Grundlagen der weitergehenden Abwasserreinigung-Nitrifikation, Denitrifikation und Phosphorelimination

Einleitung

Die Belastung von Nord- und Ostsee mit Nährstoffen, die vor allem im Jahr 1988 zu verstärkt aufgetretenen sichtbaren Auswirkungen (Algenwachstum, Robben- und Fischsterben) führt, hatte vermehrte umweltpolitische Aktivitäten bewirkt. Im Zusammenhang mit der Diskussion über die Nährstoffbelastung der Gewässer wurde der Stickstoff- und Phosphorelimination auf Kläranlagen zunehmende Bedeutung zugemessen.

Bei der Dimensionierung der Kläranlagen vor dieser Zeit wurde vorwiegend nur die Entfernung der organischen Schmutzstoffe (Kohlenstoff-Verbindungen) berücksichtigt. Nur in Einzelfällen wurde auch der ökologische Zustand des Vorfluters bei der Dimensionierung von Kläranlagen berücksichtigt.

Da in dieser Zeit zunehmend der Gewässerschutz bzw. die Verbesserung der Gewässergüte in den Vordergrund trat, wurden weitergehende Reinigungsmaßnahmen auf Kläranlagen erforderlich, um das angestrebte Ziel der Gewässergüteklasse II zu erreichen.

Die Rahmen-Abwasserverwaltungsvorschrift in der Fassung vom 8. September 1989 sah bereits ab 1. Januar 1990 vor, daß Kläranlagen ab einer Größe von 5.000 Einwohnerwerten (EW) über den ersten Reinigungsschritt der biologischen Stickstoffelimination, die Nitrifikation, verfügen. Abwasserreinigungsanlagen dieser Größenordnung durfte später dann auch nur betrieben werden, wenn die Anlage mit einer gezielten Denitrifikation ausgerüstet wurden.

Neben dem BSB₅- und CSB-Abbau gewann somit die Ammoniumoxidation (Nitrifikation), die Stickstoffelimination (Nitrifikation und Denitrifikation) und die Phosphorelimination zunehmend an Bedeutung.

Bevor jedoch auf die Reinigungsverfahren näher eingegangen wird, sollen die Auswirkungen des Stickstoffs und Phosphor auf das Gewässer dargestellt werden.

Organischer Stickstoff (N_org) kommt z.B. in Form von Eiweißen in das Gewässer und wird dort durch Mikroorganismen zu Ammonium umgewandelt oder in die Zellsubstanz aufgenommen.

Von Ammonium (NH₄) geht die größte Schadwirkung aus. Die bakterielle Oxidation (Nitrifikation) des Ammoniums führt zu einem großen Sauerstoffbedarf im Gewässer. Gerade im Sommer bei starker Nitrifikationstätigkeit und geringem Sauerstoffeintrag kann dies schnell zu Sauerstoffengpässen führen.

Nitrit (NO₂) kommt in Gewässern als Zwischenprodukt der Nitrifikation nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Es ist wie Ammoniak sehr fischgiftig.

Nitrat (NO₃) wirkt im Gewässer als Düngemittel und führt in Verbindung mit dem ebenfalls sehr wichtigen Pflanzennährstoff Phosphat (PO₄) zu erhöhtem Algenwachstum, vermehrter Sauerstoffzehrung während der nächtlichen Dissimilationsphase (Atmung) der Pflanzen. Geruchsbelästigungen sowie Sauerstoffzehrung durch Algensterben, Veränderungen des biologischen Gleichgewichts etc. sind die Folge.

Beispielsweise können mit 4 g Phosphor etwa 400 g organische Substanz aufgebaut werden, die wiederum bei organischer Zersetzung 570 g Sauerstoff verbrauchen. Anhand dieser Bilanz läßt sich die wichtige Nährstoffreduzierung im Gewässer ableiten.

Um diese Nachteile zu verhindern, ist eine Nitrifikation, Denitrifikation und Phosphorelimination auf Kläranlagen erforderlich.

Biochemische Zusammenhänge

Um die Wirkungsweise und Effektivität eines biologischen Reinigungsverfahrens richtig beurteilen zu können, sind einige Kenntnisse der biochemischen Zusammenhänge erforderlich.

Stickstoffelimination

Stickstoff ist als Bestandteil der Proteine ein lebensnotwendiger Nährstoff. Er ist in der Natur in vielen unterschiedlichen Oxidationsstufen anzutreffen. Zwischen diesen unterschiedlichen Stickstoffverbindungen bestehen intensive mikrobiologische Wechselwirkungen, deren wichtigste, der Stickstoffkreislauf, nachfolgend dargestellt ist.

