Biologische Abwasserreinigung

243 Pages·1983·8.165 MB·German

by  Dr. rer. nat. Ludwig Hartmann (auth.)

Ludwig Hartmann
Biologische
Abwasserreinigung
Mit l30 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York 1983
Dr. rer. nat. Ludwig Hartmann
o. Professor, Lehrstuhl fUr Ingenieurbiologie und
Biotechnologie des Abwassers
Universitat Karlsruhe
CIP·Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek:
Hartmann, Ludwig:
Biologische Abwasserreinigung/Ludwig Hartmann.
- Berlin; Heidelberg; New York: Springer,
1983.
ISBN-13: 978-3-540-11879-4 e-ISBN-13: 978-3-642-96738-2
001: 10.1007/978-3-642-96738-2
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© by Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1983
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2060/3020 5 4 3 2 I 0
Vorwort
Am Anfang dieses Buches miissen zwei Warnungen stehen, namlich: Erstens,
dies ist kein Nachschlagwerk, und zweitens, der Leser darf nicht erwarten,
daB er nach der Lektiire dieser Abhandlungen in der Lage sein wird, eine
Klaranlage zu bemessen. Fiinfundzwanzig Jahre Praxis in der Lehre haben
dem Autor die Erfahrung gebracht, daB das Fach Biologische Abwasser
reinigung nicht lehrbar ist, es ist nur aktiv erlernbar. Alles, was ein Lehrer
vermitteln kann, sind Grundlagen und Denkansatze. Und sogar dabei be
stehen groBe Schwierigkeiten, die aus der Natur des Faches resultieren.
Biologische Abwasserreinigung verlangt wie kaum ein anderes Fach, die
Integration physikalischer, chemischer, biologischer und technologischer
Gegebenheiten und fiihrt je nach ortlicher okologischer Situation und den
wirtschaftlichen Moglichkeiten zu unterschiedlichen praktischen Losungen.
Die Arbeit auf diesem Gebiet verlangt deshalb auch physikalisches, che
misches, biologisches und technologisches Riistzeug, ganz gleich, ob man in
der Praxis oder in der F drschung tatig ist. Zumindest jedoch muB die Fahigkeit
zum Dialog mit den Gesprachspartnern anderer Fachgebiete gegeben sein.
Dieser Leitlinie versucht der Autor zu folgen.
Grundlage fiir die Abhandlung ist eine Vorlesung, wie sie in Karlsruhe
fiir Studenten des Bauingenieurwesens, der Biologie und des Chemieingenieur
wesens gehalten wird.
Dem Umfang eines einfiihrenden Buches sind naturgemaB enge Grenzen
gesetzt, so daB vielleicht ofter als dies wiinschenswert ist, der "Mut zur
Liicke" gefordert wird. Es ist daher zu vermuten, daB die Leser unter
schiedlicher Fachrichtungen oder unterschiedlicher Erfahrung manche Aus
fiihrungen vermis sen werden. Der Autor bittet hier urn Kritik und Rat.
Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten, aber auch an Fach
leute, die ihre praktische Erfahrung theoretisch untermauern wollen.
An der Gestaltung dieses Buches haben viele mitgewirkt. Es sind dies zu
nachst die Studenten der vergangenen Jahre, die durch kritisches Nachfragen
die Integration des Stoffes fOrderten; es sind dann die Diplomanden und
Doktoranden, die mitgeholfen haben, Wissensliicken zu fiillen. Natiirlich
sind hier auch die vielen Arbeiten von Kollegen anderer Institute zu er
wahnen.
Namentlich danken fiir Unterstiitzung und Rat mochte der Autor seinem
langjahrigen Mitarbeiter und Kollegen, Herrn Prof. Dr. Ing. P. Wilderer,
seinem Assistenten, Herrn Dipl. Ing. R. Jourdan fiir die Betreuung des
Manuskriptes und seiner Sekretarin, Frau Brigitte ABmann fiir ihre Geduld,
den Text immer wieder umzuschreiben.
