Samir Naser Hag Irahim
Structure, Function and Formation of Anaerobic Granular Sludge
Zusammenfassung
Seit mehr als 20 Jahren werden bei der Abwasserreinigung Schlammbettreaktoren eingesetzt, die den Vorteil haben, dass durch oben angeordneten Sedimentationseinrichtungen zur Schlammabscheidung die Scherkräftebeanspruchung auf den anaerob belebten Schlamm minimiert wird. Dabei bildet sich unter ganz bestimmten Rahmenbedingungen ein sehr gut sedimentierbarer granulierter Schlamm (Granules/Pellets) aus, der hohe Schlammkonzentrati-onen und daraus resultierend hohe CSB-Raumbelastung, gelinge Schlammbelastung und somit kurze Durchflusszeiten erlaubt. Das entscheidende Kriterium für die Leistungsfähigkeit von Schlammbettreaktoren ist die tatsächliche Bildung bzw. Existenz von granuliertem körnigen Schlamm. Die Ausbildung dieser gut sedimentierbaren Pellets ist im wesentlichen abhängig von der Abwasserzusammensetzung, der gewählten Schlammbett-Verfahrenstechnik, der Durchmischung der Reaktoren und insbesondere dem Einfahrbetrieb. Am weitesten verbreitet sind UASB Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), mit denen in den letzten Jahrzehnten Pionierarbeit für den Einsatz von Pellets zur anaeroben Abwasserbehandlung geleistet wurde. Auch in UASB Reaktoren ist die Leistungsfähigkeit stark von erfolgreichen Pelletbildung abhängig. Bis jetzt konnten jedoch die treibenden Kräfte, die eine Pelletbildung begünstigen noch nicht vollständig identifiziert werden. Es existiert eine Reihe von Theorien, in denen die Mechanismen der Granulierung erklärt werden, wobei zu bedenken ist, dass die meisten dieser unterschiedlichen Mechanismen sich vermutlich gegenseitig beeinflussen. Dementsprechend können sich in Abhängigkeit der vielen Einflussfaktoren unterschiedliche Pellets mit verschiedenen Eigenschaften bilden.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit den physikochemischen und mikrobiologischen Vorgängen, die in die Prozesse der Granulierung involviert sind. Um die Eigenschaften von gebildeten Pellets aus bereits existierenden Anlagen umfassend untersuchen zu können, wurden aus mehreren unterschiedlichen UASB Reaktoren, die zur Industrieabwasserbehandlung eingesetzt werden, granulierte Schlammproben entnommen und analysiert. Die unterschiedlichen Organismengattungen der Granules wurden mit Hilfe der "PCR-DGGE Fingerabdruck" Methode analysiert, um die hauptsächlichen Bakteriengruppen, die in den Pellets vertreten sind, zu bestimmen. Insgesamt wurden aus sieben groß-technisch betriebenen UASB Reaktoren, die zur Behandlung unterschiedlicher industrieller Abwässern verwendet werden, Proben entnommen und analysiert. Neben den physikochemischen und mikrobiologischen Parametern wurde auch die Beteiligung von verschiedenen kohäsiven Kräften untersucht, die als Kleber zwischen der Biomasse fungieren und somit die Granulierung ermöglichen. Zusätzlich wurden im Labormaßstab Pellets aufgezüchtet, deren physikochemische und mikrobiologische Eigenschaften ebenfalls eingehend untersucht wurden. Aufbauend auf der Charakterisierung dieser Eigenschaften und der Bestimmung der Aggregationskräfte, wurde anhand neu erlangter Kenntnisse eine neue Methode entwickelt, die zur Förderung der Granulierungsprozesse in UASB Reaktoren eingesetzt werden kann.
