Ein Aufwuchsträger ist ein festes Substrat oder Material, das als Besiedlungsfläche für Mikroorganismen in biologischen Wasser- und Abwasserbehandlungsprozessen dient. Aufwuchsträger werden vor allem in biofilm-basierten Reaktorsystemen eingesetzt, wie in Tropfkörpern, Festbettreaktoren, Wirbelbettreaktoren oder Membranbioreaktoren (MBR). Sie bieten Mikroorganismen die notwendige Oberfläche, um sich in Form von Biofilmen anzusiedeln und organische Verunreinigungen im Wasser abzubauen. Die Wahl und Gestaltung der Aufwuchsträger beeinflussen direkt die Effizienz der biologischen Behandlung, da sie die Oberfläche vergrößern und die Aktivität der Mikroorganismen optimieren.

Technische Hintergründe und Arten von Aufwuchsträgern

Aufwuchsträger werden aus verschiedenen Materialien gefertigt, die korrosionsbeständig, chemisch stabil und strukturell geeignet für den Langzeitbetrieb in wasserführenden Systemen sind. Zu den gängigen Materialien gehören:

  1. Kunststoffe: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und ähnliche thermoplastische Kunststoffe sind wegen ihrer Haltbarkeit und geringen Dichte weit verbreitet. Sie bieten eine hohe spezifische Oberfläche für das Wachstum von Mikroorganismen und sind zudem beständig gegen die in Abwasseranlagen häufig eingesetzten Chemikalien.

  2. Keramik: Keramische Aufwuchsträger werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine besonders hohe chemische Stabilität oder Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Ihre poröse Struktur bietet eine große Oberfläche und unterstützt die Bildung dickerer Biofilme.

  3. Naturmaterialien: In älteren oder speziellen Anlagen können auch Naturmaterialien wie Lavastein oder poröse Steine verwendet werden. Diese haben ebenfalls eine raue Oberfläche, die den Mikroorganismen Anhaftungsmöglichkeiten bietet.

Die Gestaltung der Aufwuchsträger beeinflusst maßgeblich die Effizienz der Biofilmbildung. Es gibt verschiedene Designs, die auf spezifische Anwendungen zugeschnitten sind:

  • Festbettträger: Bei Festbettreaktoren (z.B. Tropfkörper) sind die Aufwuchsträger statisch in einem Reaktorbett angeordnet. Das Abwasser fließt über oder durch das Bett, wodurch sich Mikroorganismen auf der Oberfläche ansiedeln und den biologischen Abbau durchführen.

  • Bewegliche Träger: In Wirbelbettreaktoren oder Fluidized-Bed-Reaktoren werden Aufwuchsträger im Wasserstrom durchmischt und in Bewegung gehalten. Diese Art der Aufwuchsträger bietet eine größere Oberfläche pro Volumeneinheit und ermöglicht eine kontinuierliche Sauerstoffzufuhr zu den Mikroorganismen, was den Abbauprozess beschleunigt.

  • Strukturierte Trägermaterialien: Aufwuchsträger können verschiedene geometrische Formen aufweisen, um die spezifische Oberfläche zu maximieren. Dazu gehören Ringe, Röhren und Wabenstrukturen, die die Besiedlungsfläche für Biofilme erhöhen und den Flüssigkeitsfluss verbessern.

Einsatzgebiete von Aufwuchsträgern

Aufwuchsträger werden in einer Vielzahl von biologischen Reaktoren eingesetzt, insbesondere in der biologischen Abwasserbehandlung und in der Wasseraufbereitung. Zu den gängigsten Anwendungen gehören:

  1. Tropfkörper: In Tropfkörperanlagen (auch Perkolationsanlagen genannt) fließt das Abwasser über ein mit Aufwuchsträgern gefülltes Festbett. Die auf den Trägern angesiedelten Mikroorganismen bauen die organischen Substanzen im Abwasser ab, während es durch den Tropfkörper sickert. Dieses Verfahren wird oft zur Behandlung von kommunalem Abwasser eingesetzt und eignet sich besonders für Abwässer mit mittlerer bis hoher organischer Belastung.

