlenstoffelimination
5.2.2 Anaerobe Kohlenstoffelimination
5.3 Die biologische Stickstoffelimination (Nitifikation und Denitrifikation)
5.4 Die biologische Phosphatelimination

6. Nachbehandlung des gereinigten Abwasser

7. Schlammbehandlung

8. Schluss

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Sollten die neuesten, in der Presse publizierten Prognosen zutreffen, werden sich die Preise für Trinkwasser in den nächsten fünf bis zehn Jahren nahezu verdoppeln. Dieser Kostenanstieg würde die Produktionskosten für sämtliche Branchen anheben, da kaum ein anderer Rohstoff oder kaum ein anderes Betriebsmittel eine derartig breit gefächerte Verwendung findet, wie das Wasser. Dieser Kostenanstieg würde schließlich an die Verbraucher weitergegeben, welche den Anstieg der Trinkwasserpreise ohnehin beklagen werden. Zusätzlich dürften mit den Trinkwasserkosten ebenso die Abwassergebühren steigen. Es ist daher anzunehmen, dass insbesondere seitens des produzierenden Gewerbes das Interesse an einer betriebseigenen Abwasserbehandlung steigt. Diese verbindet folgende Vorteile und Ziele:

- Einsparung der Abwassergebühren durch die Einleitung des vorbehandelten, geringer verschmutzten Abwassers,
- Einsparung der Trinkwassermengen durch die Verwendung des behandelten/ gereinigten Abwassers als Brauchwasser (z.B. für die Reinigung von Transportfahrzeugen).

Als Abwassergebühren werden für das produzierende/verarbeitende Gewerbe häufig Starkverschmutzerzuschläge berechnet. Durch eine Vorreinigung des Abwassers ließen sich diese Gebühren direkt vermindern. Ansonsten kann durch die Verringerung der Abwassermenge ein Teil der Abwassergebühren eingespart werden. Das Abwasser kann bis zur Brauchwasserqualität gereinigt werden, und für einige betriebliche Arbeits- und Reinigungsverfahren wieder verwendet werden. Bei der Lebensmittelverarbeitung und -Herstellung ist jedoch darauf zu achten, dass gereinigtes Abwasser nicht als Rohstoff verwendet werden darf, und nicht direkt oder indirekt mit den Lebensmitteln in Kontakt treten darf (z.B. durch das Spülen von Getränkeflaschen mit Brauchwasser vor der Abfüllung).

Vor der Errichtung einer Anlage zur Abwasserbehandlung ist bei den zuständigen Behörden im Vorfeld zu klären, ob eine betriebseigene Abwasserreinigung in dem Umfang genehmigt werden wird, der zur Erreichung eines Einspareffektes notwendig wäre.

2. Prinzip der biologischen Abwasserreinigung

2.1 Allgemeines

Durch die biologische Abwasserreinigung werden die im Abwasser gelösten Schadstoffe durch Mikroorganismen abgebaut. Diese Stoffe verwerten die Mikroorganismen für ihre Lebenserhaltung und für ihre Vermehrung. Die Schadstoffe werden daher als Nährstoffe genutzt. Einige Schadstoff-Verbindungen sind für die Verwertung durch die Organismen zu komplex und zu langkettig. Die Bakterien können diese nicht unzerlegt aufnehmen. Daher setzen sie Enzyme ein, die diese Verbindungen in „kleinere Stücke zerschneiden“. Voraussetzung für deren Abbau ist die Wasserlöslichkeit und die Ungiftigkeit der Schadstoffe.

Die Mikroorganismen benötigen für eine optimale Stoffwechseltätigkeit ein Kohlenstoff- Stickstoff-Phosphor-Verhältnis von rund 100:10:1. Dieses Verhältnis stellt die ungefähre Zusammensetzung der Organismen dar. Hierdurch begründet sich die gute Eignung der biologischen Abwasserreinigung für den Abbau organischer und anorganischer Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen, sowie zur Phosphoreliminierung.

Des weiteren werden Wasserstoff und Schwefel, sowie geringe Mengen an Mineralien gebraucht. Sollten nicht alle Nährstoffe im Abwasser enthalten sein, müssten sie zugegeben werden. Es kann in einigen Fällen auch hilfreich sein, verschiedene Abwässer zu mischen.

