Tabelle: Auszug aus einer Real-Time-qPCR-Analyse zur Quantifizierung der Nitrifikanten im Abwasser eines Klärwerks. Die Lebendzellzahl zeigt die aktiven Nitrifikanten in der Biomasse, die für den Stickstoffabbau verantwortlich sind, und gibt Aufschluss über die Abbaukapazität der Anlage. Der prozentuale Anteil der Lebendzellzahlen zeigt den Anteil aktiver Zellen und dient als Indikator für das Wachstum der Nitrifikanten in der Biomasse. Die Ergebnisse werden als Gesamt- und Lebendzellzahl pro Milliliter angegeben. (AOB: Ammonium-oxidierende Bakterien, Nitrotoga: Nitrit-oxidierende Bakterien der Spezies Nitrotoga spp., NOB: Nitrit-oxidierende Bakterien; NOBgesamt= Gesamtzellzahl von NOB und Nitrotoga.) © DyeNA Genetics

Bei der DyeNA Genetics GmbH wurde ein Verfahren entwickelt, das die qPCR so modifiziert, dass nur Genfragmente lebender Bakterien erkannt werden. Dies ermöglicht Kläranlagenbetreibern, die Lebendzellzahlen der aktiven Nitrifikanten und Denitrifikanten im Abwasser präzise zu bestimmen, und bietet eine deutlich höhere Spezifität, Genauigkeit und Aussagekraft als herkömmliche mikroskopische Methoden. Es wurden qPCR-Tests speziell für Kläranlagen entwickelt, um die Ammonium-oxidierenden Bakterien (AOB), Nitrit-oxidierenden Bakterien (NOB) und den Nitritoxidant Nitrotoga direkt aus der Abwasserprobe zu quantifizieren. Für die Bestimmung der Denitrifikanten werden acht verschiedene qPCR-Tests eingesetzt, die die wichtigsten Bakteriengattungen und -gruppen genau ermitteln, um so ein umfassendes Bild der aktiven Bakterien in diesem Abbauprozess zu erstellen.

Die Analysenergebnisse der qPCR-Tests werden leicht verständlich als Gesamt- und Lebendzellzahlen ausgegeben, die vom Kläranlagenpersonal einfach verstanden und interpretiert werden können (Beispiel s. Tabelle). Diese Ergebnisse werden zeitnah an die jeweiligen Anlagenbetreiber zugeschickt, um sicherzustellen, dass Betreiber schnell auf Veränderungen oder Störfälle reagieren können. So erhalten die Anlagenbetreiber ein umfassendes und genaues Bild der Populationsverteilung sowie der Aktivität der nitrifizierenden und denitrifizierenden Bakterien, was eine optimale Beurteilung der bakteriellen Lebensbedingungen und der damit verbundenen Abbauleistung in der Anlage ermöglicht.

Die hohe Präzision und Aussagekraft der qPCR-Technologie eignen sich sehr gut für ein kontinuierliches Monitoring in Kläranlagen. Dieses ermöglicht eine effektive Überwachung und Steuerung der Nitrifikation und Denitrifikation und hilft, sich abzeichnende Prozessstörungen frühzeitig zu erkennen. Das Monitoring erlaubt es, die individuellen Leistungs- und Kapazitätsgrenzen der jeweiligen Kläranlage zu bestimmen und einen "Normalbereich" zu definieren, in dem die Anlage optimal und zuverlässig läuft. Die Ermittlung dieses Wertebereichs ist äußerst hilfreich für die Betreiber, um die Prozesse optimal steuern zu können.

qPCR-Methode im Klärwerk Winterhausen genutzt

Ein Beispiel für die erfolgreiche Anwendung und Nutzung der qPCR-Analysen ist die Kläranlage Ochsenfurt/Winterhausen. Vor der Einführung der qPCR-Analysen waren trotz vorhandener Betriebswerte die genauen Abläufe und Probleme in der Kläranlage nicht immer klar und nachvollziehbar. Die qPCR-Technologie ermöglichte tiefere Einblicke in die Mikrobiologie der Anlage, wodurch die "Black Box" der Bakterien transparent und verständlicher wurde.

Zu Beginn des Monitorings wurden kontinuierlich die Beobachtungen aus dem Belebungsbecken, auftretenden Betriebsbeeinträchtigungen, die Ablaufwerte und die ermittelten qPCR-Ergebnisse abgeglichen. Der permanente Abgleich der Analysenergebnisse mit den Vorgängen in der Anlage ermöglichte dem Betreiber, die Vorgänge in der Belebung besser zu verstehen, fundiert zu beurteilen und ein tieferes Verständnis bezüglich der Vorgänge in der Mikrobiologie zu entwickeln.

Grafik: Werte aus einem langfristigen qPCR-Monitoring für Nitrifikanten einer Kläranlage. Durch den kontinuierlichen Abgleich der Analysenergebnisse mit den Betriebsdaten der Anlage wurde ein Normalbereich für die Zellzahlen ermittelt, der als Korridor für die Kapazitätsober- und Kapazitätsuntergrenze für stabile Betriebsprozesse in den Belebungsbecken definiert wurde. Innerhalb dieses Korridors läuft die Anlage effizient und störungsfrei. Bei Abweichungen der Zellzahlen außerhalb dieses Bereichs kann gezielt eingegriffen werden, um den Prozess erneut anzupassen, zu stabilisieren und zu optimieren. © DyeNA Genetics

Die qPCR-Ergebnisse unterstützten auch bei der Prozesssteuerung, indem sie die Auswirkungen von Änderungen der Prozessbedingungen auf die Bakterienpopulationen deutlich aufzeigten. Das bereits genannte erworbene tiefere Verständnis bezüglich der Mikrobiologie und die gesammelten Erfahrungen dazu, welche Auswirkungen Prozessveränderungen auf die Mikrobiologie haben, machten letztendlich eine effizientere und gezieltere Prozesssteuerung möglich. Dies erleichterte die Prozessführung, reduzierte Unsicherheiten und optimierte die Betriebsabläufe in der Kläranlage Ochsenfurt/Winterhausen.

Zellzahlen-Korridor für stabilen Klärbetrieb

In einem anderen Klärwerk konnte durch das qPCR-Monitoring ein Normalbereich für die Zellzahlen ermittelt werden, der als Korridor für die Kapazitätsober- und Kapazitätsuntergrenze für stabile Betriebsprozesse in den Belebungsbecken definiert wurde. Diese Kapazitätsgrenzen basieren auf dem ermittelten Zellzahlenbereich, der die minimale und maximale Zellzahl umfasst, in der die Anlage effektiv und problemfrei lief.

Der festgelegte Zellzahlen-Korridor (s. Grafik) diente als Maßstab für die Effektivität und Stabilität der Anlage. Mithilfe der qPCR-Ergebnisse konnte der biologische Stickstoffabbau genau überwacht werden, um sicherzustellen, dass er sich im optimalen Bereich der Kapazitätsgrenzen bewegte. Bei Abweichungen konnte bei Bedarf gezielt eingegriffen werden, um den Prozess erneut anzupassen, zu stabilisieren und zu optimieren.

Die ermittelten Kapazitätsgrenzen ermöglichten es, in der Kläranlage in Winterhausen nicht nur die Prozesse optimal zu steuern, sondern auch Veränderungen durch wechselnde Abwasserfrachten oder Umwelteinflüsse wie Starkregen oder Temperaturschwankungen zu beurteilen. So konnten Faktoren für Prozessstörungen identifiziert werden, indem nachvollzogen wurde, wie sich bestimmte Ereignisse auf die Bakterienpopulationen auswirken. Dies führte zu einem weiteren, besseren Verständnis der mikrobiologischen Vorgänge und einer verbesserten Steuerung der Anlage bei wechselnden Umwelteinflüssen.

Gleichzeitig Frühwarnsystem

Ein weiterer Vorteil des qPCR-Monitorings ist seine Funktion als Frühwarnsystem. Es kann langsam entstehende Prozessstörungen durch kontinuierlich eingeleitete Bakterientoxine frühzeitig erkennen. Viele dieser toxischen Stoffe, wie anorganische Salze und bestimmte organische Chemikalien, werden von herkömmlichen Sondentechniken nicht erfasst, da keine offensichtlichen Änderungen, wie etwa im pH-Wert, auftreten. Durch die frühzeitige Erkennung abnehmender Lebendzellzahlen im Belebungsbecken können Betreiber rechtzeitig Maßnahmen ergreifen, um Ursachen zu ermitteln, den Prozess zu stabilisieren und die Effizienz der Anlage zu erhalten.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Populationen von Nitrifikanten und Denitrifikanten im Laufe der Jahre durch verschiedene Faktoren wie Prozessänderungen, veränderte Abwasserfracht und klimatische Bedingungen verändern können. Diese schleichenden Veränderungen führen dazu, dass sich die Zellzahlen aus dem Korridor der Kapazitätsgrenzen bewegen und langfristig die Leistungskapazität der Anlage beeinträchtigen. Mit einem qPCR-Monitoring können solche Veränderungen präzise nachvollzogen werden. Betreiber können dann durch geeignete Prozessanpassungen gegensteuern, um die Anlage weiterhin in den Grenzen der besten Leistungskapazität zu betreiben.

Ein optimal eingestellter biologischer Stickstoffabbau kann darüber hinaus zu Kosteneinsparungen in Kläranlagen bewirken. Dies wird durch die Reduzierung des Energieverbrauchs für die Belüftung erreicht. Eine transparente Mikrobiologie erleichtert zudem die Steuerung des Prozesses erheblich, was zu einer Reduktion der Personalkosten durch gezielte, effiziente und wirksame Prozesssteuerung und -anpassung führt. Zusätzlich werden unnötige Umbaumaßnahmen und oft der Einsatz teurer Abwasserchemie vermieden. Zudem erhöht das qPCR-Monitoring die Prozesssicherheit erheblich. Langfristig lassen sich so durch präzise Steuerung und frühzeitige Erkennung von Störungen Kosten einsparen, indem teure Notmaßnahmen und ein übermäßiger Einsatz von Ressourcen vermieden werden.

Darüber hinaus trägt das qPCR-Monitoring zur Nachhaltigkeit bei, indem es die Umweltbelastung reduziert und den Schutz der natürlichen Ressourcen fördert. Die qPCR-Technologie bietet eine umfassende Lösung für die Überwachung und Steuerung des biologischen Stickstoffabbaus in Kläranlagen, was zu einer stabileren und effizienteren Prozessführung führt. Letztlich profitieren Betreiber von einer verbesserten Prozessstabilität, geringeren Betriebskosten und einem nachhaltigeren Anlagenbetrieb.

AUTOR
Dr. Thomas Benkert
DyeNA Genetics GmbH, Schweinfurt
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