  2. Festbettreaktoren: Bei Festbettreaktoren sind die Aufwuchsträger in einem Reaktorbett stationär angeordnet, durch das das Abwasser geleitet wird. Diese Reaktoren werden oft in der Industrie zur Behandlung von Prozesswasser oder stark belastetem Abwasser eingesetzt. Sie bieten den Vorteil einer hohen Biomassekonzentration und einer kontrollierten Wasserführung.

  3. Wirbelbettreaktoren: In Wirbelbettreaktoren befinden sich die Aufwuchsträger in einem Fluidstrom, der sie in Bewegung hält. Diese Konfiguration bietet eine kontinuierliche Belüftung der Mikroorganismen und verhindert das Verstopfen des Reaktors. Wirbelbettreaktoren kommen häufig in der industriellen Abwasserbehandlung zum Einsatz, insbesondere bei der Stickstoffentfernung (Denitrifikation) oder der Behandlung von Abwässern mit hoher organischer Belastung.

  4. Membranbioreaktoren (MBR): In MBR-Anlagen wird die Kombination von Aufwuchsträgern und Membranfiltration verwendet, um sowohl organische Stoffe abzubauen als auch eine klare Trennung von Biomasse und gereinigtem Wasser zu gewährleisten. Hier sorgen die Aufwuchsträger für eine hohe mikrobiologische Aktivität, während die Membranen den Feststoffrückhalt garantieren.

ALMA BIO Kompakt mit einem ALMA MODUL

Foto: Kompakter Membranbioreaktor in modularer Bauweise (ALMA BIO MBR)

5. Biofiltrationssysteme

ALMA BHU BAF und ALMA BioFil Compact sind innovative Biofiltrationssysteme von ALMAWATECH, die speziell entwickelte Tonperlen als Aufwuchsträger nutzen. Diese Tonperlen zeichnen sich durch eine hohe spezifische Oberfläche aus, die sowohl aeroben als auch anoxischen Mikroorganismen Lebensraum bietet. Diese Systeme sind besonders geeignet, um organische Restbelastungen und Nährstoffe aus Wasserströmen zu entfernen und so eine hohe Reinigungsleistung zu gewährleisten.

a) ALMA BHU BAF (Biologically Activated Filtration):

  • In diesem System bieten die speziell aufbereiteten Tonperlen den Mikroorganismen eine stabile Umgebung für die Biofilmbildung. Das System fördert die gleichzeitige aerobe und anoxische biologische Aktivität, wodurch eine effektive Nährstoffentfernung (insbesondere Stickstoff und Phosphor) und der Abbau organischer Stoffe möglich wird. Der kontinuierliche Wasserdurchfluss durch die Tonperlen verhindert eine Verstopfung und unterstützt eine effiziente Durchströmung, wodurch das System auch bei hohen Wasserbelastungen zuverlässig arbeitet.
  • Erfahren Sie mehr über unsere biologisch aktivierte Filtration für Wasserströme bis 1.000 m³/h: ALMA BHU BAF
ALMA BHU BAF, Biofiltration entleert

Foto: Leeres Reaktionsbecken von unserem ALMA BHU BAF-Verfahren in dem die Aufwuchskörper (Tonperlen) zu erkenne sind

b) ALMA BioFil Compact

  • Dieses kompakte System ist speziell für kleinere Abwasserströme bis 50 m³/h konzipiert und nutzt ebenfalls die hochentwickelten Tonperlen als Aufwuchsträger. Es ist besonders geeignet als Vorbehandlungsschritt für Umkehrosmoseanlagen, da es Biofouling reduziert, indem Restbelastungen organischer Stoffe und Nährstoffe effizient entfernt werden. Dies trägt zur Verlängerung der Lebensdauer der Membranen und zur Verbesserung der Betriebsstabilität der nachfolgenden Systeme bei.
  • Erfahren Sie mehr über unsere kompakte Biofiltration: ALMA BioFil Compact

Die Tonperlen in diesen Systemen ermöglichen eine intensive mikrobiologische Besiedlung, da sie eine dreidimensionale Struktur mit zahlreichen Poren und Hohlräumen bieten. Diese Struktur unterstützt sowohl aerobe Prozesse zur Entfernung organischer Stoffe als auch anoxische Prozesse, die für die Denitrifikation wichtig sind. Dadurch wird eine umfassende biologische Reinigung erreicht, die für viele industrielle Anwendungen relevant ist, darunter die Lebensmittelindustrie, Molkereien und andere wasserintensive Branchen.

