Bakterielle Biofilme zur Wasserreinigung: Membranbioreaktoren einer neuen Generation

Biofilme sind nicht einfach nur „Schleim“ auf feuchten Oberflächen, sondern organisierte mikrobielle Gemeinschaften, die sich gezielt für reale Aufgaben der Wasseraufbereitung nutzen lassen. Wenn ein Biofilm mit einer Membrantrennstufe kombiniert wird, entsteht ein kompaktes System, das biologische Umsetzungen (zum Beispiel Stickstoffentfernung) mit einer stabil klaren Ablaufqualität verbindet. Im Jahr 2026 dreht sich die Diskussion weniger darum, ob Membranbioreaktoren funktionieren, sondern darum, wie biofilmgestützte Konzepte zuverlässiger werden, sich leichter reinigen lassen und zu strengeren Einleit- und Wiederverwendungsanforderungen passen.

Warum Biofilme in modernen Membranbioreaktoren wichtig sind

In klassischen Belebtschlammverfahren befinden sich die meisten Mikroorganismen als Schwebebiomasse im Becken. Ein Biofilmansatz bindet einen Teil der Biologie bewusst an Oberflächen: Trägermedien, Fasern, Granulate oder membrannahe Strukturen. Das ist relevant, weil angeheftetes Wachstum zentrale mikrobielle Gruppen (Nitrifizierer, Denitrifizierer und spezialisierte Abbauorganismen) stabilisieren kann und oft robuster auf Schwankungen bei Temperatur, Belastung oder Kohlenstoffverfügbarkeit reagiert. Der Betreiber „hält“ damit mehr aktive Biomasse im System, ohne die Feststoffkonzentration zwangsläufig immer weiter anzuheben.

Biofilmgestützte Konfigurationen werden unter verschiedenen Bezeichnungen beschrieben. In der Abwassertechnik begegnet man häufig Hybridansätzen wie Biofilm–MBR (BF-MBR): Träger fördern das angeheftete Wachstum, während eine Membran die Feststoffabtrennung im Ablauf sicherstellt. In der Trinkwasseraufbereitung oder beim Polishing ist der wasserstoffbasierte Membran-Biofilm-Reaktor (MBfR) ein anderes Konzept: Wasserstoff wird über gasdurchlässige Membranen an einen autotrophen Biofilm geliefert, der Verunreinigungen wie Nitrat auch bei niedrigem organischem Kohlenstoff reduzieren kann.

Aus praktischer Sicht sind diese Systeme interessant, weil sie die Überschussschlammmenge senken können und eine kontrollierbarere biologische Umgebung schaffen. Der Vorteil eines Biofilms bleibt aber nur bestehen, wenn die Anlage so ausgelegt ist, dass der Biofilm die gewünschte Chemie liefert, ohne sich als Fouling-Schicht zu verfestigen, die die Filtration abwürgt oder den Stofftransport blockiert.

MBfR versus BF-MBR: zwei Wege zu Leistung „neuen Typs“

MBfR und BF-MBR lösen unterschiedliche Aufgaben, und eine Verwechslung führt schnell zu falschen Designentscheidungen. Im MBfR ist die Membran typischerweise eine Gasübertragungsgrenze und nicht primär eine Filtrationsbarriere: Wasserstoff diffundiert durch die Membranwand zu einem Biofilm, in dem Bakterien ihn als Elektronendonor nutzen. Das ist besonders relevant, wenn Reduktionsreaktionen in Wasser mit wenig organischem Kohlenstoff erforderlich sind, etwa bei der Nitratentfernung, ohne dafür extern organischen Kohlenstoff dosieren zu müssen.

BF-MBR-Konzepte sind dagegen filtrationsgetriebene Membranbioreaktoren, die Trägermedien oder biofilmfördernde Elemente ergänzen, um die biologische Stabilität zu erhöhen und teils auch den Nettoschlammzuwachs zu reduzieren. Hier hält die Filtrationsmembran (oft Mikrofiltration oder Ultrafiltration) die Biomasse zurück, während der Biofilmanteil die Behandlungsleistung stützen oder die Eigenschaften der Fouling-Bildner verändern soll. In realen Anlagen stellt sich dann sehr konkret die Frage, ob die Träger Fouling und Reinigungsfrequenz tatsächlich senken – oder ob sie neue Probleme einführen (Medienverschleiß, Bruch, ungleichmäßige Durchmischung).

