Nitrat ist eine chemische Verbindung und ein Endprodukt im biologischen Stickstoffkreislauf, das durch den Oxidationsprozess von Ammonium und Nitrit im Abwasser entsteht. In der industriellen Abwasserbehandlung spielt Nitrat eine zentrale Rolle, insbesondere in der Stickstoffentfernung, um die gesetzlichen Vorgaben zur Abwassereinleitung in Gewässer zu erfüllen. Obwohl Nitrat im Vergleich zu Ammonium und Nitrit weniger toxisch ist, stellt es in hohen Konzentrationen eine Umweltbelastung dar, insbesondere durch die Förderung von Eutrophierung (Nährstoffüberladung) in Gewässern, was das Algenwachstum und den Sauerstoffabbau verstärken kann.
Inhaltsverzeichnis
Technischer Hintergrund und Entstehung
Nitrat entsteht in der Nitrifikation, einem biologischen Prozess, bei dem stickstoffhaltige Verbindungen durch Mikroorganismen umgewandelt werden:
- Ammoniumoxidation (erste Stufe der Nitrifikation):
- In der ersten Phase der Nitrifikation wird Ammonium (NH₄⁺) durch Ammonium-oxidierende Bakterien (AOB) zu Nitrit (NO₂⁻) oxidiert.
- Nitritoxidation (zweite Stufe der Nitrifikation):
- In der zweiten Stufe wird Nitrit durch Nitrit-oxidierende Bakterien (NOB) zu Nitrat (NO₃⁻) oxidiert.
- Reaktionsgleichung:
Nitrat wird als relativ stabil angesehen und reichert sich in natürlichen und künstlichen Gewässern an, wenn es nicht entfernt wird. Im Trinkwasser und in landwirtschaftlich genutzten Gebieten kann es sich aufgrund von Düngereinträgen und unzureichender Behandlung von Abwasser stark ansammeln.
Bedeutung von Nitrat in der Wasseraufbereitung
In der Abwasseraufbereitung wird die Entfernung von Nitrat zunehmend wichtiger, da hohe Nitratwerte zu einer Verschmutzung der Wasserressourcen führen können. Nitrat selbst ist in hohen Konzentrationen gesundheitsschädlich, besonders in Trinkwasserversorgungen, da es zu Methämoglobinämie (auch als “Blue-Baby-Syndrom” bekannt) bei Säuglingen führen kann. In der Europäischen Union liegt der Grenzwert für Nitrat im Trinkwasser bei 50 mg/l, was die Notwendigkeit einer effizienten Nitratentfernung aus Abwässern unterstreicht.
Nitratentfernung in der Abwasserbehandlung
Die Entfernung von Nitrat aus Abwasser erfolgt üblicherweise durch Denitrifikation, ein biologischer Prozess, bei dem Nitrat unter anoxischen Bedingungen durch denitrifizierende Bakterien zu Stickstoffgas (N₂) reduziert wird. Dieser Prozess ist besonders effizient in anoxischen Reaktoren oder Kläranlagen, in denen Kohlenstoffquellen zugegeben werden, um den Bakterien das nötige Substrat zur Reduktion von Nitrat zu liefern.
Foto: Denitrifikations- und Nitrifikationsbecken für industrielles Abwasser aus der Lebensmittelindustrie in Chile, ALMA BHU BIO Anlage
Prozess der Denitrifikation
Denitrifikation ist ein mehrstufiger biologischer Prozess, bei dem Nitrat durch verschiedene Zwischenprodukte (NO₂⁻, NO, N₂O) zu Stickstoffgas (N₂) reduziert wird. Die Denitrifikation läuft nach folgender Reaktionskette ab:
Dieser Prozess erfordert anoxische Bedingungen, also einen Sauerstoffmangel, sowie eine organische Kohlenstoffquelle (z.B. Methanol, Ethanol oder Acetat), um die denitrifizierenden Mikroorganismen zu ernähren.
