Was brauchen die Mikroorganismen auf der Kläranlage, um die gewünschten Reinigungsziele sicher und kostengünstig zu erreichen?

F. Schulz; A. Witzdam; K. Sölter
Bioserve GmbH, Siemensstraße 17, 40789 Monheim, Deutschland
Kontakt: info@bioserve-gmbh.de; 02173 999 0025

Zusammenfassung

Kläranlagen beheimaten zahlreiche Mikroorganismen, die durch ihren Stoffwechsel dazu beitragen, unser Abwasser zu reinigen. Sie werden durch bestimmte Umweltbedingungen entweder gefördert oder gehemmt. Das Milieu in einer biologischen Stufe beeinflusst also in hohem Maße den Prozess der Abwasserreinigung.
In diesem Artikel widmen wir uns den verschiedenen Bedingungen, die wir im Kanal und auf der Kläranlage vorfinden können und ihrer positiven oder negativen Wirkung auf den Reinigungsprozess. Wir klären darüber auf, wie Betreiber die gegebenen Faktoren feststellen, bewerten und beeinflussen können, um dadurch die Leistung ihrer Anlage zu optimieren.
Hierfür ist ein tieferes Verständnis der Stoffwechselprozesse erforderlich, welche für die Abwasserbehandlung von Bedeutung sind.
In unserem Artikel beginnen wir deshalb damit, diese Grundlagen in vereinfachter Form darzustellen, damit möglichst alle auf Kläranlagen arbeitenden Personen unseren Ausführungen folgen können.
Als Beratungsfirma zur Optimierung der biologischen Prozesse auf Kläranlagen wissen wir, dass mit diesem Wissen die meisten Probleme, die auf Kläranlagen entstehen, erklärt und dadurch auch gelöst werden können. Unser Ziel ist es, mit diesem Bericht unsere Erfahrungen zu teilen und damit zu einem besseren Verständnis der biologischen Abwasserbehandlung zu führen.
Die Forschung in diesem Fachgebiet schreitet immer weiter voran und auch wir lernen kontinuierlich dazu. Wir möchten deshalb darauf hinweisen, dass die in diesem Text beschriebenen Zusammenhänge eventuell irgendwann aktualisiert werden müssen.
Kontaktieren Sie uns bitte, falls Sie sich zu den Inhalten dieses Artikels mit uns austauschen möchten oder wenn Sie Rückfragen dazu haben.
Dieser Erfahrungsbericht soll vor allem deutlich machen, dass biologische Prozesse beeinflussbar sind und auf der Kläranlage kein Bereich dem Zufall überlassen werden muss. Das Betriebspersonal kann in jeder Stufe das richtige Milieu für die gewünschten Stoffwechselprozesse einstellen. So wird eine optimale Reinigungsleistung bei einem störungsfreien Betrieb gewährleistet!

1 Einleitung – „Survival of the fittest“

Der Begriff „Milieu“ beinhaltet alle physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren, die die Lebensbedingungen für Organismen beeinflussen. Ein Milieu umfasst eine Vielzahl von Variablen, zum Beispiel Temperatur, Verweilzeit, Sauerstoffkonzentration, pH-Wert, Verfügbarkeit von Nährstoffen, Redoxspannung, aber auch die Wechselwirkungen zwischen den Lebewesen. Dazu zählen unter anderem Wachstumsformen, Räuber-Beute-Beziehungen, Konkurrenzverhalten oder Symbiosen. So bildet sich an jedem einzelnen Ort und Zeitpunkt ein ganz individuelles Milieu. Die Anpassung von Organismen an das herrschende Milieu ist entscheidend für ihr Überleben und ihre Fortpflanzung. Evolutionäre Prozesse haben dazu geführt, dass Arten spezialisierte Anpassungen entwickelt haben, um in bestimmten Milieus erfolgreich zu sein. So dominieren immer die Lebewesen ein Milieu, die daran am besten angepasst sind.
Ganz nach dem Motto „Survival of the fittest“. Das nennt man „natürliche Selektion“.
Ein Wandel der Bedingungen im Milieu wirkt sich stark auf die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft darin aus. Die Faktoren, die einer einzelnen Gruppe von Organismen einen Vorteil verschaffen, werden als Selektionsfaktoren beschrieben.
Möchte man eine bestimmte Lebensgemeinschaft an einem Ort ansiedeln, kann man durch die Anpassung der Selektionsfaktoren die gewünschten Organismen fördern.
Menschen machen sich diese künstliche Selektion schon seit Jahrhunderten auf vielfältigste Weise zunutze. Zum Beispiel in der Landwirtschaft, in der Medizin, der Lebensmitteltechnologie und eben auch in der Umwelttechnik.
Auf Kläranlagen möchten wir den Mikroorganismen ein „Zuhause“ schaffen, die für uns das Abwasser so effektiv wie möglich reinigen und das Wachstum problemverursachender Organismen unterdrücken. Um nun gezielt selektieren zu können, ist es wichtig zu wissen,

• welche Stoffwechselprozesse für welche Abbauprozesse benötigt werden und welche Mikroorganismen diesen Stoffwechsel betreiben können,
• welche Selektionsfaktoren für diese Organismen entscheidend sind und
• welches Milieu zum aktuellen Zeitpunkt in den einzelnen Verfahrensstufen herrscht.

Kurz gesagt: „Was wird benötigt und was liegt vor? Stimmt das überein?“

2 Theoretische Grundlagen – Der Stoffwechsel der Mikroorganismen

Mikroorganismen reinigen unser Abwasser, indem sie sich „von den Schmutzstoffen ernähren“. So wird Laien oftmals beschrieben, was in der biologischen Stufe einer Kläranlage passiert.
Das ist natürlich eine stark vereinfachte Aussage, aber sie bringt den Nutzen auf den Punkt, den die Mikroorganismen aus dem Abbau der Abwasserinhaltsstoffe ziehen. Sie sind ihre Lebensgrundlage.
Sie bauen daraus im Baustoffwechsel (Anabolismus) ihre körpereigene Substanz (Biomasse) auf und gewinnen im Energiestoffwechsel (Katabolismus) Energie für ihre Körperaktivitäten. Zum Überleben benötigen also alle Organismen Baustoffe und Energie.
Ähnlich wie wir Menschen haben Bakterien, Ein- und Mehrzeller bestimmte „Ernährungsweisen“.  Man kann sie danach in verschiedene Kategorien einteilen.

Für den Biomasseaufbau benötigen alle Lebewesen Elemente wie Phosphor (P), Stickstoff (N), Schwefel (S) und vor allem Kohlenstoff (C) als Baustoffe, da daraus alle Zellen aufgebaut sind.

Es wird unterschieden in

• autotrophe Organismen, die eine anorganische Kohlenstoffquelle nutzen
  (z. B. Kohlenstoffdioxid, CO₂) wie die Nitrifikanten und
• heterotrophe Organismen, die eine organische Kohlenstoffquelle nutzen
  (z. B. Glukose, C₆H₁₂O₆ ) wie die meisten anderen Belebtschlammorganismen.

Bei der Energiegewinnung gibt es wesentlich mehr Unterscheidungsmöglichkeiten. Als erstes wird nach der Energiequelle unterschieden. Organismen nutzen entweder

• Licht, also Photonen bei der Phototrophie, oder
• Elektronen durch Redoxreaktionen bei der Chemotrophie.

Typische phototrophe Organismen sind grüne Pflanzen. In der Abwasserreinigung können vereinzelt Algen eine Rolle spielen, aber die meisten an den Eliminationsprozessen beteiligten Organismen sind chemotroph. Sie ziehen ihre Energie daraus, dass sie Elektronen von einer chemischen Substanz auf die andere übertragen. Im Prinzip funktioniert das wie in einem Elektromotor. Die Organismen werden durch den Fluss der Elektronen (elektrischer Strom) angetrieben, wenn diese (bei physikalischer Stromrichtung) vom Elektronenspender (Anode) zum Elektronenakzeptor (Kathode) fließen. Insgesamt werden keine Elektronen verbraucht, also ist die Anzahl der Elektronen (e^–), die in die Zelle hineinkommen, gleich der Anzahl der Elektronen, die die Zelle verlassen.
Den Prozess der Elektronen-Abgabe nennt man Oxidation. Dabei steigt die Oxidationszahl, weil der Stoff durch die Abgabe negativ geladener Teilchen (Elektronen) positiver wird. Der Prozess der Elektronenaufnahme ist die Reduktion. Hierbei sinkt die Oxidationszahl des Stoffes, weil der Stoff durch die Aufnahme negativ geladener Teilchen negativer wird.

Wie in der Elektrotechnik können die Elektronen immer nur fließen, wenn der Stromkreis geschlossen ist. Es muss also immer ein Elektronenspender und ein Elektronenakzeptor vorhanden sein. Da deshalb immer Reduktion und Oxidation beim chemotrophen Katabolismus miteinander verbunden sind, spricht man auch von Redoxreaktionen. Der Stoff, der seine Elektronen abgibt, wird außerdem auch als Reduktionsmittel bezeichnet, da er seinen Reaktionspartner reduziert. Andersherum ist der Stoff, der die Elektronen in der Reaktion aufnimmt, das Oxidationsmittel. Die Spannung [mV], welche zwischen den beiden Substanzen gemessen werden kann, ist die Redoxspannung.

