Chemische Prozessabwässer weisen oft hohe Konzentrationen an Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) auf, die in ihrem Verhältnis zueinander starken Schwankungen unterlegen sind. Bei biologischer Reinigung dieser Abwässer in einem industriellen Belebtschlammverfahren spielt die effektive Entfernung eutrophierender Stickstoffverbindungen eine Schlüsselrolle für den Gewässerschutz Die industrielle Kläranlage C600 der Currenta GmbH & Co. OHG in Dormagen umfasst einen zweistufigen, voneinander räumlich getrennten, Abbau von C und N mit getrennten Schlammkreisläufen um die hohen Frachten an Kohlenstoff und Stickstoff zu entfernen. Dabei haben die Mikroorganismen der jeweiligen biologischen Stufe individuelle Anforderungen bezüglich ihrer Versorgung mit Sauerstoff und Kohlendioxid. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte ein auf die biologischen Bedürfnisse angepasstes Belüftungskonzept entwickelt werden, welches unter Nutzung von Synergieeffekten zu höherer Prozesssicherheit und optimierter Entsorgungsleistung beiträgt. Im Fokus standen hierbei die biologischen Prozesse zur Stickstoffentfernung „Nitrifikation“ und „Denitrifikation“. Durch die Einführung eines internen Abluftrecyclings konnte eine höhere Denitrifikationskapazität und eine reduzierte Abluftemission für die Becken der C-Stufe erreicht werden. Das Konzept wurde in einem Betriebsversuch verifiziert und anschließend für die gesamte Stufe übernommen. Ein Einsatz von Reinsauerstoff in der Nitrifikation zeigte in kontinuierlich betriebenen Laborversuchen keine direkte Beeinträchtigung der biologischen Aktivität, jedoch konnte in einer weiteren Versuchsreihe eine massive Leistungs-beeinträchtigung durch Mangel an anorganischem Kohlenstoff (IC) festgestellt werden. Mit der Zufuhr von gasförmigem CO2 wurde diese Mangelsituation behoben und der biologische Prozess kann sogar ohne jegliche Zufuhr einer anderen Kohlenstoffquelle bei hohen Belastungen erfolgreich ablaufen. Durch mathematische Modellierung und die Etablierung von Infrastruktur zur optimierten Prozessüberwachung können nun kritische Werte bezüglich der IC-Versorgung von Nitrifikanten frühzeitig erkannt, und bei Bedarf durch die in dieser Arbeit vorgeschlagenen Konzepte gesteuert werden. Anhand der ausgewerteten Prozessdaten im Zeitraum 2012 bis 2018 wurde keine leistungsbeeinträchtigende IC-Limitierung festgestellt. Die hier dargestellten Ansätze könnten jedoch zur Optimierung anderer biologischer Stickstoffentsorgungsprozesse beitragen (z.B. Anammox und Sickerwasserbehandlung). Für einen geplanten Ausbau der großtechnischen Nitrifikationsstufe wurden relevante Abwasserparameter, die Einfluss auf den Stofftransfer zwischen Gas- und Flüssigphase nehmen, in Gasabsorptionsversuchen ermittelt. Entgegen dem allgemeinen Konsens, dass gelöste Salze zu einem starken Anstieg der Stoffübergangsrate beitragen, war dieser Effekt im Zulaufstrom der Nitrifikation nicht erkennbar. In diesem Fall wurden nichtionische Tenside als der Abwasserinhaltsstoff mit dem signifikantesten Effekt ausgemacht. Ein einjähriges Monitoring der Stoffübergangswerte zeigte, dass Stofftransportraten innerhalb eines gewissen Zeitraums sehr stark variieren und somit für industrielle Kläranlagen ein ausgedehntes Messprogramm notwendig ist um belastbare Auslegungsparameter für das Belüftungssystem zu generieren.