VI Vorwort
Dank auch dem Springer Verlag, von dem die Anregung kam, das Skript
zu einem Buch urnzuarbeiten.
Der Autor hofft, daB es ihm mit diesem Buch ge1ungen ist, dem Interessier
ten den Einstieg in dieses sehr komp1exe Fach zu erleichtern.
Karlsruhe, im Oktober 1982 L. Hartmann
Inhaltsverzeichnis
I Das Abwasserproblem, seine Ursachen und Ansiitze zur Losung . 1
1. Einfuhrung ....... 1
2 Das okologische Problem 2
2.1 Die Gesamtschau . 2
2.2 Unterschiede zwischen aquatischen und terrestrischen
Produktionsraumen . 5
2.3 Produktion und Abbau 7
2.4 Die biocoenotische Differenzierung 8
2.5 Der Mensch als Element der Biocoenose . 11
3 Das Abwasserproblem . 13
3.1 Die quantitative Seite 13
3.2 Die qualitative Seite . 16
4 Ansatze zur Losung . 16
II Organismen 19
1 EinfUhrung. 19
2 Bakterien 20
2.1 Allgemeines 20
2.2 GroBe, Form und Zellaufbau. 20
2.3 Vermehrung und Sexualitat 22
2.4 Physiologie. . . . . . . . 22
2.5 Chemische Zusammensetzung 23
2.6 Systematik . 23
3 Protozoen 25
3.1 Allgemeines 25
3.2 Ernahrung . 25
3.3 Der Zellaufbau . 26
3.4 Fortpflanzung und Sexualitat . 26
3.5 Systematik . 28
4 Niedere Pflanzen 30
4.1 Allgemeines 30
4.2 Systematik . 36
5 Mehrzellige tierische und pflanzliche Formen . 38
III Niihrstoffe und Stoffwechsel. 39
1 Sinn der Ernahrung und Ernahrungsweisen . 39
2 Die Chemoorganotrophie 41
VIII Inhaltsverzeichnis
2.1 Die Nahrstoffe . . . . . . 41
2.2 Die Nutzung der Nahrstoffe 47
2.2.1 Abbaureaktionen . . . 47
2.2.2 Der Energiestoffwechse1 49
2.2.3 Garung . . . . . . . 52
3 Die Photolithotrophie . 53
4 Die Chemolithotrophie 55
5 Das Gemeinsame der Ernahrungsweisen 57
6 Die Energieverwertung ..... . 58
IV Kinetik des Stoffwechsels . 59
1 Das System und die Faktoren 59
2 Die Diffusion . . . . . 62
3 Sorptionsvorgange . . . 64
4 Enzymatische Reaktionen 66
4.1 Grundlagen . . . . . . 66
4.2 Die Grundreaktion . . . 67
4.3 Die Bestimmung der Reaktionsparameter 71
4.4 EinfluB des pH-Wertes . . . . . . 73
4.5 EinfluB der Temperatur . . . . . . 73
5 Gehemmte enzymatische Reaktionen 76
6 Die Wirkung der Aktivatoren 81
7 Allosterische Enzyme . . . . . . . 82
8 Methoden der kinetischen Analyse und Bestimmung der
geschwindigkeitsbestimmenden Reaktion . . . . . . 82
V Kinetik mikrobieller Systeme . 83
1 Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2 Einfache Einstoffsysteme ohne Organismenzuwachs 84
3 Komplexe Systeme ohne Vermehrung . . . . . 88
4 Einfache Systeme mit Zusatznahrstoffen ... . . 90
5 Hemmungen durch systemimmanente Faktoren . 91
6 Hemmung durch toxische Substanzen 91
7 Adaptationen. . . . . . . . . . . . . 94
8 Systeme mit Organismenzuwachs . . . . 95
9 Kinetik in mikrobiellen Verbundsystemen 98
VI Kinetik und Reaktortechnik. . . . . . . 99
1 Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2 Klassifizierung von Reaktortypen mit kontinuierlicher