Mithilfe von PCA-Analysen (Principal Component Analysis) konnte nachgewiesen werden, dass die physischen und physikochemischen Eigenschaften der Pellets von der Art des verwendeten Abwassers abhängig sind, wobei Pellets, die zur Behandlung von Abwässern mit ähnlicher Zusammensetzung eingesetzt wurden, analoge Eigenschaften aufwiesen. Pellets aus UASB Reaktoren, die zur Behandlung von Abwässern der Papierproduktion eingesetzt wurden, zeigten die besten Eigenschaften hinsichtlich der Stabilität ihrer Struktur und der Reinigungsleistung. Mittels RDA-Analysen (Redundancy Analysis) konnte eine Abhängigkeit von mehr als 30 % zwischen Pelleteigenschaften und Abwassereigenschaften determiniert werden. In Bezug auf physikochemische Interaktionen wurde eine 90 %ige Korrelation zwischen den Änderungen der Schlammeigenschaften und den Oberflächeneigenschaften des Schlamms festgestellt.
Die Strukturen mikrobieller Gemeinschaften wurden für sechs unterschiedliche phy-logenetische Gruppen (Bacteria, Archaea, Betaproteobacteria, Alphaproteobacteria, Actinobacteria und Pseudomonas) anhand der "PCR-DGGE Fingerabdruck" Methode untersucht. Die Strukturanalyse mikrobieller Gemeinschaften zeigte einen deutlichen Unterschied (p<0,05) zwischen den unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften, sogar für die Pellets die sich aus ähnlichen Abwässern gebildet hatten. Eine Korrelation zwischen den unterschiedlichen mikrobiellen Gemeinschaften und den Eigenschaften der granulierten Schlammflocken konnte nicht festgestellt werden. Dies zeigt, dass die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaften im Vergleich zur physikochemischen Wechselwirkungen wenig Einfluss auf die Eigenschaften der Pellets ausübt und belegt, dass die Granulierung des Schlammes ein gemeinschaftlicher Prozess ist und nicht von einer bestimmten mikrobiellen Gruppe abhängig ist. Der Einfluss unterschiedlicher, kohäsiv wirkender Kräfte (elektrostati-sche Kräfte, ionische Kräfte und Wasserstoffbindung) auf die Form und Stabilität der Pellets wurde ebenfalls analysiert. Die PCA Analysen zeigten, dass die Bindungskräfte, die in die Stabilisierung der Pellets involviert sind, von der Art des Abwassers abhängen. Bei den Pellets, die mit ähnlichen Abwässern beschickt wurden, wurde die Stabilität durch ähnliche Kohäsivkräfte bestimmt. Die aus der Abwasserreinigung der Papierindustrie stammenden Pellets zeigten die höchste Stabilität verglichen mit anderen granulierten Schlammproben. Bei diesen Pellets wird die Stabilität überwiegend durch ionische Kräfte beherrscht. Die Entstehung ionischer Kräfte hängt vom Vorhandensein ausreichender Kationen und von der EPS Konzentration ab.
Aufbauend auf den Ergebnisse der Arbeit wurde eine neue Methode zur Unterstützung der Schlammgranulierung entwickelt, die auf die gemeinsame Wirkung von Versäuerung und Ca2+-Dosierung abgestimmt wurde (Combined Acidification-Ca2+ addition, CAC method). Mit dieser CAC-Methode konnte im Labormaßstab die Granulierung des getesteten Schlammes innerhalb von 11 Tagen erfolgreich gefördert werden. Die Versäuerung des Schlammes bewirkte eine Erhöhung der EPS-Konzentration und damit der Bindungsrate der Ca2+-Ionen. Dadurch verbesserten sich die Absetzeigenschaften und die Oberflächenstruktur, was wiederum die Agglomeration der Pellets begünstigte. Mit DGGE-Analysen konnte nachgewiesen werden, dass das entwickelte Verfahren keine Veränderung in der Struktur und der Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaften hervorgerufen hat.
Dies führt zu der Erkenntnis, dass die Granulierung von Schlammflocken unabhängig von den vorhandenen mikrobiellen Gemeinschaften durch Modifizierung der physikochemischen Eigenschaften des Schlammes unterstützt und beschleunigt werden kann.