Im Jahr 2026 verdient die Bezeichnung „neue Generation“ nur, wer drei Realitäten gleichzeitig trifft: stabile Umwandlung der Zielstoffe, planbare Membranpflege und belastbares Monitoring. Das bedeutet: Stofftransport (Sauerstoff, Wasserstoff, Substrat) mitdenken, Membranmaterialien und Porenstruktur passend auswählen und ein Betriebsfenster definieren, das saisonale Veränderungen toleriert.

Reaktortechnik: Membranen, Träger und steuerbarer Stofftransport

Ein Membranbioreaktor ist immer ein Gleichgewicht aus Biologie und Physik. Die Membran liefert die Ablaufqualität, ist aber zugleich ein Engpass: Wird der Flux über das hinaus erhöht, was die Foulinglast zulässt, steigt der Transmembrandruck und die Anlage landet dauerhaft im Reinigungsmodus. Biofilmgestützte Designs umgehen dieses Grundgesetz nicht; sie verändern eher das Foulingprofil und das Verhalten der Feststoffe in Membrannähe.

Die Membranauswahl folgt weiterhin den Basics: gewünschte Ablaufqualität, erforderliche Keimbarriere, chemische Beständigkeit und das geplante Reinigungsregime. Polymermembranen sind verbreitet, keramische Membranen tauchen häufiger bei härteren Einsatzbedingungen auf oder wenn Betreiber aggressiver reinigen wollen. In biofilmgestützten Setups rücken allerdings Oberflächeneigenschaften (Hydrophilie, Ladung, Rauheit) und die Modulhydraulik stärker in den Fokus, weil Biofilmwachstum und extrazelluläre Polymersubstanzen den „klebrigen“ Anteil des Fouling verstärken können, wenn der Betrieb nicht sauber geführt wird.

Träger und Biofilmmedien sind nützlich, aber nur, wenn ihre Rolle klar definiert ist. Sie können geschützte Mikrohabitate für langsam wachsende Mikroben schaffen, Nitrifikation bei geringeren Schlammaltern stabilisieren oder Stoßbelastungen abpuffern. Gleichzeitig können Träger den Scherbedarf erhöhen, die Flockengrößenverteilung verschieben und die Menge gelöster mikrobieller Produkte beeinflussen – alles Faktoren, die die Filtration je nach Auslegung verbessern oder verschlechtern. Träger gehören deshalb als Prozessvariable in die Planung, nicht als dekoratives Extra.

Foulingkontrolle: was im Alltag wirklich funktioniert

Fouling zeigt sich im Betrieb meist als sinkende Permeabilität, steigender Transmembrandruck und kürzere Intervalle zwischen Reinigungen. Praktisch hilft eine Schichtung: eine reversible Lage, die sich physikalisch entfernen lässt (Luftspülung, Rückspülen, Relaxation), und ein irreversibler Anteil, der chemische Reinigung erfordert. Biofilmgestützte MBRs haben beide Mechanismen weiterhin; der Unterschied ist, dass Biofilmdynamik und Trägerbewegung das Verhältnis zwischen reversiblem Kuchenschichtfouling und zäher Porenblockade verschieben können.

Die zuverlässigsten Maßnahmen bleiben oft erstaunlich bodenständig: stabile Belüftung (oder Gasspülung in anaeroben Systemen), keine abrupten Flux-Sprünge und Feststoffeigenschaften über die Biologie steuern, statt erst bei Druckspitzen hektisch nachzuregeln. Wenn Trägermedien im Einsatz sind, muss die Durchmischung so eingestellt werden, dass die Medien die Flocken nicht in feine Kolloide „zermahlen“, die deutlich schlechter filtrierbar sind. Auch Temperaturmanagement zählt: höhere Viskosität und langsamere Kinetik in der kalten Saison erhöhen das Foulingrisiko, wenn Fluxziele ganzjährig unverändert bleiben.