Herausforderungen und Betriebsbedingungen für die Nitratentfernung
Sauerstoffmangel: Die Denitrifikation kann nur in einer Umgebung stattfinden, in der kein freier Sauerstoff vorhanden ist. Ein Mangel an Sauerstoff stellt sicher, dass die Mikroorganismen Nitrat als Elektronenakzeptor nutzen.
Kohlenstoffquelle: Da der Denitrifikationsprozess eine organische Kohlenstoffquelle benötigt, ist die Zugabe von Substraten oft erforderlich, wenn das Abwasser nicht genügend organischen Kohlenstoff enthält.
Temperatur: Die Denitrifikation ist stark temperaturabhängig. Die optimale Temperatur liegt zwischen 15 °C und 30 °C, wobei kältere Bedingungen den Prozess erheblich verlangsamen können.
Umweltrelevanz von Nitrat
- Eutrophierung: Nitrat trägt erheblich zur Überdüngung von Gewässern bei, was das Wachstum von Algen und anderen Wasserpflanzen fördert. Dies führt zu Sauerstoffmangel in den betroffenen Gewässern und gefährdet das aquatische Leben.
- Trinkwasserverschmutzung: In landwirtschaftlich geprägten Regionen kann Nitrat aus Düngemitteln in das Grundwasser gelangen, was die Trinkwasserversorgung gefährdet. Hier sind effektive Abwasserbehandlungsverfahren erforderlich, um das Nitrat vor der Einleitung zu entfernen.
ALMAWATECH-Lösungen zur Nitratentfernung
ALMAWATECH bietet maßgeschneiderte Lösungen für die effiziente Entfernung von Nitrat aus industriellen Abwässern. Hierzu zählen:
ALMA BHU Bio
Unsere biologisch aktivierte Belebtschlamm-Anlage kombiniert Nitrifikation und Denitrifikation in einem modularen System, das für große Abwasserströme ausgelegt ist. Diese Anlage kann bis zu 500 m³/h Abwasser mit hoher Stickstoffbelastung verarbeiten. Die Nitrifikation erfolgt in der belüfteten Stufe, die durch automatische Steuerungssysteme geregelt wird, um die Sauerstoffzufuhr und andere Parameter zu optimieren.
ALMA BioFil Compact
Diese kompakte Biofiltrationsanlage für kleinere Abwasserströme (bis 100 m³/h) kombiniert Nitrifikation und Denitrifikation in einem effizienten System. Sie eignet sich hervorragend als Vorbehandlung für nachgeschaltete Membrananlagen und reduziert Stickstoffverbindungen, die zu Fouling in Umkehrosmoseanlagen führen könnten.
Foto: 3D-Konstruktion unserer biologisch aktivierten Filtration ALMA BioFil Compact
ALMA BHU BAF
Die großtechnische Biofiltrationsanlage in Betonbauweise bietet eine effiziente Nitrifikation für Abwasserströme bis zu 1.000 m³/h. Diese Anlage nutzt ein integriertes System aus aeroben und anoxischen Zonen, um die Stickstoffentfernung zu maximieren. Besonders geeignet für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie kommunale Abwasserströme.
Foto: Foto unserer biologisch aktivierten Filtration, ein Kombinationsverfahren aus mechanischer Reinigung und biologischem Abbau (ALMA BHU BAF)
Fazit
Nitrat ist ein Endprodukt im biologischen Stickstoffkreislauf, das in hohen Konzentrationen schädlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit sein kann. Die Entfernung von Nitrat aus Abwasser ist entscheidend, um die Umwelt zu schützen und die gesetzlichen Grenzwerte einzuhalten. Mit den fortschrittlichen Technologien von ALMAWATECH lassen sich Nitrifikations- und Denitrifikationsprozesse effizient in industrielle Abwasserbehandlungsanlagen integrieren, um eine vollständige Stickstoffentfernung sicherzustellen.