Je nachdem, welcher Elektronenspender von den Organismen für deren Energiestoffwechsel verwendet wird, unterscheidet man

• lithotrophe Organismen, die einen anorganischen Elektronenspender nutzen
  (z. B. Ammonium, NH₄⁺) wie die Nitrifikanten und
• organotrophe Organismen, die einen organischen Elektronenspender nutzen (z. B.Glukose, C₆H₁₂O₆ ) wie die meisten anderen Belebtschlammorganismen.

Weiter kategorisiert man nach dem Elektronenakzeptor, den die Mikroorganismen nutzen.
Es gibt folgende Varianten:

• aerobe Atmung, dabei wird Sauerstoff (O₂) als Elektronenakzeptor genutzt,
• anaerobe Atmung, ein anderer externer Stoff als Sauerstoff wird als Elektronenakzeptor genutzt (z. B. Nitrat, NO₃^–) und die
• Fermentation / Gärung, bei der kein externer Stoff als Elektronenakzeptor verwendet wird, sondern das zellinterne Nicotinamidadenindinukleotid (NAD+).

Viele Organismen können je nach den Milieubedingungen zwischen den verschiedenen Stoffwechselprozessen umschalten. So können beispielsweise einige chemo-organo-heterotrophe Organismen, die organische Substanzen als Kohlenstoffquelle und Elektronendonator nutzen, eine Redoxreaktion im aeroben Milieu mit Sauerstoff als Elektronenakzeptor und im anaeroben Milieu z. B. mit Nitrat als Elektronenakzeptor ablaufen lassen. Es gibt aber auch Mikroorganismen, die nur bei definierten Sauerstoffkonzentrationen überleben, weil sie nur einen Stoffwechselprozess nutzen können. Die Sauerstoffkonzentration in dem Milieu spielt demnach eine entscheidende Rolle dabei, welcher Energiestoffwechselweg ablaufen kann. 

Je nach Sauerstofftoleranz der Mikroorganismen wird unterschieden in:

• strikte Aerobier: betreiben nur aerobe Atmung, z. B. Nitrifikanten und benötigen Sauerstoff;
• strikte Anaerobier: betreiben nur anaerobe Atmung oder Fermentation, z. B. Methanbildner, sie werden durch Sauerstoff geschädigt;
• fakultative Anaerobier: betreiben aerobe und anaerobe Atmung oder Fermentation, z. B. Pseudomonas denitrificans; sie können mit und ohne Sauerstoff leben und Energie gewinnen, die aerobe Atmung wird aber bevorzugt;
• Mikroaerophile: betreiben nur aerobe Atmung (sind unfähig zur anaeroben Atmung/Fermentation) benötigen aber eine geringe Sauerstoffkonzentration und vertragen keine hohen Sauerstoff-Konzentrationen, z. B. Microthrix spp. und
• sauerstofftolerante Anaerobier: betreiben nur anaerobe Atmung oder Fermentation, werden durch Sauerstoff nicht geschädigt, können aber auch keine Energie im aeroben Milieu gewinnen.

3 Welche Stoffwechselprozesse benötigen wir auf Kläranlagen?

Bei der biologischen Abwasserreinigung müssen vornehmlich Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen abgebaut werden. Zum Großteil werden diese „Schmutzstoffe“ über den Anabolismus (Baustoffwechsel) der Mikroorganismen aus dem Abwasser entnommen, da für den Aufbau aller Zellen die Elemente C, N und P als „Bausteine“ benötigt werden. Zudem ist auch das Vorkommen weiterer Nährstoffe wie zum Beispiel Schwefel (S), Eisen (Fe), Calcium (Ca) und Magnesium (Mg) für das Biomassewachstum wichtig. Da diese in der Regel nur in sehr geringen Mengen im Abwasser enthalten sind, werden sie meist vollständig in den Belebtschlamm eingebaut.

Die folgende Gleichung (verändert nach B.Y.Ammary, 2004) beschreibt die Assimilation (Umwandlung körperfremder in körpereigene Stoffe) der Nährstoffe, die beim Anabolismus (Aufbau) aller Organismen stattfindet.

Glucose                                                                          Biomasse
1,5 C₆H₁₂O₆ + 1 NH₃ + 4 O₂ + weitere Nährstoffe (ink. P) → 1 C₅H₇NO₂P_1/12 + 4 CO₂ + 7 H₂O

Würden Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor in einem passenden Verhältnis vorliegen, könnten diese Elemente ebenfalls rein über den Anabolismus der Organismen eliminiert werden. Dieses optimale Verhältnis (BSB:Nges:Pges) liegt etwa bei 100:5:1 (abgeleitet von der zuvor aufgeführten Gleichung). Da in kommunalen Zuläufen aber meist zu viele Stickstoff- und Phosphorverbindungen enthalten sind, um alle Substanzen nur über diesen Prozess zu eliminieren, werden zusätzliche katabolische Stoffwechselprozesse (dabei „veratmen“ verschiedene Mikroorganismen dann die restlichen „Schmutzstoffe“) und chemische Fällungsreaktionen (dabei werden die gelösten „Schmutzstoffe“ in ungelöste anorganische Partikel umgewandelt, die sich absetzen können) benötigt.

Um Stickstoffverbindungen zu eliminieren, macht man sich zum Beispiel den Prozess der Nitrifikation und der Denitrifikation zunutze. Für Phosphorverbindungen ist eine Fällung mit Metallsalzen das am häufigsten eingesetzte Verfahren. Allerdings kann man bestimmte Bakteriengruppen auch durch den „Bio-P-Prozess“ zu einer vermehrten biologischen P-Aufnahme durch die Bildung von P-haltigen Speicherstoffen bringen.

In der nachfolgenden Auflistung werden die für die Abwasserbehandlung relevantesten Energie- stoffwechselwege in deutlich vereinfachter Form dargestellt. Die farbliche Kennzeichnung soll darauf hinweisen, welche Stoffgruppe in welchem Prozess aus dem Abwasser eliminiert wird:

• Braun = Kohlenstoff-Verbindungen
• Grün = Stickstoff-Verbindungen
• Blau = Phosphor-Verbindungen
• Gelb = Schwefel-Verbindungen

Als Zusatzinformation werden auch die Milieubedingungen angegeben, welche für die einzelnen Prozesse unserer Erfahrung nach ideal sind und welche Organismengruppe sie hauptsächlich durchführt. So kann im nächsten Textabschnitt der Bezug zur betrieblichen Praxis hergestellt werden.  Diese Darstellung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da die möglichen Stoffwechselwege in der Natur überaus vielfältig sind.

Aerobe Kohlenstoffoxidation:

Denitrifikation:

Nitritation:

Nitratation:

Desulfurikation (H₂S-Bildung):

Weitere Stoffwechselwege (Fermentation, Anammox, Methanbildung) sind im Anhang zu finden.

Organische P-Verbindungen müssen vor der chemischen Fällung zu ortho-P-Verbindungen abgebaut werden. Die chemische Phosphatfällung lässt sich als einfache Fällungsreaktion beschreiben:

Zur Fällung werden verschiedene Metallverbindungen (Me) eingesetzt, die meist Chlorid oder Sulfat enthalten. Diese Stoffe gehen bei der Reaktion als Salze in Lösung.
Die Zugabe von Fällmitteln wirkt sich auch auf die biologischen Prozesse aus, da dadurch zum Beispiel der pH-Wert sinken oder die Leitfähigkeit steigen kann. Außerdem können die Verbindungen an anderen chemischen Reaktionen teilnehmen, als Ladungsträger die Flockenbildung beeinflussen oder als Nährstoff für anabolische und katabolische Prozesse dienen. Warum Eisen für die Nitrifikanten von großer Bedeutung ist und warum es zu stabileren Belebtschlammflocken führt, ist zwar auch ein sehr interessantes Thema, aber nicht Teil dieses Berichtes.

Die vermehrte biologische Phosphorelimination ist wesentlich komplexer und kann nicht so einfach als Redoxreaktion beschrieben werden, da dabei Transport- und Speicherungsprozesse in den Organismen ablaufen. Um den „Bio-P-Prozess“ als Abbauweg für Phosphatverbindungen darzustellen, verwenden wir deshalb dieses Schema:

P-Rücklösung:
Die „konventionellen“ Bio-P-Bakterien bzw. Polyphosphat-akkumulierenden Organismen (PAOs) nehmen in der anaeroben Phase kurzkettige organische Säuren (seltener auch Alkohole oder Glukose) auf. Dabei wird in den Zellen gespeichertes Polyphosphat als ortho-Phosphat zurückgelöst, um Energie für die Aufnahme der organischen Säuren und Bildung von Speicherstoffen (PHAs) zu gewinnen.

