Phosphor-Der Übeltäter hinter Wasser-„Fettleibigkeit“
Wenn Ammoniakstickstoff das „Gift“ von Gewässern ist, dann ist Phosphor der „Dünger“. Übermäßige Phosphoreinträge in Gewässer führen zu einem unkontrollierten Algenwachstum, das zur Eutrophierung führt und das Wasser letztlich in einen „grünen Brei“ verwandelt. Aus diesem Grund werden die Umweltstandards für Gesamtphosphor immer strenger (Klasse-A-Standard: 0,5 mg/L).
Wie genau wird Phosphor aus Abwasseraufbereitungssystemen entfernt?
Es gibt drei Hauptmethoden: chemische Phosphorentfernung, biologische Phosphorentfernung und einige Hilfstechnologien.
I. Chemische Phosphorentfernung-Eine einfache, brutale und stabile „Sedimentationsmethode“
1.1 Grundprinzipien
Der Kern der chemischen Phosphorentfernung ist die Partikelumwandlung und Adsorptionsschlammentfernung. Durch die Zugabe von Chemikalien zum Abwasser werden lösliche Phosphate in unlösliche Partikel umgewandelt, die dann vom Belebtschlamm adsorbiert und durch die Schlammentfernung entfernt werden.
Dieser Prozess umfasst eigentlich zwei Schritte:
Partikelumwandlung: Gelöste Phosphationen (PO43-) reagieren mit Metallionen zu unlöslichen Phosphatpartikeln.
Adsorption und Schlammentfernung: Feine Partikel haften aneinander oder werden vom Belebtschlamm adsorbiert, wodurch der Gesamtphosphor durch die Schlammentfernung reduziert wird.
Hinweis: Einige Leute glauben, dass das Prinzip der Phosphorentfernung darin besteht, dem Abwasser Metallsalzmittel zuzusetzen, wodurch aus löslichem Phosphat unlösliche Partikel werden, die dann ausfallen und ausgeschieden werden. Dies weicht von der in diesem Artikel vertretenen Sichtweise ab.
1.2 Häufig verwendete Wirkstoffe und Reaktionsprinzipien
Der Kern der Phosphorentfernung aus Eisen-/Aluminiumsalzen ist die Reaktion von Metallionen mit Phosphat unter Bildung schwerlöslicher Salze, die für neutrale und saure Bedingungen geeignet sind. Die Entfernung von Kalkphosphor hingegen erfordert eine Umgebung mit hohem pH-Wert, um Calciumphosphatniederschläge zu bilden, erfordert jedoch einen hohen pH-Wert und eine anschließende pH-Wert-Anpassung und erzeugt auch eine große Menge Schlamm.
1.3 Drei Dosierungsmethoden
Die chemische Phosphorentfernung kann je nach Dosierungsort in drei Kategorien eingeteilt werden. Ich persönlich empfehle eine Phosphorentfernung nach-, die eine unabhängige Kontrolle und einfache Anpassung ermöglicht.
II. Biologische Phosphorentfernung-Die „innere Stärke“ von Mikroorganismen
2.1 Hauptakteur: Polyphosphat-akkumulierende Organismen (PAO)
Die Hauptakteure bei der biologischen Phosphorentfernung sind eine spezielle Art von Bakterien-polyphosphatakkumulierende Organismen (PAOs). Sie verfügen über eine bemerkenswerte Fähigkeit: Unter aeroben Bedingungen können sie übermäßig viel Phosphor aus dem Abwasser aufnehmen, was dazu führt, dass der Phosphorgehalt in ihren Zellen um ein Vielfaches höher ist als bei gewöhnlichen Bakterien.
2.2 Zwei-Stufenzyklus-Anaerobe Phosphorfreisetzung, aerobe Phosphoraufnahme
Der Phosphorentfernungsprozess von PAOs erfordert abwechselnde anaerobe und aerobe Umgebungen:
Stufe 1: Anaerobe Phosphorfreisetzung
Unter anaeroben Bedingungen ohne gelösten Sauerstoff oder molekularen Sauerstoff hydrolysieren PAOs Polyphosphate in ihren Zellen zu Orthophosphaten und geben sie an das Wasser ab.
Die freigesetzte Energie wird verwendet, um flüchtige Fettsäuren (VFAs) im Wasser zu absorbieren und so die intrazelluläre Kohlenstoffspeicherverbindung PHB zu synthetisieren.
Während dieser Phase erhöht sich tatsächlich die Phosphorkonzentration im Wasser. -Keine Panik, dies dient dazu, sich auf den späteren „Verzehr“ von noch mehr Phosphor vorzubereiten.