Beschickung . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3 Der kontinuierlich beschickte offene Fermenter . 101
4 Der kontinuierlich beschickte Fermenter mit
Organismenriickfiihrung. . . . . . . . . . . 104
Inhaltsverzeichnis IX
5 Der diskontinuier1ich beschickte Reaktor mit
Organismenspeicherung . . . . . . . . . . . . . . 106
6 Kontinuierlich beschickte Reaktoren mit Fixierung der
Organismen auf festen F1achen (Festbettreaktor) lO6
VII Die natiirliche Se1bstreinigung. . . . 109
1 EinfUhrung............ 109
2 Lebensraum und Lebensgemeinschaft 109
3 Storungen und Sukzession . . . . . 111
4 Die ortliche Fixierung von Se1bstreinigungsstadien 114
5 Die Nische. . . . . . . . . . . . . . . . 116
6 Das Saprobiensystem . . . . . . . . . . . . . 116
7 Der biochemische Sauerstoffverbrauch (BSV). . . 117
8 Ubergeordnete Gesichtspunkte und techno1ogische Fo1gerungen. 120
VIII Abwasser und Abwasseranalyse 122
1 EinfUhrung . . . . . . . . . 122
2 Was ist Abwasser? . . . . . 122
3 Abwasser und seine Inha1tsstoffe 123
3.1 Menge und Vertei1ung. . . . . 123
3.2 Probenahme.. . . . . . . . 123
3.3 Auswertung der gewonnenen Daten. 124
3.4 Parameter der Abwasserverschmutzung 124
3.4.1 Physika1ische Eigenschaften . 124
3.4.2 Der pH-Wert. . . . . . . . 125
3.4.3 Die chemische Oxidierbarkeit. 125
3.4.4 Der organische Koh1enstoff . 126
3.4.5 Der Stick stoff . . . . . . . 126
3.4.6 Der Phosphor . . . . . . . 127
3.4.7 Der biochemische Sauerstoffbedarf (BSBs) 127
3.4.8 Hygienische Parameter . 128
3.4.9 Gifte . . . . . . . . . 128
4 Abwasser a1s Nahrlosung 129
4.1 Kinetische GroBen . . . 129
4.2 Der P1ateau-BSB (BSB 130
p,).
4.3 Das C:N:P-Verhaltnis . 130
5 Beurtei1ung von Umwe1tchemika1ien. 132
5.1 Eigenschaften und Verhalten .... 132
5.2 MeBmethodik fUr Abbau und Toxizitat 133
5.3 Anreicherung von Umweltchemika1ien in Organismen 135
IX Das Belebtschlammverfahren 136
1 Charakterisierung..... 136
2 Der Reinigungstrager . . . 138
2.1 GroBe und Zusammensetzung 138
x
Inhaltsverzeichnis
2.2 Der Schlammvolumenindex . . . . . . . . 140
2.3 Der Schlammgehalt im Reaktor. . . . . . . 142
3 Das biologische System und seine VariabiliUit 142
3.1 Die Schlammbelastung als bestimmende GroBe . 142
3.2 Schlammbelastung und Reinigungseffekt . 142
3.3 Schlammbelastung und Schlammzuwachs 144
3.4 Schlammbelastung und Organismen. . 144
3.5 Schlammbelastung und Schlammindex . 145
4 Sauerstoffverbrauch. . . . . . . . . 145
5 Schlammruckfiihrung . . . . . . . . 147
6 Bemessung von Belebtschlammanlagen. 147
7 Bemessung des Nachklarbeckens . . 148
8 Reaktortypen und Gestaltung 150
9 Modifikationen der Verfahrensweise . 150
9.1 Der Oxidationsg raben . . . 150
9.2 Das A-B-Verfahren .... 150
9.3 Verfahren ohne Vorklarung 151
9.4 Kaskadenreaktoren . . . 151