P-Aufnahme:
In der belüfteten Phase/Zone führen die Bio-P-Bakterien eine aerobe Atmung durch und oxidieren die vorher aufgenommene Kohlenstoffquelle, um Energie zu gewinnen und wieder Polyphosphat als Speicherstoff zu bilden. Dabei nehmen sie etwas mehr Phosphat in ihre Zellen auf, als sie in der unbelüfteten Phase zurückgelöst haben. Außerdem nehmen diese Organismen auch bei der Zellteilung (Bildung neuer Biomasse) mehr Phosphor auf, als andere. Insgesamt führen die Stoffwechselprozesse der PAOs also zu einer erhöhten biologischen P-Elimination.

4 Erfassung der Milieubedingungen

An dieser Stelle unseres Artikels sollte allen Lesenden klargeworden sein, dass wir bei der Abwasserreinigung viele verschiedene biochemische Prozesse nutzen, die nur unter ganz bestimmten Milieubedingungen ablaufen können. Für die praktische Anwendung dieser Erkenntnisse ist es deshalb wichtig, die Milieubedingungen in den unterschiedlichen Stufen zu kennen und gezielt einzustellen.
Die meisten Umweltfaktoren können heutzutage mit moderner Messtechnik recht einfach erfasst werden. So gibt es verschiedene Messgeräte, die die Temperatur, die Leitfähigkeit, den pH-Wert und auch die Stoff-Konzentrationen von Sauerstoff oder zum Beispiel Ammonium und Nitrat erfassen können. Eine eher unbekannte, aber sehr effektive Messung ist die Messung der Redoxspannung. Mit ihr kann festgestellt werden, ob im Abwasser in der Summe eher reduzierende oder oxidierende Verhältnisse herrschen.
Dabei wird ähnlich wie beim pH-Wert eine elektrische Spannung detektiert, die zwischen der untersuchten Probe und der Referenzelektrode entsteht. Im Gegensatz zur pH-Elektrode, die selektiv auf Wasserstoffionen reagiert, erfasst die Redoxelektrode dabei alle Ionen (geladene Teilchen) in dem Medium. Ist die gemessene Redoxspannung positiv, bedeutet das, dass die untersuchte Probe in Bezug auf die Referenzelektrode als Elektronenakzeptor wirkt. Dies ist immer dann der Fall, wenn überwiegend Oxidationsmittel wie zum Beispiel Nitrat oder Sauerstoff in der untersuchten Probe enthalten ist. Umgekehrt wirkt das Medium als Elektronenspender (beinhaltet also überwiegend Reduktionsmittel), wenn die Spannung negativ ist. In der Abwassertechnik kann die Redoxmessung nun eingesetzt werden, um festzustellen, welche Redoxreaktionen, also welche Stoffwechselwege in einem Milieu hauptsächlich ablaufen und ob eher aerobe oder anaerobe Bedingungen herrschen. Abbildung 3 gibt einen Überblick über die Redoxbereiche der wichtigsten Prozesse.

Bei der Interpretation der Redoxspannung wird nicht der exakte Wert, sondern der Bereich betrachtet. Liegt die Redoxspannung im Nitrifikationsbecken beispielsweise um die +200 mV, ist alles in Ordnung, da die Nitrifikation im Redoxbereich von +100 bis +350 stattfinden kann. Liegt die Redoxspannung nur bei etwa +50 mV, könnte es Probleme mit der Nitrifikation geben, da das Milieu nicht optimal für die Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat ist. Durch die Redoxmessung kann auch festgestellt werden, ob noch Oxidationsmittel wie Nitrat im Becken vorhanden ist oder ob schon Fermentationsprozesse im Abwasser ablaufen. Eine Sauerstoffmessung würde in beiden Fällen einfach nur bei 0 mg/l bleiben – sie liefert keine negativen Werte.

Neben den quantitativen Messmethoden, die direkte numerische Messwerte liefern, gibt es aber auch qualitative Messmethoden wie die Mikroskopie. Diese liefert visuelle Informationen, die sorgfältig interpretiert werden müssen. Die Fähigkeit, diese Bilder zu beurteilen muss gut geschult werden, aber wenn man auch nur einzelne wichtige Indikatororganismen ausmachen kann, bekommt man einen sehr guten Überblick über das Milieu, aus dem die Probe entnommen wurde.

Eigentlich ist es ganz einfach:
Die Biozönose im Belebtschlamm einer Kläranlage bildet sich immer ganz individuell nach den gegebenen Bedingungen aus. Dabei spielen die Abwasserzusammensetzung, der pH-Wert, die Temperatur, das Schlammalter, die Sauerstoffversorgung und viele weitere Aspekte eine Rolle.
So gibt es bestimmte Mikroorganismen, die sich zum Beispiel nur bei einer Sauerstoffkonzentration von etwa 2 mg/l im Belebtschlamm wohlfühlen, weil sie strikte Aerobier sind. Andere Arten dominieren den Schlamm eher bei anaeroben Bedingungen, wenn kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, weil sie einen anderen Stoffwechselweg zum Energiegewinn nutzen können.
Die Mikroskopie hilft uns also dabei eine Aussage über die herrschenden Milieubedingungen treffen zu können.
Für die Bewertung der Milieubedingungen ist es sehr wichtig, genau zu überlegen, wo man die Probe entnimmt. Belebtschlammproben werden am besten in der belüfteten Phase und aus dem jeweiligen Becken entnommen. Wenn man im Ablauf mehrerer Becken/ Straßen die Probe entnimmt, merkt man nicht, wenn in einem der Becken eine Störung vorliegt (z. B. defekte Belüfter).

Eine weitergehende Form der Mikroskopie sind sogenannte Gensondenuntersuchungen (mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung). Einfach beschrieben handelt es sich bei den Gensonden um kleine Stücke von DNA oder RNA, die so hergestellt werden, dass sie zu einer bestimmten DNA-Sequenz eines Mikroorganismus passen. Man kann sie sich wie ein „Schlüssel“ vorstellen, der zu einem bestimmten „Schloss“ (einem Gen oder einer DNA-Sequenz) passt. Die Gensonden werden mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert. Wenn sie also an die Ziel-DNA anbinden, leuchtet der Bereich unter einem speziellen Fluoreszenz-Mikroskop. So kann man sehen, ob ein bestimmter Mikroorganismus in der Probe vorhanden ist (z. B. nitrifizierende Bakterien, die man mittels der normalen Licht-Mikroskopie nicht im Schlamm erkennen würde).

Mit dieser (leider etwas aufwändigeren) Methode der Mikroskopie können demnach nicht nur die Milieubedingungen eingeschätzt werden, die das Wachstum bestimmter Bakterienarten fördern oder verhindern, sondern es kann direkt kontrolliert werden, ob die gesuchten Organismen in der Probe vorkommen!

5 Beispiele aus der Praxis

Im folgenden Abschnitt widmen wir uns nun den einzelnen Milieus, die wir in der Abwasserbehandlung vorfinden können, und den Folgen, die ein nicht optimales Milieu auf den Reinigungsprozess haben kann.
Dieser Text ist geprägt von praktischen Erfahrungen aus über 40 Jahren Außendienst auf Kläranlagen und hat das Ziel, wichtige Hinweise für den Betrieb von Abwasserbehandlungsanlagen zu vermitteln.

5.1 Milieu Kanal – Probleme mit Schwefelwasserstoff (H₂S)

In Zeiten, in denen

• immer mehr kleine Kläranlagen geschlossen und deren Abwasser über Druckleitungen größeren Kläranlagen zugeführt werden,
• es sehr warm ist und wenig regnet,
• der Grundwasserspiegel sinkt und
• in denen die Menschen angehalten werden, Wasser zu sparen,

kommen immer mehr Kanalisationssysteme an ihre Grenzen. Die Wassermenge reicht nicht mehr aus, um die festen Bestandteile des Abwassers oder sogar das Abwasser selbst zeitnah zur Kläranlage zu befördern. Die langen Aufenthaltszeiten des Abwassers im Kanal – oft in Verbindung mit hohen Temperaturen und starken organischen Verschmutzungen (z. B. Fettanhaftungen) – führen häufig vermehrt zu anaeroben Milieubedingungen. Sind diese besonders intensiv, bildet sich eine anaerobe Sielhaut, in der zwei verschiedene Gruppen von Schwefelbakterien wachsen (Li et al., 2017; siehe Abb. 4).
Im unteren, mit Abwasser gefüllten Teil des Rohres können anaerobe Sulfat-reduzierende Bakterien (SRB’s) wachsen. Im oberen, belüfteten Teil des Rohres können sich säureliebende Schwefel-oxidierende Bakterien (SOB’s) ansiedeln. Die Sulfatreduzierer nutzen organische Verbindungen (häufig Fette) als Elektronenspender und Sulfat (SO₄) als Elektronenakzeptor aus dem Abwasser und produzieren vor allem H₂S und CO₂ (siehe Kapitel 3). Gelangen die reduzierten Schwefelverbindungen in die Kläranlage, können diese die Nitrifikation hemmen.

Die Schwefeloxidierer können H₂S nutzen und produzieren Schwefelsäure (H₂SO₄). Die Säure kann zu erheblicher Metall- und Betonkorrosion führen. In industriellem Abwasser sind meist hohe CSB- und Sulfat-Konzentrationen enthalten, so dass diese im Kanal schon nach wenigen Stunden intensiv anfaulen können.