Stufe 2: Aerobe Phosphoraufnahme
Beim Eintritt in eine aerobe Umgebung zersetzen Polyphosphat-akkumulierende Bakterien (PABs) gespeichertes PHB in ihren Zellen, um Energie zu gewinnen.
Sie absorbieren übermäßig lösliche Orthophosphate aus dem Wasser und speichern sie als Polyphosphate in ihren Zellen.
Die aufgenommene Phosphormenge übersteigt die im anaeroben Stadium freigesetzte Menge bei weitem.
Dritte Stufe: Schlammentfernung und Phosphorentfernung
Der dabei entstehende phosphorreiche Schlamm wird als Überschussschlamm abgeführt, wodurch der Phosphor vollständig aus dem Wasser entfernt wird.
Aus energetischer Sicht setzen PPBs Phosphor frei, um Energie zu gewinnen, indem sie organisches Material unter anaeroben Bedingungen absorbieren, und bauen organisches Material ab, um Energie zu gewinnen, indem sie Phosphor unter aeroben Bedingungen absorbieren, wodurch ein vollständiger Energiekreislauf entsteht.
2.3 Mainstream-biologische Phosphorentfernungsprozesse
Der A²/O-Prozess ist derzeit der gebräuchlichste gleichzeitige Stickstoff- und Phosphorentfernungsprozess. Die Nitrifikation erfolgt im aeroben Stadium, die Denitrifikation im anoxischen Stadium und die Phosphorfreisetzung im anaeroben Stadium, wobei die drei Bakterienarten synergetisch wirken. Es hat jedoch einen inhärenten Nachteil: Nitrate im zurückgeführten Schlamm können in die anaerobe Zone gelangen und die Effizienz der Phosphorentfernung beeinträchtigen. Um diesem Problem zu begegnen, wurden modifizierte Verfahren wie das UCT-Verfahren und invertiertes A²/O entwickelt.
2.4 Faktoren, die die biologische Phosphorentfernung beeinflussen
Besonderes Augenmerk sollte auf den Einfluss des pH-Wertes gelegt werden: Wenn der pH-Wert plötzlich sinkt, steigt die Phosphorkonzentration sowohl in der anaeroben als auch in der aeroben Zone stark an. Diese durch den pH-Wert-Abfall verursachte Phosphorfreisetzung ist „zerstörerisch“-nicht nur unwirksam, sondern führt auch zu einer Verringerung der anschließenden aeroben Phosphoraufnahmekapazität.
2.5 Wirtschaftlicher Vergleich zweier unterschiedlicher Phosphorentfernungsverfahren
Für die biologische Phosphorentfernung sind Kohlenstoffquellen erforderlich. Für einige Kläranlagen ohne Kohlenstoffquellen ist die chemische Phosphorentfernung aus wirtschaftlicher Sicht günstiger als die biologische Phosphorentfernung. Der Vorteil der biologischen Phosphorentfernung besteht jedoch darin, dass weniger Schlamm entsteht und keine externen Chemikalien erforderlich sind.
III. Andere Technologien zur Phosphorentfernung
3.1 Phosphorentfernung in bebauten Feuchtgebieten
Diese Methode nutzt mehrere Prozesse wie die Absorption von Feuchtgebietspflanzen, die Substratadsorption und die mikrobielle Transformation, um Phosphor synergistisch zu entfernen. Seine Vorteile sind niedrige Kosten, hohe Effizienz und Umweltfreundlichkeit; Seine Nachteile sind der große Flächenbedarf und der saisonale Einfluss.
3.2 Interne Elektrolysemethode mit Eisenflocken
Im Säuerungsbecken ist eine Füllschicht aus Eisenschrott eingebaut. Der Eisenschrott wird in einer sauren Umgebung einer internen Elektrolyse unterzogen, wodurch Fe²⁺ entsteht, das bei der anschließenden Belüftung zu Fe³⁺ oxidiert wird und mit Phosphationen einen Niederschlag bildet. Diese Methode ist kostengünstig und erfordert keine Änderungen am bestehenden Prozess, allerdings ist eine regelmäßige Wartung der Rückspülung erforderlich.
IV. Wie wählt man eine Methode zur Phosphorentfernung?
Abwasser, das Klasse A (0,5 mg/L) erfordert: Es ist unwahrscheinlich, dass biologische Methoden allein den Standard dauerhaft erfüllen. Ergänzend wird eine chemische Phosphorentfernung empfohlen. Die Phosphorentfernung erfordert jedoch ein niedriges Schlammalter, während die Denitrifizierung ein hohes Schlammalter erfordert, was zu Konflikten führt und die Kontrolle erschwert (es ist ein Kompromiss).
Kohlenstoffarmes Abwasser: Die biologische Entfernung von Phosphor ist kostspielig; Als Alternative wird eine chemische Phosphorentfernung empfohlen.