A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.

Vor dem Hintergrund saisonaler Einflussfaktoren stellen ländlich strukturierte Gebiete besondere Anforderungen an Bemessung und Betrieb von Kläranlagen. Tourismus bildet neben landwirtschaftlich bedingten Ernte- und Verarbeitungskampagnen den bedeutendsten Faktor für saisonale Belastungsschwankungen. Da der größte Teil der Fremdenverkehrseinrichtungen über weniger als 100 Übernachtungsplätze verfügt, besteht bei fehlendem Kanalanschluss ein entsprechender Bedarf an Klein- und Kleinen Kläranlagen zur Behandlung der anfallenden Abwässer. Die Bemessung von Kläranlagen der Größenklasse 1 wird bei fehlenden Messwerten auf Grundlage der im ATV-DVWK-A 198 (2003) als 85-%-Perzentil angegebenen einwohnerspezifischen Frachten durchgeführt. Abwasser aus einfachen Fremdenverkehrseinrichtungen wie Campingplätzen und Hütten weist im Vergleich zur üblichen kommunalen Abwasserzusammensetzung bezogen auf CSB und BSB5 höhere Anteile an Stickstoff- und Phosphorverbindungen auf. Die spezifischen Stickstofffrachten liegen i. M. bei 10 – 11 g/P/d, die spezifischen CSB-Frachten bei i. M. 52 – 68 g/P/d. Die tatsächlichen Frachten werden von der Ausstattung (Restaurant, Wäscherei, etc.) der jeweiligen Unterkunft beeinflusst und sind in der Bemessung gesondert zu berücksichtigen. Für die Behandlung saisonal anfallender Abwässer eignen sich Verfahren mit großem vorgeschaltetem Puffervolumen oder Anlagen mit großem internem Puffer, wie z. B. Bodenfilteranlagen. Anaerobe Vorbehandlungsanlagen wie Anaerobic Baffled Reactors (ABR) können bei entsprechenden Temperaturen zur Frachtentlastung nachgeschalteter aerober Stufen beitragen. Unter gemäßigten Klimabedingungen werden inklusive Sedimentationsprozessen in Vorklärbecken i. M. 50 % des zugeführten CSB eliminiert. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des CSB-Abbaus, der Dauer des Einfahrbetriebs, der Empfindlichkeit gegenüber zu hohem Schlammabzug und des nicht berechenbaren Feststoffabtriebs ist unter gemäßigten Klimabedingungen und ohne technische Weiterentwicklung des Verfahrens keine über den Wirkungsgrad von Absetzanlagen hinausgehende Eliminationsleistung bei der Bemessung kalkulierbar. Für saisonal belastete Bodenfilter stellt die Abminderung des Flächenbedarfs bzw. die Steigerung der CSB-Flächenbelastung analog zum nicht belasteten Zeitraum eine betriebssichere und wirtschaftliche Lösung dar, bei der die Einhaltung der Mindestanforderungen gewährleistet ist. Bei geforderter Nitrifikation ist aufgrund des hohen TKN-Konzentrationsniveaus im Abwasser aus Fremdenverkehrseinrichtungen ein Wirkungsgrad von > 95 % für die TKN-Elimination erforderlich. Im Abwasser enthaltene Hemmstoffe, insbesondere in Vorkläranlagen gebildetes Sulfid, können die Nitrifikation beeinträchtigen. Dabei werden Ammoniumoxidation und Nitritoxidation gehemmt. Charakteristisch sind hohe NH4-N- und NO2-N-Konzentrationen im Ablauf (Extremwerte bis zu 55 mg NO2-N/l). Während sich Nitritoxidierer über mehrere Jahre an dauerhaft hohe Sulfidkonzentrationen adaptieren können, wird die Ammoniumoxidation direkt über die Sulfidkonzentration beeinflusst. / In rural communities seasonal factors complicate design and operation of wastewater treatment plants. Tourism as well as agricultural harvesting and processing campaigns are the major causes for seasonal load variations. Due to the fact that accommodation capacities in rural tourism industry rarely exceed 100 beds small sewage treatment plants are acquired if a connection to a sewer system is not feasible. Small wastewater treatment plants can be designed using the population equivalents (PE). According to the German Water Association spreadsheet ATV-DVWK-A 198, PEs are defined as the 