Die Abwässer der Lebensmittelindustrie und der Kommunen sind zumeist sehr reichhaltig, so dass eine Zufuhr von weiteren Nährstoffen nicht erforderlich ist.

Das Prinzip der biologischen Abwasserreinigung ist keine neuzeitliche Erfindung. Es wurde, seit es Leben auf diesen Planeten gibt, zur Selbstreinigung der Gewässer verwendet. Hierbei bauen die Mikroorganismen die im Wasser fein verteilten Substanzen mit Hilfe des im Wasser gelösten Sauerstoffs ab. Ein Teil der Substanzen wird zur Bildung weiterer Biomasse (Vermehrung der Mikroorganismen) verwendet. Als weitere Abbauprodukte entstehen Kohlendioxid und Wasser. Kommt es zu einer plötzlichen, erheblichen Verschmutzung des Gewässers, vermehren sich die Mikroben entsprechend stark. Der Sauerstoffverbrauch steigt damit rapide an. Reicht der Sauerstoff nicht mehr aus, sterben die Bakterien ab, die für ihre Stoffwechseltätigkeit diesen Sauerstoff dringend benötigen. Nun vermehren sich die Bakterien, die ohne Sauerstoff überleben und sich in diesem Milieu vermehren können. Das Gewässer „kippt um“. Der Nährstoffabbau wird in Form einer Gärung fortgesetzt, welcher primär durch die Geruchsentwicklung bemerkbar wird.

Diese beiden in der Natur vorkommenden Prinzipien der Wasserreinigung,

- mit Sauerstoff (aerob),
- ohne Sauerstoff (anaerob),

stellen die wichtigsten Unterscheidungskriterien bei der biologischen Abwasserreinigung dar.

[2, 4, 5, 7, 9]

2.2 Aerobe und anaerobe Abwasserreinigung

Aerobe Abwasserreinigung

Aerobe Mikroorganismen benötigen Sauerstoff für ihre Stoffwechseltätigkeit. Für die Abwasserreinigung wird der Sauerstoff dem Abwasser in Form von Luft, mittels speziellen Belüftungseinrichtungen, zugegeben.

Die Bakterien wandeln die organischen Inhaltsstoffe, unter Nutzung des gelösten Sauerstoffs, zu Kohlendioxid und Biomasse ab. Ferner wandeln die aeroben Mikroorganismen ammonifizierte, organische Stickstoffverbindungen um, und oxidieren Ammonium und Nitrit zu Nitrat (Nitrifikation).

Bei den aeroben Abbauprozessen werden bis zu 50% des organischen Kohlenstoffs zu Kohlendioxid umgewandelt. Rund 50% des Kohlenstoffs verbleiben im Klärschlamm als Biomasse. Maximal 5% bleiben im gereinigten Abwasser übrig.

Der Nachteil der aeroben Reinigungsverfahren sind die relativ hohen Betriebskosten, die durch die Belüftung des Abwassers entstehen. Allerdings weisen aerob betriebene Anlagen eine sichere Anlagenstabilität auf, und sind unempfindlicher gegenüber Schwankungen der Abwasser- und Anlagenparameter. Diese Vorteile machen die aeroben Verfahren interessant für kleinere Abwasseranlagen.

Anaerobe Abwasserreinigung

Anaerobe Mikroorganismen werden nur unter Abwesenheit von Sauerstoff stoffwechselaktiv. Der organische Kohlenstoff wird zu 85 bis 95% als Biogas umgewandelt. Als Klärschlamm fallen maximal 5% des Kohlenstoffs an, und im gereinigten Abwasser können bis zu 10% Restkohlenstoffe enthalten sein.

Ein Vorteil kann der niedrige Klärschlammanfall bei der anaeroben Betriebsweise insbesondere dann sein, wenn deren Entsorgung für den Betreiber kostenpflichtig ist. Andererseits könnte für eine Biomassenrückführung nicht mehr ausreichend Belebtschlamm vorhanden sein. Die Begründung liegt in der langsamen Wachstumsphase der anaeroben Mikroorganismen.

Anaerobe Verfahren zeichnen sich in der Behandlung von Abwässern mit hohen Konzentrationen an organischen Substanzen durch ihre hohe Leistungsfähigkeit aus. Damit sind sie insbesondere für die Abwässer der Lebensmittelindustrie geeignet.

