Mechanismen der nachgeschalteten Denitrifikation ohne Zugabe einer externen C-Quelle in einem Membranbelebungsverfahren mit vorgeschalteter anaerober Stufe
Final Report Abstract
Ziel des geförderten Forschungsprojekts war es, die Mechanismen und Einflüsse auf die nachgeschaltete Denitrifikation aufzuklären. Für die nachgeschaltete Denitrifikation konnten relativ hohe Raten (DNR) auch ohne Kohlenstoffdosierung in einem Membranbioreaktor (MBR) mit biologischer Phosphorelimination gemessen werden. Es wurde eine Laboranlage in dieser Konfiguration mit synthetischem Abwasser betrieben. Die Arbeitshypothese besagte, dass die Bakterien, durch den anaeroben Selektor dazu angeregt, Speicherstoffe bilden, die sie dann im anoxischen Bereich zur Denitrifikation nutzen. In Batchversuchen war eine Abhängigkeit der Denitrifikationsrate von der Acetatanfangsdosierung, die zu einer erhöhten Bildung solcher zellinternen Speicherstoffe geführt habe könnte, festgestellt worden. Beim Vergleich des Anlagenbetriebes mit einem Abwasser aus mehreren unterschiedlich abbaubaren Komponenten (Multisubstrat) und einem Abwasser mit ausschließlich Acetat (Monosubstrat) musste jedoch festgestellt werden, dass bei gleicher Schlammbelastung die DNR mit Monosubstrat schlechter als mit Multisubstrat war. Damit muss der Einfluss der langsam abbaubaren Stoffe wieder mit in Betracht gezogen werden. Die Überprüfung des Einflusses der Gesamtschlammbelastung ergab, dass die DNR auch im Anlagenbetrieb mit steigender Schlammbelastung zunahmen. Dies galt nicht nur für die Labor-, sondem auch für vergleichbare Anlagen. Um einen Überblick über die Populationen in den Anlagen zu bekommen und eventuelle Spezialisten zu erkennen, wurden durch eine Firma die Denaturierende Gradienten Gelelektrophorese (DGGE) durchgeführt. Der Vergleich beinhaltete sowohl Anlagen mit vorals auch mit nachgeschalteter Denitrifikation sowie mit realem und synthetischem Abwasser. Da die Analysen maximal Aussagen zur Gattung ergaben, konnten keine besonderen Spezialisten identifiziert werden. Auch gab es auf Klassenebene keine signifikanten Unterschiede zwischen den untersuchten Anlagen. Ähnlich wie in konventionellen Anlagen waren die Stämme Proteobacterium (insbesondere die Klasse D- Proteobacterium) und Bacteriodetes am häufigsten vertreten. DGGE-Analysen zur Bakteriendiversität durch die Universität Lissabon zeigten einen Einfluss des Substrates. So war der ermittelte Shannon-Index als Maß für die Diversität bei Muhisubstrat höher als bei Monosubstrat. Nach einem Substratwechsel (von Mono- zu Multisubstrat) stieg die Diversität ohne emeutes Animpfen wieder an. Die nachgeschaltete Denitrifikation ohne Kohlenstoffdosierug in einem MBR mit biologischer Phosphorelimination ist insbesondere für die Abwasserreinigung kleinerer dezentraler Standorte mit empfindlichen Gewässem geeignet. Es können damit sehr gute Ablaufwerte erzielt werden. Da der Prozess vollständig biologisch läuft, ist keine Dosierung von Fällmitteln u. ä. notwendig. Die Membran garantiert einen keim- und feststofffreien Ablauf. Da durch den Einsatz von Membranen sehr kompakt gebaut werden kann, würde die Anlage auch mit mittleren Denitrifikationsraten noch ein kleines Volumen aufweisen. Für eine sichere Auslegung wäre die Ermittiung einer Mindestschlammbelastung sinnvoll. Dies sollte unbedingt in Kombination mit einer CSB-Fraktionierung (schnell/langsam/nicht abbaubar) erfolgen, um eventuelle Einsatzgrenzen bezüglich des zu behandelnden Abwasser abzuschätzen. Als Grundlage können die Abwässer der bisher genutzten Standorte für Versuchsanlagen dienen. Parallel dazu sollten Hydrolyseprozesse in MBR-Anlagen weitergehend untersucht werden. Da der Prozess eine anaerobe Zone beinhaltet, muss eine Methode entwickelt werden, um Hydrolyse auch unter diesen Bedingungen zu untersuchen. Da bisher für keinen der bekannten Speicherstoffe, wie PHA oder Glykogen, die Nutzung zur Denitrifikation gefunden wurde, müsste für die Speicherstofftheorie ein noch unbekannter Speicherstoff angenommen werden. Um diesen genau aufzuklären, wäre der Einsatz der NMR (nudear magnetic resonance)-Spektroskopie sinnvoll, da so die Struktur und die Dynamik von Molekülen aufgeklärt werden. Beispielsweise verfügt die Universität Lissabon über die nötige Messtechnik sowie Erfahrungen im Bereich von Abwasser- und Belebtschlammsystemen. Es hat sich gezeigt, dass die Zusammensetzung des eingesetzten synthetischen Abwassers Einfluss auf die bakterielle Diversität des Belebtschlamms und damh auf die Übertragbarkeit von Ergebnissen hat. Da zurzeit die in der Literatur angegebenen synthetischen Abwässer zwischen sehr einfach und sehr komplex variieren, wäre eine systematische Strategie zur Mischung repräsentativer synthetischer Abwässer wünschenswert. Es sollte eine Methode entwickelt werden, wonach synthetisches Abwasser je nach den realen Einsatzbedinungen und realem Abwasser leicht für repräsentative Modelluntersuchungen angepasst werden kann.
Publications
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Influence of sludge loadings and types of substrate on nutrients removal in MBRs. Proceedings of Conference ori Membranes in Drinking Water Production and Waste Water Treatment, Toulouse, 20.-24.10.2008
Bracklow, U., Drews, A., Gnirss, R., Klamm, S., Lesjean, B., Stüber, J., Barjenbruch, M., Kraume, M.
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Substrate influence on the performance and microbial population of a laboratory scale MBR. Proceedings of International Symposium on Sanitary and Environmental Engineering, Florenz, 24.-27. Juni 2008
Bracklow, U., Carvalho, G., Crespo, M.T.B., Drews, A., Pallasch, M., Barjenbruch, M., Kraume, M.