85-%-percentile input load. Wastewater of basic accommodations like camping sites and lodges contains higher levels of nitrogen and phosphorous compounds than 'standard' domestic wastewater. The mean specific nitrogen loads reach 10 – 11 g/guest/d, the mean specific COD-load 52 – 68 g/guest/d. The special amenities of vacation homes (restaurant, laundry) affect the real loads and have to be considered in dimensioning. Regarding the treatment of seasonal wastewater, processes with large upstream buffer or large internal buffer, such as constructed wetlands, are suitable. Furthermore, at moderate temperatures anaerobic pretreatment devices, like anaerobic baffled reactors (ABR), can reduce the input load to aerobic post treatment stages. An approximate COD elimination of 50 % can be expected by anaerobic degradation and sedimentation in the ABR in combination with upstream primary clarifiers at around 20 °C. Due to the strong temperature dependence, the long start-up-period, the sensitivity towards fail-desludging, the generation of immediate oxygen demand at low temperatures as well as unpredictable sludge overflow events, it does not seem justified to calculate higher design elimination efficiencies for ABRs than for sedimentation tanks. The design of subsurface vertical flow constructed wetlands with seasonally induced high loading periods are approved for the elimination of organic substances. This accepted assumption was confirmed for the plant under investigation operated at a mean COD-load of 20 g/m²/d, not exceeding the effluent control values for COD in six years. In contrast, oxidation of ammonia and nitrite were inhibited by high sulfide levels (mean sulfide concentration: 48 ± 26 mg/L). Nitrite accumulation reached its peak value at 55 mg NO2-N/L and decreased within 4 years below 1 mg/L due to the adaption of nitrite-oxidizing microorganisms.

Vor dem Hintergrund saisonaler Einflussfaktoren stellen ländlich strukturierte Gebiete besondere Anforderungen an Bemessung und Betrieb von Kläranlagen. Tourismus bildet neben landwirtschaftlich bedingten Ernte- und Verarbeitungskampagnen den bedeutendsten Faktor für saisonale Belastungsschwankungen. Da der größte Teil der Fremdenverkehrseinrichtungen über weniger als 100 Übernachtungsplätze verfügt, besteht bei fehlendem Kanalanschluss ein entsprechender Bedarf an Klein- und Kleinen Kläranlagen zur Behandlung der anfallenden Abwässer. Die Bemessung von Kläranlagen der Größenklasse 1 wird bei fehlenden Messwerten auf Grundlage der im ATV-DVWK-A 198 (2003) als 85-%-Perzentil angegebenen einwohnerspezifischen Frachten durchgeführt. Abwasser aus einfachen Fremdenverkehrseinrichtungen wie Campingplätzen und Hütten weist im Vergleich zur üblichen kommunalen Abwasserzusammensetzung bezogen auf CSB und BSB5 höhere Anteile an Stickstoff- und Phosphorverbindungen auf. Die spezifischen Stickstofffrachten liegen i. M. bei 10 – 11 g/P/d, die spezifischen CSB-Frachten bei i. M. 52 – 68 g/P/d. Die tatsächlichen Frachten werden von der Ausstattung (Restaurant, Wäscherei, etc.) der jeweiligen Unterkunft beeinflusst und sind in der Bemessung gesondert zu berücksichtigen. Für die Behandlung saisonal anfallender Abwässer eignen sich Verfahren mit großem vorgeschaltetem Puffervolumen oder Anlagen mit großem internem Puffer, wie z. B. Bodenfilteranlagen. Anaerobe Vorbehandlungsanlagen wie Anaerobic Baffled Reactors (ABR) können bei entsprechenden Temperaturen zur Frachtentlastung nachgeschalteter aerober Stufen beitragen. Unter gemäßigten Klimabedingungen werden inklusive Sedimentationsprozessen in Vorklärbecken i. M. 50 % des zugeführten CSB eliminiert. Aufgrund der starken Temperaturabhängigkeit des CSB-Abbaus, der Dauer des Einfahrbetriebs, der Empfindlichkeit