Nitrifikation


Was passiert bei der Nitrifikation

Die Nitrifikation ist die Umwandlung von Ammonium zum Nitrat. Die Nitrifikation erfolgt durch zwei extrem stark spezialisierte Bakterienarten (Nitrosomonas und Nitrobacter). Für den Zellaufbau nutzen diese zwei Bakterien keinen organischen Kohlenstoff, sondern das Kohlenstoffdioxid CO2. Die zum Wachstum notwendige Energie wird aus der Oxidation des Ammoniums über Nitrit zu Nitrat bezogen. Die Nitratbildung läuft schneller ab als die Nitritbildung, so dass Nitrit meist nur in geringer Konzentration vorliegt. An erhöhten Nitritkonzentration lässt sich eine Beeinträchtigung der Nitrifikation erkennen.

1. Schritt
Die Ammoniumoxidierer (Nitrosomonas) wandeln durch bakterielle Oxidation Ammonium zum Nitrit um.

2. Schritt
Die Nitritoxidierer (Nitrobacter) oxidieren das entstandene Nitrit weiter zum Endprodukt Nitrat. Ammonium und Nitrit wirken als Elektronenspender.

Nitrifikation Ablauf 1. Schritt Oxidation vom Ammonium zum ---> Nitrit (Nitrosomonas)

2 NH4+ und 3 O2 oxidiert zu
--->
2 NO2- und 2 H2O und 4 H+ und Energie
Ammonium und Sauerstoff oxidiert zu
--->
Nitrit und Wasser und saurem Wasserstoff und Energie

Nitrifikation Ablauf 2. Schritt Oxidation vom Nitrit zum ---> Nitrat (Nitrobacter)

2 NO2- und 2 O2 oxidiert zu
--->
2 NO3- und Energie
Nitrit und Sauerstoff oxidiert zu
--->
Nitrat und Energie

Prozessbeschreibung

Die Nitrifikation ist eine Reaktion mit sehr hohem Sauerstoffbedarf. Dieser muss von Aussen zugeführt werden. Die Nitrifikanten gehören zu den aeroben Bakterien, weil sie den Sauerstoff als Elektronenakzeptor benötigen. Als Kohlenstoffquelle nutzen sie organisches Kohlendioxid. Eine schnelle Umwandlung der Nitritsalze durch die Bakterien ist lebensnotwendig, da Nitrit für höhere Pflanzen bei niedrigem pH-Wert fischgiftig wirkt.

Beim Betrieb von Nitrifikationsanlagen ist zu beachten, dass immer nur die nicht ionische Form der Stickstoffverbindungen (Ammoniak, salpetrige Säure) als Elektronendonator verwendet werden kann. Das Verhältnis zwischen den ionischen und nicht ionischen Formen der Verbindungen ist vom pH-Wert abhängig. Dieses wird auch durch den Prozess selbst beeinflusst und Bedarf unter Umständen einer pH-Wert Regelung. Im Zuge der Ammonium Oxidation H+ Ionen frei werden und damit die Gefahr einer Senkung des pH-Werts besteht.

Nitrifikanten

Nitrobakterien, Bakterien, mit denen die Nitrifikation erfolgt. Zu den Nitrobakterien zählen einerseits die Nitratbakterien und andererseits die Nitritbakterien. Die bekanntesten Nitrifikanten sind Nitrobacter, eine Gattung Nitratbildender Bakterien und Nitrosomonas, eine Gattung Nitritbildender Bakterien. Nitrobacter und Nitrosomonas, im Boden und im Wasser lebend, ernähren sich autotroph unter Ausnutzung von Energie, die durch Nitrifikation gewonnen wird. Bedingt durch ihre geringen Wachstumsraten ist es notwendig besondere Milieubedingungen zu gewährleisten, um diese Bakterien im Abwasserbereich effektiv einsetzen zu können zur Nitrifikation.

Der in zwei Stufen untergliederte Nitrifikationsprozess kann folgendermaßen beschrieben werden:

1. Stufe: Oxidation des Ammonium zu Nitrit.

Dazu muss zuerst die Umwandlung des Ammonium Ions über die vom Enzym Ammonium Mono Oxigenase (AMO) katalysierte Reaktion zum Hydroxylamin erfolgen. Im Anschluss daran wird das gebildete Hydroxylamin durch die Hydroxyl Aminoxid Oreduktase (HAO) in das Endprodukt der ersten Stufe, das Nitrit, umgebaut.

Diese beiden Reaktionsschritte führen Bakterien aus, die allgemein als Ammoniumoxidanten bezeichnet werden. Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist Nitrosomonas, weshalb dieser immer genannt wird. Die Nitritoxidierenden Bakterienstämme sind von den Ammoniumoxidierern abhängig, da diese durch die Nitritbildung die Lebensgrundlage für die Nitritoxidierer bilden.

