Warum lässt sich der Prozess der anaeroben Ammoniumoxidation (Ammox), eine biologische Denitrifikationstechnologie, in Kläranlagen so schwer skalieren?

Vorwort:
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Kommen wir zurück zum Thema. In diesem Artikel geht es um den „biologischen Denitrifizierungsprozess der anaeroben Ammoniumoxidation (AMMOX)“. Dieses biologische Denitrifikationsverfahren wird seit 2002 in Kläranlagen in der Praxis eingesetzt, die Akzeptanzrate ist jedoch äußerst gering und es gibt nur wenige Kläranlagen in China, die es nutzen. Sein Prinzip zeigt, dass es im Vergleich zu herkömmlichen Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen zwei wesentliche Vorteile bietet: geringer Energieverbrauch (keine Notwendigkeit einer umfassenden Belüftung) und keine Notwendigkeit einer Kohlenstoffquelle (autotrophe Mikroorganismen). Durch den Einsatz dieses Verfahrens können die Betriebskosten der Denitrifikation erheblich gesenkt werden.

Definition: Die Technologie der anaeroben Ammoniumoxidation (Anammox) wurde als revolutionärer Durchbruch in der biologischen Abwasserbehandlung im frühen 21. Jahrhundert gefeiert. Es nutzt eine spezielle Art autotropher Bakterien, anaerobe Ammoniumoxidationsbakterien, um Ammoniakstickstoff (NH₄⁺) und Nitrit (NO₂⁻) unter anaeroben oder sauerstoffbegrenzten Bedingungen direkt in Stickstoffgas (N₂) umzuwandeln und so eine effiziente Stickstoffentfernung zu erreichen. Dieser Prozess revolutioniert den traditionellen Nitrifikations--Denitrifikationsprozess, der große Mengen an Sauerstoff und eine organische Kohlenstoffquelle erfordert.

Grundprinzip:

Chemische Kernreaktion: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O. Anaerobe Ammonium oxidierende Bakterien „verbinden“ Ammoniak und Nitrit direkt, um harmloses Stickstoffgas zu erzeugen, wodurch Ammoniakstickstoff nicht vollständig zu Nitrat oxidiert und anschließend reduziert werden muss.

Zelluläre Kohlenstofffixierung: Diese Bakteriengemeinschaft nutzt anorganischen Kohlenstoff (wie CO₂/HCO₃⁻) als Kohlenstoffquelle, wächst durch einen chemoautotrophen Prozess und reduziert den Verbrauch organischer Kohlenstoffquellen erheblich.

Erhebliche Energieeinsparungen: Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren reduziert dieses Verfahren theoretisch den Energieverbrauch bei der Belüftung um etwa 60 % (keine vollständige Nitrifizierung erforderlich), reduziert organische Kohlenstoffquellen um 100 % (keine Denitrifizierung erforderlich) und reduziert die Produktion von Überschussschlamm um bis zu 90 %.

Reaktionskontrollbedingungen:

Präzise Nitritversorgung: Ein Teil des Ammoniakstickstoffs muss präzise zu Nitrit oxidiert werden (kurzfristige Nitrifikation) und gleichzeitig eine stabile NO₂⁻-Konzentration aufrechterhalten (typischerweise).<30 mg/L). Excessively high concentrations inhibit bacterial activity, while excessively low concentrations result in insufficient reaction.

Präzise Kontrolle des gelösten Sauerstoffs (DO): Im Reaktor muss eine lokalisierte anoxische/anaerobe Mikroumgebung (DO < 0,5 mg/L) geschaffen werden, um eine Lebensumgebung für Anammox-Bakterien zu schaffen und gleichzeitig die Versorgung mit NO₂⁻ für das Überleben von Ammoniak-oxidierenden Bakterien sicherzustellen.

Temperaturanforderungen: Die optimale Temperatur beträgt 30–40 Grad. Niedrige Temperaturen (<15°C) significantly reduce bacterial activity, increasing operational difficulties.

Anforderungen an die Wasserqualität: Empfindlich gegenüber giftigen Substanzen (wie Schwermetalle, organische Stoffe und Sulfide), ist ein geringer Gehalt an Schwebstoffen (SS) erforderlich.

Schwierigkeiten bei der Prozessimplementierung:

Extrem langsamer Start: Anammox-Bakterien haben eine lange Generationszeit (10–14 Tage) und eine langsame Verdoppelungszeit (ca. 11 Tage), und der Reaktorstart dauert normalerweise 3–12 Monate oder sogar länger.

Schwierige Schlammrückhaltung: Um die langsam wachsenden Anammox-Bakterien wirksam zurückzuhalten, sind spezielle Reaktorkonstruktionen (z. B. körnige Schlamm- und Biofilmsysteme) erforderlich.

