2 Mikrobiologische Grundlagen

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1 2 Mikrobiologische Grundlagen 2.1 Energiegewinn aus mikrobiellen Stoffwechselprozessen Mikroorganismen haben, wie alle Organismen, das Bestreben ihre Lebensfunktion aufrecht zu erhalten und sich zu vermehren. Dazu sind Energie und Baustoffe erforderlich, die beide u.a. durch die Umsetzung von organischer Substanz gewonnen werden. Die Umsetzung organischer Substanz durch Mikroorganismen bzw. durch die von ihnen produzierten Enzyme erfolgt dabei grundsätzlich aus hochmolekularen, energiereichen Substanzen in niedermolekulare, energiearme Produkte, wobei Energie frei wird. Die bei der Reaktion entstehende freie Energie wird portionsweise aus dem Substratumsatz gewonnen, wobei sie anteilig zur Bildung von ATP verwendet wird (Adenosintriphosphat (ATP) ist die chemische Form, in der die Mikroorganismen Energie speichern und verwerten) und zum anderen Teil als Wärme frei wird. Diese von den Organismen für die Synthese von ATP nutzbare Energie wird als freie Energie oder Gibbsche Reaktionsenergie G [kj/reaktion] bezeichnet, wobei G die freie Energie unter Standardbedingungen (ph=7; Temperatur = 25 Celsius; Druck = 1 bar) und G die freie Energie unter den betrachteten Verhältnissen ist. Eine Reaktion kann nur dann stattfinden, wenn die Gibbsche Reaktionsenergie einen negativen Wert annimmt (d.h. Energie frei wird), wobei die Reaktion um so schneller verläuft, je größer der Wert ist. Der wesentliche Unterschied zwischen dem aeroben und dem anaeroben Abbau eines bestimmten organischen Substrats besteht in der Höhe des Energiegewinns, den die jeweiligen Organismen aus dem Stoffwechselschritt erzielen können. Während beim aeroben Abbau von Glucose insgesamt kj/mol entstehen, von denen G = kj/mol den Organismen als freie Energie für die Bildung von 38 ATP zur Verfügung stehen, wird bei der anaeroben Vergärung von Glucose der Energiegehalt der Glucose überwiegend in Biogas überführt, während für die Organismen nur eine freie Energie von G = -58 kj/mol als Energiegewinn verbleibt, die die Bildung von lediglich 2 ATP ermöglicht.

2 24 2 Mikrobiologische Grundlagen Der geringe Energiegewinn des anaeroben Stoffwechsels gegenüber dem aeroben bei dem Umsatz eines Moles des gleichen Substrates verdeutlicht, warum die anaeroben Organismen vergleichsweise langsam wachsen und damit ein ausreichender Rückhalt von anaeroben Organismen im System die wichtigste Anforderung zur Gewährleistung eines stabilen Betriebs darstellt. Weiterhin erklärt sich hieraus, dass die anaeroben Verfahren eine vergleichsweise geringe Überschussschlammproduktion aufweisen und mit dem Biogas ein energetisch hochwertiges Endprodukt erzeugen. 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen Nach heutigem Kenntnisstand erfolgt der vollständige anaerobe Abbau von polymeren Stoffen bis zum Methan in vier Stufen (Abb. 2-1). Abb Schema des mehrstufigen anaeroben Abbaus

3 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen In der Hydrolyse-Phase müssen die hochmolekularen, oft ungelösten Stoffe durch Enzyme in gelöste Bruchstücke überführt werden. 2. In der Versäuerungs-Phase werden von verschiedenen fakultativ und obligat anaeroben Bakterienarten kurzkettige organische Säuren (z. B. Buttersäure, Propionsäure, Essigsäure), Alkohole, H 2 und C0 2 gebildet. Von diesen Zwischenprodukten können die Methanbakterien jedoch nur Essigsäure, H 2 und C0 2 direkt zu Methan umsetzen. 3. Somit müssen in der Acetogenen-Phase die im 2. Abbauschritt gebildeten organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure umgebaut werden. Die acetogenen Bakterien müssen aus reaktionskinetischen Gründen eng mit den Methanbakterien vergesellschaftet sein. 4. In der Methanogenen-Phase wird vornehmlich aus Essigsäure und aus H 2 und C0 2 Methan gebildet. Der Abbau eines komplexen organischen Stoffes zu Methan kann jedoch nur so schnell vonstatten gehen, wie für die methanogenen Bakterien verwertbare Substrate bereitgestellt werden. Der Umbau der Bruchstücke in der Versäuerungs-Phase sowie die Methanbildung aus Acetat in der Methanogenen-Phase verlaufen in der Regel ohne Schwierigkeiten. So gesehen ist die Acetogene-Phase der geschwindigkeitslimitierende Schritt des vollständigen anaeroben Abbaues. Da durch die Konzentration an methanisierbaren Substraten auch die Menge und Zusammensetzung des Faulgases bestimmt wird, kann man aus der Gasentwicklung auch auf die Aktivität der Acetogenen-Phase schließen. Die acetatbildende Stufe stellt also für die Faulung biologisch leicht angreifbarer Polymere den Flaschenhals des Stoffumsatzes dar. Bei biologisch schwer abbaubaren Abwasserinhaltsstoffen kann jedoch auch die Hydrolyse-Stufe zum geschwindigkeitslimitierenden Schritt werden. Denn erst dann, wenn die fermentativen Bakterien die Polymere in für die nachfolgenden Bakteriengruppen angreifbare Substanzen zersetzt haben, kann ein vollständiger Abbau bis zu C0 2 und CH 4 stattfinden. Die breiteste Anwendung haben die anaeroben Abbauvorgänge in der Vorbehandlung organisch hochverschmutzter Industrieabwässer gefunden. Aufgrund des mehrphasigen anaeroben Abbaus kann eine Störung bei der Reinigung eines Industrieabwassers sowohl durch die Abwassercharakteristik verursacht sein, als auch durch verfahrenstechnische Schwierigkeiten (Einhalten der Anaerobie, Temperatur, Biomassenrückhalt, Erhalt der Biomassenstruktur). Dies wirkt sich dann entweder in einer Störung der Hydrolyse, einer Störung der Acetogenese (Bildung von Essigsäure durch acetogene Bakterien) oder eine Störung der eigentlichen Methanogenese aus (siehe Kapitel 3).

