Umweltbiotechnik (eBook)

Vorwort 10
Vorwort zur 1. Auflage 11
1 Biologische Stoffwandlung als eine der Grundoperationen im technischen Umweltschutz (Einführung) 13
1.1 Grundoperationen der Verfahrenstechnik und Besonderheiten der biologischen Stoffwandlung 14
1.2 Bioreaktoren als technische Ökosysteme 16
1.3 Umweltrechtliche Anforderungen als Zielgrößen für die Entwicklung und den Einsatz umwelttechnischer Verfahren 21
2 Mikroorganismen und die Grundzüge ihres Stoffwechsels 26
2.1 Merkmale und Lebensweise von Mikroorganismen 26
2.2 Grundzüge des Stoffwechsels von Mikroorganismen 33
2.2.1 Allgemeine thermodynamische Aspekte des mikrobiellen Zellstoffwechsels 35
2.2.2 Enzyme als hochselektive Biokatalysatoren 39
2.2.3 Energetische Kopplung von exergonen und endergonen Stoffwechselreaktionen über das ATP-ADP-System 48
2.2.4 Redox-Reaktionen und membran-gebundener Elektronentransport 51
2.2.5 Protonenpotential der Cytoplasma-Membran und membran-gebundene ATP Synthese (Elektronentransport-Phosphorylierung) 57
2.2.6 Substratstufen-Phosphorylierung 60
2.3 Chemotrophie 61
2.3.1 Chemoorganotrophie 61
2.3.2 Chemolithotrophie 72
2.4 Phototrophie 74
2.4.1 Oxygene Photosynthese 77
2.4.2 Anoxygene Photosynthese 78
2.5 Aufnahme von Nährstoffen in die Zelle 79
3 Rolle der Mikroorganismen im Stoffhaushalt der Natur 86
3.1 Ökosysteme und biozönotisches Grundelement 86
3.2 Wechselwirkung von Mikroorganismen mit ihrer belebten und unbelebten Umwelt 88
3.2.1 Die „ökologische Nische“ - Genotypische Anpassung der Mikroorganismen an ihre Umwelt 89
3.2.2 Phänotypische Anpassung der Mikroorganismen an wechselnde Umwelteinflüsse 91
3.2.3 Interaktionen der Mikroorganismen mit anderen Lebewesen 93
3.3 Beitrag der Mikroorganismen zum globalen C-Kreislauf 99
3.3.1 Oxidativer Endabbau von organischer Substanz (Mineralisierung) 102
3.3.2 Abbau von organischer Substanz unter Luftabschluss (Methanisierung) 103
3.3.3 Unspezifische radikalische Oxidation komplexer organischer Verbindungen durch Holz- und Bodenstreu-zersetzende Pilze 107
3.3.4 Mikrobielle Fixierung von CO2 110
3.4 Beitrag der Mikroorganismen zum globalen N-Kreislauf 112
3.4.1 Proteolyse und Ammonifikation 114
3.4.2 Mikrobielle Oxidation von Ammonium 116
3.4.3 Mikrobielle Nitratreduktion 119
3.4.4 Bindung von Luftstickstoff (N2-Fixierung) 121
3.5 S-Kreislauf 124
3.6 Mikrobielle Prozesse im Boden 127
3.6.1 Boden als Lebensraum von Mikroorganismen 129
3.6.2 Mikrobielle Prozesse bei der Humifizierung von abgestorbenem organischem Material 131
3.6.3 Beitrag der Mikroorganismen zur Umwandlung von Schwefel- und Phosphorverbindungen im Boden 134
3.7 Rolle der Mikroorganismen in limnischen Gewässern 137
3.7.1 Schichtungsvorgänge in limnischen Gewässern 138
3.7.2 Stoffumwandlungsprozesse in stehenden Gewässern 140
3.7.3 Gewässergüte und „Natürliche Selbstreinigung“ in Fließgewässern 145
4 Eingriffe des Menschen in das Gesamt-Ökosystem "Erde" 148
4.1 Technik/Technisierung contra natürliche Umwelt 145
4.2 Destabilisierung des globalen CO2/O2-Kreislaufs 150
4.3 Industriechemikalien und ihr Verhalten in der Umwelt 154
4.4 Gewässernutzung und -bewirtschaftung 161
5 Kinetik mikrobieller Stoffwandlungsprozesse 170
5.1 Nährstofftransport im Medium 173
5.2 Wachstum einzelliger Mikroorganismen 174
5.2.1 MONOD-Modell 176
5.2.2 Mikrobielles Wachstum mit zelltoxischen Substraten 179
5.3 Erhaltungsstoffwechsel von Mikroorganismen 181
5.4 Modell für einen kontinuierlich geführten mikrobiellen Prozess 184