Im Jahr 2026 wird Monitoring zunehmend als Teil der Foulingkontrolle verstanden. Erfolgreiche Anlagen verfolgen Permeabilitätstrends, Reinigungserholung und Messgrößen, die mit klebrigen Foulingbildnern korrelieren (zum Beispiel Indikatoren für gelöste mikrobielle Produkte und extrazelluläre Polymere). Ziel ist nicht Datenflut, sondern ein Frühwarnsystem, das zeigt, wenn die Biologie in einen foulinganfälligen Zustand kippt.

Einsatzfelder 2026: Compliance, Mikroschadstoffe und Wasserwiederverwendung

In Europa prägen strengere Erwartungen an Nährstoffentfernung und den Umgang mit Mikroschadstoffen die Technologiewahl. Die Neufassung der EU-Richtlinie zur kommunalen Abwasserbehandlung (Richtlinie (EU) 2024/3019) gilt seit dem 1. Januar 2025 und stärkt unter anderem Anforderungen und den Fokus auf fortgeschrittene Behandlungsstufen für bestimmte Stoffe sowie eine breitere Abdeckung nach Größenklassen. Für viele Betreiber läuft das auf eine sehr praktische Frage hinaus: wie sich konstant hohe Ablaufqualität liefern lässt, ohne Energiebedarf und Betriebskomplexität aus dem Ruder laufen zu lassen.

Biofilmgestützte Membransysteme passen in mehrere Nischen. Für die Nährstoffsteuerung ist eine stabile Nitrifikation und Denitrifikation leichter zu halten, wenn die passenden Mikroben geeignete Anheftungsflächen haben. Für kohlenstoffarme Ströme sind MBfR-Konzepte relevant, weil sie einen Elektronendonor über die Membran einbringen können, statt organischen Kohlenstoff zu dosieren – das kann Nebenprodukte reduzieren und die nachgeschaltete Aufbereitung vereinfachen.

Bei Wiederverwendungsprojekten sind Membranen häufig ein Schlüssel, weil sie Schwebstoffe und einen großen Teil von Mikroorganismen zuverlässig zurückhalten und so ein robustes Zulaufwasser für Polishing-Stufen liefern (zum Beispiel Aktivkohle, Ozonung oder fortgeschrittene Oxidationsverfahren – abhängig vom Wiederverwendungsziel). Der Biofilmanteil ist dann hilfreich, wenn er die Variabilität reduziert, die sonst die nachgeschaltete Kette belasten würde.

Reale Grenzen und Risiken: Wasserstoffsicherheit, Nebenwirkungen, Wartbarkeit

Kein „neuartiger“ Bioreaktor ist automatisch unkompliziert. MBfR-Designs arbeiten mit Wasserstoff – ein sauberer Elektronendonor, der aber disziplinierte Sicherheitstechnik verlangt: Leckagemanagement, gute Lüftung, Kontrolle von Zündquellen und klare Betriebsanweisungen. Es geht nicht darum, das System dramatischer zu machen, sondern Wasserstoff wie jedes andere Industriegas mit etablierten Schutzmaßnahmen zu behandeln.

Nebenwirkungen und Wasserchemie müssen offen betrachtet werden. Jede biologische Reduktion kann die Alkalinität verschieben, den pH-Wert beeinflussen und das Gasgleichgewicht verändern. Bei der Nitratreduktion zählt deshalb die Kontrolle von Zwischenprodukten und ein stabiler Endzustand zum verantwortlichen Design. Bei BF-MBR-Systemen ist das Risiko oft nicht ein „neuer“ Schadstoff, sondern eine Veränderung gelöster organischer Stoffe, die nachgeschaltete Prozesse oder Desinfektion beeinflussen kann.

Wartbarkeit entscheidet häufig über Erfolg oder Scheitern im großen Maßstab. Anlagen sollten für einfachen Membranzugang, realistische Cleaning-in-Place-Routinen und klare Kriterien ausgelegt sein, ab wann physikalische Reinigung nicht mehr genügt. Wenn ein Konzept ständig Spezialwissen und permanente Eingriffe erfordert, passt es nicht zur Personalsituation vieler Betriebe. Gute 2026-Designs fallen „kontrolliert“ aus, geben klare Signale vor einem Leistungsabsturz und lassen sich mit Standardwerkzeugen wieder stabilisieren.