4 26 2 Mikrobiologische Grundlagen Um geeignete Konzepte zur anaeroben Abwasserreinigung für bestimmte Industrieabwasserqualitäten entwickeln zu können, ist eine detaillierte Betrachtung der am Abbau beteiligten Bakteriengruppen und der für sie geeigneten Milieubedingungen erforderlich. Je nach Charakteristik des Industrieabwassers (geprägt z. B. durch Kohlenhydrate, Fette oder toxische Komponenten) muss bedingt durch die mikrobiologischen Möglichkeiten und Grenzen auch das Verfahren variieren Hydrolysierende und versäuernde Bakterien Bei der Hydrolyse werden aus polymeren Kohlenhydraten überwiegend monomere Kohlenwasserstoffe (vor allem Monosaccharide wie Glucose), aus Eiweißen überwiegend Ammosäuren und Peptide und aus Fetten langkettige Fettsäuren sowie Glycerin produziert. Die besonderen Eigenschaften der Stoffgruppen während der Hydrolyse lassen sich wie folgt beschreiben: Kohlenhydrate (Zucker, Hemizellulose, Zellulose, Pektin, Lignin) sind unterschiedlich gut hydrolysierbar. Zucker und Hemizellulose sind sehr gut aufzuschließen, während die Hydrolyse von Zellulose, Stärkekörnern oder Pektin entsprechend langsamer verläuft. Lignin ist dagegen so gut wie gar nicht hydrolysierbar. Der Abbau von Eiweißen unterscheidet sich von der Hydrolyse der anderen Stoffe durch seine Komplexität. Es können bis zu 20 verschiedene Aminosäuren (Batstone, 2002) gebildet werden. Die Hydrolyserate ist niedriger als bei Kohlenhydraten, häufig sogar geringer als bei Fetten. Die Hydrolyse von Fetten erfordert eine Emulgierung des Fettes zur Oberflächenvergrößerung. Dann können fettspaltende Lipasen (Enzyme) besser angreifen. Fette werden bei der Hydrolyse vollständig, aber langsam hydrolysiert, allerdings nur wenn die Temperatur > 20 C beträgt. Versäuernde Bakterien haben eine große ph-toleranz, sodass das Milieu sehr sauer werden kann. Die Versäuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Energiegehalt (CSB) des Abwassers nur wenig ändert (ca. 10 % Abnahme). Entscheidend dafür ist der Anteil am CSB, der in C0 2 und H 2 0 umgesetzt wird und über die Gasphase verschwindet. Kohlenhydrate sind leichter versäuerbar als Eiweiße. Bei der Eiweißversäuerung werden phpuffernde Ionen freigesetzt, während bei der Versäuerung von Kohlenhydraten der ph-wert weit (bis < 4,0) und schnell absinken kann. Für die Eiweißversäuerung liegt der optimale ph-wert bei ph 7,0-7,5. Hingegen ist ein ph-wert von > 6,5 für die Versäuerung nicht mehr optimal.

5 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen 27 Im Abwasser ist in der Regel immer eine Mischkultur von versäuernden Bakterien enthalten, die in ihrer Zusammensetzung variiert. Die stoffliche Eigenschaft und Beschaffenheit des Abwassers und der Milieubedingungen bewirkt, dass sich eine spezifische Mischpopulation (aus versäuernden, acetogenen und methanogenen Bakterien) ansiedelt. Wenn sich die für bestimmte Gärungen nötigen Milieubedingungen einstellen und die Mikroorganismen vorhanden sind, so können theoretisch viele verschiedenen Gärungen (Propionsäure-, Buttersäure-, Milchsäuregärung) ablaufen. Ob sie jedoch auch tatsächlich ablaufen, ist abhängig von den Milieubedingungen, die sich durch das Substrat, bzw. durch dessen Abbau einstellen. Beispielsweise beeinflusst der ph-wert im Reaktor das Spektrum der gebildeten organischen Säuren. Wenn der ph-wert in einer Versäuerung niedrig ist (ph < 5,0), welches sich z.b. als Resultat einer hohen Raumbelastung einstellen kann, so ist die H + -Ionen-Konzentration im Medium hoch. Unter diesen Bedingungen verändern sich die Produkte der Versäuerung signifikant. Bei der anaeroben Reinigung eines Stärkefabrikabwassers z.b. nahm in der Versäuerungsstufe bei ph-werten 4,0 die Konzentration an Carbonsäuren (C 2 -C 6 ) drastisch ab, und die Konzentration an Milchsäure nahm zu. Stieg der ph-wert wieder an, wurde die Hemmung der Carbonsäurebildung wieder aufgehoben, und die Konzentration an Milchsäure sank ab. Verschiebungen solcher Art hängen mit der Rolle des Wasserstofftransporters NAD + zusammen. Bei vielen Gärungsreaktionen werden auf NAD + die von dem Substrat abgespaltenen H + -lonen und damit Elektronen übertragen. Den geringsten Einfluss nehmen die beladenen NAD-Moleküle (NADH + H + ) auf den Gärungsweg, wenn ihre Regeneration (Oxidation) durch eine H 2 -Produktion erfolgt: NAD H + H+ H 2 + NAD+ G = + 18,07 kj/reaktion Ob jedoch eine Oxidation des NADH +H + durch eine H 2 -Produktion stattfinden kann, ist vom H 2 -Partialdruck abhängig. Das Gleichgewicht kann nämlich nur bei geringem H 2 -Partialdruck zur Bildung von NAD + + H 2 hin gerichtet sein. Der geringe H 2 -Partialdruck wiederum kann nur in Gegenwart H-verbrauchender, z.b. Methanbakterien, gehalten werden. Wenn der Wasserstoffpartialdruck nicht sehr niedrig ist (< 0,4 bar) - und das ist bei einem niedrigen ph gegeben -, dann treten die beladenen NAD-Moleküle mit in den Gärungsweg ein. Dies führt z. B. in der Aceton-Butanol-Gärung zur Reaktion von Buttersäure und NADH + H +, sodass als neues Gärungsprodukt anstatt Buttersäure Butanol entsteht.

6 28 2 Mikrobiologische Grundlagen Dabei wird das Stoffwechselprodukt der Buttersäuregärung, die Buttersäure von den Bakterien (Clostridien) wieder in die Zellen aufgenommen und als Elektronenakzeptor verwandt. Der Wasserstoff wird auf die Buttersäure übertragen, so dass einmal direkt Aceton und über einige zusätzliche Schritte auch Butanol gebildet werden kann. An den bisherigen Ausführungen wurde bereits deutlich, dass die Produkte des anaeroben Stoffwechsels durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst sein können. Wenn auf die 1. Bakteriengruppe Einflüsse wirken, die dazu führen, dass z.b. anstatt Essigsäure hauptsächlich reduzierte Produkte wie Buttersäure, Ethanol, Capron- oder Valeriansäure gebildet werden, so verändern sich dadurch auch die Lebens- und Substratbedingungen der in der Abbaukette nachfolgenden Bakteriengruppen. Wenn viele längere Carbonsäuren von den versäuernden Bakterien gebildet werden, die von den Methanbakterien nicht verwertet werden können, dann sind die acetogenen Mikroorganismen bzw. ihre möglichen Stoffwechselleistungen von entscheidender Bedeutung für einen anaeroben Abbau bis zu Methan und CO Acetogene Bakterien Die Stoffwechseltätigkeit der acetogenen Bakterien ist die sog. Acetogenese. Darunter versteht man die Umwandlung von Carbonsäuren (C 3 -C 6 ), organischen Säuren und auch langkettigen Fettsäuren in Acetat, CO 2 und H 2 O. Da bei diesen Prozessen Elektronen (in Form von H + ) abgegeben werden, spricht man auch von anaerober Oxidation. Die Entdeckung, dass das Ethanol verwertende Methanbakterium Methanobacterium omelianskii eine Symbiose aus einem acetogenen und einem methanogenen Organismus ist, war der Anstoß, auch andere Methanbakterien auf symbiontische Partner hin zu untersuchen. Z. B. wurde ein Buttersäure abbauendes, actogenes Bakterium beschrieben, das in Cokultur mit Methanospirillum hungatii lebt. Wenn die H 2 -Konzentration im Medium gering ist, kann die folgende Reaktion ablaufen: CH 3 CH 2 CH 2 COO - + 2H 2 O 2 CH 3 COO - + H + + 2H 2

