Schaum in Anlagen zur biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung – Populationsanalyse und chemische Charakterisierung der Mikroorganismen

Hintergrund

Stabile Schäume treten besonders auf heute üblichen nährstoffeliminierenden Belebungsanlagen im Niedriglastbereich auf. Dieser flotierte Belebtschlamm entgeht zum einen der Rückführung aus dem Nachklärbecken und führt zum anderen zu Schlammabtrieb in das anliegende Gewässer. Hier lagen nur unzureichende Kenntnisse der biologischen Hintergründe der Bildung der Schaumdecken vor.

Schaumbildung auf dem Belebungsbecken Bild vergrößern Schaumbildung auf dem Belebungsbecken
Die Bildung und Stabilisierung der Schäume wird häufig durch die Zudosierung von aluminiumhaltigen Fällmitteln eingeschränkt. Hier war zu klären, was bei dieser empirisch als erfolgreich beobachteten Maßnahme, im Belebtschlamm geschieht.

Mikrobiologische Untersuchungen

Die Zielsetzung der Untersuchungen zur biologischen und chemischen Charakterisierung von Bioschäumen war es, Schaumbakterien mit Hilfe der molekularbiologischen FISH-Technik zu quantifizieren und diese Ergebnisse mit den hydrophoben Eigenschaften und den extrahierten Komponenten der Kittsubstanz (extrazelluläre polymere Substanzen, EPS) von Belebtschlamm- und Schaumfraktion zu korrelieren. Das Ziel von Enzymaktivitätsmessungen bestand darin, in Abwasserreinigungsanlagen mit Schaumproblemen die Aktivitäten in Belebtschlamm und Schaum zu bestimmen. Dies erfolgte sowohl mittels klassischer in vitro Methoden als auch anhand von in situ Messungen mit Hilfe der ELF-Technik (Enzyme Labeled Fluorescence), bei der die Enzymaktivität direkt am Ort der Aktivität beobachtet werden kann. Ziel der biologischen Charakterisierung und Bekämpfung weniger bekannter Schaumbakterien war es, dem Praktiker trotz erheblicher Wissenslücken über die Biologie dieser Organismen pragmatische Bekämpfungsstrategien an die Hand zu geben.

Aktueller Kenntnisstand

  • Screening-Experimente verschiedener Abwasserreinigungsanlagen (ARA) zeigten, dass in den meisten untersuchten Anlagen Microthrix parvicella sowohl im Schlamm als auch im Schaum in großer Anzahl gefunden wurde. Weiter konnten nocardioforme Actinomyceten und Typ 1863, welcher als Acinetobacter spp. identifiziert wurde, als wichtige Schaumbakterien charakterisiert werden. Diese beiden Bakteriengruppen wuchsen in geringer Anzahl im Belebtschlamm und waren deutlich angereichert in der Schaumschicht.
  • Basierend auf diesen Screening-Ergebnissen wurden für weitere detaillierte Untersuchungen eine von nocardioformen Actinomyceten / Acinetobacter spp.-dominierte Kläranlage (ARA) 1 und eine M. parvicella-dominierte Anlage, ARA2, ausgewählt. In der von Actinomyceten / Acinetobacter spp.-dominierten ARA1 stabilisierten sowohl lipophile Stoffe in der EPS als auch hydrophobe Zelloberflächen die Schaumschicht. In der M. parvicella-dominierten ARA2 waren die hydrophoben Zelloberflächen dieses Organismus für die hydrophoben Schlammeigenschaften und die Schlammflotation verantwortlich. In beiden Anlagen verbesserten die nachgewiesenen lipophilen Stoffe in der EPS die Wachstumsrate und die Entwicklung von hydrophoben Zelloberflächen.
  • Die in vitro Enzymaktivitäten wurden in einer zweistufigen kommunalen Anlage und in drei einstufigen Anlagen untersucht. In den meisten Fällen lag die Protease-Aktivität im Belebtschlamm höher als im Schaum. Die Diffusion des Substrats ist im Schaum vermutlich aufgrund der wesentlich höheren Biomasse behindert. In der hoch belasteten ersten Stufe der von nocardioformen Actinomyceten beherrschten zweistufigen kommunalen ARA1 wurden im Belebtschlamm geringfügig höhere Lipase-Aktivitäten gemessen als im Schaum. Im Gegensatz dazu waren die Aktivitäten im Schaum der niedrig belasteten zweiten Stufe doppelt so hoch wie im Belebtschlamm. Hohe Lipase-Aktivitäten wurden im Belebtschlamm der einstufigen Anlage ARA2 gemessen, in der Microthrix parvicella dominierte.
  • Mit Hilfe der ELF-Technik konnte die Lipase-Aktivität Microthrix parvicella-Filamenten zugeordnet werden. Dabei wurden hohe Aktivitäten im Belebtschlamm, aber deutlich niedrigere Aktivitäten im Schaum beobachtet. In einer weiteren Anlage, ARA3 (Wechsel von Actinomyceten- und Microthrix parvicella-Dominanz im Schaum), wurden mit den klassischen Methoden bei Microthrix-Dominanz deutlich höhere Lipase-Aktivitäten gemessen. Auch im in situ-Test zeigte sich eine niedrigere Aktivität bei den nocardioformen Actinomyceten. Dies legt die Vermutung nahe, dass dort Actinomyceten beim Abbau von langkettigen Fettsäuren (Oleat, Palmitat) eine wesentlich niedrigere Aktivität aufweisen als Microthrix parvicella.
  • Die Dosierung von AlCl3 führte in einer halbtechnischen Versuchsanlage zu einem starken Rückgang der Lipase-Aktivität, die nach Beendigung der Dosierung wieder kontinuierlich anstieg. Auch hier konnten die Ergebnisse in situ bestätigt werden, da Microthrix parvicella-Filamente nach Al-Dosierung deutlich weniger und schwächer fluoreszierende Granula enthielten.
  • Schaumbiozönosen in nährstoffeliminierenden Belebungsanlagen weisen neben nocardioformen Actinomyceten und Microthrix parvicella oft auch andere auffällige Organismen auf wie Eikelboom Typ 0041/0675, 0581, 0092 und 1851 sowie Nostocoida limicola-artige Organismen. Viele dieser morphologisch unterschiedlichen Schaumbakterien sind sogenannte Morphotypen, die zu verschiedenen Bakteriengruppen oder -gattungen gehören, wie durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) bewiesen wurde. Damit kann derzeit mit diesen Organismen nicht der klassische Ansatz verfolgt werden, über ihre taxonomische Einordnung und anschließende Definition ihrer physiologischen Eigenschaften Strategien zu entwickeln, um die Lebensbedingungen der Organismen zu verschlechtern und damit ihre Massenentwicklung einzudämmen. Zum jetzigen Zeitpunkt können daher dem Praktiker für diese Organismengruppe noch keine biologisch begründbaren spezifischen Bekämpfungsmaßnahmen an die Hand gegeben werden.

Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines Projektes durchgeführt. Wir danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung für die finanzielle Unterstützung des Projekts 02WA0121 sowie dem Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit für die Förderung der Projekte „Matrix“ und „Enzym“.
Die Fragestellungen wurden von drei Projektnehmern bearbeitet:

  • die Beurteilung gezielter Al-Fällung durch das Institut für Wassergüte und Abfallwirtschaft der TU München,
  • die Aufdeckung biologischer Einflussgrößen durch das damalige Bayer. Landesamt für Wasserwirtschaft (jetzt Umwelt) sowie
  • ingenieurs-technische Bekämpfungsansätze mit Hilfe anderer Zusatzstoffe durch das Prague Insitute für Chemical Technology

Veröffentlichungen zum Thema:

  • Lemmer, H., Lind, G., Müller, E., Schade, M. (2005). Non-famous scum bacteria: biological characterization and troubleshooting. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 33 (3), 197-202
  • Müller, E., Lind, G. Lemmer, H., Wilderer, P.A. (2005). Population structure and chemical analyses of activated sludge and scum. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 33 (3), 189-196
  • Schade, M., Lemmer, H. (2005) Lipase activities in activated sludge and scum – comparison of new and conventional techniques. Acta Hydrochim. Hydrobiol., 33 (3), 210-215
  • Paris, S., Lind, G., Lemmer, H., Wilderer, P.A. (2005). Dosing aluminum chloride to control Microthrix parvicella. Acta Hydrochim. Hydrobiol., 33 (3), 247-254
  • Paris, S., Lind, G., Lemmer, H., Wilderer, P.A.(2004). Bekämpfung von Schwimmschlamm, verursacht durch Microthrix parvicella. Abschlussbericht BMBF-Vorhaben 02WA0121 "Schaum in Anlagen zur biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung", WGA, TU München
  • Müller, E., Lind, G., Lemmer, H., Wilderer, P.A. (2004). Biologische und chemische Charakterisierung von Bioschäumen. Abschlussbericht BMBF-Vorhaben 02WA0121 "Schaum in Anlagen zur biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung", LfW-Teil 1, München
  • Schade, M., Lemmer, H. (2004). Enzymaktivitätsmessungen. Abschlussbericht BMBF-Vorhaben 02WA0121 "Schaum in Anlagen zur biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung", LfW-Teil 2, München
  • Lemmer, H., Lind, G., Müller, E., Schade, M. (2004). Biologische Charakterisierung und Bekämpfung weniger bekannter Schaumbakterien. Abschlussbericht BMBF-Vorhaben 02WA0121 "Schaum in Anlagen zur biologischen Abwasser- und Schlammbehandlung", LfW-Teil 3, München