Eine Biofiltrationsanlage ist eine technische Einrichtung zur biologischen Reinigung von Wasser und Abwasser, bei der Mikroorganismen auf speziellen Aufwuchsträgern (Filtermaterialien) genutzt werden, um organische Verbindungen und andere Verunreinigungen abzubauen. Biofiltrationsanlagen setzen auf biochemische Prozesse, bei denen die Mikroorganismen die Schadstoffe als Nahrungsquelle verwenden und in harmlose Endprodukte wie Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und Wasser umwandeln. Diese Anlagen spielen eine entscheidende Rolle in der industriellen Wasserbehandlung und Abwasseraufbereitung, insbesondere wenn es darum geht, organische Restbelastungen, Stickstoffverbindungen und andere lösliche Schadstoffe aus dem Wasser zu entfernen.

Technische Hintergründe und Funktionsweise

Die Funktionsweise einer Biofiltrationsanlage basiert auf der Besiedlung von Filtermaterialien mit Mikroorganismen, die in einem Biofilm angesiedelt sind. Das zu behandelnde Wasser wird durch das Filtermedium geleitet, auf dem sich die Mikroorganismen befinden. Diese nutzen die organischen Substanzen im Wasser als Substrat, bauen sie ab und reinigen so das Wasser. Der Biofilm sorgt für die Adsorption und den Abbau der Schadstoffe. Dieser Prozess kann sowohl unter aeroben (mit Sauerstoff) als auch unter anoxischen (ohne Sauerstoff) Bedingungen ablaufen, abhängig von den Zielverbindungen, die entfernt werden sollen.

Zu den typischen biologischen Prozessen in Biofiltrationsanlagen gehören:

1. Kohlenstoffelimination: Organische Stoffe wie Kohlenwasserstoffe und Zucker werden von Mikroorganismen abgebaut und in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.

2. Nitrifikation und Denitrifikation: Diese Prozesse dienen der Entfernung von Stickstoffverbindungen aus dem Abwasser. Bei der Nitrifikation wird Ammonium (NH₄⁺) in Nitrat (NO₃⁻) umgewandelt, während bei der Denitrifikation das Nitrat zu molekularem Stickstoff (N₂) reduziert wird, der als Gas entweicht.

Die Biofiltration wird in der Regel als Vorbehandlung für andere Technologien wie die Umkehrosmose oder als Endstufe in der Wasseraufbereitung eingesetzt, um die Restbelastungen vor der Einleitung in die Umwelt oder der Wiederverwendung zu minimieren.

Aufbau einer Biofiltrationsanlage

Eine typische Biofiltrationsanlage besteht aus mehreren Komponenten, die zusammenarbeiten, um eine effiziente Reinigung des Wassers zu gewährleisten:

1. Reaktorbehälter: Der Reaktor ist das Herzstück der Anlage und enthält das Filtermaterial, das als Träger für den Biofilm dient. Diese Trägermaterialien können aus synthetischen Medien wie Kunststoffgranulaten, Sand, Kieselgur oder speziell aufbereiteten Tonperlen bestehen, die eine hohe spezifische Oberfläche bieten.

2. Belüftungssystem (bei aeroben Biofiltrationsanlagen): In Anlagen, die unter aeroben Bedingungen arbeiten, ist ein Belüftungssystem erforderlich, um den Mikroorganismen den benötigten Sauerstoff zuzuführen. Dies wird häufig durch Blasensysteme oder Ventilatoren realisiert.

3. Wasserverteilung: Eine gleichmäßige Verteilung des Wassers über das Filtermedium ist entscheidend für die Leistung der Anlage. Diese Verteilung erfolgt oft über Düsensysteme die das Abwasser kontinuierlich über das Filterbett verteilen.

4. Steuer- und Regelungssystem: Die Betriebsparameter wie Durchflussmenge, Belüftung und pH-Wert werden durch ein automatisiertes Steuerungssystem überwacht und reguliert, um optimale Bedingungen für die Mikroorganismen sicherzustellen.

Anwendungen von Biofiltrationsanlagen in der Industrie

Biofiltrationsanlagen werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, um organische und anorganische Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen. Typische Anwendungsbereiche sind:

1. Lebensmittelindustrie: Biofiltrationsanlagen werden verwendet, um organische Belastungen in Abwässern aus der Lebensmittelverarbeitung zu reduzieren, insbesondere in Brüdenkondensaten, die aus Molkereien oder anderen Produktionsprozessen stammen. Diese Abwässer enthalten hohe Mengen an gelösten organischen Stoffen, die effizient durch Biofiltration abgebaut werden können.

2. Wasserrecycling (Water ReUse): In der Prozesswasserherstellung werden Biofiltrationsanlagen eingesetzt, um Abwasserströme so aufzubereiten, dass sie wieder als Prozesswasser oder Kühlwasser in den Kreislauf zurückgeführt werden können. Hier dient die Biofiltration oft als Vorbehandlung zu Umkehrosmoseanlagen, um die organischen Restbelastungen zu minimieren und so die Membranen vor Biofouling zu schützen.

3. Kommunale Kläranlagen: In kommunalen Kläranlagen wird die Biofiltration zur weitergehenden Stickstoffentfernung eingesetzt. Durch gezielte Steuerung von aeroben und anoxischen Zonen können sowohl die Nitrifikation als auch die Denitrifikation in einer einzigen Anlage durchgeführt werden.

4. Chemische Industrie: Hier werden Biofiltrationsanlagen eingesetzt, um organische Lösungsmittel und andere schwer abbaubare organische Verbindungen aus dem Abwasser zu entfernen. Die Biofiltration kann dazu beitragen, die Restbelastung nach der chemisch-physikalischen Nachbehandlung zu reduzieren.