7 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen 29 G ' = + 48,2 kj/reaktion In diese Reaktion muss Energie investiert werden (+ 48,2 kj). Energie gewonnen wird dann in der Reaktion: 4 H 2 + H 2 CO 3 CH 4 + 3H 2 0 G ' = 135,6 kj/reaktion (Die G '-Werte beziehen sich auf eine Reaktion bei ph 7,0). Die letzte Reaktionsgleichung (mit Energiegewinn) beschreibt die Methanbildung. Das Methanbakterium transferiert dann einen Teil der Energie an seinen symbiontischen acetogenen Partner. So wird aus der Umgebung des acetogenen Bakteriums der Wasserstoff entfernt und für die Methanbildung verwandt, der sonst hemmend auf die Acetatbildung gewirkt hätte. Die Gesamtheit der wichtigsten acetogenen Reaktionen können thermodynamisch dann mit Energiegewinn ablaufen, wenn der Wasserstoffpartialdruck bei 10-4 atm. oder niedriger liegt (Abb. 2-2). Die gekennzeichneten Punkte in der Abbildung machen deutlich, dass der Energiegewinn der acetogenen Reaktionen (-40 bis 120 kj) substratabhängig ist. Ethanol kann beispielsweise noch bei einem Wasserstoffpartialdruck von -2 (log Wasserstoffpartialdruck atm) mit einem Energiegewinn umgesetzt werden, während das Propionat bei < -4 nicht mehr mit Energiegewinn vergoren werden kann. Dies erklärt z.b. die häufig auftretende Propionsäureanreicherung als Vorbote weitreichender Störungen der anaeroben Methanogenese. Ein so niedriger Wasserstoffpartialdruck kann nur in der Lebensgemeinschaft mit H 2 -verbrauchenden Organismen erhalten werden, denn die acetogenen Bakterien sind obligate H 2 -Produzenten und gleichzeitig nur bei sehr geringen H 2 -Konzentrationen in ihrer Umgebung lebensfähig. Sie können somit nur leben, wenn ihre Stoffwechselprodukte ständig aus dem Medium entfernt werden. Dies ist in Symbiosen mit H 2 -verbrauchenden Organismen, in der Regel mit Methanbakterien, möglich. Alle acetogenen Spezies haben eine sehr lange Generationszeit. Für den Buttersäureverwerter wurde in Cokultur mit Methanospirillum eine Generationszeit von 84 h ermittelt. Dieses erklärt die Beobachtung aus der Praxis, dass in einem Faulbehälter erst bei einer Verweilzeit von ca. 5 Tagen (35 C) eine Buttersäureanreicherung in einem Faulschlamm abgebaut werden kann.

8 30 2 Mikrobiologische Grundlagen Abb Abhängigkeit des Energiegewinns acetogener Reaktionen vom Wasserstoffpartialdruck Generell kann man davon ausgehen, dass dann, wenn in einer anaeroben Abwasserreinigungsanlage die Methanbildung funktioniert, in der Regel auch die acetogene Stufe ohne Beeinträchtigung arbeitet. Ist die Methanbildung gestört, dann reichern sich nach einer gewissen Zeit die längeren Carbonsäuren an, d. h. auch die acetogene Stufe ist geschädigt. Eine für die Praxis sehr wichtige Störung kann auftreten, wenn die acetogenen Bakterien anstelle eines Methanbakteriums einen anderen H 2 - verbrauchenden Partnerorganismus haben. Für die Abwasserpraxis ist die Vergesellschaftung von Desulfurikanten mit Acetogenen und Methanogenen von Interesse. Wenn im Abwasser Sulfate enthalten sind, können Desulfurikanten anwachsen. Die Desulfurikanten reduzieren das Sulfat zu Schwefelwasserstoff. Dazu benötigen sie Wasserstoff, um den sie mit den Methanbakterien konkurrieren. Die Methanbakterien bekommen weniger Substrat und bilden weniger Methan. Zum anderen wirkt Schwefelwasserstoff an sich toxisch auf die Methanbakterien.

9 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen 31 Äthanol CO 2 Desulfovibrio Methanobacterium Acetat Abb Desulfovibrio als acetogenes Bakterium H 2 CH Methanbakterien Die Methanbakterien sind für den letzten Schritt des anaeroben Abbaus verantwortlich und daher von entscheidender Bedeutung für den gesamten Prozess. In der Natur kommt den Methanbakterien eine wichtige Rolle bei dem vollständigen Abbau organischer Substanz zu. Wären sie nicht vorhanden, würden z. B. organische Säuren akkumulieren, und damit die hochmolekularen Ausgangssubstrate nur bis zu einem Abbauprodukt (organische Säuren) mit noch recht hohem Energiegehalt umgesetzt werden können. Methanbakterien gehören zu den ältesten Lebewesen und werden aufgrund ihrer Zellwandstruktur (ohne Murein), Cytoplasmamembranen (Isoprenoidlipide) und bestimmter Coenzyme (Coenzym M, F 420) den Archaebakterien zugerechnet. Die Methanbakterien haben sich in der Evolution sehr früh von allen anderen Formen von Leben abgespalten und besitzen somit Besonderheiten, die bei keinem anderen Lebewesen wieder auftauchen. Sie haben z.b. Zellwände, die in dieser Struktur in keiner anderen Organismengruppe zu finden sind. Die Methanbildung kann aus H 2 und CO 2, Ameisensäure, Essigsäure, Methanol oder Methylen (CH 3 NH 3 ) erfolgen. Die methanogenen Bakterien sind streng anaerob, da sie für ihr Wachstum ein Redoxpotenzial im Reaktor von < -330 mv brauchen. Heute sind eine Vielzahl von Spezies bekannt, die in 3 Ordnungen gegliedert werden: Methanobacteriales (stäbchenförmig), Methanococcales (kokkoid) und Methanomicrobiales (heterogen in Physiologie und Morphologie). Fast alle Methanogenen können H 2 und CO 2 umsetzen, während es nur wenige gibt, die Methanol oder Essigsäure verwerten können. Die Bakterien nehmen die Essigsäure (= un-

10 32 2 Mikrobiologische Grundlagen dissozierte Form) auf. Bei ph 7,0 liegt Essigsäure zu ca. 99 % in dissoziierter Form vor, aber aufgrund des Dissoziationsgleichgewichtes wird die verbrauchte Essigsäure immer gleich wieder nachgebildet aus dem Acetat. Aus Essigsäure können drei Gattungen der Ordnung Methanomicrobiales Methan bilden: Methanosarcina barkeri (Viererpakete von Zellen), Methanosaeta (stäbchenförmig, filamentös) und Methonasarcina mazei (Aggregate oder einzeln). Die acetatverarbeitenden Methanbakterien sind zwar für die Abwasserund Schlammbehandlung die wichtigsten Methanbakterien. Diese Bewertung ergibt sich aus der Häufigkeit ihres Vorkommens in den Abwasser und Schlamm behandelnden Prozessen. Sie haben aber andererseits 2-4-fach niedrigere Umsatz- und Wachstumsraten als die Methanbakterien, die Wasserstoff umsetzen. Das liegt an der geringen Energieausbeute beim Umsatz von Acetat. In Faulbehältern ist Methanosaeta die dominierende Gattung der Methanbakterien, während in den anaeroben Pellets von Industrieabwasserreinigungsanlagen Methanosaeta und Methanosarcina vorkommen. Die Methanbakterien sind Substratspezialisten, die nur sehr wenige Substanzen (Tabelle 2-1) umzusetzen vermögen: Tabelle 2-1. Energie gewinnende Reaktionen methanogener Bakterien alle Spezies 4 H 2 + HC H + º CH H 2 O G ' = -135,4 kj/ Reaktion viele Spezies HCOO - + H 2 O + H + º CH HCO 3 - G ' = -130,4 kj/ Reaktion wenige Spezies CH 3 COO- + H 2 O º CH HCO 3 - G '= -30,9 kj/ Reaktion eine Spezies 4 CH 3 OH º 3 CH 4 + HCO H + + H 2 O G '= -314,3 kj/reaktion Molekularer Wasserstoff kann jedoch als universelles Substrat Methanogener angesehen werden und CO 2 als C-Quelle und terminaler Elektronenakzeptor dienen. Insbesondere bei der reduktiven Methanbildung aus CO 2 und H 2 wurde eine Vielzahl neuartiger Enzyme durch die Aufklärung des Mechanismus und der Synthesewege des mikrobiell gebildeten Methans entdeckt. Die Abbildung 2-4 zeigt, dass dabei im Prinzip CO 2 mit Hilfe von H 2 über die Stufe des Formiats, des Formaldehyds und des Methanols zu CH 4 reduziert wird.

11 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen 33 Abb Schema der Methanogenese aus CO 2 und Wasserstoff Eine Furanverbindung, das Methanofuran (MF), dient als Coenzym bei der Reduktion des CO 2 zur Oxydationsstufe des Formiats. Dieses wird dann auf das THMP (Tetrahydromethanopterin) übertragen und dann stufenweise zu Methyl-THMP reduziert. Dabei dient das Coenzym M als Überträger. Die Methanbildung selbst erfolgt dann durch die membrangebundene Methyl-CoM-Reduktase. Diese Reduktase enthält sowohl den Faktor 430 als auch die Komponente B. Alle Reduktionsschritte erfolgen mit dem blau fluoreszierenden Farbstoff 420 (cin Dezaflavin), der ein für Methanbakterien typisches Enzym ist. Substrate wie Formiat, Methanol und Methylamin werden durch eine Disproportionierung umgesetzt und dann mit Hilfe einer multifunktionalen Dehydrogenase gespalten. Diese Spaltungsreaktion ist endergon, während sowohl die Reduktion des Methyl-CoM als auch die Oxydation der Carbonyl-Gruppe exergon verlaufen und für die Bildung von ATP genutzt werden können. Aus der Abbildung wird deutlich, dass bei den einzelnen Reaktionen unterschiedliche Energiegewinne möglich sind. Die wasserstoffverbrauchende Methanbildung z.b. ist energetisch wesentlich günstiger als die Acetatdecarboxylierung. Obwohl die reduktive Methanbildung die energetisch effektivere ist, stammen nur % des in Faulschlämmen gebildeten Methans daraus, während 70 % aus Acetat gebildet werden. Die Ursache dafür liegt in dem begrenzten Substratangebot an natürlichen Standorten. Methanbakterien aus dem Faulschlamm einer kommuna-

12 34 2 Mikrobiologische Grundlagen len Kläranlage könnten 100-mal höhere H 2 -Konzentrationen umsetzen, als ihnen in ihrer natürlichen Umgebung zur Verfügung stehen. Den acetatverwertenden Methanbakterien kommt bei der anaeroben Abwasserreinigung eine besondere Bedeutung zu. Es ist bisher nur eine geringe Zahl acetatverwertender Methanbakterien bekannt (Methanosarcina barkeri, Methanobacterium söhngenii, Methanobacterium thermoautotrophicum). Sie wachsen auf Acetat mit einer Generationszeit von 100 Stunden sehr langsam, wobei sich CO 2 als essentiell für das Wachstum erwiesen hat. Wenn ein energiereiches Substrat verwertet werden kann, wie z. B. Methanol oder Methylamine von Methanosarcina barkeri, dann liegt auch die Generationszeit niedrige (40 Stunden bei Methanosarcina auf Methanol). Da diese Generationszeiten unter idealen Bedingungen in Bezug auf Temperatur, Anaerobie, Nährsalzversorgung usw. ermittelt wurden, sind sie nicht direkt auf die Methanbakterien übertragbar, die in Abwasserreinigungsanlagen vorkommen. Da insbesondere die acetatverwertenden Methanbakterien nur dann Methan bilden, wenn ihnen Acetat zur Verfügungen steht und dies durch die Symbiose mit einem acetogenen Bakterium möglich ist, muss vermieden werden, dass die enge räumliche Nähe zwischen den Organismen zerstört wird. Wenngleich die Methanbakterien extrem empfindlich gegen O 2 sind, so gilt dies nicht so uneingeschränkt für die Mischpopulationen wie anaerobe Mischbiozönosen in Anaerobanlagen und Faulschlämmen. In diesen sind die Methanbakterien quasi eingebettet in Bakterienaggregate mit z.b. versäuernden Bakterien. Diese schützen die Methanogenen gegen einen direkten Kontakt mit O 2, da sie in der Regel in den Außenschichten von Aggregaten sitzen. Diese Mischpopulationen vertragen kurzfristigen O 2 -Kontakt ohne deutliche Aktivitätseinbußen. Auch kurzfristig saure ph-werte müssen nicht zwangsläufig zum Erliegen der Methanbildung führen. Durch die mikrobielle Nischenbildung in Festbettmaterialien oder Pellets können auch Methanbakterien ungünstige Milieubedingungen ertragen Aufbau von Pellets Die Struktur anaerober belebter Schlämme in Abwasserreinigungsanlagen ist abhängig von der Abwasserart und Anlagenkonzeption. Sehr bekannt geworden sind die Pellets der UASB-Reaktoren. Hier dargestellt sind bis zu 0,5 cm große, feste Körnchen, die stäbchen- oder kokkenförmige Methanbakterien in hoher Konzentration enthalten.

13 2.2 Anaerober Abbau Überblick und Organismen 35 Abb Pellet aus einem UASB-Reaktor Unter Pellets versteht man ca. 2-3 mm große granuläre Aggregationen von Bakterien des anaeroben Abbaus mit einer besonderen Anreicherung von Methanbakterien. Die Pellets haben eine hohe Festigkeit und ein gutes Absetzvermögen. Die räumliche Nähe von verschiedenen Bakterien im Pellet minimiert die Diffusionsdistanz und erleichtert die Symbiose. Die im Pelletkern liegenden Methanbakterien werden gut gegen extreme ph-werte oder Substratkonzentrationen geschützt. In der Abbildung 2-6 ist das 3-Schichten-Modell eines Pellets beschrieben. Im oberflächennahen Bereich überwiegen die versäuernden Bakterien, aber auch andere Organismentypen wie Sulfatreduzierer und Methanosarcina sind hier anzutreffen. Die zweite Schicht beginnt da, wo aufgrund nur

14 36 2 Mikrobiologische Grundlagen noch geringer Substratkonzentrationen die Versäuerung limitiert ist. Der bei der Versäuerung gebildete Wasserstoff diffundiert dabei sowohl nach innen als auch nach außen. In der zweiten Schicht finden sich also hauptsächlich acetogene Bakterien (z.b. verantwortlich für den Propionsäureabbau) und die H 2 -verbrauchenden Methanbakterien. Der Pelletkern wird von der Essigsäure verwertenden Gattung Methanosaeta dominiert. Methanosaeta erreicht bereits bei geringen Substratkonzentrationen eine hohe Umsatzrate (hohe Substrataffinität). Der Pelletkern besitzt eine Vielzahl von Hohlräumen und Spalten, sodass auch in der Mitte noch eine aktive Biomasse zu finden ist. Die zerklüftete innere Struktur entsteht durch das Ausgasen des gebildeten Biogases, die fädige Struktur von Methanosaeta und die Autolyse von Bakterien (mineralisierte Bereiche). Abb Schematischer Aufbau eines Pellets Bedingungen der Pelletbildung Obwohl die Pelletbildung selbstständig erfolgt, da sie für die beteiligten Bakterien vorteilhaft ist, müssen dennoch die Randbedingungen stimmen. D.h., dass die Umweltbedingungen so eingestellt sein müssen, dass eine stabile Pelletbildung und -erhalt gewährleistet ist. Im anaeroben Milieu liegen eine Vielzahl von Organismengattungen vor, aber angereichert werden sollen nur die, die zur Pelletbildung befähigt sind. Diese gewünschten Organismen müssen selektiert werden. Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Pelletbildung, -förderung und -erhalt sind: Substrateigenschaften: Hohe Feststoffanteile im Abwasser müssen vermieden werden, da sie sich im System anreichern und Pellets verdrän-

