Im täglichen Betrieb der Abwasserbehandlung fallen häufig zwei Begriffe: Nitrifikation und Denitrifikation. Viele Neulinge in der Abwasseraufbereitung neigen dazu, diese beiden Konzepte zu verwechseln. Trotz ihrer ähnlichen Namen, die sich beide um das Zeichen „硝“ drehen, spielen sie tatsächlich völlig unterschiedliche Rollen in der Abwasseraufbereitung.
Vereinfacht ausgedrückt ist die Nitrifikation für die Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitrat verantwortlich, während die Denitrifikation für die Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas verantwortlich ist. Bei dem einen handelt es sich um einen Oxidationsprozess, bei dem anderen um einen Reduktionsprozess. Die beiden Prozesse sind wie ein Staffellauf, und nur wenn sie koordiniert abgeschlossen werden, kann Stickstoff im Abwasser wirklich entfernt werden.
Sobald dieser Punkt verstanden ist, wird die Logik hinter verschiedenen Stickstoffentfernungsprozessen wie A/O, AAO und Oxidationsgraben viel klarer.
I. Nitrifikation: Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitrat
In häuslichen Abwässern und vielen Industrieabwässern liegt Stickstoff hauptsächlich in Form von Ammoniakstickstoff vor. Bei direkter Einleitung von Ammoniakstickstoff in Gewässer kann es leicht zur Eutrophierung kommen und auch toxische Wirkungen auf Wasserorganismen wie Fische haben. Daher müssen Kläranlagen zunächst Ammoniakstickstoff umwandeln.
Dieser Umwandlungsprozess wird als Nitrifikation bezeichnet.
Bei der Nitrifikation handelt es sich eigentlich um einen von Mikroorganismen durchgeführten Oxidationsprozess, der grob in zwei Schritte unterteilt werden kann:
Der erste Schritt ist die Oxidation von Ammoniakstickstoff zu Nitrit
Schritt 2: Nitrit wird weiter zu Nitrat oxidiert
Der gesamte Prozess erfordert ausreichend Sauerstoff, daher findet die Nitrifikation typischerweise in aeroben Umgebungen wie Belebungsbecken oder biochemischen MBR-Tanks statt.
Die an diesem Prozess beteiligten Mikroorganismen werden als nitrifizierende Bakterien bezeichnet. Sie unterscheiden sich von gewöhnlichen heterotrophen Bakterien dadurch, dass sie zur autotrophen Kategorie gehören und ihre Energie hauptsächlich aus anorganischen Substanzen beziehen. Ihre Wachstumsrate ist relativ langsam und sie reagieren auch empfindlich auf Umweltveränderungen.
Dies ist auch der Grund, warum es bei vielen Kläranlagen im Winter zu einem Rückgang der Nitrifikationsleistung kommt.
II. Denitrifikation: Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas
Obwohl die Nitrifikation das Problem des Ammoniakstickstoffs gelöst hat, ist der Stickstoff im Wasser zu diesem Zeitpunkt noch nicht wirklich verschwunden; es hat sich lediglich von einer Form in eine andere verwandelt. Um Stickstoff wirklich aus dem Abwasser zu „entfernen“, muss der zweite Schritt - Denitrifizierung - abgeschlossen werden.
Denitrifikation ist ein Reduktionsprozess. In einer anaeroben Umgebung nutzen Mikroorganismen den Sauerstoff im Nitrat und reduzieren ihn schrittweise zu Stickstoffgas. Der Reaktionsweg ist ungefähr wie folgt:
Nitrat → Nitrit → Lachgas → Lachgas → Stickstoff
Das letztendlich erzeugte Stickstoffgas (N₂)* wird in gasförmiger Form an die Luft abgegeben, wodurch der Stickstoff im Abwasser tatsächlich entfernt wird. Die Mikroorganismen, die diesen Prozess abschließen, werden denitrifizierende Bakterien genannt. Im Gegensatz zu nitrifizierenden Bakterien gehören sie zu den heterotrophen Bakterien und benötigen organischen Kohlenstoff als Energiequelle.
Dies ist auch der Grund, warum viele Kläranlagen bei der Stickstoffentfernung Kohlenstoffquellen hinzufügen müssen.
III. Mehrere wesentliche Unterschiede zwischen Nitrifikation und Denitrifikation
Wenn wir diese beiden Prozesse zusammen betrachten, werden wir feststellen, dass sie in vielerlei Hinsicht diametral entgegengesetzt sind.
1. Unterschiedliche Sauerstoffbedingungen
Die Nitrifizierung muss in einer aeroben Umgebung erfolgen, wobei typischerweise der Gehalt an gelöstem Sauerstoff bei etwa 2 mg/L gehalten werden muss.