Kommt das angefaulte Abwasser in der Kläranlage an, enthält es oft unzählige einzelne (solitäre) Bakterien und kleine Sielhautbestandteile. Manchmal kann der Belebtschlamm diese nicht vollständig aufnehmen. Dadurch kann sich die Nachklärung massiv eintrüben („milchige Trübung“) und die Ablaufgrenzwerte für CSB und P können deutlich überschritten werden. Sehr gut lässt sich das feststellen, indem man beide Parameter an filtrierten (45 µm Membranfilter) und unfiltrierten Proben bestimmt. Der Unterschied ist meist erheblich (deutlich > 20 %).

Die Betriebsprobleme durch reduzierte Schwefelverbindungen und Schwefelsäurebildung im Kanal, mögliche Folgen und Gegenmaßnahmen sind in Tab. 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Betriebsprobleme durch reduzierte Schwefelverbindungen und Schwefelsäurebildung im Kanal

5.2 Milieu in Misch- und Ausgleichsbehältern und der Vorklärung

Misch- und Ausgleichsbehälter (M&A-Behälter) dienen der Vergleichmäßigung der anfallenden Abwassermenge und dem Ausgleich basischer und saurer Abwässer, die sich im günstigen Fall gegenseitig neutralisieren. Oft sind die Temperaturen in M&A-Behältern relativ hoch (> 20 °C), so dass sich angesichts hoher CSB-Gehalte und meist nur „mischender“ Belüftungssysteme schon nach 1-2 Stunden streng anaerobe Bedingungen einstellen. Aufgrund der Umweltbedingungen in M&A-Behältern werden dort überwiegend hydrolysierende und fakultative Mikroorganismen gefördert. Man kann den Versäuerungsprozess leicht mit einer Messung der Redoxspannung feststellen. Diese sinkt in Bereiche < -100 mV. Oft ist dieser Vorgang auch mit einem Abfall des pH-Werts verbunden, weil organische Substanzen zu organischen Säuren vergoren werden.

Sind die vorgenannten, eiweiß- bzw. schwefelhaltigen Abwasserinhaltsstoffe enthalten, kann es auch hier – wie im Kanalnetz – zur Bildung von H₂S und für die Nitrifikanten giftigen Thioverbindungen kommen, die zu erheblichen Geruchsbelästigungen führen. Im M&A-Behälter können sich zudem oft massive Fadenbakterienpopulationen ausbilden (z. B. Fäden der Thiothrix-Gruppe (inklusive Typ 021 N)), die in der nachfolgenden Kläranlage zu erheblichen Blähschlammproblemen führen können. Das Optimum der Sulfidbildung liegt bei einer Redoxspannung von -270 mV (Chen et al., 2023). Deswegen sollte man unbedingt vermeiden, dass die Redoxspannung unter -250 mV fällt.

Die Überwachung der Redoxspannung im M&A-Becken ist ein sehr einfaches Mittel, um dort ungewollte Prozesse zu vermeiden bzw. den Einsatz von Gegenmaßnahmen zu überwachen.

Diese sind

• Reduktion der Verweilzeit,
• regelmäßige Komplettentleerung inkl. Reinigung,
• Belüftung,
• Zugabe von Nitrat-haltigen Lösungen (Calciumnitrat, Natriumnitrat, etc.),
• Zugabe von Natriumaluminat (Aluminium hemmt bakterielle Versäuerungsreaktionen und Natronlauge erhöht den pH-Wert).

Die gleichen Zusammenhänge gelten für Vorklärbecken, oder anderen Anlagenabschnitten in denen das Zulaufwasser vor der biologischen Stufe verweilt. Ist die Aufenthaltszeit zu lang, bildet sich ein stark anaerobes Milieu, dass sich negativ auf die Prozesse im Belebungsbecken auswirkt. Die Aufenthaltszeit in Vorklärbecken sollte deshalb nicht viel mehr als 1 Stunde betragen.

5.3 Milieu belüftete Belebungsbecken bzw. –zonen

In belüfteten Belebungsbecken sollten die Bedingungen optimal für aerobe Organismen, wie z. B. Kohlenstoff-abbauende Bakterien und Nitrifikanten eingestellt sein. Der Abbau des organischen Kohlenstoffs wird hauptsächlich durch Organismen durchgeführt, die Sauerstoff für die Atmung (Energiegewinnung) und organischen Kohlenstoff als Kohlenstoffquelle benötigen (aerobe Atmung). Die Energiegewinnung erfolgt als Redoxreaktion (siehe Kapitel 1).

Bei der Nitrifikation wird Ammonium (NH₄) durch die Ammonium-oxidierenden Bakterien (AOB’s) zu Nitrit (NO₂^–) und Nitrit durch die Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOB’s) zu Nitrat (NO₃^–) oxidiert. Die Nitrifikanten benötigen Sauerstoff für die Atmung und Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Kohlenstoffquelle. Der Sauerstoff-Sollwert sollte in der Nitrifikation (in der belüfteten Phase/ im belüfteten Becken) bei konstant 2,0 mg O₂/l liegen, um eine gute Sauerstoffversorgung der Nitrifikanten sicherzustellen. Ist die Sauerstoffversorgung nicht optimal, kann die Reaktion verlangsamt oder gestoppt werden, sodass sich eventuell Nitrit anstaut. Auch eine Überbelüftung (> 3 mg O₂/l) ist ungünstig und führt zu einer vermehrten Lachgasbildung (Gruber, W. et al.; siehe Abbildung 6).

Nitrit ist ein giftiges Zwischenprodukt (für die meisten Ein- und Mehrzeller und auch für die Nitrifikanten selbst), das so schnell wie möglich abgebaut werden sollte. Geschieht das nicht, können folgende Probleme auftreten:

• Beeinträchtigung der Nitrifikation,
• Vergiftung der Ein- und Mehrzeller (Wimpertierchen, Rädertierchen, etc.),
• Artenarmut im Belebtschlamm,
• reduzierte „Flockenpflege“ z. B. durch Wimpertierchen,
• Flockenzerfall,
• Verlust einzelner Bakteriengruppen (häufig Nitrifikanten),
• Eintrübung der Nachklärung durch kleine Flocken und freie Bakterien.

Darüber hinaus sollten die belüfteten Phasen ausreichend lang sein. Bestenfalls sollten die Nitrifikanten bei einer intermittierenden Belüftung in der Summe mind. 12 h pro Tag mit Sauerstoff versorgt sein. Finden Nitrifikation und Denitrifikation in verschiedenen Becken statt, sollte das Nitrifikationsvolumen mind. 50 % des Gesamtvolumens betragen. Oft ist dies nicht der Fall, wenn beispielsweise ein Bio-P-Becken und ein Denitrifikationsbecken (also zwei anaerobe Bereiche) vorgeschaltet sind. Dann ist häufig der unbelüftete Anteil der Belebungsbecken größer als der belüftete Teil. Verhältnismäßig lange unbelüftete Phasen (> 12 h am Tag) oder große unbelüftete Zonen (> 50 % des Beckenvolumens) fördern Fadenbakterien, die geringe Sauerstoffgehalte bevorzugen, wie Microthrix spp. oder Typ 1851. Beide Fadentypen können zu erheblichen Blähschlammproblemen führen.

Ungünstig ist auch ein zu schneller Wechsel zwischen unbelüfteten und belüfteten Zeiten bzw. Zonen, da die Organismen immer ein paar Minuten benötigen, um ihren Stoffwechsel an die veränderten Bedingungen anzupassen. Zeiten deutlich unter 45 Minuten pro Zyklus sind wenig sinnvoll – aber auch Zykluszeiten > 2 Stunden sind oft wenig zielführend. Hier sind die Mileubedingungen für den gewünschten Prozess zu prüfen und klarer einzustellen.

Die P-Aufnahme beim Bio-P-Prozess funktioniert nur, wenn in der belüfteten Phase ausreichend Sauerstoff für den Prozess vorhanden ist. Sind die Organismen nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt, kann der Bio-P-Prozess gestört werden. Dann erfolgt eine niedrigere P-Aufnahme, wodurch die P-Ablaufkonzentrationen erhöht sein können.

Eine nicht optimale Sauerstoffversorgung des Belebtschlamms kann beispielsweise durch fehlende Sauerstoff-Anzeiger oder bestimmte Fadenbakterien (Kap. 5.6, Tab. 2) im mikroskopischen Bild festgestellt werden. Durch Gensondenanalysen kann zudem gezeigt werden, ob und welche Nitrifikanten im Belebtschlamm vorkommen und ob eine Hemmung der Nitrifikanten vorliegt.

5.4 Milieu unbelüftete Belebungsbecken bzw. –zonen

In unbelüfteten Belebungsbecken sollten optimale Bedingungen eingestellt werden, um den Denitrifikanten und den Bio-P-Bakterien (PAOs) ein optimales Milieu zu bieten. Die Denitratation (Umwandlung von Nitrat (NO₃) zu Nitrit (NO₂)) kann im Belebtschlamm durch Protozoen, Bakterien, Urbakterien (Archaeen) und Pilze vollzogen werden (Selzer, 2016). Bei der klassischen Denitrifikation (Denitritation) wird unter Abwesenheit gelösten Sauerstoffs der im Nitrit enthaltene Stickstoff über Stickoxide (Stickstoffmonoxid (NO) und Lachgas (N₂O)) zu elementarem, gasförmigen Stickstoff (N₂) umgesetzt. Die Energiegewinnung erfolgt über die Oxidation von leicht abbaubaren organischen Kohlenstoffverbindungen mit Nitrat als Oxidationsmittel (anaerobe Atmung) (Mahro, 2006). Es wird also nicht der Sauerstoff aus dem Nitrat genutzt, sondern der Stickstoff wird reduziert. Der Gedanke von gebundenem Sauerstoff, der durch die Mikroorganismen vom Stickstoff abgespalten und dann genutzt wird, ist also wissenschaftlich widerlegt.

