Schlammfaulung

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Schlammfaulung

Schlamm ist eine in ihrer Konzentration und Zusammensetzung wechselnde Suspension von Schmutz-stoffen der Abwasserreinigung. Der aus der mechanischen Stufe einer Kläranlage anfallende Rohschlamm gemischt mit dem aus der biologischen Stufe bilden zusammen den Frischschlamm. Er enthält organisches Material, Schwebstoffe, Kolloide, Salze u. a. m., zusätzlich freies und gebundenes Wasser. In besonderen Eindickern kann Wasser durch mechanisches Bewegen des Schlammes abgetrennt werden. Dennoch be-steht eingedickter Schlamm immer noch zu 85 bis 95 % aus Wasser. Je nach Herkunft ist der Anteil an Feststoffen verschieden. Gewerblicher Abwasserschlamm kann über 80 % organische Substanzen ent-halten. Der Schlamm aus biologischen Stufen von Klärwerken ist vorwiegend Biomasse. Er besteht im Durchschnitt zu je 25 % aus Proteinen und Polysacchariden und hat ca. 20 % Fettanteile. Mit steigendem Nahrungsangebot - d. h. bei höherem Abwasseranfall - wächst entsprechend der Anteil an Biomasse.

 

Die großen Mengen Frischschlamm, die täglich in den Kläranlagen anfallen, stellen vielerorts ein enormes Problem dar. Allein schon der Platzbedarf ist nur selten befriedigend lösbar. Deshalb ist eines der wichtig-sten Ziele der Schlammbehandlung, das Volumen drastisch zu reduzieren. Oft wird biologisch hochwertiger Schlamm verbrannt, weil sich keine bessere Lösung wirtschaftlich realisieren läßt. Die Kosten der Schlamm-behandlung liegen in der Größenordnung von 30 % der gesamten Betriebsausgaben für das Klärwerk.

 

Die Schlammbehandlung dient ferner der Verbesserung der Schlammeigenschaften und bei großen Klär-anlagen der Gewinnung von Methangas zur innerbetrieblichen Nutzung. Bei kleinen Klärwerken wird das anfallende Klärgas nur abgefackelt. Eine wirtschaftliche Nutzung ist nicht möglich.

 

Im Gegensatz zu der Aufbereitung des Rohwassers, wo fast nur aerobe Prozesse gefahren werden, bedient man sich bei der Schlammbehandlung vorwiegend anaerober Methoden. Durch die regelmäßige Beschick-ung des Faulturmes mit Frischschlamm kommen ständig genügend fakultativ anaerobe Bakterien in den Faulbehälter. Sie stellen ihr Enzymsystem sofort auf die anaeroben Verhältnisse um. Die Hydrolyse und saure Gärung können einsetzen. Anders sieht es mit den Methanbakterien aus. Ihre Generationszeit ist wesentlich länger, und sie stellen höhere Ansprüche an den pH-Wert und an die Temperatur. Methanbakterien finden sich keineswegs überall im Abwasser oder im Schlamm. Es bedarf deshalb einer Einarbeitungszeit von etlichen Monaten, bis die Methangärung voll anläuft. Beim Neueinfahren wird mit Schlamm aus anderen Faulbehältern geimpft. Dann können bereits schon nach einigen Wochen die ein-zelnen Gärungsphasen - Hydrolyse, Versäuerung, Acetatbildung und Methangärung - durch eine gut aufein-ander eingespielte Symbiose die optimale Abbauleistung erbringen. Erkennbar wird dieser Zeitpunkt an der Höchstmenge an Gasausbeute.

 

Die Aufenthaltszeit des Schlammes bis zur Ausfaulung ist sehr temperaturabhängig. Sie beträgt i. M. 1,5 bis 2 Monate. Das Volumen reduziert sich in dieser Zeit nach Imhoff auf ca. 30 bis 40 % des eingebrachten Frischschlammes. Der ausgefaulte Schlamm trocknet leicht und stinkt nicht mehr. Er hat biologisch einen hohen Düngewert. Durch seine landwirtschaftliche Nutzung könnte auch das Wasserrückhaltevermögen der Böden und damit das Bodenklima allgemein verbessert werden. Wenn die tatsächlich erforderlichen Aus-faulzeiten voll eingehalten werden, sind Wurmeier und pathogene Keime nicht weiter entwicklungsfähig.

