Projekt 06730/01

Entwicklung eines Verfahrens zur Eliminierung von Ammonium-Stickstoff in der Nitrifikationsstufe

Projektdurchführung

Universität HamburgInstitut für Allgemeine Botanik und Botanischer GartenAbteilung Mikrobiologie
Ohnhorststr. 18
22609 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines neuartigen Verfahrens, mit dessen Hilfe Ammonium-Stickstoff in einem einstufigen Prozess aus Schmutzwasser entfernt werden kann. Dieses Verfahren beruht auf der Abtrennung der aktiven Mikroorganismen vom Schmutzwasser durch eine Membran.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden die Grundlagenarbeiten zum Gasstoffwechsel von Nitrosomas durchgeführt, und das Verfahren zur Stickstoffeliminierung wurde im Labormaßstab getestet. Ferner wurde die Pilotanlage geplant, gebaut und in Israel im Bereich der Intensivfischzucht getestet. Für die Erarbeitung des Verfahrens wurde ein Bioreaktor im Labormaßstab installiert. Mit Hilfe der eingesetzten Membrantechnologie gelang es, die Bakterienpopulation und die physikalisch-chemischen Bedingungen genau zu kontrollieren. Das Ammonium diffundierte durch die Membran in den Bioreaktor mit den Nitrifikanten und wurde dort umgesetzt. Als Mikroorganismus wurde der Ammoniakoxidant Nitrosomonas eutropha N904 verwendet. Durch geeignete Wahl der Parameter im Reaktor, u.a. durch die Zugabe von Stickoxiden, wurden eine hohe Ammoniumumsatzrate und ein hoher Stickstoffverlust durch Reduktion des gebildeten Nitrits zu molekularem Stickstoff erreicht. Neben der Pilotanlage in Israel wurde ein zweiter Versuch an der Klär-anlage in Lüneburg gestartet, um den Einfluss von NO2 auf die Reinigungsleistung zu untersuchen. Im Rahmen der Untersuchungen in Israel und Lüneburg sollte die Eignung des im Labor entwickelten Systems für die Praxis überprüft werden. Durch die Wahl der Standorte konnte Abwasser aus der Intensivfischzucht sowie kommunales Abwasser getestet werden. Im Bereich der Grundlagenarbeiten wurde die Regulation der Ammoniakoxidation untersucht. Besonderes Augenmerk galt hierbei der Rolle von NO2 auf das Ammoniak oxidierende Enzymsystem.


Ergebnisse und Diskussion

Die 2 m3-Pilotanlage wurde am 27.10.98 in Sede Boqer, Israel (Bern-Gurion University), in Betrieb genommen. Für den Start der Anlage wurden die in den Fischbecken vorhandenen Nitrifikanten verwendet (keine Reinkulturen). Sowohl der Einsatz der Membranmodule als auch die Verwendung von NO2 zeigten bereits nach zweiwöchigem Betrieb der Anlage Erfolge. Durch die effektive Rückhaltung der Bio-masse in der Pilotanlage, scheinen sich in Kombination mit der NO2-Zugabe sehr schnell hochaktive Nitrifikanten etabliert zu haben. In dieser Phase wurden bereits Ammonium-Abbauraten von 1 kg NH4+-N pro Tag und m3 erreicht. Besonders erfreulich war die Tatsache, dass eine ca. 85 %ige Eliminierung der löslichen Stickstoffverbindungen erreicht wurde. Diese Ergebnisse deuten daraufhin, dass eine Übertragung der Resultate der Laboranlage in die Praxis möglich ist. Hinsichtlich der N-Eliminierung scheinen die Erwartungen sogar deutlich übertroffen zu werden. Auch die Untersuchungen an der Pilotanlage des Klärwerks Lüneburg haben die in sie gesetzten Erwartungen erfüllt. Der Einsatz von NO2 führte hier, neben einer Steigerung der Ammoniumelimination im Vergleich zum unbehandelten Kontrollsystem, zur Bildung eines kompakteren Schlamms mit erheblich besseren Sedimentationseigenschaften. Probleme mit Blähschlämmen traten nicht mehr auf. Im Bereich der Grundlagenforschung wurden weiterführende Untersuchungen zur Regulation der Ammoniumoxidation von Nitrosomonas eutropha durchgeführt. De-nitrifizierende Zellen von Nitrosomonas eutropha sind unter anoxischen Bedingungen in der Lage, Wasserstoff als Elektronendonator und Nitrit als Elektronenakzeptor zu verwenden. Diese Zellen waren weder unter oxischen noch unter anoxischen Bedingungen in der Lage, Ammoniak zu oxidieren. Die Wiederherstellung der Ammoniakoxidationsaktivität wurde maßgeblich durch die NO2-Konzentration in der Gasatmosphäre beeinflusst. Bei Zugabe von 25 ppm NO2 konnte bereits nach 20 Stunden eine Ammo-niakoxidation beobachtet werden, ohne NO2 vergingen mindestens 8-9 Tage. Denitrifizierende Nitrosomonas-eutropha-Zellen enthielten lediglich extrem niedrige Konzentrationen des 27-kDa-Protein, einem Bestandteil der AMO. Parallel zur Reaktivierung dieser Zellen, d.h. zeitgleich mit dem Anstieg der Am-moniakoxidationsaktivität, nahmen auch die Mengen dieser Proteine wieder zu. Folglich scheint NO2 ein regulatorisches Signal für die Ammoniakoxidation von Nitrosomonas eutropha zu sein und u.a. in die Proteinbiosynthese regulierend einzugreifen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die bisherigen Ergebnisse wurden in den Zeitschriften Archives for Microbiology, Antonie van Leeuwenhoek und BioForum veröffentlicht. Weitere Berichte finden sich in den Zeitschriften Bild der Wissenschaft, Uni hh, Hamburger Abendblatt und Handelsblatt. Aus diesem Projekt heraus wurden zwei Dissertationen verfasst. Das Projekt wurde auf den DECHEMA-Tagungen 1997 und 1998, der VAAM-Tagung 1997 sowie der BIOTECHNICA 1997 vorgestellt. Die Arbeiten führten zur Erteilung eines Patents.


Fazit

Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die im Labormaßstab erfolgreiche Methode zur Stickstoffeliminierung auf die Pilotanlagen übertragbar war. Ein Einsatz dieser Technik ist damit im Bereich der kommunalen Klärwerke und der Intensivfischzucht möglich. Die weitere Arbeit soll in Kooperation mit der Firma Hamburger Abfallservice durchgeführt werden. Neben einer Optimierung des Systems steht in den nächsten Monaten eine Platzierung dieser Technik am Markt im Vordergrund.