Das Prinzip der biologischen Stickstoff- und Phosphorentfernung im Abwasser

Übermäßige Stickstoff- und Phosphorschadstoffe in Gewässern sind die Hauptursache für Wasserumweltprobleme wie Eutrophierung, Algenblüten und Rote Fluten und führen zu einer Reihe von Problemen, darunter Verschlechterung der Wasserqualität, Ungleichgewicht im aquatischen Ökosystem und Gefährdung der Trinkwassersicherheit. Im Vergleich zu chemischen und physikalischen Behandlungsprozessen ist die biologische Stickstoff- und Phosphorentfernungstechnologie aufgrund ihrer Vorteile wie stabile Behandlungseffekte, niedrige Betriebskosten, keine Sekundärverschmutzung und Anpassungsfähigkeit an kommunale und industrielle Abwasserbehandlungsszenarien zum Kernprozess für die fortschrittliche Abwasserbehandlung in aktuellen Kläranlagen geworden. Das Kernprinzip der biologischen Stickstoff- und Phosphorentfernung im Abwasser besteht darin, die Stoffwechselaktivitäten verschiedener funktioneller Mikroorganismen in einer kontrollierten, abwechselnden anaeroben, anoxischen und aeroben Umgebung zu nutzen, um Schadstoffe wie organischen Stickstoff, Ammoniakstickstoff und Gesamtphosphor im Abwasser schrittweise in gasförmige Substanzen umzuwandeln, die entweichen oder sich zu Schlamm verfestigen, der aus dem Gewässer ausgetragen wird, und so eine Wasserreinigung zu erreichen.

Stickstoff im Abwasser liegt in komplexen Formen vor, hauptsächlich einschließlich organischem Stickstoff, Ammoniakstickstoff, Nitritstickstoff und Nitratstickstoff. Bei der biologischen Stickstoffentfernung handelt es sich nicht um einen einzelnen Reaktionsprozess, sondern um eine drei-stufige mikrobielle biochemische Reaktion-Ammoniak, Nitrifikation und Denitrifikation-, die letztendlich verschiedene Formen von Stickstoff in Stickstoffgas umwandelt, ihn aus dem Wasserkörper entfernt und eine vollständige Stickstoffentfernung erreicht. Der gesamte Prozess beruht auf den Stoffwechselaktivitäten verschiedener Bakteriengemeinschaften in ihren spezifischen Umgebungen.

(I) Ammoniakreaktion (Umwandlung von organischem Stickstoff)

Unter aeroben oder anaeroben Bedingungen werden organische Stickstoffschadstoffe im Abwasser, wie Proteine, Harnstoff und Aminosäuren, durch die Zersetzung und den Stoffwechsel ammonisierender Bakterien hydrolysiert und zu anorganischem Ammoniakstickstoff (NH₃-N) oxidiert. Diese Reaktion ist die grundlegende Vorreaktion der biologischen Stickstoffentfernung, lässt sich gut an die Umgebung anpassen und erfordert keine strenge Kontrolle von Parametern wie gelöstem Sauerstoff und Temperatur, sodass sie unter herkömmlichen Abwasserbehandlungsbedingungen reibungslos ablaufen kann. Der Reaktionsprozess wandelt komplexen organischen Stickstoff in einfachen anorganischen Stickstoff um und stellt Substrate für nachfolgende Nitrifikations- und Denitrifikationsreaktionen bereit. Er ist der erste Schritt bei der Stickstoffentfernung.

(II) Nitrifikation (Ammoniak-Stickstoff-Oxidation)

Nitrifikation ist eine Oxidationsreaktion, die von aeroben autotrophen Mikroorganismen dominiert wird und aus zwei Stufen besteht: Nitrifikation und Nitrifikation. Während des gesamten Prozesses ist ausreichend Sauerstoff erforderlich, und die Mikroorganismen weisen langsame Wachstumsraten, lange Generationszyklen und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Umgebungstemperatur, pH-Wert und gelöstem Sauerstoff auf. Die erste Stufe ist die Nitrifikation, bei der nitrifizierende Bakterien Ammoniakstickstoff zu Nitritstickstoff oxidieren; Die zweite Stufe ist die Nitrifikation, bei der nitrifizierende Bakterien Nitritstickstoff weiter zu stabilem Nitratstickstoff oxidieren.