5.5 Modell für einen kontinuierlich geführten mikrobiellen Prozess mit partieller Biomasse-Rückführung 187
6 Grundtypen von Bioreaktoren und ausgewählte reaktortechnische Aspekte 191
6.1 Bioreaktoren mit suspendierter Biomasse (Suspensionsbioreaktoren) 192
6.1.1 Stoffübergang in volldurchmischten Bioreaktoren 194
6.1.2 Sauerstoffübergangskoeffizient und O2-Bilanz in belüfteten Suspensionsbioreaktoren 196
6.2 Biofilm-Reaktoren 199
6.3 Leistungseintrag, Mischgüte und Durchströmungscharakteristik von Bioreaktoren 199
6.4 Probleme der Maßstabsübertragung (Scale up) bei der Bioverfahrensentwicklung 204
7 Biologische Abwasserreinigung 207
7.1 Erfassung von Abwasserinhaltsstoffen 210
7.2 Umweltrechtliche Anforderungen 225
7.3 Verfahren der Abwasserreinigung nach dem Stand der Technik und deren Einsatzgebiete 228
7.4 Genereller Aufbau von Kläranlagen und mechanische Vorbehandlung von Rohabwässern 241
7.5 Klassisches Belebungsverfahren 244
7.5.1 Belebtschlamm als „Reinigungsträger“ 247
7.5.2 Schlammalter und Schlammbelastung 249
7.5.3 Substratabbau und Bildung von Überschuss-Schlamm 251
7.5.4 Nitrifikation in Belebungsanlagen 253
7.5.5 Versorgung des Belebtschlamms mit Luftsauerstoff 254
7.5.6 Energieverbrauch und Kosten konventioneller Belebungsanlagen 261
7.5.7 Weitergehende Abwasserreinigung (N- und P-Elimination) 262
7.5.8 Umwelthygienische Risiken im Zusammenhang mit der biologischen Reinigung von kommunalem Abwasser 272
7.6 Hormonell wirksame Substanzen und andere organische Mikroverunreinigungen in kommunalen Abwässern 277
7.6.1 Wirkmuster für den Einfluss exogener Substanzen auf das endokrine System aquatischer Wirbeltiere 279
7.6.2 Herkunft und Wirkung von estrogen wirksamen Substanzen 280
7.6.3 Abbau/Elimination von estrogen wirksamen Substanzen und anderen organischen Mikroverunreinigungen in kommunalen Kläranlagen 286
7.7 Sonderformen und Modifikationen des Belebungsverfahrens 288
7.7.1 Bio-Hochreaktoren 289
7.7.2 A+B-Verfahren 290
7.7.3 SBR-Verfahren 290
7.7.4 Membranbelebungsverfahren 292
7.8 Aerobe Festbett-Verfahren 298
7.8.1 Tropfkörper-Anlagen 299
7.8.2 Scheibentauchkörper-Anlagen 302
7.8.3 Aerob-Anlagen mit getauchtem Festbett 303
7.8.4 Schwebebett-Verfahren: Moving Biofilm Bed Reactor (MBBR) 304
7.9 Anaerobe Verfahren der biologischen Abwasserreinigung 305
7.9.1 Besonderheiten der anaeroben Abwasserbehandlung 305
7.9.2 Gebräuchliche Reaktorsysteme 309
7.10 Naturnahe Verfahren der Abwasserbehandlung 312
7.10.1 Teichkläranlagen 313
7.10.2 Bewachsene Bodenfilter (Pflanzenkläranlagen) 314
7.11 Neue Lösungsansätze für ein nachhaltiges Wasser-/Abwassermanagement im kommunalen Bereich 316
8 Behandlung und Entsorgung von Rohschlämmen aus Kläranlagen 322
8.1 Rohschlämme als Senke für hydrophobe organische Abwasserinhaltsstoffe und Schwermetall-Ionen 323
8.2 Umweltrechtliche Anforderungen an die Entsorgung von Klärschlämmen 325
8.3 Grundoperationen der herkömmlichen Behandlung von kommunalem Rohschlamm 329
8.4 Biologische Schlammstabilisierung 334
8.4.1 Anaerobe Stabilisierung (Schlammfaulung) 335
8.4.2 Aerob-thermophile Stabilisierung 337
8.4.3 Schlamm-Kompostierung 338
8.4.4 Simultane aerobe Stabilisierung 339
8.4.5 Entwässerung und Vererdung von Klärschlamm in Schilfbeeten 339
8.5 Schlamm-Desintegration als Mittel zur Intensivierung der biologischen Schlammfaulung 340
8.6 P-Rückgewinnung aus Klärschlämmen und Klärschlamm-Aschen 343
9 Biologische Aufbereitung von organischen Abfallstoffen aus dem häuslichen bzw. gewerblichen Bereich sowie von Gülle aus der Nutztierhaltung 345
