Belebtschlammflocke

(activated sludge flake) In Flockenstruktur auftretender zumeist suspendierter Belebtschlamm. Bei der Belüftungvon Abwasser in Belebungsanlagen entwickeln sich schleimige, makroskopisch erkennbare Flocken. In bestimmten Fällen sind die Flocken allerdings leichter als Wasser und neigen eher zur Flotation als zur Sedimentation.

Belebtschlammflocken eines kommunalen Abwassers bestehen in der Modellvorstellung aus einem bräunlich gefärbten mineralischen Kern, in dem nahezu anaerobe Bedingungen herrschen und aus einer biologisch aktiven, aeroben grauen Randzone aus Mikroorganismen.

 

Belebtschlammflocken werden zur Reinigung von Abwasser eingesetzt bzw. bildet sich dabei als Wachstumsprodukt der durch die Schadstoffe im Abwasser versorgten Mikroorganismen. Die meisten biologischen Kläranlagen - weltweit - nutzen die Fähigkeiten von Belebtschlammflocken Abwasserinhaltsstoffe "abzubauen". Tatsächlich findet neben dem Abbau auch Aufbau von Biomasse sowie Stoffumwandlungsvorgänge wie Nitrifikation und Denitrifikation statt. Für alle diese metabolischen Reaktionen sind Bakterien verantwortlich, die in der Belebtschlammflocke siedeln bzw. diese größtenteils bilden. Höhere Mikroorganismen sind in der Regel mit den Bakterien vergesellschaftet. Sie werden zur aeroben Schlammstabilisierung benötigt

Im Rahmen der Mikroskopie von Belebtschlamm kann die Flockenstruktur erkannt werden.

Die Absetzbarkeit des Belebtschlammflocke hängt entscheidend von der Art des Flockenwachstums, der Geometrie der Flocke sowie von der Verteilung der elektrischen Ladungen ab. Um eine gute Sedimentation der Belebtschlammflocke zu erreichen, müssen im wesentlichen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  1. Möglichst kompakte und dichte Flocken mit möglichst wenig zerklüftete Oberfläche
  2. Bei reduzierter TurbulenzTurbulenz im Wasser größere zusammengelagerte Flockenverbänden, die möglichst dicht sind und unempfindlich gegen die Einwirkung von Scherkräften.

Bei der Bildung der Belebtschlammflocke spielen extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) eine besonders wichtige Rolle, da sie als eine Art Flockungsmittel wirken.

Belebtschlammflocken können zu unterschiedlichen Größen heranwachsen. Wichtige Einflussfaktoren sind:

  • die Effizienz der EPS-Produktion durch die Bakterienzellen,
  • die Adsorption frei schwimmender Zellen an die Flocke,
  • Erosion von Zellen infolge hydrodynamischer Scherkräfte,
  • Absterben von Zellen im inneren der Flocke aufgrund von Nährstoffmangel
  • Stoffwechsel von Flockenmaterial durch höhere Lebewesen (Protozoen etc.).

Die Effizienz der EPS-Bildung nimmt erfahrungsgemäß zu, wenn die flockenbildenden Bakterien in Wechsel gut mit Nährstoffen versorgt und dann wieder temporär ausgehungert werden. Während der Nährstoffversorgungsphasen vermehren sich die Zellen, und die Reservestoffspeicher in der Zelle werden aufgefüllt. EPS wird gemäß den Modellvorstellungen bevorzugt unter Hungerbedingungen gebildet. Als Baustoffe für die EPS-Synthese dienen die zuvor abgespeicherten Substanzen.

Mit steigendem Flockendurchmesser wird die Nährstoffversorgung im Zentrum der Flocke schlechter und es können Sauerstoffmangelsituationen auftreten. Im Kern der Flocke kommt es zur Ausfällung von Kalziumphosphat, wodurch die Flocke schwerer wird. Der Gehalt der Flocke an mineralischen Bestandteilen nimmt zu, der organisch Anteil entsprechend ab.