15 2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe 37 gen. Aus gleichem Grund ist der Eintrag von Versäuerungsbakterien (aus z.b. einem vorgeschalteten Versäuerungsreaktor) zu begrenzen. Die Pelletbildung erfolgt nicht nur bei überwiegend kohlehydratreichen Abwässern, sondern auch bei Abwässern mit hohen Proteinanteilen. Die CSB-Konzentrationen sollten in den direkten Zuläufen zu den Reaktoren < mg/l CSB liegen. Generell erfolgt die Pelletbildung bei relativ dünnem Abwasser besser als bei höher konzentriertem Abwasser. Eingestellt werden kann dies durch eine Rezirkulation von gereinigtem Abwasser. Versäuerungsgrad: Die versäuernden Bakterien liefern die Struktur, die für den Pelletzusammenhalt essenziell ist. Die Pelletbildung verläuft bei gering versäuertem Abwasser besser als bei vollständig vorversäuertem CSB. Die versäuernden Bakterien bilden einen gewissen Schutz für die teilweise hydrophoben Methanbakterien. Daher sollte immer ein gewisses Maß an Versäuerung erst im Methanreaktor erfolgen. Der Zulauf zum Methanreaktor kann daher ca % des CSB als Säuren enthalten. Die Essigsäurekonzentration im Schlammbett des UASB-Reaktors sollte < 200 mg/l eingestellt werden. Dann können die die Pelletbildung tragenden Methanosaeta schneller wachsen als Methanosarcina (Lettinga, 1997). Aufenthaltszeit: In pelletbetriebenen Reaktoren sollte ferner eine konstante Aufstromgeschwindigkeit herrschen, sodass die zur Pelletbildung befähigten schweren Partikel im System verbleiben. Ferner hilft dies, das Entstehen von flockigem belebtem Schlamm zu vermeiden. Beides ist möglich, wenn die Aufenthaltszeit < h ist. Pelletstruktur/ Zusätze: Die Bildung und der Erhalt einer Pelletstruktur wird gefördert durch mg/l Fe 2+ im Zulauf. Und die optimale Kalziumkonzentration liegt bei mg/l zum Methanreaktor. Höhere Konzentrationen führen zu Kalzitausfällungen. 2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe Der anaerobe Abbau ist im Gegensatz zum aeroben Abbau durch verschiedene Organismengruppen, die aufeinander abgestimmt funktionieren müssen, charakterisiert. Die Organismen des Endabbaus - die Symbiosen aus acetogenen und methanogenen Bakterien - können eine ganze Reihe von organischen Säuren (wie z. B. Buttersäure, Capronsäure) und Alkoholen (Ethanol) verwenden. Daraus entstehen dann, wenn die erforderlichen Milieubedingungen eingehalten sind, immer Acetat, CO 2, Wasserstoff und vor allem Methan. Die Organismen, die weiter hinten in der Fresskette

16 38 2 Mikrobiologische Grundlagen der anaeroben Biozönosen liegen, sind daher prinzipiell unabhängig von dem Eingangssubstrat. Darüber, ob ein bestimmtes Abwasser einem anaeroben Reinigungsverfahren zugänglich ist, entscheiden in erster Linie die hydrolysierenden Bakterien, die die Abwasserinhaltsstoffe mikrobiell aufschließen und einer weiteren Verwertung zugänglich machen. Die Abbildung 2-7 zeigt eine schematische Übersicht der wichtigsten Prozesse beim anaeroben Abbau organischer Stoffe. Abb Vereinfachte, schematische Übersicht der wichtigsten Prozesse beim anaeroben Abbau Bei der anaeroben Industrieabwasserreinigung werden in der Praxis meist die 4 Prozessschritte in 2 Prozessstufen (Versäuerungsreaktor sowie Methanreaktor) aufgetrennt. Der Hydrolyse- und Versäuerungsschritt muss gemeinsam erfolgen, da die Hydrolyse. nur durch die von den versäuernden Bakterien gebildeten extrazellulären Enzyme erfolgt. Ebenso ist eine Trennung der Acetogenese und der Methanogenese nicht möglich, da beide Prozesse nur gekoppelt über die Syntrophie (Lebensgemeinschaft) beider Organismengruppen erfolgen.

17 2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe Hydrolyse Die Hydrolyse wird meistens als Reaktion 1. Ordnung nach folgender Formel beschrieben, wobei es sich hierbei um einen vereinfachten, empirischen Ausdruck der diversen Prozesse im Reaktor handelt: P i = k Hyd,i X i [kg CSB/ (m³ d)] mit: P i = Prozessrate (Hydrolysegeschwindigkeit) des Stoffes i [kg CSB/(m³ d)] k Hyd,i = Hydrolysekonstante des Stoffes i [l/d] (abhängig von diversen, unten angegebenen Parametern) X i = Substratkonzentration des zu hydrolysierenden Feststoffes i [kg CSB/m³] Die Hydrolysekonstante ist vor allem von dem Substrat, der Temperatur, dem ph-wert (optimaler ph-wert = 6) und dem Schlammalter abhängig. Entsprechende Literaturwerte für Hydrolysekonstanten bei verschiedenen Randbedingungen sind vielfach zitiert. Die Bandbereite reicht von 0,02 bis 2,0 [1/d]. Für die Hydrolysegeschwindigkeit [kg CSB/(m³ d)] ist neben der Hydrolysekonstante die Substratkonzentration sowie Faktoren, wie die Mikroorganismenkonzentration, die Reaktordurchmischung, die Substratpartikelgröße und die Verfügbarkeit des Substrats entscheidend. Aus der Vielzahl der Einflussfaktoren ist abzuleiten, dass eine exakte theoretische Bemessung nicht möglich ist..in der Praxis wird meist durch Versuche ein optimaler Betriebspunkt erreicht. Dabei ist für eine gute Hydrolyse vor allem eine ausreichend lange Verweildauer im Reaktor, eine ausreichend hohe Temperatur und ein gut eingestellter ph-wert wichtig Versäuerung Die Versäuerung ist definiert als ein anaerober, Säure produzierender mikrobieller Prozess ohne einen zusätzlichen Elektronenakzeptor oder -donator. In der Versäuerungs-Phase werden die bei der Hydrolyse entstandenen Verbindungen (mit Ausnahme der langkettigen Fettsäuren) von einer großen Anzahl verschiedener fakultativ anaerober Bakterien in verschiedene Produkte überführt. Dies sind vor allem die wasserdampfflüchtigen, organischen Säuren (Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Capronsäure) sowie H 2 und CO 2, aber auch andere kurzkettige