Biofiltration ALMA BioFil Compact von ALMAWATECH

Foto: 3d-Konstruktion unserer ALMA BioFil Compact-Anlage

Vorteile und Herausforderungen

Vorteile:

  • Erhöhte spezifische Oberfläche: Aufwuchsträger bieten den Mikroorganismen eine vergrößerte Besiedlungsfläche im Vergleich zu Suspensionssystemen wie dem Belebtschlammverfahren. Dadurch kann eine größere Biomasse im Reaktor angesiedelt werden, was zu einem effizienteren biologischen Abbau führt.

  • Stabilere Prozesse: Da die Mikroorganismen fest an den Aufwuchsträgern haften, sind diese Systeme stabiler gegenüber Schwankungen in der Belastung des Abwassers oder in der Hydraulik des Systems. Biofilmbasierte Systeme sind oft widerstandsfähiger gegenüber toxischen Substanzen oder plötzlichen Belastungsspitzen im Abwasser.

  • Kompakte Anlagenbauweise: Durch die Nutzung von Aufwuchsträgern kann das Volumen der Reaktoren kleiner gehalten werden, da eine höhere Biomassekonzentration pro Volumeneinheit erzielt wird. Dies ist besonders vorteilhaft in Platzbeschränkten Anwendungen, z.B. bei der Modernisierung bestehender Anlagen.

Herausforderungen:

  • Biofilmwachstum und Verstopfung: Wenn der Biofilm auf den Aufwuchsträgern zu dick wird, kann dies zu Verstopfungen und einer eingeschränkten Flüssigkeitszirkulation führen. Regelmäßige Wartung und Reinigung der Aufwuchsträger sind daher erforderlich, um die Funktionalität des Systems sicherzustellen.

  • Schlammabtrieb: In einigen Reaktoren kann es zum Abtrag von Biomasse (Schlammabtrieb) kommen, insbesondere wenn die Belastung des Systems zu hoch ist oder die hydraulischen Bedingungen nicht optimal sind. Dies kann die Reinigungsleistung beeinträchtigen und erfordert eine Anpassung der Betriebsparameter.

Praxisbeispiele und Relevanz

Aufwuchsträger finden in vielen industriellen Anwendungen Verwendung, insbesondere in der Behandlung von hoch belastetem Abwasser, wie es in der Lebensmittelindustrie, der Papier- und Zellstoffindustrie sowie der chemischen Industrie vorkommt. Ein besonderes Beispiel ist der Einsatz von Aufwuchsträgern in der Denitrifikation und Nitrifikation, wo sie zur Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Abwasserströmen beitragen.

ALMAWATECH bietet spezielle biologische Systeme, die auf der Nutzung von Aufwuchsträgern basieren, wie z.B. die ALMA BHU BioFil-Serie. Diese bioaktivierten Filtrationssysteme nutzen Aufwuchsträger, um Restbelastungen organischer Stoffe in großen Wasserströmen effizient zu reduzieren, was die Vorbehandlung für Umkehrosmoseanlagen (Produktübersicht Umkehrosmoseanlagen) und andere Recyclingprozesse unterstützt. Die Verwendung von Aufwuchsträgern trägt zur Minimierung von Biofouling und zur Verbesserung der Wasserqualität bei, was langfristig zu einem stabileren und wirtschaftlicheren Betrieb führt.

Fazit

Aufwuchsträger sind ein wesentliches Element in biofilm-basierten Reaktoren und spielen eine zentrale Rolle in der biologischen Abwasser- und Wasserbehandlung. Sie ermöglichen eine effiziente Besiedlung durch Mikroorganismen und tragen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit von biologischen Systemen bei. Dank ihrer vielseitigen Gestaltung und Materialwahl können sie an eine breite Palette von industriellen Anforderungen angepasst werden. Ihre Bedeutung nimmt besonders in Bereichen zu, in denen eine hohe Reinigungsleistung auf begrenztem Raum erforderlich ist.