Somit beschreibt der Begriff „anoxisch“, der in der Abwassertechnik gerne verwendet wird, eigentlich ein Milieu in dem kein Sauerstoff mehr zur Verfügung steht, aber dafür andere Elektronenakzeptoren wie z. B. Nitrat vorliegen. In der Biotechnologie gibt es nur die Unterscheidung in aerob oder anaerob (mit oder ohne Sauerstoff).

Viele Denitrifikanten können mehrere Stoffwechselprozesse durchführen – je nachdem, welche Stoffe vorhanden sind und wie hoch der mögliche Energiegewinn für sie ist. Sobald z. B. Nitrit und Nitrat im Belebtschlamm vollständig verbraucht sind, kann als Polyphosphat gespeicherter Phosphor biologisch zurückgelöst werden. Bei der P-Rücklösung wird Energie frei, die die Phosphat-akkumulierenden Bakterien (PAOs) in der anaeroben Phase benötigen, um diese für sie ungünstige Phase zu „überleben“. Die Denitrifikanten und die PAOs sind somit oft dieselben Organismen.

An dem Punkt, ab dem Nitrat abgebaut ist, fällt die Redoxspannung manchmal besonders schnell über die Zeit ab (auch als Redox-Knick oder Nitratknie bezeichnet, siehe Abb. 5). Es gibt aber auch Kläranlagen, auf denen dieser Knick nicht zu sehen ist. Bei diesen Kläranlagen sind die Denitrifikanten und Bio-P-Bakterien sehr wahrscheinlich dieselben.

5.5 Unerwünschte Prozesse im Belebungsbecken

Das Belebungsbecken kann oft lange unbemerkt zu einem nicht beabsichtigten Lebensraum für Mikroorganismen werden, welche die Reinigungsprozesse beeinträchtigen können. Mit Hilfe eines mikroskopischen Bildes kann anhand bestimmter Indikatororganismen (z. B. Spirostomum teres, Spirillen, Schwefelfäden, Sarcinen-ähnliche Organismen, etc.) und/oder mit Hilfe von Gensondenuntersuchungen (Identifizierung von relevanten Bakteriengruppen) eine unerwünschte Veränderung des Milieus nachgewiesen werden. Die Ursachen für die Entstehung eines ungewollten Milieus im Belebungsbecken können z. B. faulige Schlammablagerungen am Beckenboden oder in Leitungen (oft Rücklaufschlammleitung) sein. Diese können den Belebtschlamm „von innen“ vergiften, weil die bei der anaeroben Zersetzung von Schlamm entstehenden Substanzen (s. o.) die Aktivität der Nitrifikanten und der höheren Organismen im Belebungsbecken erheblich beeinträchtigen können.

Insbesondere bei kommunalen Kläranlagen mit industriellen Indirekteinleitern können oft sehr viele fakultative Mikroorganismen (z. B. Sarcinen-ähnliche Organismen) im Belebtschlamm identifiziert werden. Diese weisen auf einen erheblichen Industrieabwasseranteil mit hohen CSB/BSB-Konzentrationen im Zulauf der Kläranlage hin. In diesen Fällen wird die N-Elimination oft nur durch Einbau in die Biomasse vollzogen (siehe Kapitel 3; BSB:N:P-Verhältnis). Es kann somit passieren, dass eine Kläranlage gar keine Nitrifikation/Denitrifikation hat, ohne davon zu wissen. Dies ist bei vielen Industriekläranlagen der Fall. Sind die Bedingungen in den belüfteten und unbelüfteten Becken/Zonen nicht klar definiert und optimal eingestellt, wird oft die Bildung von Lachgas (N₂O) gefördert. Dieses Gas ist ein starkes Treibhausgas, das etwa 265-mal klimaschädlicher als CO₂ ist. Wenn man also CO₂-Emissionen durch Einsparungen bei der Belüftung senken möchte, sollte man auch daran denken, dass dadurch mehr klimaschädliches N₂O entstehen kann! Auf Kläranlagen sind zwei N₂O-Bildungswege in der Nitrifikation und ein Bildungsweg in der Denitrifikation bekannt (Abb. 6).

5.6 Milieu für Fadenbakterien

Fadenbakterien können starken Einfluss auf die Struktur des Belebtschlamms nehmen. Durch ihre längliche Körperform, führen sie oft zu einer Vernetzung der Flocken, was dann zu einem schlechten Absetzverhalten führen kann. Besonders die Gattungen Microthrix und Thiothrix (ink. Typ 021N) führen auf Kläranlagen häufig zu starken Problemen. Das Vorkommen von Fadenbakterien hat allgemein immer eine Mangelsituation als Ursache. Die Fadenbildner besitzen nämlich mit ihrer großen Oberfläche einen Wachstumsvorteil gegenüber den Flockenbildnern. Sie kommen dadurch mehr mit den Nährstoffen um sie herum in Kontakt und können sie sozusagen den anderen „wegschnappen“. Besonders ein allgemeiner Futtermangel in Schwachlast-Situationen (bei sehr wenig BSB-Fracht) und ein Sauerstoff- und Nährstoffmangel in Hochlast-Situationen (bei sehr viel BSB-Fracht) führt zu Fadenbakterienwachstum. Wir unterteilen die Organismen deshalb vor allem in Schwachlast- und Hochlastfäden.
Zusätzlich fördert das Vorkommen reduzierter Schwefelverbindungen (H₂S bzw. Sulfid (S^2-); siehe Abb. 4) das Wachstum bestimmter Arten, die deshalb auch als Schwefelfäden bezeichnet werden.
H₂S kann von einigen Bakterien (meist Thiothrix spp. – die Gruppe umfasst circa 40 verschiedene Arten) zu Schwefel oxidiert und als Reservestoff im Zellinneren gespeichert werden. Bei Sauerstoffmangel kann der gespeicherte Schwefel zur Energiegewinnung genutzt werden.
Daher sind angefaultes Abwasser in Verbindung mit Sauerstoffmangel und viel leicht abbaubarem Substrat (vorzugsweise organische Säuren) die perfekte Kombination für das Wachstum dieser Fadenbakterien. Anaerobe oder mikroaerophile Milieus sind deshalb sehr förderlich für ihr Wachstum.
Aufgrund der unter Kapitel 5.1 aufgeführten Punkte ist die Tendenz, dass Kläranlagen hiermit ein Problem haben, leider zunehmend.

Tab. 2 gibt einen Überblick über die von uns häufig festgestellten Fadenbakterien, die besonders in anaeroben oder mikroaerophilen Milieus wachsen. Der Nachweis kann z. B. über Gram-/Neisser-Färbung oder Gensonden erfolgen.
Durch den immer häufigeren Einsatz von Erbgut-(DNA)-Sequenzierung für Belebtschlamm lässt sich für eine wachsende Anzahl an Fadenbakterien zusätzlich zu der morphologisch basierten Einteilung nach Eikelboom auch die Gattung oder Art der Fadenbakterien angeben. Über das Erbgut lässt sich häufig auch etwas zum Stoffwechsel der gesuchten Mikroorganismen aussagen. Durch Erbgut-(DNA)-Sequenzierung wurde z. B. auch festgestellt, dass der Eikelboom-Fadentyp 021 N zur Thiothrix-Gruppe gehört. Eine sichere Unterscheidung dieser Organismen ist nur mit Gensonden möglich und ist darüber hinaus hilfreich bei der Auswahl der Gegenmaßnahmen. Der Typ Microthrix spp. beinhaltet beispielsweise nicht nur den bekannten Microthrix parvicella, sondern auch Microthrix calida und Microthrix subdominans (Nierychlo et al., 2021). Mit der MiDAS Datenbank wird aktuell eine kontinuierlich wachsende und gepflegte Wissensplattform zur Identität und zu den Stoffwechselwegen der relevanten Mikroorganismen in der biologischen Abwasserbehandlung und in Faultürmen aufgebaut.

Tabelle 2: Wichtige von Sauerstoffmangel geförderte Fadenbakterien auf Kläranlagen*

*Informationen basierend auf der MiDAS Field Guide Datenbank  (https://www.midasfieldguide.org/guide/search) und der Erfahrung der Bioserve GmbH; weitere Quellen: Bayer. Landesamt für Umwelt, 2022; Dueholm et al., 2022; Sölter, 2019; Speirs et al., 2019.

[1] Zu Typ 0803 liegen laut der MiDAS-Datenbank noch keine ausreichenden Erkenntnisse vor.