18 40 2 Mikrobiologische Grundlagen Säuren (Ameisensäure, Milchsäure) oder Alkohole (Ethanol) können dabei gebildet werden. Die genaue Zusammensetzung der Endprodukte der Versäuerungsstufe hängt von der Zusammensetzung des Substrats von den Prozessbedingungen im Reaktor, insbesondere der Substratbelastung und dem sich daraus ergebenden Wasserstoffpartialdruck (ph-wert) ab: Bei geringer Substratbelastung zum Beispiel liegt bei der Versäuerung der in der Hydrolysephase gebildeten Zuckermonomere (Glucose) ein niedriger Wasserstoffpartialdruck (p H2 < 10-4 bar; neutraler ph-wert) vor, sodass überwiegend Essigsäure sowie H 2 und CO 2 gebildet werden. Bei Substratüberschuss entstehen höhere Wasserstoffpartialdrücke (schwach saurer ph-wert) mit der Folge, dass in zunehmendem Maße Propion- und Buttersäure gebildet werden. Bei ph-werten < 4,5 wird ü- berwiegend Milchsäure produziert. Tritt so etwas auf, ist das ein deutlicher Hinweis darauf, dass, eine Überlastung des Versäuerungsreaktors vorliegt. Bei Anwesenheit von Hefen bzw. bei ph-werten < 5 kann die gelöste Glucose dagegen auch zu Alkohol (Ethanol) umgesetzt werden. Dies erklärt auch, dass bei der Versäuerung von Glucose im Versäuerungsreaktor eines zweistufigen Systems (separater Versäuerungs- und Methanreaktor) aufgrund des dort herrschenden niedrigeren ph-wertes größere Mengen an Propionsäure entstehen, als in einem einstufigen System (neutraler ph-wert aufgrund der Methanbildung). Somit verändern sich durch die Betriebsweise der Versäuerungsstufe die Produkte und dadurch auch die Lebens- und Substratbedingungen. Kohlenhydratprodukte sind grundsätzlich leichter versäuerbar als Eiweißprodukte. Weiterhin werden beim Kohlenhydratabbau, im Gegensatz zu dem Eiweißabbau, keine ph-puffernden lonen freigesetzt, so dass bei der Versäuerung von Kohlenhydraten eher die Gefahr besteht, dass der Prozess so schnell verläuft, dass die entstehenden sauren Produkte nicht mehr ausreichend schnell von den nachfolgenden Bakterien umgesetzt werden können und sich damit im System anreichern. Dies führt zu einem Absinken des ph-wertes, in dessen Folge wiederum vermehrt Propionsäure gebildet wird. Die wirkt bereits bei niedrigen Konzentrationen hemmend auf die nachfolgenden Bakteriengruppen. Ein Anstieg der Propionsäurekonzentration deutet somit auf eine beginnende Überlastung der nachfolgenden Stufen hin. Versäuerungsbakterien haben eine große ph-toleranz, die Säureproduktion läuft bis zu einem ph-wert von ca. 4,0 ab. Bei ph-werten > 6,5 verlässt die Glucoseversäuerung zwar ihren optimalen Bereich, ist jedoch auch im schwach alkalischen Bereich meist noch ausreichend. Bei der

19 2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe 41 Versäuerung von eiweißhaltigen Produkten liegt der optimale ph-wert bei 7,0 bzw. knapp darüber. Der als Versäuerungsphase bezeichnete Abbauschritt ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Energiegehalt (CSB) des Abwassers nur wenig ändert. Entscheidend für die Verringerung des homogenisierten CSBs im Ablauf des Versäuerungsreaktors ist, in welchem Umfang H 2 und CO 2 gebildet werden (die über die Gasphase das System verlassen) und ob die neu gebildete Biomasse der versäuernden Bakterien (Überschussschlamm) abgetrennt wird. Eine Zusammenstellung der kinetischen Parameter der versäuernden, mesophilen Bakterien erfolgt u.a. bei Meyer, 2004, unter Verarbeitung vieler anderer Quellen. Es lassen sich die folgenden Mittelwerte für Mischkulturen ableiten. Es ist zu erkennen, dass bei den kinetischen Parametern der Versäuerung von Glucose eine große Bandbreite an Werten vorliegt. Über die kinetischen Parameter der Versäuerung von Eiweißen (Aminosäuren) liegen wenig Informationen vor. Tabelle 2-2. Kinetische Parameter mesophiler Bakterien bei der Versäuerung von Glucose und Aminosäuren (T: C) Substrat Mikroorganismen k m maximale Umsatzrate d. Bakterien g CSB/ (g o TR d) K S Halbge- schwindigkeits- Substratkonz. mg CSB/l Y Ertragskoeffizient g o TR/ g CSB Die Prozessrate der Versäuerung wird von Batstone (2002) mit folgender Formel angegeben: P i = k m,i (S i / (K s +S i )) X i I [kg CSB/ (m³ d)] 1/d mit: P i k m,i µ max Wachstumsrate gemischte Glucose ,15 5,0 Kultur Aminosäure Kultur gemischte ,10 3,0 * nach Batstone (2002), wobei k m aus der Beziehung k m = µ max / Y errechnet wurde = Prozessrate (Hydrolysegeschwindigkeit) des Stoffes i [kg CSB/(m³ d)] = maximale Umsatzrate der Bakterien beim Stoff i [kg CSB/ kg o TR d] S i / (K s +S i ) = Monod-Term [ - ] (Wert 1 bei hohen Substratkonzentrationen)

20 42 2 Mikrobiologische Grundlagen S i K S X i I = Substratkonzentration des Stoffes i [kg CSB/m³] = Halbwertgeschwindigkeits-Substratkonzentration des Stoffes i [kg CSB/m³] = Bakterienkonzentration, die den Stoff i umsetzt [kg o TR/m³] = Hemmungsfaktor [ - ] (Wert = 1, wenn keine Hemmung) Die Abschätzung der Bakterienkonzentration X i erfolgt in der Praxis über die Hilfsgröße otr (Meyer, 2004) Acetogenese Unter Acetogenese versteht man die Umwandlung von flüchtigen Fettsäuren (C 3 - C 5 ) sowie von langkettigen Fettsäuren, in überwiegend Acetat sowie H 2, CO 2 und H 2 O. Da bei diesen Prozessen Elektronen abgegeben werden (vor allem H + ) spricht man auch von anaerober Oxidation. Der Umbau aller Fettsäuren erfolgt durch die β -Oxidation. Nachfolgend sind die Acetongenese-Reaktionen einiger Substrate sowie die dabei entstehenden Änderungen in der freien Energie G unter Standardbedingungen (ph= 7; Temperatur = 25 Celsius; Druck = 1 bar) dargestellt (N.N., ATV-Fachausschuß-7.5, 1994). G CH 3 -CH 2 -COOH + 2 H 2 O CH 3 -COOH + 3 H 2 + CO ,1 CH 3 -CH 2 -CH 2 -COOH + 2 H 2 O 2 CH 3 -COOH + 2 H 2 +48,1 Es ist zu erkennen, dass die Reaktionen unter Standardbedingungen nicht ablaufen, da sie für die Mikroorganismen mit keinem Energiegewinn (keine negative freie Energie G ) verbunden sind. Dieser erforderliche niedrige Wasserstoff-Partialdruck kann nur erreicht werden, wenn der gebildete Wasserstoff sofort als Substrat verwertet wird. Dieser Austausch der Wasserstoffatome zwischen den verschiedenen Mikroorganismengruppen (Interspecies-Hydrogen-Transfer) ist ein Vorgang, der innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde bei einem Abstand von wenigen Mikrometern (ca. 1 Bakterienlänge) abläuft.

