mini|350px|Belebungsbecken Klärwerk Ruhleben Das Belebtschlammverfahren (auch kurz Belebungsverfahren; ) ist ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in Kläranlagen. Dabei wird das zumeist kommunale Abwasser durch die Stoffwechsel-Aktivität von aeroben chemoorganoheterotrophen Mikroorganismen, dem sogenannten Belebtschlamm, weitestgehend von organischen Verunreinigungen befreit, also gereinigt. Das Verfahren setzt nach der mechanischen Vorreinigung des Abwassers an. Für kommunale Abwässer gehört dieses Verfahren zu den klassischen intensiven Aufbereitungsverfahren. Vorteilhaft ist die allgemeine Verwendbarkeit und die gute Reinigungswirkung für Abwässer zur Verminderung der Gehalte an Schwebstoffen, dem Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), dem Biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB5) und den Stickstoffverbindungen (N). Hauptnachteile sind die hohen Investitionskosten, der hohe Energiebedarf und die Empfindlichkeit gegen hydraulische Überlastung.Handbuch der Europäischen Kommission, in: Extensive Abwasserbehandlungsverfahren Leitfaden, Internetfassung, S. 4.
Verfahrensgrundlagen mini|350px|Belebtschlammverfahren im Durchlaufbetrieb Anlagen nach dem Belebtschlammverfahren können sowohl kontinuierlich d. h. im Durchlaufbetrieb als auch diskontinuierlich (Batch-Betrieb; engl.: batch process) betrieben werden. Gemeinsam ist bei allen Varianten, dass im Wasser suspendierte Bakterienmasse ("Belebtschlamm") die biologische Reinigung des Abwassers übernimmt. Bei der klassischen Konfiguration mit kontinuierlichem Betrieb besteht das Belebungsverfahren aus drei Hauptkomponenten: Dem Belebungsbecken, dem Nachklärbecken sowie der Rücklaufschlammförderung.Handbuch der Europäischen Kommission, in: Extensive Abwasserbehandlungsverfahren Leitfaden, Abbildung No. 4, Internetfassung, S. 5. Zulauf und Rücklaufschlamm aus dem Nachklärbecken gelangen zunächst in das Belebungsbecken, in dem das Gemisch aus Abwasser und Belebtschlamm belüftet wird. Hier finden die biologischen Vorgänge statt. Von hier fließt das Schlamm-Wasser-Gemisch in das Nachklärbecken oder Absetzbecken zur Schlammabtrennung. Der Belebtschlamm wird im Nachklärbecken vom gereinigten Abwasser durch Sedimentation getrennt, durch sein Eigengewicht eingedickt, am Beckenboden abgezogen und (zum größten Teil) als sogenannter Rücklaufschlamm in das Belebungsbecken zurückgefördert. Dadurch wird eine hohe Belebtschlammkonzentration im Belebungsbecken und somit eine hohe Leistungsfähigkeit des Verfahrens erreicht. Das gereinigte und vom Belebtschlamm weitgehend befreite Abwasser verlässt das Nachklärbecken dabei oben über ein Überlaufwehr.
Die im Rohabwasser enthaltenen Stoffe dienen den Bakterien im Belebtschlamm als Nahrung, so dass ständig neue Bakterien nachwachsen. Deshalb wird ein kleinerer Teil des Schlammes aus dem Nachklärbecken als "Überschussschlamm" abgezogen, um die Schlammkonzentration im Belebungsbecken weitgehend konstant zu halten. Dieser wird als Klärschlamm entsorgt.
Zur Verfahrensführung auf Kläranlagen können auch mehrere biologische Stufen hintereinander geschaltet werden (Belebungsbecken I, Zwischenklärbecken, Belebungsbecken II, Nachklärbecken). Der im Zwischenklärbecken abgesetzte Schlamm wird als Rücklaufschlamm in das erste Belebungsbecken gefördert, jener des Nachklärbeckens in das zweite Belebungsbecken. Somit entstehen unterschiedliche Biozönosen in den beiden Stufen. Die höher belastete erste Stufe kann sich auf leicht abbaubare Substanzen bzw. Adsorption ohne Abbau spezialisieren, jene der zweiten Stufe auf schwer abbaubare Stoffe und die Nitrifikation (Ammoniumoxidation zu Nitrat).
550px|zentriert|Belebtschlammverfahren im Batchbetrieb
Beim diskontinuierlichen oder Batch-Betrieb laufen die einzelnen Phasen des Belebungsverfahrens (Befüllung, Belüftung, Abtrennung, Entleerung) in nur einem Becken zeitlich nacheinander ab (siehe Abbildung).