Komplexe Prozesskopplung: Die stabile Umsetzung der Nahbereichsnitrifikation (zur Erzeugung von NO₂⁻) und die effiziente Kopplung mit der Anammox-Reaktion (z. B. ein einstufiger oder zweistufiger Prozess) sind wichtige technische Steuerungsherausforderungen.

Schwache Stoßbelastungsbeständigkeit: Das System weist Schwankungen in der Qualität, dem Volumen und der Temperatur des Zuflusses nur schlecht auf, was die Aufrechterhaltung der Betriebsstabilität erschwert.

Abwasseraufbereitungsanlage Dokhaven in Rotterdam, Niederlande (weltweit erste vollständige-Anwendung - 2002): Verwendet das SHARON®-Verfahren (kurz{2}}Nitrifizierung + Anammox® zur Behandlung von Schlammvergärungsrückständen. Der langjährige erfolgreiche Betrieb stellt einen Meilenstein der technischen Entwicklung dar.

Kläranlage Strass in Österreich: Eine der energieunabhängigsten-Kläranlagen der Welt. Sein Nebenstrom-DEMON®-Verfahren (basierend auf Anammox) zur Gärrestaufbereitung reduziert den Energieverbrauch erheblich und trägt dazu bei, dass die Anlage eine Energieautarkie von über 100 %-erreicht.

Wasseraufbereitungsanlage Changi in Singapur: Groß angelegte-Anwendung der Anammox-Technologie (DEMON-Verfahren) bei der Nebenstrombehandlung von Schlammgärresten, wodurch die Behandlungseffizienz und Nachhaltigkeit verbessert wird.

Gaobeidian-Wasseraufbereitungsanlage in Peking, China: Eine der ersten großen Abwasseraufbereitungsanlagen in China, die die Nebenstrom-Anammox-Technologie (DEMON-Verfahren) zur Schlammvergärungsbehandlung einführt und erfolgreich betreibt.

Abwasseraufbereitungsanlage Huaifang in Peking, China: Das MBBR-basierte Anammox-Verfahren wird zur Behandlung von Schlammgärresten nach der thermischen Hydrolyse eingesetzt.

Trotz ihrer erheblichen Vorteile bleibt die anaerobe Ammoniumoxidation (ANAMMOX) eine Anwendung mit geringem{0}}Volumen, insbesondere in der allgemeinen kommunalen Abwasserbehandlung. Die Hauptgründe sind folgende:

1. Hohe technische Barrieren und komplexe Kontrolle: Die anaerobe Ammoniumoxidation reagiert empfindlich auf Schwankungen der Wasserqualität und erfordert eine extrem hohe Kontrollpräzision für Parameter wie gelösten Sauerstoff, Nitritkonzentration und Temperatur, die weit über herkömmliche Prozesse hinausgeht. Betrieb und Wartung erfordern hochqualifizierte Techniker.

2. Langsamer Start und hohe Investitionen: Die lange Startphase (mehrere Monate oder sogar über ein Jahr) erhöht die anfänglichen Projektkosten und -risiken. Die für die Bakterienanreicherung und Schlammretention erforderlichen Spezialreaktoren (z. B. Granulatschlammdecken und MBBRs) erfordern hohe Anfangsinvestitionen.

3. Mangelnde Design- und Betriebserfahrung: Im Vergleich zum jahrhundertealten Belebtschlammverfahren befindet sich die ANAMMOX-Technologie erst seit etwa 20 Jahren in der praktischen technischen Praxis, und Designspezifikationen, Betriebshandbücher und Erfahrung bei der Fehlerbehebung sind weitaus weniger ausgereift.

4. Schwierigkeiten bei der Kontrolle mikrobieller Umweltbedingungen: Kommunales Abwasser, das durch niedrige Temperaturen (insbesondere im Winter), niedrige Ammoniakstickstoffkonzentrationen, komplexe Wasserzusammensetzung (CSB, SS, Inhibitoren) und große Schwankungen im Wasservolumen gekennzeichnet ist, weicht erheblich von den optimalen Wachstumsbedingungen für Anammox-Bakterien ab, was einen stabilen Betrieb erschwert.

5. Abhängigkeit von und Vertrauen in traditionelle Denitrifikationsverfahren: Traditionelle Nitrifikations- und Denitrifikationsverfahren sind ausgereift und zuverlässig, einfach zu bedienen und äußerst widerstandsfähig gegenüber Stoßbelastungen. Sie verfügen über umfassende Design- und Betriebserfahrung sowie zahlreiche erfolgreiche Fallstudien und bilden so eine solide Grundlage für die Unterstützung. Denn nur wenige würden auf die Idee kommen, etablierte Prozesse durch neue zu ersetzen – und das mit den damit verbundenen erheblichen Investitionsrisiken.