Wann immer ein großer Abwasserstrom behandelt werden muss, sollte normalerweise als erste Alternative die Verwendung eines biologischen Verfahrens in Betracht gezogen werden, da dies eine der kostengünstigsten Komplettbehandlungen ist und die Menge des erzeugten Abfalls relativ gering ist. Allerdings muss die Art der im Wasser vorhandenen Kontamination bestimmt werden, um die Eignung einer Behandlung gegenüber einer anderen zu bewerten, da diese in Bezug auf die Art der zu entfernenden Kontamination meist sehr selektiv sind.
Eine Charakterisierung des Abwassers, die eine Vielzahl von Informationen über die Art und Konzentration der vorhandenen Schadstoffe liefert, muss durchgeführt werden, um die Art der Kontamination zu bestimmen. Neben allgemeinen Parametern wie pH-Wert und Leitfähigkeit sollten die Parameter analysiert werden, die einen Eindruck vom Gehalt an organischer Substanz, Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor), Schwebstoffen, der Toxizität des Abwassers gegenüber Mikroorganismen sowie spezifischere Parameter in Bezug auf die durch das Abwasser erzeugte Aktivität geben (Metalle, Tenside, Sulfate, Cyanide usw.). Um die Menge an organischer Substanz zu bestimmen, die von Mikroorganismen assimiliert werden kann, wird häufig die biochemische Sauerstoffbedarfsmessung (BSB5) zur Charakterisierung von Abwasser verwendet, obwohl dieser Parameter etwas ungenau ist (die Akklimatisierung der Mikroorganismen an das Abwasser beeinflusst die Messung), langsam zu bestimmen ist (für jede Messung sind mindestens 5 Tage erforderlich) und seine Verwendung im Betrieb von Kläranlagen unpraktisch ist. Im Gegensatz dazu ist der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ein genauer Parameter, der leicht bestimmt werden kann und die gesamte im Wasser vorhandene organische Substanz misst (sowohl biologisch abbaubare als auch nicht biologisch abbaubare). Daher ist er der am weitesten verbreitete Parameter. Da er jedoch die gesamte organische Substanz misst, sind die bereitgestellten Informationen notwendig, aber nicht ausreichend für ein besseres Verständnis des zu behandelnden Abwassers. Um eine vollständige und tiefgehende Charakterisierung des Abwassers zu erhalten, sollte neben der Messung der genannten Parameter eine CSB-Fraktionierung durchgeführt werden, die Informationen über die unterschiedlichen Abbauraten der verschiedenen CSB-Fraktionen liefert.
Die üblicherweise betrachteten CSB-Fraktionen sind jene, die in den Belebtschlamm-Modellen der International Association of Water Quality (IAWQ) verwendet werden, nämlich:
- Leicht biologisch abbaubarer CSB (rbCSB). Diese Fraktion, die dem wasserlöslichen CSB entspricht, wird am schnellsten von der Biomasse verbraucht (innerhalb weniger Minuten) und erzeugt eine schnelle und hohe Sauerstoffnachfrage. Die in dieser Fraktion enthaltenen Verbindungen sind lösliche Substanzen mit niedrigem Molekulargewicht, wie Zucker, Alkohole und Fettsäuren.
- Langsam biologisch abbaubarer CSB (sbCSB). Diese Fraktion steht im Zusammenhang mit dem unlöslichen biologisch abbaubaren oder partikulären CSB und ist typischerweise die größte biologisch abbaubare Fraktion. Sie umfasst lösliche Moleküle mit hohem Molekulargewicht, kolloidale Substanzen und Feststoffpartikel, die von der Biomasse nicht sofort abgebaut werden können. Sie müssen zunächst durch von den Mikroorganismen ausgeschiedene Enzyme hydrolysiert und in lösliche Moleküle mit niedrigem Molekulargewicht umgewandelt werden, die von den Zellen leicht assimiliert werden können. Dieser Hydrolyse-Schritt ist langsam, stellt den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt im Prozess dar und ist mit deutlich geringeren Sauerstoffverbrauchsraten verbunden als die für den leicht biologisch abbaubaren CSB beobachteten.