21 2.3 Anaerobe Abbauprozesse organischer Stoffe Methanogenese Die mikrobielle Methanbildung (Methanogenese) kann aus H 2 + CO 2, A- meisensäure, Essigsäure, Methanol oder Methylen (z.b. CH 3 NH 3, (CH 3 ) 2 S) erfolgen. Während fast alle Spezies H 2 + CO 2 umsetzen können bzw. viele Spezies Ameisensäure, sind nur wenige Organismen in der Lage Essigsäure bzw. Methanol zu Methan umzuwandeln. Da die Zellmembran eine Barriere ist, die nur wenige ungeladene Substanzen durchlässt, kann die Zelle lediglich die undissozierte Form (Essigsäure) aufnehmen. Bei ph = 7,0 liegt Essigsäure aber zu ca. 99 % in dissoziierter Form (Acetat) vor. Aufgrund des Dissoziationsgleichgewichts wird die entnommene Essigsäure jedoch immer wieder aus dem Acetat nachgebildet. In der nachfolgenden Tabelle sind die kinetischen Parameter der methanogenen und acetogenen Bakterien dargestellt. Da die Werte aus den verschiedenen Quellen (Gujer 1983, Batstone 2002) teilweise sehr stark schwanken, wird hier neben der Bandbreite ein aus den Literaturwerten ermittelter Mittelwert angegeben. Tabelle 2-3. Kinetische Parameter methanogener und acetogener Bakterien bei Temperaturen von o Celsius (Meyer, 2004) Bakteriengruppe Methanbildung aus Acetat Nur Methanosarcina Nur Methanosaeta Methanbildung aus H 2 Acetogene Bakterien k m maximale Umsatzrate d. Bakterien g CSB/ (g o TR d) K S Halbgeschwindigkeits- Substratkonz. mg CSB/l Y Ertragskoeffizient g o TR/ g CSB µ max Wachstumsrate (3,4 19) (11-930) (0,01-0,08) (0,05-1,4) 10 (5,9-12) 5 (2,9-6,1) 20 (1,6-44) 10 (0,3-41) 250 ( ) 25 (18-30) 0,1 (0,01-0,6) 25 ( ) 0,04 (0,002-0,07) 0,02 0,002-0,03 0,06 (0,01-0,18) 0,03 (0,02-0,07) b Sterberate 1/d 1/d 0,4 (0,4-0,6) 0,1 (0,1-0,15) 1,4 (0,02-12) 0,3 (0,02-1) (0,004-0,0036) (0,01-1,2) (0,01-0,06)

22 44 2 Mikrobiologische Grundlagen Es ist zu erkennen, dass die acetatverarbeitenden Bakterien 2 bis 4-fach niedrigere Umsatzraten und deutlich niedrigere Wachstumsraten aufweisen, als die Methanbakterien, die Wasserstoff umsetzen. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Wachstumskinetik der acetatverarbeitenden Methanbakterien. Es ist zu erkennen, dass bei niedrigen Acetatkonzentrationen Methanosaeta einen Wachstumsvorteil gegenüber Methanosarcina hat. Dies erklärt, warum bei Faulbehältern mit einer geringen Belastung (Aufenthaltszeit größer 15 Tage) Methanosaeta die mit Abstand dominante Gattung ist (Gujer, 1983). Bei der anaeroben Industrieabwasserreinigung mittels pelletgebundener Biomasse überwiegt, aufgrund des Substratgradienten in den Pellets, im Pelletkern Methanosaeta, während in den äußeren Schichten Methanosarcina dominiert. Methanbildung aus Acetat 0,20 Spez. Wachstumsrate d -1 0,15 0,10 0,05 33 C Methanosarcina ^ µ = 0,3 d -1 K S = 200 mg/l Methanosaeta ^ µ = 0,1 d -1 K S = 30 mg/l 0, Acetat Konzentration mg COD/l Abb Wachstumskinetik der acetatverarbeitenden Methanbakterien (nach Gujer, 1983) Der geschwindigkeitslimitierende Abbauschritt Da der anaerobe Abbau aus bis zu 5 nacheinander zu durchlaufenden Teilschritten besteht, ist das jeweils schwächste Glied maßgeblich für die Gesamtgeschwindigkeit. Welcher der Teilschritte jeweils geschwindigkeitslimitierend ist, wird dabei maßgeblich von der Zusammensetzung des Substrats bestimmt. Bei feststoffreichen Abwässern ist meist die Hydrolyse der geschwindigkeitslimitierende Prozessschritt. Dies gilt beim anaeroben Fettabbau selbst bei guter Emulgierung.

23 2.4 Nährstoff- und Spurenelementbedarf anaerober Abbauprozesse 45 Bei überwiegend gelösten organischen Komponenten ist dagegen, aufgrund der etwa gleich großen, aber im Vergleich zu den anderen Bakteriengruppen niedrigen Wachstumsraten, die acetogene Phase und die acetatverwertende Methanogenese maßgeblich. 2.4 Nährstoff- und Spurenelementbedarf anaerober Abbauprozesse Die am anaeroben Abbauprozess beteiligter Bakteriengattungen (hydrolytische, acidogene, acetogene und methanogene Bakterien) benötigen zum Stoffwechsel und zu ihrer Vermehrung Nährstoffe, Spurenelemente und Vitamine, so dass ihre Wachstumsgeschwindigkeit und Stoffwechselaktivität auch von der Verfügbarkeit dieser Stoffe abhängt. Für jede Komponente gib es eine artspezifische Mindestkonzentration, die zur Erhaltung und Vermehrung der Organismen notwendig ist, sowie eine Maximalkonzentration, bei deren Überschreitung der Stoffwechselprozess gehemmt wird. Wegen der geringen Wachstumsgeschwindigkeit der anaeroben Bakterien ist der Bedarf an Nährstoffen und Spurenelementen gering. Kommunale und landwirtschaftliche Abwässer enthalten diese Komponenten daher normalerweise in ausreichender Konzentration. Industrielle Abwässer weisen jedoch häufig einen Mangel an Nährstoffen und Spurenelementen auf, der durch Zudosierung der fehlenden Komponenten ausgeglichen werden muss. Die am anaeroben Abbau beteiligten Bakterien benötigen als essentielle Nährstoffe im wesentlichen Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelverbindungen. Der Nährstoffbedarf ist artspezifisch und hängt von der Menge der Biomasse ab, die pro Masseneinheit an abgebautem CSB neu gebildet wird. Andererseits ist der Nährstoffbedarf von der Abwassercharakteristik abhängig. Die Biomassenbildung bei kohlenhydrathaltigen Abwässern z.b. ist ungefähr dreimal höher als bei Abwässern, die durch Proteine oder Fette bestimmt werden. Entsprechend ist der Nährstoffbedarf beim anaeroben Abbau kohlenhydrathaltiger Abwässer höher. Stickstoff und Phosphor sind für die Bildung von neuen Organismen essenziell. Der N- und P-Bedarf der verschiedenen Bakterien richtet sich nach den Ertragskoeffizienten der Bakterien und dem Schlammalter im System. Bei hohem Schlammalter ist der Nettobedarf aufgrund des verhältnismäßig intensiveren Absterbens der Bakterien geringer. Die Trockenmasse der Bakterien besteht im Mittel zu etwa 50 % aus Kohlenstoff, zu 11 % aus Stickstoff, zu 2 % aus Phosphor und zu 1 % aus