 

 



Die Hydrolyse

In dieser ersten Behandlungsphase werden die Makromoleküle, wie Proteine, Polysaccharide und Fette, durch Exoenzyme hydrolysiert und verflüssigt in kleinere Bausteine zerlegt.

 

Für den Eiweißabbau vermögen, gemessen an der großen Zahl an Bakterienarten, nur wenige Proteasen zu bilden. Es handelt sich vorwiegend um Sporenbildner, Vertreter der Gattung Clostridium und einige Micro-coccaceae. Die Clostridien sind die aktivsten. Dazu gehören Cl. histolyticum, Cl. sporogenes, Cl. tetani und Cl. botulinum. Sie gehören alle zu den Pepto-Clostridien. Die Proteine werden extrazellulär zu Polypeptiden, Oligopeptiden und Aminosäuren abgebaut. Diese Bruchstücke können die Zellmembran durchdringen und sind interzellulär weiter abbaubar. Bisher hat man als fettspaltende Organismen nur aerobe und fakultativ anaerobe Bakterien isolieren können.

 

Toerien isolierte als zellulosespaltende Organismen Bacillus spec., Alcaligenes spec., Proteus spec. und Pseudomonas spec., als stärkespaltende Organismen Micrococcus spec., Bacillus spec. und Pseudomonas spec.

Die Milchsäuregärung

An der Milchsäuregärung beteiligen sich die Familie der Lactobacteriaceae, die Gattungen Rhizopus, Streptococcus und Bifidobacterium. Wenn die Bakterien über alle notwendigen Enzyme verfügen, können sie aus Kohlenhydraten reine Milchsäure bilden, wie sie auch in Muskelzellen als Glykolyse (EMP-Weg = Embden-Meyerhof-Parnas-Abbauweg) bezeichnet wird.

 

 

C6H1206 2 CH3-CHOH-COOH + Energie

 

 

Glucose Milchsäure

 

 

 

Diese Art des Abbaues vollziehen Streptokokken und thermophile Lactobazillen. Man spricht von homo-fermentativer Gärung. Entstehen neben Milchsäure noch andere Gärprodukte, handelt es sich um eine heterofermentative Gärung.

 

Leuconostoc und Mucoraceen bilden Milchsäure, Äthanol und Kohlendioxid nach der Summenformel

 

 

C6H1206 -> CH3-CHOH-COOH + CH3-CH2OH + CO2

 

Glucose Milchsäure Ethanol

 

 

Die Bifidobakterien, die nicht nur im Faulschlamm vorkommen, sondern auch in der Darmflora von Säug-lingen, bilden statt des Ethanols Essigsäure.

 

 

2 C6H1206-> 2 CH3-CHOH-COOH + 3 CH3-COOH

 

Glucose Milchsäure Essigsäure

 

 

Wenn die Milchsäurebakterien überhandnehmen, erniedrigen sie den pH-Wert unter 5 und unterdrücken damit das Wachstum der Methanbakterien. Die Methangärung kommt zum Erliegen, der Faulturm "kippt um"! Durch Zusatz von CaC03 läßt sich der Schlamm gut puffern.

 

 



Die Alkoholgärung

Sie gehört zu den bekanntesten Gärungen. Pilze, Hefepilze wie Saccharomyces, Aspergillus, Penicillium und Mucor, aber auch neben dem oben erwähnten Leuconostoc andere Bakterien gewinnen ihre Energie aus dem Abbau von Sacchariden zu Alkohol.

 

C6H1206-> 2 CH3-CH2OH + 2 CO2

 

Glucose Ethanol

 

Buttersäuregärung

 

Die streng anaeroben Clostridien bauen Kohlenhydrate ab zu organischen Säuren, wie Essigsäure, Milchsäure, Buttersäure und Propionsäure, Alkohole, Kohlendioxid und Wasserstoff.

 

 

C6H1206-> CH3(CH2)2C0OH + 2 CO2 + 2 H2

 

Glucose Buttersäure

 

 

Clostridium aceticum synthetisiert aus molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid Essigsäure.