- Löslicher nicht biologisch abbaubarer CSB (snbCSB). Diese Fraktion wird durch den Kontakt mit der Biomasse nicht beeinflusst, erfährt während der Behandlung keine Veränderungen und wird mit dem Abwasser ausgeschieden. Wenn dies die größte Fraktion im Abwasser ist, können biologische Verfahren direkt ausgeschlossen werden.
- Partikulärer nicht biologisch abbaubarer CSB (pnbCSB). Obwohl diese Fraktion von der Biomasse nicht verbraucht wird, setzt sich ein großer Teil davon mit dem Schlamm ab, wodurch die Konzentration im Ablauf im Vergleich zur Zulaufkonzentration reduziert wird.
Die Tatsache, dass löslicher CSB nicht perfekt mit dem leicht biologisch abbaubaren CSB übereinstimmt und partikulärer CSB nicht vollständig dem langsam biologisch abbaubaren CSB entspricht, bedeutet, dass die beste Methode zur Bestimmung der verschiedenen Fraktionen die Respirometrie ist. Diese Technik misst den Sauerstoffverbrauch der Biomasse beim Abbau der Substrate über die Zeit und liefert somit sehr präzise Informationen über die Aktivität der Mikroorganismen und die Geschwindigkeit, mit der die verschiedenen Substrate verbraucht werden. Die Atmungsrate ist die Sauerstoffverbrauchsrate pro Volumeneinheit und Zeit. Die Darstellung der erhaltenen Atmungsraten-Daten gegen die Zeit ergibt ein Respirogramm, wie in der Abbildung gezeigt, in dem folgende Bereiche unterschieden werden können:
- A1: Fläche proportional zur Konzentration des leicht biologisch abbaubaren CSB. Dies ist der zuerst verbrauchte CSB mit der höchsten Atmungsrate.
- A2: Fläche proportional zur Konzentration des langsam biologisch abbaubaren CSB. Die Sauerstoffverbrauchsrate ist niedriger und erfolgt über einen längeren Zeitraum.
- A3: Fläche proportional zur Menge des im Nitrifikationsprozess verbrauchten Sauerstoffs.
- A1+A2+A3: zeigt die Menge des für die vollständige Oxidation der Schadstoffe benötigten Sauerstoffs an.
- Nach Abschluss der Respirometrie liefert ein CSB des filtrierten (0,45 μm) Mischwassers den löslichen nicht biologisch abbaubaren CSB. Schließlich ergibt die Subtraktion des biologisch abbaubaren CSB (Summe aus leicht und langsam biologisch abbaubarem CSB) und des löslichen nicht biologisch abbaubaren CSB vom ursprünglichen (gesamten) CSB den partikulären nicht biologisch abbaubaren CSB.
Diese Bestimmung der verschiedenen Fraktionen basierend auf ihrer jeweiligen biologischen Abbaubarkeit führt zu einer vollständigen Charakterisierung der organischen Substanz im Abwasser und ergänzt somit die anderen analysierten Parameter. Diese Informationen sind entscheidend für die Entscheidungsfindung während der Planungsphase von Abwasserbehandlungssystemen, da sie helfen, zu identifizieren, welche Verfahren effizient sein können und welche direkt ausgeschlossen werden können. Beispielsweise kann Wasser mit einer überwiegend langsam biologisch abbaubaren Fraktion nicht mit einem biologischen System behandelt werden, bei dem das Wasser nur sehr kurz mit der Biomasse in Kontakt ist.
Ebenso ermöglicht die Bestimmung der verschiedenen Fraktionen basierend auf ihrer unterschiedlichen biologischen Abbaubarkeit die Kalibrierung der kinetischen Modelle, die anschließend das Verhalten des Systems (Abwasserqualität, Sauerstoffbedarf, Schlammproduktion usw.) als Reaktion auf Echtzeit-Schwankungen der Abwasserbelastung und des Durchflusses beschreiben.
Daher ist eine vollständige Charakterisierung des Abwassers unerlässlich, um den Schritt der Auswahl des Behandlungstyps und dessen anschließende Auslegung mit Erfolgsgarantie durchführen zu können.