Einführung

Die anaerobe biologische Behandlung ist ein weit verbreitetes Verfahren zum Abbau organischer Schadstoffe unter Sauerstoffausschluss. Als Nebenprodukte entstehen Methan (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂). Diese Methode ist hocheffizient für die Stabilisierung von hochkonzentriertem Abwasser und Schlamm und bietet Vorteile wie geringen Energieverbrauch und minimale Schlammproduktion. Ihre Leistung hängt jedoch von mehreren entscheidenden Faktoren ab:

(1) Temperatur, (2) pH-Wert, (3) organische Belastungsrate (OLR), (4) Nährstoffbilanz, (5) Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP), (6) Alkalität, (7) toxische Substanzen und (8) hydraulische Verweilzeit (HRT).

Das Verständnis dieser Faktoren ist für die Optimierung der Prozessstabilität und Behandlungseffizienz von entscheidender Bedeutung.

Hydraulische Verweilzeit (HRT)

Bei der anaeroben biologischen Behandlung ist es wichtig, sowohl die hydraulische Verweilzeit (HRT) als auch die Feststoffverweilzeit (SRT) einzuhalten. Die HRT hängt von der Art der organischen Schadstoffe im zu behandelnden Abwasser ab – einfache niedermolekulare organische Verbindungen erfordern eine kürzere HRT, während komplexe makromolekulare organische Verbindungen eine längere HRT erfordern. Die SRT wird bei anaeroben biologischen Behandlungsprozessen in der Regel verlängert, um ausreichend Biomasse im Reaktor sicherzustellen.

Eine übermäßige hydraulische Belastung, die zu einer zu kurzen HRT führt, kann zum Auswaschen von Mikroorganismen aus dem Reaktor führen. Daher ist die Behandlung von Abwässern mit niedriger Konzentration unter kurzen HRT-Bedingungen mit suspendierten Wachstumsprozessen wie UASB oft unpraktisch. Um die Anaerobtechnologie für Abwässer mit niedriger Konzentration wirtschaftlich einzusetzen Abwasserbehandlungist es notwendig, das SRT-zu-HRT-Verhältnis zu erhöhen, d. h. durch Erhöhung der Biomasse im Reaktor.

Der Einfluss der HRT auf anaerobe Prozesse spiegelt sich vor allem in der Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit wider. Einerseits kann eine höhere Strömungsgeschwindigkeit die Turbulenz im Zulaufbereich des Abwassersystems verbessern, wodurch der Kontakt zwischen biologischem Schlamm und organischer Substanz im Zulauf verbessert und die organische Entfernungseffizienz gesteigert wird. Bei der Verwendung herkömmlicher UASB zur Abwasserbehandlung ist in der Regel eine Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit von mindestens 0,5 m/h erforderlich, um die Bildung von Granulatschlamm zu fördern. Andererseits darf die Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten, um ausreichend Schlamm im System zu halten; andernfalls würde die Höhe des Anaerobreaktors unpraktisch hoch werden. Insbesondere bei der anaeroben Behandlung von Abwasser mit geringer Konzentration ist die HRT ein kritischerer Prozesskontrollparameter als die organische Belastung.

Anaerobe biologische Abwasserbehandlung

Organische Laderate

1. Die organische Belastungsrate (OLR) eines anaeroben Bioreaktors bezieht sich typischerweise auf die volumetrische Belastungsrate, die sich direkt auf die Behandlungseffizienz und die Biogasproduktion auswirkt. Innerhalb eines bestimmten Bereichs steigt mit steigender OLR die Biogasproduktion. Eine Erhöhung der OLR verkürzt jedoch zwangsläufig die Verweilzeit, verringert die Zersetzungsrate der zugeführten organischen Substanz und verringert folglich die Biogasproduktion pro Masseneinheit organischer Substanz.

2. Der stabile Betrieb eines anaeroben Behandlungssystems hängt vom Gleichgewicht zwischen Acidogenese- und Methanogenese-Rate ab. Bei zu hohem OLR kann die Säureproduktionsrate den Säureverbrauch der Methanogene übersteigen. Dies führt zur Ansammlung flüchtiger Fettsäuren (VFA) und einem schnellen pH-Abfall, der die Methanogenese hemmt. In schweren Fällen kann die Methanproduktion zum Erliegen kommen, was zum Zusammenbruch des gesamten Systems führt und die Wiederherstellung und Anpassung extrem erschwert.

3. Wenn der Anstieg des OLR auf eine höhere Zulaufdurchflussrate zurückzuführen ist, kann eine übermäßige hydraulische Belastung dazu führen, dass die Schlammauswaschrate ihre Wachstumsrate übersteigt, wodurch die Behandlungseffizienz des Systems weiter verringert wird.

4. Wenn die OLR des Zulaufs zu niedrig ist, kann sich zwar die Biogasausbeute und die organische Entfernungseffizienz verbessern, die Auslastung der Ausrüstung nimmt jedoch ab, was zu höheren Investitions- und Betriebskosten führt.