9.1 Siedlungsabfälle 345
9.2 Gülle aus der Nutztierhaltung 347
9.3 Rechtliche Anforderungen an den Umgang mit Abfallstoffen 348
9.3.1 Einheitliches europäisches Abfallverzeichnis 350
9.3.2 Konzept der „nachsorgearmen Deponie“ 351
9.3.3 Verwertung von organischen Abfallstoffen als Dünger bzw. Bodenverbesserungsmittel 353
9.3.4 Erzeugung von Strom aus Biomasse bzw. biogenen Abfallstoffen und das „Erneuerbare-Energien“-Gesetz (EEG) 355
9.4 Biologische Behandlung von getrennt erfassten Bioabfällen 355
9.2.1 Kompostierung 357
9.2.2 Vergärung von Bioabfällen und energetische Nutzung des gebildeten Biogases 364
9.5 Biologische Trocknung von Restabfällen aus Hausmüll (Stabilat-Verfahren) 372
9.6 Verfahren zur Aufbereitung von Gülle 373
9.7 Nachhaltige Abfallwirtschaft (Ausblick) 381
10 Biologische Abluftreinigung 383
10.1 Luftverunreinigende organische Stoffe und deren Erfassung 384
10.2 Umweltrechtliche Anforderungen 387
10.3 Verfahren zur Abluftreinigung nach dem Stand der Technik 393
10.4 Biologische Verfahren 396
10.4.1 Biowäscher-Verfahren 396
10.4.2 Biofilter-Verfahren 404
10.4.3 Biorieselbett-Reaktoren 412
11 Biologische Bodensanierung 414
11.1 Altlasten-relevante Schadstoffe 415
11.2 Umweltrechtliche Anforderungen an die Altlastensanierung 422
11.3 Sanierungsrelevante Bodeneigenschaften und –parameter 425
11.4 Schadstoff-Wirkungspfade und Gefährdungsabschätzung 429
11.5 Verfahren zur Bodensanierung nach dem Stand der Technik und Kriterien der Verfahrensauswahl 435
11.6 Biologische Bodensanierung 439
11.6.1 Biologische in situ-Verfahren 440
11.6.2 Biologische ex situ-Verfahren 444
12 Betriebstechnik und Kosten umweltbiotechnischer Verfahren sowie Regelungen für Tätigkeiten mit "Biologischen Arbeitsstoffen" 447
12.1 Grundlagen der Steuerung und Regelung von umwelttechnischen Anlagen 447
12.1.1 Messtechnik und Betriebsmesseinrichtungen 448
12.1.2 Aufbau und Funktionsweise einer Regelung 453
12.1.3 Steuerung von Prozessen 454
12.1.4 Speicherprogrammierbare Steuerung 456
12.1.5 Prozessleitsystem 456
12.2 Ermittlung der Kosten von umweltbiotechnischen Verfahren 457
12.2.1 Kostenvergleichsrechnung 460
12.2.2 Amortisationsrechnung 461
12.2.3 Kapitalbarwert-Methode 461
12.3 Gesetzliche Regelungen für Tätigkeiten mit „Biologischen Arbeitsstoffen“ 462
13 Lösungsansätze zur Vermeidung von Umweltproblemen mittels produktions- bzw. prozessintegrierter Biotechnik (Ausblick) 466
13.1 „Dauerhaft umweltverträgliches Wirtschaften“ als Grundlage für eine zukunftsorientierte Entwicklung der menschlichen Gesellschaft (Nachhaltigkeit) 466
13.2 Bewertung der Umweltverträglichkeit von industriellen Prozessen und Verfahren (Ökoeffizienz-Analyse) 468
13.3 Grundkonzepte zur Vermeidung bzw. Verminderung von Produktionsrückständen 474
13.4 Verbesserte Ökobilanz von Produktionslinien durch Integration biotechnischer Prozesse und Verfahren 482
13.4.1 Biokatalyse in der Feinchemie und pharmazeutischen Industrie 482
13.4.2 Integrierte Biotechnik in der Textilindustrie 495
13.4.3 Einsatz von Enzymen in der Zellstoff- unjd Papierindustrie 496
13.4.4 Biotechnische Verfahren und Prozesse in der Metallbearbeitung und Leiterplattenindustrie 496
13.4.5 Beispiele für die Integration biotechnischer Verfahren zur Verbesserung der Ökobilanz in Betrieben der Lebensmittelindustrie 500
13.4.6 Recycling von Prozesswasser in Betrieben der Lebensmittel- und Getränkeindustrie 502
Literaturverzeichnis 509
Sachwortverzeichnis 515