5.7 Milieu Nachklärbecken (NKB)

Bleibt der Belebtschlamm zu lange im Nachklärbecken, so kann auch hier ein anaerobes Milieu entstehen. Dies kann

• bei Nitratkonzentrationen > 5 mg NO₃-N/l zu einer ungewollten Denitrifikation („wilde Deni“; es wird Stickstoffgas und Lachgas gebildet, so dass der Belebtschlamm auftreibt) und
• bei Nitratkonzentrationen < 1 mg NO₃-N/l zu erheblichen P-Rücklöseprozessen führen.

Ein gutes Maß für die richtige Wahl des Rücklaufverhältnisses ist nach unserer Erfahrung das Verhältnis vom TS-Gehalt des Rücklaufschlamms (RLS) zum TS-Gehalt der Belebung (BB). Es sollte bei 1,7 ± 0,1 liegen. Ist das TS_RLS/TS_BB-Verhältnis deutlich > 2,0, befindet sich der Belebtschlamm zu lange im Nachklärbecken. Dann sollte das Rücklaufverhältnis erhöht werden. Das ist besonders dann wichtig, wenn der Belebtschlamm ein optimales Milieu für Microthrix spp. bietet, weil zu lange Verweilzeiten im Nachklärbecken diesen Organismus begünstigen.

5.8 Milieu Faulturm – Überwachung und Probleme

Im Faulturm werden die organischen Bestandteile aus dem Vorklärschlamm (Primärschlamm) und dem Überschussschlamm (Sekundärschlamm) abgebaut. Dazu ist das Zusammenspiel von mehreren Organismengruppen nötig:

• Zuerst werden die organischen Substanzen (z. B. Polysacheride, Proteine und Fette) aus den Schlammbestandteilen gespalten (hydrolytische Bakterien).
• Die Spaltungsprodukte (z. B. Zucker, Amino- und Fettsäuren) werden zu Carbonsäuren und Alkoholen vergoren (fermentierende Bakterien).
• Diese Stoffe werden zu Essigsäure umgewandelt (acetogene Bakterien) dabei entsteht auch H₂ und CO₂.
• Aus Essigsäure (und H₂ und CO₂) wird Methan gebildet (methanogene Archaeen).

Das dabei anfallende Methangas wird in der Regel verstromt. Die bei der Verstromung (mittels BHKW oder Mikrogasturbine) anfallende Wärme wird zur Aufheizung des Faulturms verwendet. Das Milieu im Faulturm sollte eine Temperatur zwischen 38 und 41 °C aufweisen (mesophile Faulung), wobei Änderungen der Temperatur grundsätzlich extrem langsam erfolgen sollten. Wir empfehlen, die Temperatur um maximal 1 °C pro Monat zu ändern.

Jeder Faulturmbetreiber sollte mind. 1x monatlich die organischen Säuren und die Kalkreserve (Säurekapazität) des Faulwassers im Labor messen (Cybulski & Schwentner, 2017) und den pH-Wert täglich kontrollieren. Der pH-Wert sollte zwischen 6,8 und 7,2 (Poh et al., 2016) liegen. Größere Änderungen der Konzentration an organischen Säuren und der Kalkreserve sind immer ein Alarmzeichen. Es ist bekannt, dass alle Mikroorganismen sehr sensibel auf Änderungen des pH-Werts reagieren. Fällt der pH-Wert, reduziert sich meist die Aktivität der Bakterien. Dies äußert sich in einem erheblichen Einbruch der Gasproduktion. Dann ist es meist schon zu spät.

Um ein ungünstiges Milieu für die Biozönose im Faulturm zu vermeiden, muss man bei einem Abfall der Säurekapazität bzw. bei einem Anstieg der organischen Säuren umgehend gegensteuern.

Folgende Maßnahmen können ergriffen werden:

• Vorübergehende Reduktion der Beschickung mit stark fetthaltigen Schlämmen oder Co-Substraten.
• Vergleichmäßigung der Beschickung (ist immer gut).
• Zugabe von Kalkhydrat (Ca(OH)₂) oder Kreide (CaCO₃) direkt in den Faulturm; ca. 100 kg pro 1.000 m³ Faulraumvolumen und Tag – bis die Werte wieder in Ordnung sind. Am besten gibt man den Kalk oder die Kreide in den Primärschlammschacht.
• Vorübergehende (1-2 Wochen) Verdopplung der Kalk- oder Kreidezugabe in der Biologie.
• Zugabe von Natronlauge oder Soda (Natriumionen sind aber problematisch für die Schlammentwässerung (Kara et al., 2008)).

Wird das Fällmittel für die P-Elimination z. B. von einem reinen Eisen- auf ein Aluminiumprodukt umgestellt, weil es beispielsweise Probleme mit Microthrix-Fadenbakterien gibt, kann dies zu erheblichen Problemen mit H₂S im Faulgas führen, da der Sulfidschwefel (S^2-) im Faulturm nicht mehr zu Eisensulfid (FeS) abgebunden wird. Daher sollte immer eine Eisen-Grunddosierung in Höhe von mind. 25 ml/m³ Trockenwetterzufluss (bezogen auf FeCl₃-Lösung oder FeClSO₄-Lösung; bei FeCl₂ empfehlen wir 35 ml/m³ Trockenwetterzufluss) in den Belebtschlamm erfolgen. Das Eisen ist im Übrigen auch für die Belebtschlammflockenbildung und die Nitrifikation essentiell.

5.9 Milieu entwässerter Schlamm

Wird entwässerter Schlamm über längere Zeit (z. B. in einem Schlammsilo) zwischengelagert, kann es vorzugsweise bei hohen Außentemperaturen zu erheblichen Geruchsproblemen (Geruch nach „totem Fisch“) kommen. Infolge der starken Zentrifugalkräfte in Dekantern bzw. Zentrifugen bei der Schlammentwässerung werden organische Substanzen freigesetzt, die unter anaeroben Bedingungen zu Eiweißabbauverbindungen (z. B. Amine) und Methan umgesetzt werden. Solche Emissionen sind eine der denkbar größten Methanquellen in die freie Atmosphäre auf Kläranlagen und somit sehr klimaschädlich (Chen & Murthy, 2011).

Man sollte auch darauf achten, dass das Zentratwasser möglichst feststofffrei ist. Wird Faulschlamm im Kreis gefahren, kann dies zu einer Eintrübung im Nachklärbecken führen, weil der Belebtschlamm es unter Umständen nicht schafft, die ganzen in der Belebung nutzlosen Faulschlammbakterien in die Flocken einzubinden.
Für eine eventuell vorhandene Deammonifikationsanlage ist ein feststoffreiches Zentratwasser ebenfalls extrem ungünstig, weil dadurch Bakterien in die Deammonifikationsanlage eingetragen werden, die man dort nicht haben möchte und die die gewünschten Bakterien verdrängen.

6 Schlussfolgerungen

Im vorliegenden Bericht wurde erörtert, welche Milieubedingungen für welchen Prozess auf Kläranlagen notwendig oder störend sind.

Zusammenfassend kann man sagen,dass die aeroben und anaeroben Prozesse auf Kläranlagen klar getrennt werden sollten und die Bedingungen sauber eingestellt werden.

Für den Betrieb bedeutet das, dass

• der Kläranlage ein möglichst wenig angefaultes Abwasser zugeführt werden sollte,
• das Abwasser in M&A-Becken nicht massiv anfaulen sollte (Redoxspannung > ‑250 mV),
• die Aufenthaltszeit in Vorklärbecken nicht viel mehr als 1 Stunde betragen sollte,
• Belebungsbecken in der aeroben Phase/Zone vollständig und eindeutig mit Sauerstoff versorgt sein sollten (O₂-Gehalt > 2 mg/l über mind. 50 % der Zeit/des Beckenvolumens),
• Belebungsbecken in der Denitrifikationsphase sauerstofffrei (kein gelöster Sauerstoff) sein sollten,
• im Bio-P-Becken weder Sauerstoff oder ein anderer Elektronenakzeptor wie z. B. Nitrat vorhanden sein sollte,
• in den Faulturm kein Sauerstoff gelangen sollte und dass
• mit Dekantern entwässerter Klärschlamm im Sommer möglichst nur kurz in einem Schlammsilo zwischengelagert werden sollte.

Wir plädieren darüber hinaus ausdrücklich dafür, die Mikroskopie von Belebtschlamm wieder häufiger durchzuführen und mehr Geld in die Erforschung der biologischen Zusammenhänge auf Kläranlagen zu investieren. Wir sind dabei gern mit Rat und Tat – z. B. mit unseren Gensondenuntersuchungen – behilflich.