2. Stufe: Oxidation des Nitrits zu Nitrat.

In der zweiten Stufe erfolgt die Umwandlung des entstandenen Nitritstickstoffs in seine höhere Oxidationsstufe, dem Nitrat. Repräsentativer Mikroorganismus dieses Schritts ist Nitrobacter.

Bei dieser Reaktion werden Elektronen auf den beteiligten Sauerstoff durch Cytochrom übertragen. Dieser Stoff wirkt als Redoxsystem und dient dem Transport von Elektronen in die Atmungskette der beteiligten Bakterien.

Beide Schritte zusammen werden als Nitrifikation bezeichnet. Dabei nutzen die beteiligten Mikroorganismen die Ausgangsverbindungen Ammonium bzw. Nitrit zur Veratmung mit Sauerstoff. Bei den Reaktionen erfolgt ein Energiegewinn durch Abgabe von Elektronen. Durch die Oxidation der beiden Elektronen-Donatoren (Ammonium und Nitrit) werden hierbei Reduktionsäquivalente bereitgestellt. Diese werden über die im Mikroorganismus befindliche Elektronen-Transport-Kette für die Neusynthese von Zellprodukten und Energieverbrauende Prozesse verwendet.

Man rechnet für normales kommunales Abwasser mit einer spezifischen Gesamtstickstofffracht von 12g N/Einwohner und Tag. Etwa 2g davon werden im Rahmen der biologischen Reinigungsprozesse zum Aufbau neuer Biomasse verbraucht. Es bleiben so zirka 10g N/Einwohner und Tag, die mit der Nitrifikation oxidiert werden müssen.

Wenn die Bedingungen für die Nitrifikation erfüllt sind, wird für die Nitrifikation ein Sauerstoffbedarf von zirka 4.33g O2 pro g Nitrat NO3- benötigt. Die Nitrifikaten-Biomasse wächst im Ausmass von 0,24 g CSB je g Nitrat NO3- an.

Die technischen Probleme

Die abwassertechnischen Probleme der mikrobiellen Ammoniumoxidation (Nitrifikation) sind im Wesentlichen auf die biologischen Eigenheiten der nitrifizierenden Bakterien zurückzuführen. Im Vordergrund steht dabei die Tatsache, dass diese Organismen im Vergleich zu den heterotrophen Bakterien nur eine überaus geringe Vermehrungsrate haben. Die Generationszeit der heterotrophen Bakterien liegt bei zirka 2 Stunden, die der Nitrifikanten bei zirka 12 Stunden. In diesen Fällen steht den Nitrifikanten im Wasserkörper nicht genug Zeit zur Verfügung, um sich zu einer hinreichend leistungsfähigen nitrifizierenden Bakterienpopulation zu entwickeln. Infolge der laufenden Ausspülung der Nitrifikanten stellt sich im biologischen Reaktionsraum ein Gleichgewicht zwischen Vermehrung und Ausschwemmung auf einem so niedrigen Niveau ein, dass die relativ wenigen im Abwasser flottierenden Nitrifikanten nur geringfügig zu Stickstoffoxidation beitragen können. Unter diesen Bedingungen hängt die Nitrifikationsleistung überwiegend von den am Teichboden fest sitzenden Nitrifikanten ab. Die Immobilisation von Nitrifikanten auf Festkörpern wird unter anderen auch in Biofiltern als auch Hochleistungsreaktoren zur Stickstoffelimination ausgenutzt. Für die Stickstoffelimination ist neben der Nitrifikation der weitere Schritt Denitrifikation notwendig.

Die Nitrifikation ist unter anderem abhängig von:

  1. Temperatur:
    Ist die Temperatur kleiner als 5 Grad Celsius findet keine Nitrifikation statt.
    Die Nitrifikation wird bei Temperaturen unter 12°C verlangsamt und unter 8°C eingestellt.
    Das Optimum liegt zwischen 28 - 36°C.
  2. Gelöste Sauerstoffkonsentration:
    muss grösser als = 2 mg O2/l betragen
  3. pH-Wert und Pufferkapazität:
    starke Abhängigkeit, optimaler Bereich pH-Wert = 7,5 - 8,3
  4. Organische Belastung
  5. Relevante Substratkonzentrationen:
    Ammonium, Nitrit, Nitrat
  6. Spurenstoffversorgung
  7. Eventuelles Vorhandensein von Hemmstoffe:
    (Fettlösende Substanzen, Giftstoffe)
  8. Kontaktzeit zwischen nitrifizierender Biomasse und Abwasser:
    Schlammalter 8 bis 12 Tage

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Seite erstellt:  10.04.2005

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letztes Update:  11.11.2017

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