Belebtschlammflocke >350 µm (kompakt)

Belebtschlammflocke <350 µm (weniger kompakt)

In der Regel beträgt der organische Anteil von Belebtschlammflocken aus kommunalen Kläranlagen ca. 70 %. Das Verhältnis zwischen organisch gebundenem Stickstoff und Trockensubstanzgehalt liegt mit 6-8 % deutlich unter den Werten (12-15 %), die für nicht geflockte Bakterienreinkulturen gemessen werden. Der Unterschied wird i.d.R. auf den relativ hohen Gehalt an anorganischen Bestandteilen in der Belebtschlammflocke zurückgeführt.

Bei langfristigem Nährstoffmangel im Zentrum der Flocke kommt es zum Absterben von Zellen und damit zu einem Schrumpfen der Flocke. Der Abbau von Flockenmaterial durch höhere Mikroorganismen ist ein weiterer Vorgang, der z.B. bei hohem Schlammalter eine Rolle spielen kann. Schrumpfung und Wachstum sind zwei Prozesse, die in der Regel simultan ablaufen, so dass die verschiedenen Flocken in einem Belebungsbecken sich i.d.R. in einem unterschiedlichen Stadium der Flockenentwicklung befinden. Es bildet sich eine Flockengrößenverteilung heraus, die für die jeweils vorherrschenden Prozessbedingungen charakteristisch ist.

Die Belebtschlammflocke hat aufgrund von Zufälligkeiten bei der Flockenentwicklung eine unregelmäßige Gestalt. Die Oberfläche ist oft zerklüftet, wobei die Tiefe der Klüfte sehr unterschiedlich sein kann. Eine Oberflächenstruktur besonderer Art entsteht, wenn fadenförmig wachsende Bakterienarten aus der Flocke heraus wachsen. Die Fäden werden Filamente genannt. Eine Vielzahl unterschiedlicher Organismenarten bilden solche Filamente. Jede der fadenbildenden Arten hat ihre Nische. Sie hängt u.a. von der Zusammensetzung des Abwassers und mit den Prozessbedingungen in der Belebungsanlage ab. Filamente werden nicht immer, sondern nur unter bestimmten, bisher aber noch nicht völlig aufgeklärten Milieubedingungen gebildet, sind allerdings nicht immer erwünscht, da die Gefahr der Bildung von Blähschlamm begünstigt wird.

Damit das Belebtschlammverfahren effizient eingesetzt werden kann, müssen sich die Belebtschlammflocken im Nachklärbecken zu Flockenverbänden vereinigen, die einen möglichst großen Durchmesser besitzen, und deren Dichte möglichst hoch ist, um eine schnelle und umfassende Sedimentation zu gewährleisten. Die Oberfläche der Flockenpakete sind idealerweise möglichst glatt, damit beim Absetzvorgang nur geringe Strömungswiderstände auftreten.

Die Agglomeration von Belebtschlammflocken zu größeren Flockenpaketen kann äußerlich durch Flockung beeinflusst werden.

Zur Bestimmung der Kenngrößen, die die Absetzbarkeit von Belebtschlämmen charakterisieren, wird u.a. der Schlammvolumenindex (SVI) bestimmt. 

Zu unterscheiden sind im wesentlichen drei Phänomene, die zu einer Verminderung der Wirksamkeit des Sedimentationsprozesses führen können:

  1. Blähschlammbildung
  2. Schwimmschlammbildung
  3. Überstandstrübung

Möglichkeiten zur Problemlösung sind:

  • Korrektur des Anteils spezieller Industrieabwässer
  • Beeinflussung der Dauer der Hungerphase durch veränderte Prozessführung
  • Zudosieren fehlender Nährsalze oder anderer Komponenten
  • Einrichten einer vorgeschalteten Denitrifikation zur Vermeidung unerwünschter Denitrifikationsvorgänge im Nachklärbecken
  • Vorschalten einer Flotationsanlage zur Vermeidung einer Akkumulation von Öltröpfchen oder mitgeführten Schwimmschlamms im Belebtschlamm

Die Wirksamkeit solcher Maßnahmen wird in jedem Einzelfall durch Pilotversuche überprüft.

Ist trotz Gegenmaßnahmen eine effektive Sedimentation nicht zu erzielen (z.B. bei einigen Lebensmittelabwässern), dann kann z.B. alternativ durch Flotation oder Membranverfahren eine Schlammabtrennung erfolgen.

Zuweilen gehen die Begriffe Belebtschlamm und Belebtschlammflocke ineinander über und werden synonym eingesetzt.

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