Unter biologischer Abwasserbehandlung versteht man den Einsatz von Mikroorganismen zum Abbau organischer Stoffe im Abwasser; dabei wird grundsätzlich zwischen anaerober und aerober biologischer Abwasserbehandlung unterschieden.
Anaerobe biologische Abwasserbehandlung: Das Prinzip der anaeroben biologischen Behandlung besteht darin, organische Stoffe in einer sauerstofffreien Umgebung mithilfe anaerober Mikroorganismen abzubauen und sie dabei in Methan (CH₄), Kohlendioxid (CO₂) und einige andere Zwischenprodukte umzuwandeln. Dieser Prozess wird als anaerobe Vergärung bezeichnet.
Aerobe biologische Abwasserbehandlung: Unter aeroben Bedingungen wandeln Mikroorganismen organische Stoffe durch Atmung in Kohlendioxid und Wasser um und bauen dabei gleichzeitig Schadstoffe wie Ammoniakstickstoff und Phosphor ab.
Die folgenden Parameter müssen während des anaeroben Behandlungsprozesses überwacht werden:
pH
Anaerobe Mikroorganismen reagieren empfindlich auf den pH-Wert ihrer Umgebung, insbesondere unter sauren oder alkalischen Bedingungen, unter denen ihre Stoffwechselaktivität gehemmt werden kann. Der optimale pH-Bereich für die meisten anaeroben Mikroorganismen liegt zwischen 6,5 und 8,0. Die Überwachung des pH-Werts hilft dabei, festzustellen, ob das System unter geeigneten Umgebungsbedingungen betrieben wird, und verhindert eine übermäßige Versauerung oder Alkalisierung.
Gelöster Sauerstoff (DO)
Bei der anaeroben Behandlung sollte der Gehalt an gelöstem Sauerstoff nahe Null liegen, da anaerobe Mikroorganismen in einer sauerstofffreien Umgebung wachsen. Ist die Konzentration an gelöstem Sauerstoff zu hoch, kann dies die Aktivität der anaeroben Mikroorganismen hemmen. Die Konzentration an gelöstem Sauerstoff wird in der Regel mithilfe einer Sauerstoffelektrode (z. B. eines DO-Sensors) überwacht, um eine anaerobe Umgebung sicherzustellen.
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
Der CSB ist ein wichtiger Indikator für die Konzentration organischer Stoffe im Abwasser. Das Ziel der anaeroben Behandlung besteht darin, organische Stoffe durch mikrobielle Aktivität abzubauen und dadurch den CSB im Abwasser zu senken. Die regelmäßige Überwachung des CSB hilft dabei, die Effizienz der Schadstoffentfernung im anaeroben Behandlungsprozess zu bewerten und festzustellen, ob das angestrebte Reinigungsniveau erreicht wurde.
Gesamtstickstoff (TN) und Ammoniakstickstoff (NH₃-N)
Stickstoffquellen wie Ammoniumstickstoff können ebenfalls während des anaeroben Behandlungsprozesses abgebaut werden, insbesondere unter geeigneten Bedingungen, unter denen durch anaerobe Denitrifikation Stickstoff entfernt werden kann. Die Überwachung der Konzentrationen von Gesamtstickstoff und Ammoniumstickstoff trägt dazu bei, die Effizienz der Stickstoffentfernung zu bewerten und zu verhindern, dass übermäßige Stickstoffmengen in nachgelagerte Gewässer gelangen, was zu einer Eutrophierung führen könnte.
Temperatur
Die Temperatur wirkt sich direkt auf die Aktivität anaerober Mikroorganismen aus. Der anaerobe Vergärungsprozess ist im Temperaturbereich von 30–40 °C am effizientesten (mesophile anaerobe Vergärung). Zu hohe oder zu niedrige Temperaturen können die Reaktionsgeschwindigkeit und die Wirksamkeit der Behandlung beeinträchtigen. Die Aufrechterhaltung der Temperatur innerhalb des optimalen Bereichs ist entscheidend für den reibungslosen Ablauf des anaeroben Prozesses.
Nahezu alle Wasserqualitätssensoren von KACISE sind mit Temperatursensoren ausgestattet.
Die folgenden Parameter müssen während des aeroben Reinigungsprozesses überwacht werden:
Gelöster Sauerstoff (DO)
Gelöster Sauerstoff ist für den Stoffwechsel aerober Mikroorganismen unerlässlich. Mikroorganismen benötigen Sauerstoff für die aerobe Atmung, um organische Stoffe abzubauen. Ist die Konzentration an gelöstem Sauerstoff zu niedrig, kann dies zu einer Verringerung der mikrobiellen Aktivität führen, was sich auf die Reinigungsleistung auswirkt. Ist die Konzentration an gelöstem Sauerstoff zu hoch, kann dies zu Energieverschwendung führen. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff wird in der Regel mithilfe von DO-Sensoren in Echtzeit überwacht, um sicherzustellen, dass er innerhalb des angemessenen Bereichs (typischerweise 2–4 mg/l) bleibt.
pH
Der pH-Wert beeinflusst die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen und die Effizienz des Abbaus organischer Stoffe. Aerobe Mikroorganismen sind in neutralen oder leicht alkalischen Umgebungen am aktivsten. Extrem saure oder alkalische Bedingungen können die mikrobielle Aktivität hemmen und sogar zu einem Systemausfall führen. Um einen normalen mikrobiellen Stoffwechsel zu gewährleisten, wird der pH-Wert in der Regel im Bereich von 6,5 bis 8,5 gehalten.