24 46 2 Mikrobiologische Grundlagen Schwefel. Das N:P-Verhältnis im Abwasser sollte daher etwa 5:1 betragen. Bei einem Biomassenzuwachs von 5 % des abgebauten CSB beträgt der Stickstoffbedarf 6 kg N pro kg CSB bzw. 1 kg N pro ca. 60 m 3 an produziertem Methan und der Phosphorbedarf 1,2 kg P pro kg CSB bzw. 1 kg P pro 300 m 3 Methan. Bei kohlenhydrathaltigen Abwässern ist der Nährstoffbedarf bis um den Faktor 3 höher. Da im Durchschnitt 5-15 % des abgebauten CSB zur Neubildung von Biomasse genutzt wird, liegt bei einem CSB:N:P-VerhäItnis von etwa 300:5:1 (Kohlenhydrate) bis etwa 800:5:1 (Fettsäuren und Proteine) in der Regel ein ausgewogenes Nährstoffverhältnis im Abwasser vor. Bei hochbelasteten Anaerobreaktoren (0,8-1,2 kg CSB/kg TS d) wird von einem theoretischen Minimum im Verhältnis CSB:N von 400:7 ausgegangen. Ist der anaerobe Abbau niedrig belastet, steigt das Verhältnis CSB:N auf 1000:7 und höher an (Henze u. Harremoes, 1983). Bezogen auf den abbaubaren CSB liegt folgender durchschnittlicher Mindestbedarf vor: CSB abbaubar : N : P = : 5 : 1 Dies gilt für komplett versäuerte Abwässer, da der Ertragskoeffizient der acetogenen bzw. methanogenen Bakterien nur ca. 0,4 g Biomasse/g CSB beträgt. Für nicht oder nur gering versäuerte Abwässer liegt der Ertragkoeffizient der versäuernden Bakterien höher mit ca. 0,15 g Biomasse/g CSB. D.h. sie bilden die 0,15 g Biomasse pro abgebautes Gramm CSB. Für die genaue Bestimmung des Stickstoffbedarfs ist zu berücksichtigen, welcher Anteil des gesamten CSB tatsächlich versäuert ist. Der durchschnittliche Mindestbedarf beträgt: CSB abbaubar : N: P = 350: 5: 1 Wenn im Reaktor ca. 40 mg/l NH 4 -N vorliegen, sind die Organismen mit genügend Stickstoff versorgt. Die Bakterien nehmen den Stickstoff in Form von Ammonium auf. Fehlender Stickstoff kann gut in Form von Harnstoff dosiert und verwendet werden ((NH 2 ) 2 CO). Schwefel ist für den Aufbau der Bakterienzellen ebenfalls ein essentieller Mineralstoff. Der Schwefelbedarf soll dem Phosphorbedarf entsprechen, so dass sich ein Mineralstoffbedarf von CSB:N:P:S von 300 bis 800:5:1:1 bezogen auf die Abwasserqualität ergibt. Bezogen auf die CSB-Schlammbelastung steigt bei anaeroben Abbauprozessen mit zunehmender Belastung auch der Stickstoffbedarf. Das CSB:N:P:S Verhältnis beträgt dann 400:7:1:1 (bezogen auf die Zulaufkonzentration). Da der Schwefel von den Methanbakterien nur in reduzierter Form aufgenommen

25 2.4 Nährstoff- und Spurenelementbedarf anaerober Abbauprozesse 47 werden kann, ergibt sich eine optimale Schwefelwasserstoffkonzentration von ca. 10 mg/l gelöstem H 2 S. Als essentielle Spurenelemente für methanbildende Mischbiozönosen sind Nickel, Kobalt, Molybdän, Eisen, Selen und Wolfram nachgewiesen worden. Grundsätzlich sind diese Spurenelemente nur in gelöster und nicht in komplexierter Form biologisch verfügbar. Der Spurenelementbedarf der hydrolytischen, acidogenen und acetogenen Bakterien umfasst das gleiche Spektrum an Elementen. Bei einzelnen Gattungen der acetogenen Bakterien ist darüber hinaus ein Bedarf an Zink, Kupfer und Mangan nachgewiesen worden. In der Regel begrenzt jedoch ein Mangel an Spurenelementen bei den methanogenen Bakterien die Abbaugeschwindigkeit des Gesamtprozesses. Eine Besonderheit der Methanbakterien stellt der hohe Bedarf an Nickel dar, der für das Wachstum anderer Bakterien allgemein nicht erforderlich ist. Nickel ist ein essentieller Bestandteil aller Methanbakterien, da es für die Synthese der Zellkomponente Co-Faktor F430 und der Enzyme Hydrogenase und Kohlenmonoxid-Dehydrogenase einen notwendigen Baustein darstellt. 1 g Zellsubstanz enthält durchschnittlich 10 µg Nickel. Trotz des geringen Bedarfs an Nickel ist es häufig in der Praxis ein Mangelfaktor, d.h. dass die Dosierung von Nickel zu einer Verbesserung der Methanogenese führen kann. Das Wachstum von Methanbakterien ist weiterhin von Kobalt, Molybdän und Wolfram abhängig. Kobalt wird zur Bildung des Corrinoid- Faktors III benötigt, während die Funktion von Molybdän und Wolfram bisher nur unvollständig aufgeklärt ist. Für Methanosarcina barkeri wurde ein optimales Wachstum bei 0,06 mg/l Kobalt und 0,05 mg/l Molybdän ermittelt. Der Bedarf an Selen und Wolfram konnte bisher nur für wenige Methanbakteriengattungen als essentiell nachgewiesen werden. Für Eisen wurde eine stimulierende Wirkung lediglich bei den acetatverwertenden Methanbakterien beobachtet. Die notwendige Konzentration an gelöstem Eisen liegt zwischen 1 mg/l und 10 mg/l. Die Konzentration ist im Vergleich zu den optimalen Wachstumsbedingungen anderer Bakterienkulturen um ein vielfaches höher und kann daher in der Praxis die Ursache für eine geringe Stoffwechselaktivität sein. In der Tabelle 2-4 ist der günstigste Konzentrationsbereich der wichtigsten Spurenelemente dargestellt. Die Angaben beziehen sich jeweils auf die gelöste und biologisch verfügbare Form im Reaktor. Tabelle 2-5 gibt Richtwerte über den Spurenelementbedarf bezogen auf den Reaktorzulauf an. Die Daten wurden für ein hochbelastetes Abwasser (ca. 50 g/1 CSB) errechnet.

26 48 2 Mikrobiologische Grundlagen Tabelle 2-4. Günstige Konzentration gelöster Spurenelemente in Anaerobreaktor (Mudrack u. Kunst 2003) Spurenelement Konzentrationsbereich (mg/1) Fe 1-10 Ni 0,005-0,5 Co 0,003-0,06 Mo 0,005-0,05 Tabelle 2-5. Richtwerte für den erforderlichen Spurenelementbedarf, bezogen auf den abgebauten CSB Spurenelement Spurenelementbedarf mg/kg CSB-Abbau (mg/l) bei 50 g CSB/l Fe Ni ,3-15 Co ,3-10 Mo 1-4 0,05-0,2 Se 2-4 0,1-0,2 Wo 2-8 0,1-0,4 Literatur Batstone DJ, Keller J et al. (2002) Anaerobic Digestion Model No.1, JWQ Scientific and Technical Report No. 13, London, JWA Publishing Gujer W, Zehnder JB (1983) Conversion Process in Anaerobic Digestion, Water Science and Technology, London, Int. Association on Water Pollution Research and Control, Vol 15, pp Lettinga G, (1997) Anaerobic Reactor Technology, 1. Handbook of International Course on Anaerobic Waste Water Treatment, Wageningen NL Meyer H (2004) Leistungsfähigkeit anaerober Reaktoren zur Industrieabwasserreinigung, Dissertation, Universität Hannover, Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Heft in Druck Mudrack K, Kunst S (2003) Biologie der Abwasserreinigung, 5. Aufl, Spektrum Verlag N.N. (1994) ATV-Fachausschuß-7.5, 3. Arbeitsbericht: Geschwindigkeitsbestimmende Schritte beim anaeroben Abbau von organischen Verbindungen in Abwässern, Korrespondenz Abwasser, 41. Jahrgang, S 101 ff