Stand: 25.02.2025

7 Links und Literaturhinweise zum Weiterlesen

Bayerisches Landesamt für Umwelt (Hrsg.): Das mikroskopische Bild bei der biologischen Abwasserreinigung, 2022, Das mikroskopische Bild bei der biologischen Abwasserreinigung – Publikationsshop der Bayerischen Staatsregierung (bayern.de)

Chen, Y., Murthy, S: The Effect of Digestion and Dewatering on Sudden Increases and Regrowth of Indicator Bacteria after Dewatering, Water Evironment Research 83 (9), 773-83, 2011, The Effect of Digestion and Dewatering on Sudden Increases and Regrowth of Indicator Bacteria after Dewatering – Chen – 2011 – Water Environment Research – Wiley Online Library

Chen, G., van Loosdrecht, M. C. M., Ekama, G. A., Brdjanovic, D.: Biological Wastewater Treatment, Principles, Modelling and Design, 2nd edition, IWA Publishing, 2023, https://iwaponline.com/ebooks/book/791/Biological-Wastewater-TreatmentPrinciples

Cybulski, B., Schwentner, G. (DWA): Handbuch zur Betriebsanalytik auf Kläranlagen, 3. Auflage, 2017, Handbuch Betriebsanalytik (2017) | Lieferprodukt | FB-ANALYTIK-17 (dwa.de)

Dueholm, M.K.D., Nierychlo, M., Andersen, K.S., Rudkjøbing, V., Knutsson, S., Albertsen, M., Nielsen, P. H.: MiDAS 4: A global catalogue of full.length 16S rRNA gene sequences and taxonomy for studies of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nature Communications 13, 1908, 2022, MiDAS 4: A global catalogue of full-length 16S rRNA gene sequences and taxonomy for studies of bacterial communities in wastewater treatment plants | Nature Communications

Fu, W., Song, G., Wang, Y., Wang, Q., Duan, P., Liu, C., Zhang, X., Rao., Z.: Advances in Research Into and Applications of Heterotrophic Nitrifying and Aerobic Denitrifying Microorganisms, Front. Environ. Sci. 10:887093, 2022, https://www.frontiersin.org/journals/environmental-science/articles/10.3389/fenvs.2022.887093/full

Gruber, W. Niederdorfer, R., Bürgmann, H., Joss, A.,Braun, D., Mohn, J., Känel, L., Morgenroth, E.: Lachgasemissionen aus ARA, 2022, Aqua & Gas, 1/2022, 14, https://www.eawag.ch/fileadmin/Domain1/News/2022/01/20/fa_joss.pdf

Hansen, J., Baumann, P.: Steuerung der Stickstoffelimination auf Grundlage des Redox-Potenzials, 2005, (PDF) Steuerung der Stickstoffelimination auf Grundlage des Redox-Potenzials. (researchgate.net)

Higgins, P.: ORP Management in Wastewater as an Indicator of Process Efficiency, 2013, ORP Management in Wastewater as an Indicator of Process Efficiency (ysi.com)

Kara, F., Gurakan, G. C., Sanin, F. D.: Monovalent cations and their influence on activated sludge floc chemistry, structure and physical characteristics; Biotechnology and Bioengineering Volume 100, No. 2, June 1, Seite 231-238, 2008, Biotechnology & Bioengineering | Biotechnology Journal | Wiley Online Library

Li, X., Kappler, U., Jiang, G.,  Bond, P.L.: The Ecology of Acidophilic Microorganisms in the Corroding Concrete Sewer Environment, Front. Microbiol. 8:683, 2017, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/28473816/

Mahro, B.: Zur Bedeutung des Nitrat-Sauerstoffs bei der biologischen Abwasserreinigung. KA Abwasser Abfall 53, 916-919, 2006.

Nierychlo, M., Singleton, C.M., Petriglieri, F., Thomsen, L., Petersen, J. F., Peces, M., Kondrotaite, Z., Dueholm, M. S., and Nielsen, P. H.: Low Global Diversity of Candidatus Microthrix, a Troublesome Filamentous Organism in Full-Scale WWTPs. Frontiers in Microbiology 12: 690251, 2021, Low Global Diversity of Candidatus Microthrix, a Troublesome Filamentous Organism in Full-Scale WWTPs – PMC (nih.gov)

Petriglieri, F., Petersen, J. F., Peces, M., Nierychlo, M., Hansen, K., Baastrand, C. E., Gro Nielsen, U., Reitzel, K., Nielsen, P. H: Quantification of Biologically and Chemically Bound Phosphorus in Activated Sludge from Full-Scale Plants with Biological P‑Removal, Environ. Sci. Technol. 56, 5132−5140, 2022, Quantification of Biologically and Chemically Bound Phosphorus in Activated Sludge from Full-Scale Plants with Biological P-Removal (acs.org)

Poh, P. E., Gouwanda, D., Mohan, Y., Gopalai, A. A., Tan, H. M.: Optimization of Wastewater Anaerobic Digestion Using Mechanistic and Meta-heuristic Methods: Current Limitations and Future Opportunities, Water Conserv Sci Eng, 1:1–20, 2016, Optimization of Wastewater Anaerobic Digestion Using Mechanistic and Meta-heuristic Methods: Current Limitations and Future Opportunities | SpringerLink

Selzer, M. Nitratreduktion, Denitrifikation und Dissimilatorische Nitritreduktion zu Ammonium in Grünland- und Waldböden: Populationen und Einflussfaktoren, Dissertation, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften der Universität Bayreuth, 2016, Nitratreduktion, Denitrifikation und Dissimilatorische Nitritreduktion zu Ammonium in Grünland- und Waldböden : Populationen und Einflussfaktoren – EPub Bayreuth (uni-bayreuth.de)

Sölter, K.: Das Belebtschlammverfahren in Industriekläranlagen, Vortrag zur 4. VDI Konferenz „Optimierung    industrieller  Kläranlagen“, Düsseldorf, 2019, Das Belebtschlammverfahren in Industriekläranlagen | Klärwerk.info (klaerwerk.info)

Speirs, L. B. M., Rice, D. T. F., Petrovski; S., Seviour, R. J.: The Phylogeny, Biodiversity, and Ecology of the Chloroflexi in Activated Sludge, Front. Microbiol. 10:2015, 2019, Frontiers | The Phylogeny, Biodiversity, and Ecology of the Chloroflexi in Activated Sludge (frontiersin.org)

B. Y. Ammary, „Nutrients requirements in biological industrial wastewater treatment,“ African Journal of Biotechnologie, 2004., Nutrients requirements in biological industrial wastewater treatment

Anhang: Weitere Stoffwechselwege wie in Kapitel 3:

Fermentation:

Anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox):

Methanbildung mit Wasserstoff:

Methanbildung mit Acetat (Essigsäure):

Aus Zusätzen in gängigen Waschmitteln kann der umstrittene Unkrautvernichter Glyphosat entstehen. Das haben Fachleute jetzt nachgewiesen. Die Entdeckung wirft Fragen nach unserem Umgang mit Chemikalien auf.
Am Anfang war es nur ein Verdacht. Daten, die nicht mit einer gängigen Annahme zusammenpassten. Jetzt haben Fachleute experimentell bestätigt: Aus Waschmittelzusätzen entsteht der Unkrautvernichter Glyphosat. Das geschieht in Kläranlagen, vielleicht aber auch bereits in der Kanalisation. Von dort aus gelangt das Glyphosat in unsere Bäche und Flüsse. Wie groß die Mengen sind, die sich auf diese Weise bilden, ist noch nicht bekannt. Die Entdeckung wirft eine Reihe von Fragen auf – einerseits für die Wissenschaft, andererseits nach unserem Umgang mit Chemikalien und deren Regulierung.

mehr: https://www.spektrum.de/news/klaeranlagen-wandeln-waschmittelzusaetze-in-glyphosat-um/2257188
https://www.infosperber.ch/umwelt/wasser-gewaesser/klaeranlagen-produzieren-den-unkrautvernichter-glyphosat/
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004313542500377X
https://uni-tuebingen.de/universitaet/aktuelles-und-publikationen/forschungsmagazin-attempto/das-glyphosat-raetsel/
https://www.swr.de/swraktuell/baden-wuerttemberg/tuebingen/glyphosat-aus-waschmittel-100.html

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2025

• Mikroplastik im Rhein – Untersuchungsbericht des Landesamtes für Natur, Umwelt und Klima NRW (LANUK)
• Breite europäische Allianz für konsequente Umsetzung der erweiterten Herstellerverantwortung
• Pharmafirmen sollen auch rückwirkend für Kläranlagen-Aufrüstung zahlen

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Mikroplastik im Rhein – Untersuchungsbericht des Landesamtes für Natur, Umwelt und Klima NRW (LANUK)

Bericht der Landesregierung: Primäres Mikroplastik im Abwasser industrieller Einleiter – eine Pilotstudie am Rhein – Untersuchungen des Landesamtes für Natur, Umwelt und Klima NRW (LANUK)

Vorbemerkung
Bezüglich Mikroplastik im Rhein wurde der Landtag zuletzt mit der Antwort der Landesregierung (Drucksache 18/57081) vom 01.09.2023 auf die Kleinen Anfrage 2210 vom 28.07.2023 „Was unternimmt die Landesregierung gegen Mikroplastik im Rhein?“ informiert. Der nun vorgelegte Bericht des Landesamtes für Natur, Umwelt und Klima Nordrhein-Westfalen (LANUK) mit dem Titel „Primäres Mikroplastik im Abwasser industrieller Einleiter – eine Pilotstudie am Rhein“ wurde dort bereits angekündigt.

mehr: https://opal.landtag.nrw.de/portal/WWW/dokumentenarchiv/Dokument/MMV18-4097.pdf

(nach oben)

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Breite europäische Allianz für konsequente Umsetzung der erweiterten Herstellerverantwortung

Mit der Novelle der EU-Kommunalabwasserrichtlinie (KARL) soll das Verursacherprinzip europaweit verbindlich umgesetzt werden: Hersteller von Arzneimitteln und Körperpflegeprodukten sollen künftig an den Kosten der sogenannten Viertbehandlung in Kläranlagen beteiligt werden – also an der Entfernung von Mikroschadstoffen aus dem Abwasser. Ein bedeutender Fortschritt für den Gewässerschutz und ein gerechter Beitrag der Industrie zur Finanzierung von Milliardeninvestitionen. Seit 1. Januar 2025 ist die Richtlinie in Kraft. Die Umsetzung in nationales Recht läuft. Dennoch sind auf europäischer Ebene zunehmend Stimmen wahrzunehmen, die an einer konsequenten Umsetzung der Herstellerverantwortung Zweifel aufkommen lassen.