Nährstoffe

Im Vergleich zu aeroben Prozessen reduzieren anaerobe Prozesse die mikrobielle Biomassesynthese deutlich und verringern dadurch proportional den Bedarf an anderen Nährstoffen als Stickstoff. Neben Stickstoff (N) und Phosphor (P) spielen bestimmte schwefelhaltige Verbindungen (z. B. Sulfate) und einige Spurenmetalle eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung von Methanogenen. Obwohl Methanogene spezifische Anforderungen an Schwefel und Phosphor haben, sind in der Regel sehr geringe Konzentrationen dieser Elemente im Reaktor ausreichend. Die Stickstoffkonzentration muss jedoch im Allgemeinen zwischen 40 und 70 mg/l gehalten werden, um die methanogene Aktivität aufrechtzuerhalten.

Alle Mikroorganismen benötigen Spurenmetalle, doch deren Konzentration in der anaeroben biologischen Behandlung kann die Betriebsleistung erheblich beeinträchtigen. Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Zink (Zn) sind die am häufigsten genannten Spurenmetalle mit aktivierender Wirkung. Einige Studien deuten darauf hin, dass Wolfram (W), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Selen (Se) und Bor (B) ebenfalls den Methanogenstoffwechsel stimulieren können.

Methan wird von verschiedenen Methanogenen produziert, die jeweils unterschiedliche Anforderungen an ihre Umwelt und Spurenmetalle stellen. Betriebserfahrungen zeigen, dass bereits ein Mangel an einem einzigen Spurenmetall den gesamten biologischen Behandlungsprozess erheblich beeinträchtigen kann. Spurenmetalle allein können zwar nicht alle betrieblichen Herausforderungen der anaeroben Behandlung lösen, ihr Vorhandensein ist jedoch eine Grundvoraussetzung. Viele anaerobe industrielle Abwasserbehandlungssysteme erreichen aufgrund von Mängeln an einem oder mehreren Spurenmetallen nicht die erwartete Leistung. Daher sollte die Ergänzung von Spurenmetallen als notwendige Betriebsanpassung betrachtet werden.

Anaerobe Mikroorganismen benötigen für Wachstum und Vermehrung ein bestimmtes Verhältnis von Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Phosphor (P) und anderen Spurenelementen. Da anaerobe Mikroben Kohlenstoff jedoch weniger effizient verwerten als aerobe Mikroben, beträgt das empfohlene C:N:P-Verhältnis in anaeroben Systemen typischerweise COD _Cr :N:P = (200–300):5:1. Zusätzlich müssen je nach spezifischen Bedingungen möglicherweise essentielle Spurenelemente wie Sulfide, Eisen, Nickel, Zink, Kobalt und Molybdän ergänzt werden.

Die Bereitstellung von Stickstoffquellen in der anaeroben Behandlung unterstützt nicht nur die mikrobielle Biomassesynthese, sondern verbessert auch die Pufferkapazität des Reaktors. Unzureichender Stickstoff (d. h. ein hohes C/N-Verhältnis) kann zu einer langsamen Vermehrung anaerober Mikroben und einer verringerten Pufferkapazität führen, was zu einem Abfall des pH-Werts führt. Umgekehrt führt übermäßiger Stickstoff (niedriges C/N-Verhältnis) zu einer Stickstoffansammlung und einem Anstieg des pH-Werts. Überschreitet der pH-Wert 8, wird die Methanogeneseaktivität gehemmt, was die Verdauungseffizienz verringert.

Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP)

Eine anaerobe Umgebung ist eine der Grundvoraussetzungen für Wachstum und Vermehrung streng anaerober Methanogene. Im Gegensatz zu aeroben Bakterien fehlt Methanogenen Katalase, was sie sehr empfindlich gegenüber Sauerstoff und Oxidationsmitteln macht. Die Konzentration von gelöstem Sauerstoff in Wasser kann indirekt durch das Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP) dargestellt werden.

Bei der anaeroben Vergärung kann die nicht-methanogene Phase unter fakultativen Bedingungen mit einem ORP-Bereich von +100 mV bis -100 mV ablaufen. Das kritische ORP für die methanogene Phase liegt jedoch bei -200 mV. Bei der mesophilen Vergärung oder bei Raumtemperatur muss das ORP zwischen -300 mV und -350 mV gehalten werden, während es bei der thermophilen Vergärung zwischen -560 mV und -600 mV liegen sollte.

Der gelöste Sauerstoffgehalt in der Mischflüssigkeit ist zwar ein wichtiger Faktor, der das Redoxpotential in anaeroben Reaktoren beeinflusst, aber nicht der einzige. Auch andere Faktoren wie die Konzentration flüchtiger Fettsäuren (VFA), pH-Schwankungen und die Ammoniumionenkonzentration können das Redoxpotential beeinflussen. So entspricht beispielsweise ein niedrigerer pH-Wert einem höheren Redoxpotential, während ein höherer pH-Wert ein niedrigeres Redoxpotential zur Folge hat.