Biologische Ablagerungen, auch als Biofilme oder Biofouling bezeichnet, sind Ansammlungen von Mikroorganismen wie Bakterien, Algen, Pilzen und anderen biologischen Materialien auf Oberflächen in Kontakt mit Wasser. Diese Ablagerungen treten in vielen industriellen Wasserkreisläufen, wie beispielsweise in Kühlwassersystemen, Membrananlagen (Umkehrosmose), und Rohrleitungen auf und stellen eine Herausforderung für den effizienten Betrieb und die langfristige Zuverlässigkeit von Wasseraufbereitungsanlagen dar.
Inhaltsverzeichnis
Entstehung von biologischen Ablagerungen
Die Bildung von Biofilmen beginnt mit der Anlagerung von Mikroorganismen an Oberflächen, die in kontinuierlichem Kontakt mit Wasser stehen. Dieser Prozess wird durch folgende Schritte charakterisiert:
Primäre Anheftung: Einzelne Mikroorganismen, wie Bakterien, lagern sich an die Oberfläche an. Dies wird durch physikalische Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Kräfte, elektrochemische Anziehung und den chemischen Aufbau der Oberfläche beeinflusst. Glatte, hydrophobe Oberflächen neigen weniger zu Biofilmbildung als raue, hydrophile Materialien.
Zellteilung und EPS-Produktion: Nachdem sich die Mikroorganismen an der Oberfläche angeheftet haben, beginnen sie sich zu vermehren und produzieren eine extrazelluläre polymere Substanz (EPS), die den Biofilm stabilisiert. Diese klebrige Substanz bildet eine schützende Matrix, die aus Polysacchariden, Proteinen und anderen organischen Materialien besteht. Sie hält die Mikroorganismen zusammen und bietet Schutz vor externen Einflüssen wie Chemikalien oder mechanischer Reinigung.
Biofilmbildung und -wachstum: Im Laufe der Zeit wächst der Biofilm weiter, da sich immer mehr Mikroorganismen ansiedeln und das EPS-Netzwerk verstärken. Dieser Prozess kann in industriellen Anlagen zu einer signifikanten Erhöhung des Strömungswiderstands und einer Verringerung der Wärmeübertragung führen, insbesondere in Wärmetauschern und Kühlkreisläufen. Bei Membrananlagen wie der Umkehrosmose kann Biofouling die Membranporen blockieren und den Transmembranfluss (TMP) reduzieren, was die Effizienz und Lebensdauer der Anlage beeinträchtigt.
Foto: Biologisches Wachstum an einer Wärmeübertragungsfläche eines Kühlkreislaufes
Technische Hintergründe und Auswirkungen
Biologische Ablagerungen können gravierende Auswirkungen auf den Betrieb von industriellen Wasser- und Abwasseranlagen haben:
Verminderte Systemeffizienz: In Kühlkreisläufen führen Biofilme zu einer Verringerung der Wärmeübertragungseffizienz. Der Biofilm wirkt als thermischer Isolator, was dazu führt, dass mehr Energie zur Kühlung oder Erwärmung von Prozessen aufgewendet werden muss. In Rohrleitungen erhöht Biofouling den hydraulischen Widerstand und damit den Energiebedarf für die Förderung des Wassers.
Erhöhte Korrosionsgefahr: Biologische Ablagerungen können durch Mikrobielle induzierte Korrosion (MIC) die Korrosionsrate von metallischen Oberflächen beschleunigen. Dies geschieht durch Mikroorganismen, die unter sauerstoffarmen Bedingungen sulfat- oder schwefelreduzierende Prozesse fördern, was zur Bildung von korrosiven Stoffen wie Schwefelwasserstoff (H₂S) führt.
Verschlechterung der Wasserqualität: Biofilme können als Reservoir für pathogene Mikroorganismen dienen, die durch das Wassersystem verteilt werden. Dies stellt insbesondere in der Lebensmittelindustrie und bei der Trinkwasseraufbereitung ein ernsthaftes Problem dar.
Membranfouling: In Membrananlagen, wie bei der Umkehrosmose, führt die Bildung von Biofilmen zu einer drastischen Verringerung der Durchflussrate und einer erhöhten Notwendigkeit für chemische Reinigungszyklen. Dies reduziert die Lebensdauer der Membranen und erhöht die Betriebskosten.
Maßnahmen zur Vermeidung und Bekämpfung
Um die negativen Auswirkungen von Biofouling zu minimieren, werden in der Praxis verschiedene strategische Maßnahmen ergriffen:
1. Chemische Behandlung
- Biozide: Zur Verhinderung der Bildung von biologischen Ablagerungen werden Biozide eingesetzt, die Mikroorganismen abtöten oder deren Wachstum hemmen. Beispiele für gängige Biozide sind Chlor, Natriumhypochlorit oder Peressigsäure. In Systemen, in denen Membranen verwendet werden, müssen jedoch chlorfreie Biozide eingesetzt werden, da Chlor die Membranen beschädigen kann.