9.5 Reinsauerstoff-Verfahren . 151
9.6 StufenbelUftung. . . . . 151
9.7 Automatisierung . . . . 152
9.8 Verfahren mit thermophil en Bakterien . 152
10 Schlammbehandlung 152
X Tropikorper 154
1 Einfiihrung. 154
2 Systeme .. 155
2.1 Der Schwachlasttropfkorper 156
2.2 SpUltropfkorper . . . . . 159
2.3 Turmtropfkorper . . . . . 159
2.4 RuckspUlung und Wechseltropfkorper . 161
2.5 Kunststofftropfkorper. . . . . . . . 162
2.6 Tropfkorper als zweite Reinigungsstufe 162
3 Theorie des Tropfkorpers . . 163
XI Verfahren der Landbehandlung 165
1 Einfiihrung. . . . . . 165
2 Das okologische System 165
2.1 Der Boden. 165
2.2 Das Klima ..... . 167
2.3 Die Pflanze . . . . . 167
3 Methoden der Landbehandlung von Abwasser 169
3.1 Bewasserung landwirtschaftlicher Nutzflachen 169
3.2 Abwasserversickerung zur Grundwasseranreicherung 175
3.3 Die Oberflachenbehandlung 177
3.4 Verwandte Verfahren - 178
4 Zusammenfassung 178
Inhaltsverzeichnis XI
XII Oberflachengewasser . 179
1 Problematik.... 179
2 Stehende Gewasser . 179
2.1 Die Okologie stehender Gewasser . 179
2.2 Die Nahrstoffe und der Nahrstoffaustausch, die chemischen und
physiochemischen Komponenten des okologischen Systems. 184
2.3 Die Produktivitat stehender Gewasser . . . . . . . . 186
2.4 Schutz stehender Gewasser. . . . . . . . . . . . . 189
2.5 Nutzung stehender Gewasser zur Abwasserbehandlung. 189
2.5.1 Abwasserteiche . 189
2.5.2 Fischteiche. . . . . 191
2.5.3 Schonungsteiche . . 193
2.5.4 Wasserpflanzenfilter. 194
3 FlieBgewasser 194
3.1 Die okologische Situation 194
3.2 FlieBgewasser und Abwasser 197
3.2.1 Grundsatzliches. . . . . . 197
3.2.2 Die Sauerstoffganglinie . . 197
XIII Anaerobe technische Verfahren 201
1 EinfUhrung......... 201
2 Mikrobiologie und Biochemie der Methangarung 201
3 Produktmengen der Methangarung 205
4 Kinetik......... 206
5 Technologie der Verfahren. . . . 206
5.1 Schlammbehandlung . . . . . . 209
5.1.1 Schlammanfall und Ziele der Behandlung 209
5.1.2 Technologie der Schlammbehandlung . . 209
5.1.3 Behandlung der Produkte . . . . . . . 212
5.2 Kontinuierlich betriebene Reaktoren zur anaeroben
Abwasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . 213
5.2.1 Geschlossene Systeme mit kontinuierlicher Beschickung 214
5.2.2 Anaerobe Festbettreaktoren . . . . . 215
5.2.3 Das anaerobe Belebtschlammverfahren 215
5.3 Weitergehende Behandlung. 215
XIV KIarsysteme . . . . . . . 216
1 Grundlagen....... 216
2 Klarelemente und ihre Verwendbarkeit innerhalb von Systemen. 217
2.1 Aerobe biologische Klarelemente . 217
2.2 Anaerobe biologische Klarelemente . . . . . . . 218
3 Physikalische Klarelemente. . . . . . . . . . . 213
4 Chemisch-physikalische und chemische Verfahren . 219
5 Beispiele fUr Verfahrenskombinationen 221
5.1 GroBstadt in gemaBigten Klimazonen 221
5.2 Industrieabwasser organischer Natur . 221