Bei den anaeroben Prozessen fallen brennbare Biogase an, welche zur Energiegewinnung nutzbar gemacht werden können. Allerdings wird aufgrund der Bildung dieser Gase eine erhöhte Sicherheitstechnik notwendig. Das Abwasser ist bei den anaeroben Prozessen auf ca. 35°C zu temperieren, wodurch entsprechende Betriebskosten anfallen.

Gegenüber Schwankungen der Betriebsparameter ist dieses Verfahren insgesamt empfindlicher als die aerobe Betriebsweise.

Diese beiden Verfahren können kombiniert werden. Das wird insbesondere dann notwendig, wenn z.B. erhebliche Stickstoff- und Phosphorfrachten abzubauen sind. Bei einer derartigen Kombination wird eine weitere Verfahrensstufe unterschieden:

Anoxisches Verfahren

Das anoxische Verfahren stellt gewissermaßen ein Mischverfahren der oben aufgeführten Prinzipien dar, denn es erfolgt zwischen den aeroben und den anaeroben Schritten. Das Abwasser wird wie beim anaeroben Verfahren nicht belüftet. Im Abwasser sind Substanzen enthalten, die in der aeroben Stufe oxidiert wurden (z.B. Nitrit NO2 und Nitrat NO3). Die Bakterien im anoxischen Abwasser benötigen, ähnlich wie in der aeroben Stufe, Sauerstoff. Es ist aber kein gelöster Sauerstoff im Abwasser mehr vorhanden. Also entziehen sie z.B. den Nitraten und Nitriten den gebundenen Sauerstoff. Aus dem NO2 und NO3 entsteht nun gasförmiges N2. (Dieser Vorgang wird als Denitrifikation bezeichnet).

[2, 4, 5, 7, 9]

2.3 Voraussetzungen für eine biologische Abwasserreinigung

Grundsätzlich kann nahezu jedes Abwasser bis zur gewünschten Qualität gereinigt werden. Hierfür bieten sich zahlreiche, auch nichtbiologische Verfahren an, die zumeist erheblich kostenintensiver und aufwendiger sind. Sofern das Abwasser biologisch abbaubar ist, stellen die biologischen Verfahren die günstigsten und unaufwendigsten Optionen dar. Das Abwasser muss hierfür folgende Voraussetzung erfüllen:

- Ungiftigkeit.

Giftigkeit beinhaltet das Vorhandensein u. a. von Schwermetallen, radioaktiven, persistenten, und krebserregenden Substanzen. Diese Stoffe beeinträchtigen nicht nur die Biologie der Anlage, sondern befinden sich möglicherweise unverändert im gereinigten, abfließenden Abwasser.

Einige toxische Verbindungen sind jedoch biologisch abbaubar. Sofern diese nicht zu hoch konzentriert sind und kontinuierlich auftreten, können sich die Mikroorganismen nach einer bestimmten Zeit (Adaptionsphase) auf die toxischen Substanzen einstellen, und beginnen anschließend mit deren Abbau oder Umwandlung. Durch entsprechende Abbautests ist das Verfahren im Vorfeld zu überprüfen.

- Wasserlöslichkeit, kolloidale Verteilung

Die Bakterien sind ausschließlich in wässerigem Milieu lebensfähig, und werden nur im Wasser stoffwechselaktiv. Um für die Mikroorganismen angreifbar zu sein, müssen die abzubauenden Substanzen daher im Wasser gelöst sein. Ferner können die Organismen die vorhandenen Schadstoffe nur aufnehmen, sofern sie mikroskopisch klein und feinst verteilt (dispergiert) sind. Ein auf der Oberfläche schwimmender Ölfilm oder ein unzerteilter Apfel haben wenig Chancen, in der zur Verfügung stehenden Zeit abgebaut zu werden.

- Kontinuität des Abwassers

Eine optimale Reinigungsleistung erfordert eine ausreichende Adaption der Bakterien an das Abwasser. Dies ist nicht möglich, wenn das Abwasser in seiner Zusammensetzung, Konzentration, und Volumen ständig schwankt. Zur Pufferung eventueller Schwankungen bietet sich die Einrichtung eines Misch- und Ausgleichsbehälters an, der einer biologischen Behandlungsstufe vorgeschaltet wird.

- Verwertbarkeit

Abwasserinhaltsstoffe müssen in flüssiger Phase für die Mikroorganismen als Nährstoffe verwertbar sein. Insbesondere die Elemente Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor müssen sich aus den Inhaltsstoffen gewinnen lassen.