 

 

4 H2 + 2 CO2-> CH3-COOH + 2 H20

 

Essigsäure

 



Die Propionsäuregärung

Propionsäure ist das Gärungsprodukt der Propionibakterien Veillonella, Clostridium, Selenomonas u.v.a. Als Gärungsprodukt wird sie beim anaeroben alkalischen Faulprozeß besonders dann ausgeschieden, wenn ein Ungleichgewicht zwischen Säurebakterien und Methanbakterien besteht. Die Bildung aus Lactat (Milch-säure) vollzieht sich nach der Summenformel

 

 

C3H603-> 2 CH3-CH2-COOH + CH3-COOH + CO2 + H20

 

Milchsäure Propionsäure Essigsäure

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Ameisensäuregärung oder gemischte Säuregärung

Die fakultativ aeroben Enterobacteriaceae sind in der Abwasserbiologie sehr wichtig. Sie vergären Glucose zu einer ganzen Reihe von organischen Säuren. Die Ameisensäure ist nur eines der vielen Gärprodukte. Sie wird von vielen Stämmen in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten.

 

 

HCOOH  H2 + CO2

 

 

Enterobacter aerogenes produziert bei der Bildung von Butandiol sehr viel C02. Damit wird Nachweis und Unterscheidung zu E. coli ermöglicht.

 

 

 

- 3 -

 

Eiweißfaulung

 

Besonders wichtig für den Zellstoffwechsel sind organische Stickstoffverbindungen. Die Faulung verläuft recht differenziert. Auch die entstehenden Fäulnisprodukte sind bei den einzelnen Mikroorganismen unter-schiedlich. So können entstehen:

 

flüchtige Säuren (Ameisensäure, Essigsäure usw.), ammoniakalische Verbindungen (Harnstoff, Harnsäure), Gase (CH4 , CO2 , H2S, H2 , N2 ),

 

Ptomaine (stark toxische organische Basen, die durch Hitze zerstört werden).

 

3 CH3-CHNH2-COOH + 2 H20  3NH3 + CO2 + 2 CH3-CH2-COOH + CH3-COOH

 

Alanin Propionsäure Essigsäure

 

oder

 

 

4 CH2-NH2-COOH + 2 H20  4 NH3 + 2 CO2 + 3 CH3-COOH

 

Glycin Ammoniak Essigsäure

 

 

Micrococcus ureae (aerob und anaerob) spaltet Harnstoff:

 

CO(NH2)2 + 2 H20  (NH4)2C03

 

Harnstoff Ammoniumkarbonat

 

 

Durch Desulfurikanten entstehen große Mengen Schwefelwasserstoff, die durch die allgegenwärtigen Eisen-salze zu Schwefeleisen FeS gebunden werden. Dadurch erhält der Faulschlamm seine schwarze Farbe. Neben den spezialisierten Denitrifikanten vermögen auch pathogene Bakterien zu denitrifizieren, so E. coli und Pseudomonas pyocyanea, um nur zwei Vertreter zu benennen.

 



Die Essigsäuregärung

Einige Clostridien (C. formioaceticum und C. thermoaceticum) vergären Hexosen zu Essigsäure.

 

C6H1206 3 CH3-COOH

 

Glucose Essigsäure

 

 

Die Synthese von molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid zu Essigsäure ist bisher nur von methano-genen Bakterien bekannt.

 

 

4 H2 + 2 CO2 CH3-COOH + 2 H20

 

 

Die Gärprodukte, niedere Alkohole, Propionat, Succinat, Ethanol und andere organische Säuren werden von acetogenen Bakterien zu Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid vergärt. Es ist also die saure Gärung in zwei Phasen zu unterteilen:

 

 

a) Die acidogene oder Versäuerungsphase und b) die acetogene Phase.

 

Man schätzt, daß etwa 70 % des Methans aus Essigsäure entstehen.

 

 