Für die Denitrifikation ist eine anaerobe Umgebung erforderlich, in der der gelöste Sauerstoff unter 0,5 mg/L gehalten wird. Bei zu viel Sauerstoff verwerten denitrifizierende Bakterien lieber Sauerstoff als Nitrat.
Vereinfacht ausgedrückt, gedeiht die Nitrifikation in Sauerstoff, während die Denitrifikation durch Sauerstoff gehemmt wird.
2. Verschiedene Arten von Mikroorganismen
Die Nitrifizierung erfolgt hauptsächlich durch nitrifizierende Bakterien, zu denen Nitrosomonas und Nitrobacter gehören
Diese Bakterien gehören zu den autotrophen Bakterien, die langsam wachsen und ein längeres Schlammalter benötigen.
Die Denitrifikation erfolgt durch denitrifizierende Bakterien, die zur Kategorie der heterotrophen Bakterien gehören und eine relativ schnellere Wachstumsrate aufweisen.
3. Unterschiedliche Anforderungen an die Kohlenstoffquelle
Nitrifizierende Bakterien nutzen hauptsächlich anorganische Substanzen zur Energiegewinnung und sind im Allgemeinen nicht auf organische Kohlenstoffquellen angewiesen.
Denitrifizierende Bakterien benötigen organischen Kohlenstoff als Elektronenspender. Wenn die verfügbare organische Substanz im Abwasser nicht ausreicht, ist es daher oft notwendig, externe Kohlenstoffquellen wie Natriumacetat, Methanol und Glucose hinzuzufügen.
Beim Betrieb vieler Abwasseranlagen ist eine unzureichende Kohlenstoffquelle oft ein wesentlicher Faktor, der die Effizienz der Stickstoffentfernung beeinträchtigt.
4. Der Ort des Auftretens ist unterschiedlich
Bei gängigen Verfahren zur Stickstoffentfernung sind beide üblicherweise in unterschiedlichen Reaktionszonen angeordnet.
Beispielsweise bei A/O- oder AAO-Prozessen:
Anoxisches Becken - Denitrifikation Aerobes Becken - Nitrifikation
Das durch die Nitrifikation entstehende Nitrat kehrt über die interne Rezirkulation in die anoxische Zone zurück, wo es durch denitrifizierende Bakterien weiter umgewandelt wird.
5. Unterschiedliche Endergebnisse
Das Ergebnis der Nitrifikation ist eine Abnahme des Ammoniakstickstoffs und eine Zunahme des Nitrats
Das Ergebnis der Denitrifikation ist die Reduzierung von Nitrat und die Produktion von Stickstoffgas
Mit anderen Worten: Stickstoff kann das Gewässer erst verlassen, wenn die Denitrifikation abgeschlossen ist.
IV. Eigentlich handelt es sich um einen Staffellauf
Aus ganzheitlicher Sicht handelt es sich bei Nitrifikation und Denitrifikation nicht um zwei unabhängige Prozesse, sondern um zwei aufeinanderfolgende Schritte der biologischen Stickstoffentfernung.
Der gesamte Stickstoffumwandlungsprozess kann einfach wie folgt verstanden werden:
Ammoniakstickstoff → Nitritstickstoff → Nitratstickstoff → Nitritstickstoff → Stickstoffgas
Die Nitrifikation ist für die Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitrat verantwortlich, während die Denitrifikation dafür verantwortlich ist, Nitrat wieder in Stickstoffgas zu reduzieren.
Die beiden sind wie ein Staffellauf miteinander verbunden.
Wenn nur Nitrifikation und keine Denitrifikation stattfindet, führt das Nitrat im Wasser dennoch zur Eutrophierung.
Findet keine Nitrifikation statt, fehlen „Rohstoffe“ für die Denitrifikation.
Aus diesem Grund umfassen die meisten Prozesse zur Stickstoffentfernung sowohl aerobe als auch anoxische Zonen.
V. Fazit
Im Bereich der Abwasserbehandlung mögen viele Konzepte ähnlich erscheinen, doch die zugrunde liegende Logik ist eine völlig andere.
Nitrifikation und Denitrifikation sind ein typisches Paar.
Der eine tritt in einer aeroben Umgebung auf, der andere in einer anaeroben Umgebung;
Einer ist für die Oxidation von Ammoniakstickstoff verantwortlich, der andere für die Nitratreduzierung;
Nur wenn beides kombiniert wird, kann ein vollständiger biologischer Stickstoffentfernungsprozess entstehen.
Nachdem wir dies verstanden haben, können wir bei der Betrachtung verschiedener Verfahren zur Stickstoffentfernung wie A/O, AAO und Oxidationsgraben erkennen, dass sie alle um diese beiden Schritte herum optimiert und kombiniert sind.
Viele komplexe Prozesse in der Abwasseraufbereitung schaffen letztlich tatsächlich eine geeignete „Arbeitsumgebung“ für diese Mikroorganismen.