Bemessungsgrundlagen für die anaerobe Ammoniumoxidation unter besonderer Berücksichtigung verschiedener Aufwuchsmaterialien (Forum Siedlungswasserwirtschaft und Abfallwirtschaft Universität GH Essen)

"Wasser ist keine übliche Handelsware, sondern ein ererbtes Gut, das geschützt, verteidigt und entsprechend behandelt werden muss" (Richtlinie 2000/60/EG des europäischen Parlaments und des Rates). In diesem Sinne ist es unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit und der Ressourcenschonung wichtig, auch bereits effiziente Abwasserbehandlungssysteme weiter zu entwickeln.

Einen bedeutenden Faktor zur Entlastung der Flüsse stellen niedrige Ablaufwerte der Kläranlagen in die Gewässer dar. Hierbei spielen insbesondere die Parameter Stickstoff und Phosphor eine entscheidende Rolle, da sie limitierende Nährstoffe für Pflanzen darstellen. In höherer Konzentration können diese in Fließgewässern, größtenteils in den warmen Monaten, zur Eutrophierung führen. Mikrobiologische Abbauprozesse, die in eutrophierten Gewässern vermehrt auftreten, führen zu Fischsterben in Folge der Sauerstoffzehrung. Daher ist Stickstoff ein relevanter Teil der Abwasserbehandlung. In kommunalen Kläranlagen wird Stickstoff hauptsächlich über die klassische biologische Prozesskombination Nitrifikation/Denitrifikation eliminiert. Hierbei wird Ammonium durch nitrifizerende Bakterien (autotroph) zuerst über Nitrit zu Nitrat oxidiert. Durch denitrifizierende Bakterien werden unter anaeroben Bedingungen NO3-N über die Zwischenprodukte NO2-N und NO/N2O zu Luftstickstoff reduziert. Diese heterotrophen Mikroorganismen benutzen für den Abbau des Nitrats organische Kohlenstoffverbindungen, die als Elektronenspender dienen. Für die Reinigung von stark ammoniumhaltigen bzw. Abwässern mit ungünstigem C/N-Verhältnis wie z. B. in Sickerwasserbehandlungsanlagen können erhebliche Schwierigkeiten entstehen. Für die Aufrechterhaltung des Betriebes wird daher immer eine weitere Kohlenstoffquelle benötigt. Alternativen, um den Bedarf an Kohlenstoff zu reduzieren, sind abgewandelte Verfahren wie die Nitritation/Denitritation. Für die Nitritation wird der Prozess nach dem ersten Prozessschritt unterbrochen, sodass hierbei gebildetes Nitrit in einem zweiten Schritt, analog zur Denitrifikation, durch heterotrophe Mikroorganismen unter Produktion von molekularem Stickstoff reduziert werden kann. Bei diesem Verfahren lassen sich bei hochstickstoffhaltigen Abwässern bereits erhebliche Kostenreduzierungen erreichen, da etwa 25 % des Sauerstoffbedarfs und ca. 40 % des Kohlenstoffbedarfs im Vergleich zur Nitrifikation/Denitrifikation eingespart werden können (Abeling et al. 1992).

Neben der Nitritation/Denitritation existiert eine weitere Möglichkeit Ammonium über das Zwischenprodukt Nitrit aus dem Abwasser zu entfernen, die so genannte Deammonifikation. Van de Graaf et al. (1990) berichteten erstmals von einer Ammoniumelimination unter anaeroben Bedingungen bei einer gleichzeitigen Nitrit- bzw. Nitratreduktion mit N2 als Hauptendprodukt und schlossen dabei die Nitrifikanten als verantwortliche Mikroorganismen aus. Bei diesem Prozess wird Ammonium zunächst aerob zu ca. 50 % zu Nitrit oxidiert und danach unter anoxischen Milieubedingungen Nitrit mit Ammonium direkt zu elementarem Stickstoff umgesetzt. Der anoxische Teilschritt ist auch als ANAMMOX-Prozess (Anaerobe Ammonium Oxidation) bekannt. Die Umsetzung wird von autotrophen Organismen durchgeführt, d.h. es wird kein organischer Kohlenstoff für den Zellaufbau benötigt. Die Nachteile durch Nitrifikation/Denitrifikation oder Nitritation/Denitritation - begrenzte Säurekapazität und Mangel an organischen Kohlenstoffverbindungen - fallen demnach weniger bzw. gar nicht ins Gewicht.

Der Anammox-Prozess wird mittlerweile im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen für Teilstromwasser aus der Schlammbehandlung eingesetzt. Dabei wird das Ammonium entweder im Teilstrom lediglich zu Nitrit oder Nitrat oxidiert oder der Stickstoff wird im Teilstrom vollständig aus dem Abwasser entfernt, entweder mittels Nitrifikation/Denitrifikation, Nitritation/Denitritation oder Deammonifikation. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Prozesses liegen in der Behandlung von Industrieabwässern. In diesen liegt hauptsächlich Stickstoff in Form von Ammonium vor (Mudrack und Kunst, 1997).

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit für den Anammox-Prozess ergibt sich bei der Behandlung von Deponiesickerwasser. Da abgelagerte Stoffe i.d.R aus sehr unterschiedlichen Fraktionen bestehen, findet sich im Sickerwasser eine sehr vielschichtige Fracht von Schadstoffen. Neben den organischen Stoffen, die in Form von Summenparametern wie "Gesamter organisch gebundener Kohlenstoff" (total organic carbon - TOC), Chemischer Sauerstoffbedarf" (CSB)", BSB5 und "Adsorbierbare organisch gebundene Halogene" (AOX) bestimmt werden, ist insbesondere die Stickstofffracht von Bedeutung. Der Stickstoff liegt meistens als Ammoniumstickstoff oder organisch gebunden vor. Bis zur Einhaltung des Einleitungsgrenzwertes von 70 mg/l für Gesamtstickstoff (ABWV, 2005) wird eine Nachsorgezeit von 120 bis 450 Jahren prognostiziert (Koss und Trapp, 2003). Daher ist Stickstoff für den Behandlungszeitraum nach dem gegenwärtigen Rechtsverständnis der relevante Parameter für die Dauer der Nachsorge.

Im Februar 2000 wurde für die Sickerwässer aus der Zentraldeponie Emscherbruch (ZDE) eine Sickerwasserreinigungsanlage (SiWA) errichtet. Der Anlagenteil zur Behandlung von Sickerwasser der ZDE lässt sich in vier Stufen einteilen: Zulauf, biologische Stufe, Ultrafiltration und Aktivkohleadsorption. Im Zuge der Optimierung der SiWA wurde der Anammox-Prozess sowohl in der Belebtschlammbiologie als auch auf der Aktivkohle etabliert.