Auswirkungen von Mikrobelüftung durch Rühren auf die Stickstoffentfernung in einem Anammox-Reaktor

Abwasser effizienter reinigen

Moderne Fabriken und Städte produzieren Abwasser, das mit Stickstoff und organischen Verunreinigungen belastet ist und Flüsse, Seen sowie Küstengewässer schädigen kann. Die Behandlung dieses Wassers ist kostspielig, insbesondere weil herkömmliche Verfahren viel Luft und zusätzliche Chemikalien benötigen. Diese Studie untersucht ein neueres, energiearmes Verfahren namens Anammox und stellt eine praktische Frage: Kann das Einbringen von nur wenig Luft am Boden eines Anammox-Beckens die Reinigung verbessern, ohne die sauerstoffempfindlichen Mikroben, die den Prozess antreiben, zu schädigen?

Ein neuer Weg zur Stickstoffentfernung

Anammox, kurz für anaerobe Ammoniumoxidation, ist eine biologische Abkürzung zur Entfernung von Stickstoff. Anstatt des üblichen mehrstufigen Prozesses, der große Gebläse und zusätzliche kohlenstoffreiche Chemikalien erfordert, wandeln Anammox-Bakterien Ammonium und Nitrit direkt in harmloses Stickstoffgas unter sauerstofffreien Bedingungen um. Das macht sie attraktiv für die Behandlung industrieller Abwässer, etwa aus der Sojabohnen- oder Fructoseverarbeitung, bei denen hohe Stickstoffkonzentrationen und Energieeinsparungen wichtig sind. Allerdings enthalten diese realen Abwässer auch organische Stoffe, gemessen als chemischer Sauerstoffbedarf (CSB), die schnellwüchsigen Mikroben begünstigen können, welche die Anammox-Bakterien verdrängen und die Stickstoffentfernung schwächen.

Sanftes Rühren mit winzigen Luftmengen

Die Forschenden bauten einen hohen Acrylsäulenreaktor mit rötlich-braunen Anammox-Granulaten und echtem industriellem Abwasser auf. Sie testeten drei sehr niedrige Belüftungsraten am Boden des Beckens: fast kein Rühren (1,5 L/h), moderate Mikrobelüftung (12 L/h) und relativ starke Belüftung (45 L/h). Ziel war zweierlei: aerobe Mikroben in Bodennähe beim Abbau organischer Substanz zu unterstützen und aufsteigende Blasen als sanftes Mischwerkzeug zu nutzen, um Abwasser und Bakterien zu durchmischen, ohne den gesamten Reaktor in eine sauerstoffreiche Umgebung zu verwandeln. Über Wochen im stabilen Betrieb wurden CSB, verschiedene Stickstoffformen, gelöster Sauerstoff und die Aktivität der zentralen Anammox-Bakterien verfolgt.

Das richtige Maß an Luft finden

Moderate Mikrobelüftung erwies sich als der effektivste Kompromiss. Bei 12 L/h entfernte der Reaktor etwa 63 % des CSB und nahezu 73 % des Gesamtnitrogens, wobei über 92 % dieser Stickstoffentfernung über den Anammox-Weg erfolgten. Die spezifische Aktivität der Anammox-Bakterien stieg auf etwa 0,25 Gramm Stickstoff pro Gramm Biomasse und Tag, was bedeutet, dass die Kernmikroben kräftiger und effizienter arbeiteten. Die Blasen lieferten gerade genug Sauerstoff, damit andere Bakterien organische Substanz abbauen konnten, und wirkten als interne Durchmischung, wodurch der Kontakt zwischen Schadstoffen und dem granulierten Schlamm verbessert wurde. Bei zu geringer Belüftung baute sich organische Substanz auf und beeinträchtigte die Anammox-Leistung; bei zu starker Belüftung begann der Sauerstoff die sauerstoffempfindliche Anammox-Gemeinschaft zu schädigen.

Beobachtung der mikrobiellen Besetzung

DNA-Sequenzierung zeigte, wie sich die mikrobielle Besetzung mit wechselnder Belüftung veränderte. Unter optimaler Mikrobelüftung machten die Bakterien, die tatsächlich Anammox durchführen (innerhalb des Phylums Planctomycetota, einschließlich der Gattung Candidatus Brocadia), einen beträchtlichen Anteil der Gemeinschaft aus, was die starke Stickstoffentfernung im Reaktor widerspiegelte. Als der Luftstrom auf 45 L/h erhöht wurde, verschwanden diese nützlichen anaeroben Bakterien nahezu und wurden durch sauerstoffliebende Organismen ersetzt, etwa bestimmte Bacillus- und Proteobakterien. Obwohl die gesamte CSB-Entfernung ähnlich blieb, stützte sich der Reaktor weniger auf Anammox und mehr auf konventionelle, sauerstoffgetriebene Wege, die energieintensiver sind und den Hauptvorteil der Technologie schmälern.

Folgen für Anlagen in der Praxis

Die Studie zeigt, dass kontrollierte Mikrobelüftung – gerade genug Luft, um zu rühren und organische Reststoffe zu entfernen, aber nicht genug, um das Becken mit Sauerstoff zu fluten – Anammox-Reaktoren für industrielles Abwasser robuster machen kann. Für Nichtfachleute ist die Botschaft klar: ein sanfter Luftstoß im richtigen Maß hilft diesen spezialisierten Bakterien, ihre Arbeit besser zu verrichten, und reinigt sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff aus Abwasser bei geringerem Energieaufwand als traditionelle Systeme. Zu viel Luft kippt jedoch das Gleichgewicht, schädigt die Schlüsselmikroben und verringert die Leistung. Dieses „Sweet Spot“ der Mikrobelüftung zu finden und zu halten wird entscheidend sein für die Auslegung zukünftiger energiearmer Kläranlagen, die Gewässer nachhaltiger schützen.

Zitation: Yan, Z., Xu, Y., Yang, H. et al. Effect of micro-aeration stirring on nitrogen removal in anammox reactor. Sci Rep 16, 6561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37758-7

Schlüsselwörter: Abwasserbehandlung, Anammox, Mikrobelüftung, Stickstoffentfernung, industrielles Abwasser