gegenüber zu hohem Schlammabzug und des nicht berechenbaren Feststoffabtriebs ist unter gemäßigten Klimabedingungen und ohne technische Weiterentwicklung des Verfahrens keine über den Wirkungsgrad von Absetzanlagen hinausgehende Eliminationsleistung bei der Bemessung kalkulierbar. Für saisonal belastete Bodenfilter stellt die Abminderung des Flächenbedarfs bzw. die Steigerung der CSB-Flächenbelastung analog zum nicht belasteten Zeitraum eine betriebssichere und wirtschaftliche Lösung dar, bei der die Einhaltung der Mindestanforderungen gewährleistet ist. Bei geforderter Nitrifikation ist aufgrund des hohen TKN-Konzentrationsniveaus im Abwasser aus Fremdenverkehrseinrichtungen ein Wirkungsgrad von > 95 % für die TKN-Elimination erforderlich. Im Abwasser enthaltene Hemmstoffe, insbesondere in Vorkläranlagen gebildetes Sulfid, können die Nitrifikation beeinträchtigen. Dabei werden Ammoniumoxidation und Nitritoxidation gehemmt. Charakteristisch sind hohe NH4-N- und NO2-N-Konzentrationen im Ablauf (Extremwerte bis zu 55 mg NO2-N/l). Während sich Nitritoxidierer über mehrere Jahre an dauerhaft hohe Sulfidkonzentrationen adaptieren können, wird die Ammoniumoxidation direkt über die Sulfidkonzentration beeinflusst. / In rural communities seasonal factors complicate design and operation of wastewater treatment plants. Tourism as well as agricultural harvesting and processing campaigns are the major causes for seasonal load variations. Due to the fact that accommodation capacities in rural tourism industry rarely exceed 100 beds small sewage treatment plants are acquired if a connection to a sewer system is not feasible. Small wastewater treatment plants can be designed using the population equivalents (PE). According to the German Water Association spreadsheet ATV-DVWK-A 198, PEs are defined as the 85-%-percentile input load. Wastewater of basic accommodations like camping sites and lodges contains higher levels of nitrogen and phosphorous compounds than 'standard' domestic wastewater. The mean specific nitrogen loads reach 10 – 11 g/guest/d, the mean specific COD-load 52 – 68 g/guest/d. The special amenities of vacation homes (restaurant, laundry) affect the real loads and have to be considered in dimensioning. Regarding the treatment of seasonal wastewater, processes with large upstream buffer or large internal buffer, such as constructed wetlands, are suitable. Furthermore, at moderate temperatures anaerobic pretreatment devices, like anaerobic baffled reactors (ABR), can reduce the input load to aerobic post treatment stages. An approximate COD elimination of 50 % can be expected by anaerobic degradation and sedimentation in the ABR in combination with upstream primary clarifiers at around 20 °C. Due to the strong temperature dependence, the long start-up-period, the sensitivity towards fail-desludging, the generation of immediate oxygen demand at low temperatures as well as unpredictable sludge overflow events, it does not seem justified to calculate higher design elimination efficiencies for ABRs than for sedimentation tanks. The design of subsurface vertical flow constructed wetlands with seasonally induced high loading periods are approved for the elimination of organic substances. This accepted assumption was confirmed for the plant under investigation operated at a mean COD-load of 20 g/m²/d, not exceeding the effluent control values for COD in six years. In contrast, oxidation of ammonia and nitrite were inhibited by high sulfide levels (mean sulfide concentration: 48 ± 26 mg/L). Nitrite accumulation reached its peak value at 55 mg NO2-N/L and decreased within 4 years below 1 mg/L due to the adaption of nitrite-oxidizing microorganisms.

A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.