- Dispergatoren: Diese Chemikalien helfen dabei, bereits gebildete Biofilme zu lösen und die EPS-Matrix zu destabilisieren, sodass der Biofilm leichter mechanisch entfernt werden kann.
Foto: Produktübersicht unserer Biozide für Kühlkreisläufe. Für mehr Informationen über unsere Betriebsmittel für Kühlwassersysteme besuchen Sie unsere Webseite unter: ALMA AQUA Kühlwasser
2. Physikalische Verfahren
- Spülungen und mechanische Reinigung: Regelmäßige Spülungen mit Hochdruckwasser oder Luft-Wasser-Gemischen können helfen, die Anlagerung von Mikroorganismen zu verringern. In Wärmetauschern und Rohrleitungen kann der Einsatz von mechanischen Reinigungssystemen, wie Bürsten oder Kugelreinigungssystemen, effektiv sein.
- Ultraschall oder UV-Licht: In einigen Anwendungen wird Ultraschall oder UV-Bestrahlung verwendet, um Mikroorganismen direkt zu zerstören oder die Anhaftung an Oberflächen zu verhindern. UV-Licht ist eine gängige Methode in Trinkwassersystemen zur Desinfektion und zur Vermeidung von Biofouling.
Foto: UV-Reaktor zur Desinfektion und Hygienisierung von Abwässern und Prozesswässern (ALMA OXI UV)
3. Systemdesign und -optimierung
- Materialauswahl: Der Einsatz von korrosionsbeständigen und glatten Materialien kann die Biofilmbildung reduzieren, da Mikroorganismen sich auf solchen Oberflächen schwerer anhaften können.
- Optimierung der Strömungsverhältnisse: Biofilme entstehen bevorzugt in Bereichen mit geringer Strömung. Durch die Optimierung der Strömungsgeschwindigkeit oder die Vermeidung von Totzonen in Rohrleitungen kann die Bildung von Ablagerungen verringert werden.
4. Biologische Vorbehandlung
Biofiltration: Eine besonders effiziente Methode zur Reduzierung von Biofouling in nachfolgenden Wasseraufbereitungssystemen ist der Einsatz von biologischen Filtrationssystemen. ALMAWATECH bietet hierfür die Lösung ALMA BioFil Compact an. Dieses System eignet sich speziell für Abwasserströme bis 50 m³/h und kann vor Membrananlagen wie der Umkehrosmose eingesetzt werden, um geringe Restbelastungen organischer Stoffe zu entfernen. Dies reduziert das Biofouling-Potenzial erheblich und sorgt für einen effizienteren und wirtschaftlicheren Betrieb der Umkehrosmose.
ALMA BioFil Compact ist besonders nützlich in der Behandlung Abwässern, wie z.B. Brüdenkondensaten aus der Lebensmittelindustrie (insbesondere Molkereien). Durch die Reduzierung organischer Stoffe vor dem Eintritt in Membrananlagen wird die Lebensdauer der Membranen verlängert und der Reinigungsaufwand deutlich gesenkt. Dies ist ein nachhaltiger Ansatz, um Biofouling langfristig zu verhindern und die Betriebskosten zu minimieren.
Foto: 3D-Konstruktion unserer Biofiltration ALMA BioFil Compact zur Entfernung von organischen Schadstoffen
Relevanz in der Praxis
In der industriellen Praxis sind biologische Ablagerungen eine häufige Ursache für Betriebsstörungen und Effizienzverluste. In Kühlwassersystemen können Biofilme die Effizienz der Wärmeübertragung um bis zu 20 % senken, während in Umkehrosmoseanlagen die Betriebskosten durch erhöhte Reinigungszyklen und vorzeitigen Membranverschleiß drastisch steigen können. Daher ist die kontinuierliche Überwachung und Behandlung von Biofouling ein wesentlicher Bestandteil des Anlagenmanagements in der Wasseraufbereitung.
Fazit
Biologische Ablagerungen stellen eine komplexe Herausforderung in der industriellen Wasseraufbereitung dar. Die Bildung von Biofilmen kann zu erheblichen Effizienzverlusten, erhöhtem Wartungsaufwand und einer Verschlechterung der Wasserqualität führen. Durch den Einsatz gezielter Maßnahmen, wie der chemischen Behandlung mit Bioziden, physikalischen Reinigungstechniken (wie der UV-Behandlung ALMA OXI UV), Biofiltrationssystemen und einer durchdachten Systemgestaltung, können die negativen Auswirkungen von Biofouling kontrolliert und minimiert werden. Ein tiefes Verständnis der biologischen Prozesse und ihrer Auswirkungen auf die Anlagentechnik ist unerlässlich, um eine effiziente und kostengünstige Wasseraufbereitung sicherzustellen.