Bezüglich der im kommunalen Abwasser anfallenden einwohnerspezifischen Stickstoffmengen ist je Einwohner und Tag mit 10 - 13 g Sickstoff (N) zu rechnen. Diese fallen als reduzierter Stickstoff (NH₄ und N_org) an.

Die Länge der Kanalisation und die darin ablaufenden Umsetzungsvorgänge bestimmen die Anteile von NH4 und Norg im Zulauf der Kläranlage. Oxidierter Stickstoff (NO₃ und NO₂) kommt in kommunalem Abwasser selten vor und ist meist industriellen oder landwirtschaftlichen Ursprungs.

Die Anteile der verschiedenen N-Verbindungen verschieben sich im Verlauf der mechanischen und biologischen Reinigung (beginnend bereits im Kanal) erheblich.

Nitrifikation:

Unter Nitrifikation versteht man die biochemische Umsetzung von Ammonium zu Nitrat. Die Nitrifikation erfolgt durch zwei extrem stark spezialisierte Bakteriengruppen (Nitrosomonas und Nitrobacter), die keinen organischen Kohlenstoff, sondern CO₂ zum Zellaufbau nutzen. Die zum Wachstum notwendige Energie wird aus der Oxidation des Ammoniums über Nitrit zu Nitrat bezogen.

Insgesamt verläuft die Nitrifikation durch Nitrosomonas und Nitrobacter wie folgt:

1. Schritt: Nitritbildung (Nitrosomonas u. a.) 

2. Schritt: Nitratbildung (Nitrobacter u. a.)

Die Gesamtreaktion läßt sich anhand der nachfolgenden Gleichung beschreiben:

Die Nitratbildung läuft schneller ab als die Nitritbildung, so daß Nitrit meist nur in geringen Konzentrationen vorliegt. An erhöhten Nitritkonzentrationen läßt sich eine Störung der Nitrifikation erkennen.

Denitrifikation:

Unter Denitrifikation versteht man die mikrobielle Umsetzung (Reduktion) von Nitrat zu gasförmigem Stickstoff. Ein sehr großer Teil der an der biologischen Abwasserreinigung beteiligten heterotrophen Mikroorganismen sind in der Lage, bei Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff im Abwasser, den chemisch gebundenen Sauerstoff des Nitrats zu eratmen, d. h. sie verwenden beim Energiestoffwechsel den Nitratsauerstoff anstelle gelösten des Sauerstoffs als Elektronenakzeptator. Allerdings ist der Energiegewinn bei der Nitratatmung etwa 10 % geringer als bei der Sauerstoffatmung. Folglich werden diese Bakterien nur dann auf Nitratatmung umstellen, wenn sauerstofffreie Verhältnisse vorliegen.

Die Reaktion läßt sich durch die folgende Gleichung beschreiben:

Wichtigste verfahrenstechnische Aufgabe ist es, sauerstoffhaltige und damit nitrifizierende Beckenzonen bzw. Betriebszeiten in Kombination mit sauerstofffreien und damit denitrifizierenden Zonen zu schaffen. Dabei haben sich in der Bundesrepublik Deutschland im wesentlichen die vorgeschaltete und simultane Denitrifikation durchgesetzt. Bei der vorgeschalteten Denitrifikation, nach dem die Kläranlage Nieder-Wöllstadt arbeitet, muß das Nitrat, welches im Nitrifikationsvolumen gebildet wird, über den Rücklaufschlamm und zusätzlich über eine intensive Zirkulation vom Ablauf des Nitrifikationsbeckens in das sauerstofffreie (anoxische) Becken eingeleitet werden. Je höher dann im Denitrifikationsvolumen der Gehalt an organischen Schmutzstoffen und damit die Atmungsaktivität ist, desto höher ist die Denitrifikationsleistung.

Bei der simultanen Denitrifikation erfolgen die beiden Verfahrensabläufe zeitversetzt innerhalb eines Beckens.

Phosphorelimination:

Phosphor kann nur im festen Aggregatzustand aus dem Abwasser entfernt werden. Die Überführung in diesen Zustand kann durch Aufnahme in die Biomasse oder durch chemische Fällung erfolgen.

Chemische P-Elimination:

Die chemischen Fällungsverfahren werden im Prinzip nach dem Einsatzort des Fällmittels unterschieden. Gebräuchlich sind die Verfahren der Vor- und Simultanfällung. Bei der am meisten verbreitesten Simultanfällung erfolgt die Fällmittelzugabe innerhalb der biologischen Stufe. Das Fällmittel wird in den Zulauf zum Belebungsbecken, in den Zulauf zum Nachklärbecken in den Rücklaufschlammstrom oder direkt in das Belebungsbecken dosiert.