Die Belüftung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches kann durch Oberflächenbelüfter, durch Einblasen von Druckluft oder durch Begasung mit Reinsauerstoff erfolgen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Belüftung sowohl hinsichtlich der eingetragenen Menge als auch in Bezug auf die gleichmäßige Verteilung (vollständige Durchmischung) des Sauerstoffs ausreichend ausgelegt ist, um den für die biologischen Abbauprozesse notwendigen Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen im gesamten Volumen des Belebungsreaktors zu decken. Neben der biologischen Oxidation von Kohlenwasserstoffverbindungen wird der Sauerstoff bei der Oxidation von Stickstoff- und Phosphorverbindungen verbraucht.
350px|Belüftung beim Belebungsverfahren
Im Becken sollten dabei grundsätzlich Sauerstoffgehalte von ca. 2 mg/l vorliegen sofern nicht eine besondere Strategie zur Denitrifikation (Umwandlung von NO3− zu N2) notwendig ist. Die Belüftungssteuerung kann durch Sauerstoffsonden oder komplexe Regelmechanismen unter Berücksichtigung der Nitrifikation/Denitrifikation (Zeit-Pausensteuerung, Redox-Potential, ON-LINE Messung NH4, NO3) erfolgen.
Die Regelung der Leistung der Belüftung erfolgt bei Druckluftbelüftung durch Ein- und Ausschalten bzw. Drehzahlregelung der Gebläse/Kompressoren. Bei Oberflächenbelüftern werden zur Änderung des O2 Eintrags ebenfalls die Belüfter ein- oder ausgeschaltet oder die Drehzahl verändert. Es kann auch die Eintauchtiefe der Rotoren/Kreisel durch Veränderung des Wasserspiegels in den Becken zur Regelung des Sauerstoffeintrags verändert werden, was heute aber nur noch selten praktiziert wird.
zentriert|450px|Belebungsbeckenformen
Als Beckenformen für Belebungsbecken kommen Umlaufbecken, quadratische oder längliche Formen oder vertikale Airlift-Reaktoren in Frage. Je nach betrieblichem Erfordernis (z. B. Auftrennung von belüfteten und unbelüfteten Becken zur Denitrifikation) können mehrere Becken vorgesehen werden.
Die Bemessung der Anlagen erfolgt nach dem Schlammalter, das ist die mittlere Aufenthaltsdauer des Bakterienschlammes im System. Damit kann sichergestellt werden, dass ausreichend Zeit besteht, um auch langsam wachsende Bakterien, wie die Nitrifikanten, zu halten. Das Schlammalter ist grundsätzlich nicht die hydraulische Aufenthaltsdauer, da die Schlammwirtschaft durch den Rückhalt des Schlammes im Nachklärbecken in Grenzen von der Hydraulik entkoppelt ist. Das Schlammalter ist somit von der Schlammmenge im System und dem täglichen Überschussschlammanfall wegen des Biomassewachstums abhängig. Die klassischen Bemessungsparameter Raumbelastung und Schlammbelastung (BSB5 je kg TS,Tag) können aus dem Schlammalter abgeleitet werden.
Zumeist können aus Gründen der Abtrennungsleistung im Nachklärbecken Schlammkonzentrationen von 3 bis 5 g Trockensubstanz je Liter im Belebungsbecken gehalten werden. Für die heute übliche Reinigung mit Nitrifikation und Denitrifikation sind bei den in Mitteleuropa üblichen niedrigen Temperaturen Schlammalter von 15 bis 25 Tagen erforderlich.
Die Oberfläche des Nachklärbeckens wird je nach den zu erwartenden Schlammabsetzeigenschaften bemessen.
Mathematische Beschreibung der Vorgänge in Belebtschlammanlagen Die ersten biologischen Kläranlagen wurden über Erfahrungswerte aus der Praxis ausgelegt. Bei Betrieb dieser Anlagen wurden durch laufende Erfassung der tatsächlichen Betriebswerte die Zielgrößen überprüft. Durch Auswertung konnte die Prozessführung in den Anlagen optimiert werden und man erhielt teilweise auch mathematisch verknüpfte neue Kennzahlen statt der ursprünglichen nur empirischen Daten.G. Seibert-Erling, in: Zur Anwendung abwassertechnischer Kennzahlen im praktischen Kläranlagenbetrieb, Abschnitt 2. Waren diese älteren Kennzahlen in den ATV 131-Vorgaben für die Auslegung von biologischen Abwasseraufbereitungsanlagen fast nur auf empirisch ermittelte Praxiswerte bezogen, so wurden diese über die Feinanalysen der Praxiswerte immer weiter verbessert. Es wurden mathematische Zusammenhänge erkannt, die eine zunehmende bessere Wirtschaftlichkeit für Auslegung und Betrieb der Anlagen ermöglichen.G. Seibert-Erling, in: Zur Anwendung abwassertechnischer Kennzahlen im praktischen Kläranlagenbetrieb, Abschnitt 3. Die ursprüngliche „ATV 131“ entwickelte sich zur aktuellen „DWA-A 131“, die um zusätzliche Arbeitsblätter und weitere Vorgaben wie „ATV-M 210“ und „DWA- M 210“ ergänzt wird.