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein gängiger Indikator für die Konzentration organischer Stoffe im Abwasser. Ein höherer CSB-Wert weist auf eine höhere Konzentration organischer Schadstoffe im Wasser hin. Der Hauptzweck der aeroben Behandlung besteht darin, diese organischen Stoffe zu entfernen und den CSB zu senken. Die regelmäßige Überwachung der CSB-Konzentrationen im Zulauf und im Ablauf hilft dabei, die Wirksamkeit der aeroben Behandlung zu beurteilen. Durch die aerobe Behandlung lässt sich der CSB im Abwasser erheblich reduzieren, und der CSB-Wert im Ablauf muss in der Regel den gesetzlichen Grenzwerten entsprechen.
Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)
Der BSB gibt den biologischen Sauerstoffbedarf für den Abbau organischer Stoffe im Wasser an. Er ist ein wichtiger Indikator für die Wasserqualität und den Verschmutzungsgrad. Bei der aeroben Behandlung bauen Mikroorganismen die im BSB enthaltenen organischen Stoffe durch aerobe Atmung zu Kohlendioxid und Wasser ab. Regelmäßige Messungen der BSB-Werte dienen dazu, die Reinigungsleistung des Klärsystems zu bewerten. Der BSB₅ (fünftägiger biochemischer Sauerstoffbedarf) ist in der Regel der am häufigsten überwachte Indikator.
Ammoniakstickstoff (NH₃-N)
Ammoniakstickstoff ist ein häufig vorkommender Stickstoffschadstoff im Abwasser. Aerobe Mikroorganismen können Ammoniakstickstoff durch Nitrifikation in Nitrat umwandeln. Ist die Ammoniakstickstoffkonzentration zu hoch, kann dies die mikrobielle Aktivität hemmen und die Reinigungsleistung beeinträchtigen. Die Überwachung der Ammoniakstickstoffkonzentrationen gewährleistet eine effektive Entfernung aus dem System und verhindert so eine sekundäre Umweltverschmutzung.
Gesamtstickstoff (TN)
Der Gesamtstickstoff umfasst Ammoniakstickstoff, Nitratstickstoff und andere Stickstoffformen. Bei der aeroben Abwasserbehandlung wird Ammoniakstickstoff durch Nitrifikationsreaktionen in Nitratstickstoff umgewandelt. Eine übermäßige Nitrifikation kann jedoch zur Anreicherung von Nitratstickstoff führen. Die Überwachung der Gesamtstickstoffkonzentration, insbesondere in Anlagen mit Stickstoffentfernung, gewährleistet einen reibungslosen Nitrifikationsprozess und verhindert eine übermäßige Stickstoffanreicherung.
Temperatur
Die Temperatur hat einen wesentlichen Einfluss auf die Stoffwechselrate von Mikroorganismen und die Reinigungsleistung. Im Allgemeinen sind Mikroorganismen im Temperaturbereich von 20–35 °C am aktivsten. Ist die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, wirkt sich dies auf das Wachstum der Mikroorganismen und die Reinigungsleistung des Abwassers aus. Temperatursensoren dienen dazu, die Reaktortemperatur zu überwachen und sicherzustellen, dass sie innerhalb des optimalen Bereichs bleibt.
Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen (TSS)
Der TSS-Wert gibt die Konzentration der Schwebstoffe im Wasser an. Bei der aeroben Abwasserbehandlung werden Schwebstoffe im Abwasser in der Regel durch Mikroorganismen (z. B. Belebtschlamm) abgebaut. Ein zu hoher TSS-Gehalt kann zu Verstopfungen im System führen und den Abwasserfluss beeinträchtigen. Die Überwachung der TSS-Konzentration verhindert eine übermäßige Anreicherung von Schwebstoffen und gewährleistet so die mikrobielle Aktivität sowie die Fließfähigkeit des Abwassers im Reaktor.
Schwebstoffe in der Mischflüssigkeit (MLSS)
MLSS bezeichnet die Konzentration der suspendierten Feststoffe im Mischflüssigkeitsstrom, einschließlich Belebtschlamm und unverdauter organischer Stoffe. Die MLSS-Konzentration beeinflusst die Effizienz des aeroben Klärsystems. Die MLSS-Konzentration wird in der Regel im Bereich von 2000 bis 5000 mg/l gehalten, um eine ausreichende Anzahl von Mikroorganismen für den Abbau der organischen Stoffe im Wasser sicherzustellen.