Der VKU hat deshalb in den vergangenen Wochen seine Aktivitäten auf europäischer Ebene nochmals intensiviert, um sich für den Erhalt der erweiterten Herstellerverantwortung starkzumachen. Gemeinsam mit 14 Verbänden aus zehn EU-Mitgliedstaaten (darunter Belgien, Deutschland, Finnland, Frankreich, Luxemburg, Österreich, Polen, Schweden, Spanien und Tschechien) setzt sich der VKU für eine zügige Umsetzung der Richtlinie ein. Die Allianz vertritt kommunale und regionale Behörden sowie Abwasserentsorger und spricht sich klar gegen Versuche aus, die Herstellerverantwortung im Rahmen eines sogenannten Umwelt-Omnibusverfahrens auszuhebeln oder abzuschwächen.

mehr: https://www.vku.de/themen/preise-und-gebuehren/artikel/breite-europaeische-allianz-fuer-konsequente-umsetzung-der-erweiterten-herstellerverantwortung/

(nach oben)

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Pharmafirmen sollen auch rückwirkend für Kläranlagen-Aufrüstung zahlen

Nach landläufiger Meinung sind die Taschen der Industrie nicht nur tief sondern auch unerschöpflich. Was die mittelständischen Arzneimittelhersteller dementieren: Immer weitere Belastungen im Kontext der europäischen Umweltpolitik seien inakzeptabel.
Der Industrieverband „Pharma Deutschland“ befürchtet neue, unvorhergesehene Kostenbelastungen für Arzneimittelhersteller. Abwasserbetriebe hätten jetzt gefordert, heißt es, für 52 bereits fertiggestellte und auch schon mit einer 4. Reinigungsstufe ausgerüstete Kläranlagen diese vierte Stufe rückwirkend durch Pharma- und Kosmetikproduzenten finanzieren zu lassen. Laut heutiger Mitteilung soll sich bei einer Fachtagung der EU-Kommission Ende Januar das Umweltbundesamt gleichlautend geäußert haben.

mehr: https://www.aerztezeitung.de/Wirtschaft/Pharmafirmen-sollen-auch-noch-rueckwirkend-fuer-Klaeranlagen-Aufruestung-zahlen-456273.html

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Klärwerk Waßmannsdorf: Investitionen in mehr Platz und für saubere Gewässer

Termingerecht und im Kostenplan haben die Berliner Wasserbetriebe den Ausbau des Klärwerks Waßmannsdorf abgeschlossen. In einem Paket im Umfang von fast 300 Mio. Euro hat das Unternehmen seit 2017 zwei zusätzliche Reinigungslinien, Anlagen zur weitergehenden Stickstoff- und Phosphorentfernung sowie einen riesigen Mischwasserspeicher errichtet.

Dem Klärwerk Waßmannsdorf vertrauen rund 1,2 Millionen Berliner:innen und etwa 120.000 Menschen aus Brandenburg ihr Abwasser an. Täglich werden in der Anlage in Sichtweite des Flughafens Schönefeld bis zu 230.000 Kubikmeter am Tag gereinigt. Das ist gut ein Drittel der Abwassermenge, die täglich in den sechs Klärwerken der Berliner Wasserbetriebe gesäubert und in den Wasserkreislauf zurückgegeben wird. Ähnlich groß wie Waßmannsdorf ist das Klärwerk Ruhleben.

„Die wachsende Einwohnerzahl im Einzugsgebiet und steigende Ansprüche vor allem an die Nährstoffentfernung infolge der EU-Wasserrahmenrichtlinie gaben den Ausschlag für diese Investition“, sagt Frank Bruckmann, Vorstand der Berliner Wasserbetriebe. „Der Ausbau von Waßmannsdorf fügt sich in unser laufendes Klärwerksprogramm, das Um-, Erweiterungs- und Neubauten im Umfang von rund 2 Mrd. Euro umfasst.“ Bruckmann verweist darauf, dass etwa alle Klärwerke des Unternehmens bis 2028 mit einer zusätzlichen Reinigungsstufe zur weitergehenden Phosphorentfernung ausgerüstet würden: „Damit schaffen wir klare Verhältnisse für unsere Gewässer.“

Berlins Wirtschaftssenatorin Franziska Giffey erklärt: „Die Berliner Wasserbetriebe tragen mit ihrem milliardenschweren Programm zum Ausbau und Neubau von Klärwerken maßgeblich zum Gewässerschutz bei und sichern damit die zukünftige Trinkwasserversorgung. Sie beweisen mit dem Ausbau des Klärwerks Waßmannsdorf Weitsicht mit Blick auf steigende Bedarfe und rechtliche Anforderungen. Mit modernsten Standards kann jetzt mehr Wasser noch gründlicher gereinigt werden. Die Milliardeninvestitionen – nicht nur hier in Waßmannsdorf – sichern unser Trinkwasser und schützen unsere Gewässer auch in Zukunft. Hiermit wird ein zentraler Baustein des Masterplans Wasser Berlin umgesetzt.“

„Anbau“ hat Großstadtklärwerks-Dimension
Seit April 2017 ist das Klärwerk um zwei auf zehn Beckenlinien und damit in seiner Tages-Kapazität um 50.000 m³ auf 230.000 m³ gewachsen. Was klingt wie ein Anbau meint zusätzliche Reinigungskapazität für eine Großstadt mit etwa 250.000 Menschen. Der neue Mischwasserspeicher fasst bei starkem Regen rund 50.000 m³ mit Regen vermischtes Abwasser aus der Kanalisation. So schützt er die Innenstadt-Spree vor Mischwasserüberläufen und hilft, die Reinigungsleistung des Klärwerks durch einen gleichmäßigen Abwasserfluss zu verstetigen und auf hohem Niveau zu sichern.

Zwei neue Anlagen entziehen Algen die Nährstoffe
Zudem erhielt das Klärwerk zusätzliche Reinigungsstufen für die weitere Verminderung der in Gewässern unerwünschten weil Algen düngenden Nährstoffe Phosphor und Stickstoff. Die Flockungsfiltration entfernt die von den Bakterien in der biologischen Stufe noch nicht komplett abgebauten Phosphorverbindungen fast vollständig. Außerdem verbessert sie den ohnehin schon hohen Mikroplastik-Rückhalt und wird sogar die Abbauprodukte künftiger Spurenstoff-Entfernungsverfahren zurückhalten. In ihren Becken wird im schon weitestgehend gereinigten Abwasser der restliche Phosphor mit Metallsalzen ausgeflockt und dann in einem Sandfilter abgeschieden. Diese probate Technik sorgt in Berlin schon lange für die Reinheit der Grunewaldseen oder des Tegeler Sees.

Die ebenfalls neue sogenannte Prozesswasseranlage rückt vor allem dem Ammonium – eine Stickstoffverbindung – zu Leibe, das beim Entwässern des Klärschlamms anfällt. Die Anlage verspeisen Planctomyceten, hochspezialiserte Bakterien, diesen Nährstoff, was die Diät für die Algen im Teltowkanal verschärft, der das gereinigte Abwasser aufnimmt.

Alle Berliner Klärwerke erhalten weitergehende Reinigungstechnik, etwa bis 2028 Flockungsfiltrationen und bis 2040 Anlagen zur Entfernung von Spurenstoffen, wie sie im Klärwerk Schönerlinde bereits im Bau ist. Mehrere Werke haben auch jüngst Prozesswasserbehandlungsanlagen erhalten. Damit werden die Berliner Klärwerke auch bei der Nähr- und Spurenstoffentfernung fit für die zusätzlichen Anforderungen der neuen EU-Kommunalabwasserrichtlinie.

Klärschlammverwertungsanlage geht auf die Zielgerade
Bis 2026 wird im Klärwerk Waßmannsdorf außerdem eine Klärschlammverwertungsanlage für 68.000 Jahrestonnen Klärschlamm und Rechengut fertiggestellt. Gemeinsam mit der im Klärwerk Ruhleben bereits existenten Klärschlammverwertungsanlage können die Wasserbetriebe damit den kompletten Klärschlamm aus den sechs Berliner Kläranlagen selbst verwerten. Die dabei entstehenden Aschen ermöglichen zukünftig eine Rückgewinnung von Phosphor auf hohem Niveau.

Quelle: www.bwb.de