Die Prozesse in Kläranlagen können mathematisch durch ihre Reaktionskinetik (siehe auch Michaelis-Menten-Theorie insbesondere für die biochemischen Vorgänge) und Hydraulik beschrieben werden. Dies ist insbesondere für die Vorgänge im Belebungsbecken möglich. Die komplizierten Vorgänge im Nachklärbecken (Flockenbildung, Eindickung, Absetzen, Strömungen etc.) sind wesentlich schwieriger mathematisch zu fassen.
Obwohl bereits instationäre Modelle des Belebtschlammverfahrens entwickelt wurden, wird bei der Bemessung zumeist auf stationäre Annahmen insbesondere zur Auslegung nach dem Schlammalter, das heißt der mittleren Aufenthaltszeit des Belebtschlamms, zurückgegriffen. Damit soll sichergestellt sein, dass alle für den Prozess notwendigen Bakterienarten im System überleben (und wachsen) können.
Diese Bemessungsverfahren greifen entweder auf den BSB5 und die bei seinem Abbau auftretende Überschussschlammproduktion bzw. den entstehenden Sauerstoffverbrauch oder auf den CSB zurück. Der CSB lässt sich in der Kläranlage exakt bilanzieren. Sowohl die Abwasserbelastung, die Schlammproduktion, der Schlammgehalt als auch der Sauerstoffverbrauch lassen sich in den Einheiten des CSB ausdrücken.
Nitrifikation und Entfernung von Stickstoff (Denitrifikation) Ammonium kann toxisch auf aquatische Lebewesen wirken (insbesondere bei der Umwandlung von Ammonium zu Ammoniak). Zudem findet auch in Gewässern Nitrifikation statt, die zur Sauerstoffzehrung führt.
Des Weiteren sind Nitrat und Ammonium eutrophierende (düngende) Nährstoffe, die die Gewässer beeinträchtigen können.
Aus diesen Gründen ist Nitrifikation sowie in vielen Fällen eine Stickstoffentfernung erforderlich.
Da nicht der gesamte im üblichen Rohabwasser enthaltene Stickstoff in den Überschussschlamm durch Assimilation eingebunden wird, sind zur Stickstoffentfernung zwei spezielle Prozessschritte notwendig:
a) Nitrifikation: Oxidation des Ammonium-Stickstoffs und des organisch gebundenen Stickstoffs zu Nitrat. Dies setzt entsprechende (langsamwachsende) Bakterien (die Nitrifikanten) und ausreichend gelösten Sauerstoff voraus. Die Nitrifikation ist sehr sensibel im Hinblick auf Hemmstoffe und kann bei schlecht gepufferten Wässern zu einer pH-Wert-Verschiebung führen.Andreas Mohren, Min Nauendorf, in: Nitrifikation-Ammoniakoxidation, Praktikum Water Science (BSc.), WS 11/12.
Die Nitrifikation erfolgt in folgenden Schritten:
1) Bildung von Nitrit:
2) Bildung von Nitrat:
das ergibt in Summe:
Dabei fällt ein Sauerstoffverbrauch von 4,33 g O2 pro g N an. Es wächst Nitrifikantenbiomasse im Ausmaß von 0,24 g CSB pro g N zu (Zellertrag, engl. Yield). Ein Gramm CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) entspricht 1,42 g organischer Trockensubstanz.
Die Nitrifikation ist mit einer Produktion von Säure verbunden (H+). Somit wird die Pufferkapazität des Wassers belastet bzw. es kann gegebenenfalls eine pH-Wert-Verschiebung eintreten, die den Prozess beeinträchtigt.
b) Denitrifikation: Reduktion von Nitrat-Stickstoff zu molekularem Stickstoff, der aus dem Abwasser in die Atmosphäre entweicht. Dieser Schritt kann durch die in Kläranlagen üblich lebenden Mikroorganismen erfolgen. Diese nutzen jedoch das Nitrat nur dann als Elektronenakzeptor (als Oxidans), wenn kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist (anoxische Verhältnisse).
Die Denitrifikation erfolgt technisch betrachtet in einem Schritt: