Nitrifikation, Nitrifizierung

(nitrification)

(lat. nitrogénium = Stickstoff; lat. fácere = machen, tun) Die Nitrifikation ist die Umsetzung von Ammoniak bzw. Ammonium zu Nitrat. Sie wird im natürlichen Gewässer und bei der biologischen Abwasserreinigung von Nitrifikanten durchgeführt. Bisher wurde noch kein Bakterium identifiziert, das Ammonium direkt bis hin zum Nitrat oxidieren könnte; vielmehr sind an der Oxidation zwei Arten beteiligt: 

  • Die Ammoniumoxidierer (Nitrosomonas) wandeln durch biochemische Oxidation (pH-Wert abhängig) über diverse Zwischenprodukte zu Nitrit
  • Die Nitritoxidierer (Nitrobacter) oxidieren das entstandene Nitrit weiter zum Endprodukt Nitrat. Ammonium und Nitrit wirken hierbei als Elektronendonatoren. 

Siehe dazu auch den Stickstoffkreislauf.

Die Nitrifikation ist eine Reaktion mit sehr hohem Sauerstoffbedarf, der extern zugeführt werden muss, da die Nitrifikanten zu den aeroben Bakterien gehören, weil sie Sauerstoff als Elektronenakzeptor benötigen. Als Kohlenstoffquelle nutzen sie organisches Kohlendioxid. Eine schnell Umwandlung der Nitritsalze durch die Bakterien ist lebensnotwendig, da Nitrit für höhere Organismen bei niedrigem pH-Wert giftig wirkt.

Beim Betrieb von Nitrifikationsanlagen ist zu beachten, dass immer nur die nichtionische Form der Stickstoffverbindungen (Ammoniak, salpetrige Säure) als Elektronendonator verwendet werden kann. Das Verhältnis zwischen den ionischen und nichtionischen Formen der Verbindungen ist vom pH-Wert abhängig. Dieses wird auch durch den Prozess selbst beeinflusst und Bedarf u.U. einer pH-Wert-Regelung. Im Zuge der Ammonium-Oxidation werden allerdings H+-Ionen frei und damit besteht die Gefahr einer Senkung des pH-Werts. 

Das in zwei Stufen untergliederte Nitrifikationsprozess kann folgendermaßen beschrieben werden:

1. Stufe: Oxidation des Ammoniums zu Nitrit.
Dazu muss zuerst die Umwandlung des Ammonium-Ions über die vom Enzym Ammoniummonooxigenase (AMO) katalysierte Reaktion zum Hydroxylamin erfolgen. Im Anschluss daran wird das gebildete Hydroxylamin durch die Hydroxylaminoxidoreduktase (HAO) in das Endprodukt der ersten Stufe, das Nitrit, umgebaut.

Diese beiden Reaktionsschritte führen Bakterien aus, die allgemein als Ammoniumoxidanten bezeichnet werden. Der bekannteste Vertreter dieser Gruppe ist Nitrosomonas.

2. Stufe: Oxidation des Nitrits zu Nitrat.
In der zweiten Stufe erfolgt dann die Umwandlung des entstandenen Nitritstickstoffs in seine höhere Oxidationsstufe, dem Nitrat. Repräsentativer Mikroorganismus dieses Schritts ist Nitrobacter.

Beide Schritte zusammen werden als Nitrifikation bezeichnet. Dabei nutzen die beteiligten Mikroorganismen die Ausgangsverbindungen Ammonium bzw. Nitrit zur Veratmung mit Sauerstoff.

Die Lebensweise der beteiligten Mikroorganismen wird als Chemolitotrophie bezeichnet. Der oben beschriebene Sachverhalt führt zu Problemen in natürlichen Gewässern, die mit großen Mengen an Stickstoff belastet werden. Durch die Oxidation von Ammonium zu Nitrat wird zum einen der Sauerstoffgehalt im Wasser des Gewässers verändert. Hierbei werden 4,5 mg Sauerstoff pro1 mg Ammonium-Stickstoff verbraucht. Dies kann zu Sauerstoffdefizitl und, so wie die Umwandlung von Ammonium zu Ammoniak, zum Fischsterben beitragen. Zum anderen entsteht wegen der steigenden Nutzung von Oberflächengewässern für die Trinkwasserversorgung ein weiteres Problem. Nitrat-Konzentrationen von über 10 mg/L Trinkwasser können bei Säuglingen zu erheblichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Dies beruht weniger auf der Primärtoxizität des Nitrates, sondern auf der möglichen Reduktion zu Nitrit durch die im Körper ansässigen Bakterien.

Die technische Nitrifikation ist unter anderem abhängig von:

  • Temperatur: Ist die Temperatur kleiner als 5°C findet keine Nitrifikation statt, das Optimum liegt zwischen 30-36°C nach anderen Angaben bei 28-36°C. Die Nitrifikation wird bei Temperaturen unter 12°C verlangsamt und unter 8°C eingestellt.
  • gelöster Sauerstoff >=2 mg/l
  • pH-Wert, Pufferkapazität: starke Abhängigkeit, optimaler Bereich 7,5-8,3
  • organische Belastung
  • relevante Substratkonzentrationen (Ammonium, Nitrit)
  • Spurenstoffversorgung
  • eventuell Hemmstoffe
  • Kontaktzeit zwischen nitrifizierender Biomasse und Abwasser

Für kommunales Abwasser wir üblicherweise von einer spezifischen Gesamtstickstofffracht von 12g N/(E. d) ausgegangen. Etwa 2g davon werden im Rahmen der biologischen Reinigungsprozesse zum Aufbau neuer Biomasse verbraucht. Es bleiben so ca. 10g/(E.d), die im Zuge der Nitrifikation oxidiert werden müssen.

Die abwassertechnischen Probleme der mikrobiellen Ammoniumoxidation (Nitrifikation) sind im wesentlichen auf die biologischen Eigenheiten der nitrifizierenden Bakterien zurückzuführen. Im Vordergrund steht dabei die Tatsache, dass diese Organismen im Vergleich zu denen heterotroph Bakterien nur eine überaus geringe Vermehrungsrate haben. Die Generationszeit der heterotrophen Bakterien liegt bei ca. 2 Stunden, die der Nitrifikanten bei ca. 12 Stunden. In diesen Fällen steht den Nitrifikanten im Wasserkörper nicht genug Zeit zur Verfügung, um sich zu einer hinreichend leistungsfähigen nitrifizierenden Bakterienpopulation zu entwickeln. Infolge der laufenden Ausspülung der Nitrifikanten stellt sich im biologischen Reaktionsraum ein Gleichgewicht zwischen Vermehrung und Ausschwemmung auf einem so niedrigen Niveau ein, dass die relativ wenigen im Abwasser flottierenden Nitrifikanten nur geringfügig zu Stickstoffoxidation beitragen können. Unter diesen Bedingungen hängt die Nitrifikationsleistung überwiegend von den am Teichboden fest sitzenden Nitrifikanten ab. Die Immobilisation von Nitrifikanten auf Festkörpern wird u.a. auch in Biofiltern als auch Hochleistungsreaktoren zur Stickstoffelimination ausgenutzt. Für die Stickstoffelimination ist neben der Nitrifikation der weitere Schritt Denitrifikation (siehe dort auch die Kombination beider Verfahren) notwendig.

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