Im Bereich der Abwasserbehandlung ist die biologische Umwandlung von Stickstoff der Kernprozess zur Stickstoff- und Phosphorentfernung und zur Einhaltung von Emissionsnormen. Bei diesem Prozess handelt es sich nicht um eine einzelne Reaktion, sondern um den koordinierten Abschluss von drei Schlüsselschritten: Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation. Zusammen wandeln diese Schritte nach und nach komplexen organischen Stickstoff und anorganischen Stickstoff im Abwasser in harmloses Stickstoffgas um und reduzieren so die Stickstoffbelastung in Gewässern grundlegend.
Einführung
Stickstoff im Abwasser liegt hauptsächlich in Form von organischem Stickstoff (wie Protein und Harnstoff) und Ammoniakstickstoff vor. Direkte Einleitungen können zu Umweltproblemen wie der Eutrophierung von Gewässern führen. Biologische Behandlungsmethoden mit ihren Vorteilen hoher Effizienz und Wirtschaftlichkeit sind zur gängigen Technologie zur Stickstoffentfernung aus Abwasser geworden. Das Kernprinzip besteht darin, die Stoffwechselaktivitäten verschiedener Mikroorganismen unter bestimmten Umweltbedingungen zu nutzen, um Stickstoffelemente schrittweise umzuwandeln und letztendlich eine gasförmige Entfernung aus Gewässern in die Atmosphäre zu erreichen. Im Folgenden wird der Kernmechanismus dieses Prozesses systematisch analysiert.
I. Ammonifikation: die Umwandlung von organischem Stickstoff in ammoniakalischen Stickstoff
Ammonifikation ist der erste Schritt bei der Stickstoffentfernung aus Abwasser und bezieht sich auf die Umwandlung organischer Stickstoffverbindungen in
Der Prozess wird vor allem durch ammonisierende Bakterien erleichtert. Abhängig vom Sauerstoffgehalt der Umgebung kann es in zwei Wege eingeteilt werden: aerobe Umwandlung und anaerobe Umwandlung
1. Aerobe Transformation
Unter aeroben Bedingungen nehmen Mikroorganismen wie Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus und fakultativ Proteus vulgaris an der Reaktion teil und bauen hauptsächlich organischen Stickstoff über zwei Hauptmechanismen ab:
• Oxidative Desaminierung: Unter der Katalyse von Oxidasen verlieren Aminosäuren nach und nach ihre Aminogruppen, wodurch Ketosäuren und Ammoniak entstehen.
Am Beispiel Alanin:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionsäure → Brenztraubensäure + Ammoniak)
• Hydrolyse von Ammoniak: Unter der Wirkung hydrolytischer Enzyme werden stickstoffhaltige organische Verbindungen wie Harnstoff zu Ammoniak hydrolysiert.
Harnstoffhydrolysereaktion:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Zu den an diesem Prozess beteiligten Bakterien gehören aerobe Bakterien wie Enterococcus faecalis und Bacillus urea.
2. Anaerobe Umwandlung
In anaeroben oder sauerstoffarmen Umgebungen vervollständigen anaerobe und fakultativ anaerobe Mikroorganismen die Ammonifizierung auf drei Wegen:
• Reduktion und Desaminierung:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Ammoniakentfernung auf Wasserbasis-:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehydrierung und Desaminierung:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikation: Oxidation von Ammoniakstickstoff zu Nitratstickstoff
Die Nitrifikation ist die zweite Kernreaktion, die NH3-N zu NOx-N oxidiert, die synergistisch durch Nitritbakterien und Nitratbakterien vervollständigt wird und in zwei Stufen unterteilt ist: Nitrierung und Nitrifikation
1. Reaktionsmechanismus
• Nitritationsreaktion (dominiert durch Nitritbakterien):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikationsreaktion (dominiert durch Nitrobakterien):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Gesamtreaktionsformel:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Wesentliche Prozessmerkmale
• Hoher Sauerstoffbedarf: Theoretischer Verbrauch von 4,2 g pro Entfernung von 1 g, daher muss die Nitrifikationsreaktion unter ausreichenden Belüftungsbedingungen durchgeführt werden.
• Geringe Wachstumsrate: Nitrifizierende Bakterien haben eine extrem geringe Zellausbeute und sind in den kalten Wintermonaten anfälliger für unzureichende Aktivität. Daher ist es notwendig, eine hohe Schlammkonzentration aufrechtzuerhalten, um die Effizienz der Behandlung sicherzustellen.
• Alkalinitätsverbrauch: Die Reaktion erzeugt eine große Menge an H+.. Theoretisch werden 7,54 g Alkalität (berechnet als CaCO3) pro 1 g Oxidation verbraucht. Es ist notwendig, die pH-Stabilität des Systems durch Zugabe alkalischer Mittel aufrechtzuerhalten.
III. Denitrifikation: Reduktion von Nitratstickstoff zu Stickstoffgas
Denitrifikation ist der letzte Schritt bei der Stickstoffentfernung aus Abwasser. Es bezieht sich auf den Prozess, bei dem denitrifizierende Bakterien NOx-N und andere Stickoxide als Elektronenakzeptoren unter anaeroben oder Sauerstoffmangelbedingungen (DO < 0,3–0,5 mg/l) zu Stickstoffgas oder gasförmigen Stickoxiden reduzieren.
1. Reaktionsmechanismus
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Vollständige Reduktionsreaktion (am Beispiel organischer Verbindungen als Elektronendonatoren):
NO3−+5[H] (Elektronendonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (Elektronendonator) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Anforderungen an die Kohlenstoffquelle und mikrobielle Eigenschaften
• Kohlenstoffquellenverbrauch: Theoretisch sind 2,86 g Kohlenstoffquelle erforderlich, um 1 g Nitratstickstoff in N2 umzuwandeln, und 1,71 g organisches Material sind erforderlich, um 1 g Nitritstickstoff umzuwandeln.
• Vielfalt an Elektronendonoren: [H] kann durch organische Verbindungen, Sulfide usw. bereitgestellt werden und bietet mehrere Optionen für Kohlenstoffquellen zur Prozessoptimierung.
• Mikrobielle Eigenschaften: Denitrifizierende Bakterien sind meist fakultative Bakterien, die in Gegenwart von Sauerstoff mit O2 als terminalem Elektronenakzeptor atmen und in Abwesenheit von Sauerstoff NOx−N zur Atmung nutzen. Diese Eigenschaft ist die zentrale Grundlage des anoxischen Denitrifikationsprozesses.
Zusammenfassung
Die biologische Umwandlung von Stickstoff im Abwasser ist ein Kettenprozess, der miteinander verbunden ist:
Durch die Ammonifikation werden organische Stickstoffmoleküle abgebaut und Ammoniakstickstoff freigesetzt.
Bei der Nitrifikation handelt es sich um die allmähliche Oxidation von Ammoniakstickstoff zu Nitratstickstoff in einer aeroben Umgebung.
Durch Denitrifikation wird Nitratstickstoff in anoxischen Umgebungen zu Stickstoffgas reduziert, wodurch letztendlich Stickstoff aus Gewässern in die Atmosphäre entfernt wird.
Der effiziente Betrieb dieses Prozesses beruht auf der präzisen Kontrolle wichtiger Parameter wie Sauerstoffgehalt, Alkalität, Kohlenstoffquelle und Temperatur und dient als zentrale technische Unterstützung für eine stabile Stickstoffentfernung in modernen städtischen Abwasseranlagen und industrieller Abwasserbehandlung.