Die Methangärung

Aus allen Gärprodukten der vorausgegangenen Phase bilden die verschiedenen obligat anaeroben Methan-bakterienarten als letztes Glied der Nahrungskette das gasförmige Methan. Da sie Spezialisten sind, kommen immer mehrere Arten nebeneinander vor. Man unterscheidet heute bereits 20 methanogene Bakterienarten. Ihr Lebensraum sind die Sümpfe und der Faulschlamm. In Seen ist ihre Aktivität an den auf-steigenden Sumpfgasblasen erkennbar. Methanbakterien können mesophil oder thermophil sein. Ihr Temperaturoptimum liegt bei +35 °C bzw. +55 °C. Es handelt sich meist um grampositive Arten. In den Faulbehältern von Kläranlagen werden hauptsächlich die mesophilen Arten kultiviert. Sie sind gegen toxische Stoffe und Temperaturschwankungen toleranter als die Gruppe der thermophilen. Dennoch reagiert auch ihr Stoffwechsel bereits auf Temperaturerniedrigungen von 2 bis 3 °C mit einer Reduzierung der Gas-produktion. Eine gleichmäßige Wärme wird von den Methanbakterien eher akzeptiert als ein Temperatur-sturz. Bei +4 °C stellen sie ihren Stoffwechsel ein. Dann schlägt die Methangärung in eine saure Gärung um. Bei Anwesenheit thermophiler Methanbakterien tritt leicht der unangenehme Geruch nach Indol und Skatol auf. Die Methangärung verläuft am besten in dem engen pH-Bereich von 6,8 bis 7,2. Die Entwickl-ung der Methanbakterien ist von der Aktivität der Mikroorganismen der vorherigen Phase abhängig. Es ist aber auch eine symbiotische Abhängigkeit von Methanbakterien untereinander nachgewiesen worden. So stellte sich inzwischen heraus, daß Methanobacterium omelianskii eine Mischkultur aus den Stämmen "S" und "M. o. H." ist. Stamm "S" oxidiert Ethylalkohol zu Essigsäure und Wasserstoff.

 

- 4 -

 

 

CH3-CH2OH + H 20  CH3-COOH + 2 H2

 

Ethylalkohol Essigsäure

 

 

Der Stamm "M.o.H." reduziert Kohlendioxid zu Methan und Wasser.

 

 

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O

 

 

Methanosarcina zieht die Bildung von Methan durch die Methylgruppe von Acetat (Essigsäure) oder Methanol derjenigen aus Kohlendioxid vor.

 

CH3-COOH  CH4 + CO2

 

Essigsäure Methan

 

oder

 

4 CH3OH  3 CH4 + CO2 + 2 H2O

 

Methanol Methan

 

Methanosarcina barkeri vermag sogar aus Kohlenmonoxid Methan zu bilden.

 

4 CO + 2 H20  CH4 + 3 CO2

 

 

Im allgemeinen werden primäre Alkohole in die entsprechenden Säuren, sekundäre Alkohole in Ketone und Fettsäuren in Säuren mit kürzeren Kohlenstoffketten umgewandelt.

 

2 CH3(CH2)2-COOH + 4 H20 + CO2 4 CH3-COOH + 2 H20 + CH4

 

Buttersäure Essigsäure Methan

 

 

Neben diesen genannten Arten beteiligt sich noch Methanococcus an der Bildung von Faulgas. Die Zu-sammensetzung dieses Gases ist abhängig von den Ausgangssubstanzen und dem pH-Wert. Bei pH > 7 steigt der Methananteil.

 

 

CH4 : 65 bis 75 % CO : 2 bis 4 %

 

CO2 : 25 bis 30 % N2 : etwa 1 %

 

0 : 0 bis 0,3 % Rest: 0 bis 1,5 %

 

 

Nennenswerte Gehalte an Wasserstoff und Schwefelwasserstoff deuten auf eine gestörte Tätigkeit der Methanbakterien hin. Der gesamte Prozeß läuft nach Michaelis und Menten ab.

 

Organismen im Faulbehälter

 

 

 

 

 

Hydrolyse

Organismen im Faulschlamm

Proteine abbauend Clostridium botulinum

Clostridium histolyticum

Clostridium sporogenes

Clostridium tetani

Zellulose spaltend Bacillus spec.

Alcaligenes spec.

Proteus spec.

Pseudomonas spec

Stärke spaltend Coccus spec.

Pseudomonas spec.

Saure Gärung

 

 

Acetogen Acidogen

Milchsäuregärung Bifidobacterium

Lactobacillus

Streptococcus
Alkoholgärung Aspergillus

Leuconostoc

Mucor

Penicillium

Saccharomyces
Buttersäuregärung Clostridium
Propionsäuregärung Clostridium

Propionibacterium

Selenomonas

Veillonella
Essigsäuregärung Clostridium

Peptococcus

Eubacterium
Methan-gärung
Methangärung Methanobacillus
Methanobacterium
Methanococcus


Methanosarcina


Methanospirillum