[1, 5, 9]

3. Abwasseranalytik und Betriebsparameter

Im Folgenden sind einige Parameter und Analysedaten aufgeführt, die für die Auslegung einer Abwasserreinigungsanlage und für die Beurteilung der Wasser- und Abwasserqualität eine entscheidende Bedeutung haben. Die vollständigen und genormten Analyseverfahren sind in den „Deutsche Einheitsverfahren zur Untersuchung zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm-Untersuchung“ (DEV), in der jeweils gültigen Fassung, aufgeführt. Für einige Analysen gibt es Schnellverfahren (z.B. Küvettentests), die nicht (bzw. noch nicht) genormt oder behördlicherseits anerkannt sind. Sie sind jedoch einfach, kostengünstig und zeitsparend in der Anwendung, und stellen eine Möglichkeit der betriebseigenen Anlagenkontrolle dar.

CSB – Chemischer Sauerstoffbedarf

Definiert wird der CSB als die Gesamtmenge an Sauerstoff, die der Masse an Kaliumdichromat äquivalent ist, die bei chemischer Oxidation der Inhaltsstoffe verbraucht wird.

Für die Beurteilung des Abwassers wird überwiegend der CSB verwendet. Er gibt die Gesamtbelastung des Abwassers mit chemisch oxidierbaren Stoffen an. Der CSB alleine gibt jedoch noch keinen Hinweis auf die biologische Abbaubarkeit des Abwassers.

Der CSB kann mittlerweile mit Küvettentests ermittelt werden. Diese sind relativ genau, einfach in der Handhabung, und werden vom Anbieter nach der Anwendung entsorgt.

BSB5 – Biologischer Sauerstoffbedarf

Definiert wird der BSB5 als der Sauerstoffverbrauch, der bei dem biochemischen Abbau der mikrobiologisch verwertbaren Substanzen, entsteht. Gemessen wird die Druckänderung durch den Sauerstoffabbau in fünf Tagen.

Der BSB5 gibt einen Hinweis auf die biologische Abbaubarkeit der Probe. Da die Analyse unter standardisierten und idealisierten Bedingungen abläuft, die in realen biologischen Systemen in dieser Form kaum existieren, sind diese Werte nur bedingt aussagefähig. Ferner haben in der Praxis die Bakterien nicht annähernd fünf Tage für den biologischen Stoffumsatz Zeit.

[...]

Ende der Leseprobe aus 18 Seiten

Details

Titel
Grundlagen der biologischen Abwasserreinigung
Autor
Jahr
2005
Seiten
18
Katalognummer
V44366
ISBN (eBook)
9783638419819
ISBN (Buch)
9783638777292
Dateigröße
531 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Dichter Text - einzeiliger Zeilenabstand. Sollten die in den Medien publizierten Mitteilungen zutreffen, werden sich die Kosten für Trinkwasser in naher Zukunft stark erhöhen. Die Abwassergebühren könnten von einem derartigen Kostenanstieg ebenso betroffen sein. Für kleinere Betriebe und für private Haushalte kann die Errichtung einer Anlage zur Abwasserbehandlung daher künftig interessant werden. Diese Arbeit soll somit einen Überblick über das biologische Verfahren für die Interessenten geben.
Schlagworte
Grundlagen, Abwasserreinigung
Arbeit zitieren
Dipl.-Ing. Olaf Czitrich (Autor), 2005, Grundlagen der biologischen Abwasserreinigung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/44366

Kommentare

  • Gast am 5.7.2007

    Chemiker.

    Nicht nur Abwasser wird mit Luft gereinigt,
    sondern auch Abluft mit Wasser!!

    Die Abwasserreinigung wird als aerober Prozeß
    (Nitrifikation-Denitrifikation Wasserfalleffekt) ebenfalls für die Luftreinhaltung angewendet.
    In Industrie, Gewebe und Landwirtschaft gleichermaßen.
    Mit der Wärmepumpe wird die positive Energie-
    gewinnung erreicht (gegen den Klimawandel)

    Das Verfahren wurde 1998 in Nürnberg ausgezeichnetund wird im July 2007 bei
    Energy-Globe eingereicht

    www.BioBeck.at

    Mit freundlichen Grüßen
    für reinere kühle
    Luft

    Karl Beck

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Titel: Grundlagen der biologischen Abwasserreinigung



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