Nitrifizierende Bakterien sind autotroph, das heißt, sie verbrauchen keine organischen Schadstoffe im Abwasser. Stattdessen nutzen sie die chemische Energie, die bei der Oxidation von Ammoniakstickstoff entsteht, als Energiequelle, um Kohlendioxid zu binden und ihre eigenen Stoffe zu synthetisieren. Dieser Prozess ist ein wichtiger Oxidationsschritt bei der Stickstoffentfernung. Er realisiert die Umwandlung von reduzierendem Stickstoff in oxidierenden Stickstoff und stellt Reaktionssubstrate für die anschließende Denitrifizierung bereit.

(III) Denitrifikation (Nitrat-Stickstoff-Entfernung)

Denitrifikation ist eine Reduktionsreaktion, die von anaeroben heterotrophen Mikroorganismen dominiert wird und den letzten Kernschritt der biologischen Stickstoffentfernung darstellt. In einer anaeroben Umgebung ohne molekularen Sauerstoff, die aber Nitratstickstoff enthält, nutzen denitrifizierende Bakterien organische Kohlenstoffquellen im Abwasser als Elektronendonoren, um den bei der Nitrifikationsreaktion erzeugten Nitratstickstoff und Nitritstickstoff schrittweise zu reduzieren und schließlich Stickstoffgas (N₂) zu erzeugen, das an die Wasseroberfläche entweicht und den Stickstoff vollständig aus dem Abwasser entfernt.

Beim Denitrifikationsprozess muss strikt zwischen anaerober und anoxischer Umgebung unterschieden werden: In einer anaeroben Umgebung fehlt molekularer Sauerstoff, sie enthält jedoch gebundenen Sauerstoff (Nitratstickstoff), sodass die Denitrifikationsreaktion normal ablaufen kann. Während es in einer anaeroben Umgebung an gebundenem Sauerstoff mangelt, wird die Denitrifikationsreaktion verhindert. Gleichzeitig ist eine organische Kohlenstoffquelle eine Grundvoraussetzung für die Denitrifikation; Unzureichende Kohlenstoffquellen führen direkt zu einer erheblichen Verringerung der Effizienz der Stickstoffentfernung. In der praktischen Technik wird häufig die Ergänzung mit exogenen Kohlenstoffquellen verwendet, um die Wirksamkeit der Stickstoffentfernung sicherzustellen.

Die wichtigste funktionelle Bakteriengruppe für die biologische Phosphorentfernung sind Polyphosphat-akkumulierende Bakterien (PAOs). Diese Mikroorganismen verfügen über einzigartige Stoffwechseleigenschaften, die es ihnen ermöglichen, unter abwechselnden anaeroben und aeroben Umgebungen einen „Phosphorfreisetzungs--Phosphoraufnahmezyklus“ abzuschließen und letztendlich durch die Ausleitung von überschüssigem Schlamm eine vollständige Phosphorentfernung aus dem Wasserkörper zu erreichen. Im Gegensatz zur Denitrifikation entstehen bei der biologischen Phosphorentfernung keine gasförmigen Nebenprodukte. Stattdessen verfestigt es Phosphate im Wasser innerhalb von Mikroorganismen und setzt sie als Schlamm frei.

(I) Anaerobe Phosphorfreisetzungsphase

In einer streng anaeroben Umgebung, die frei von molekularem Sauerstoff und Nitratstickstoff ist, können Polyphosphat-akkumulierende Bakterien (PABs) keinen externen Sauerstoff für die aerobe Atmung nutzen, wodurch ihre metabolischen Energiequellen eingeschränkt werden. In diesem Zustand zersetzen PPAs die in ihren Zellen gespeicherten Polyphosphate und setzen dabei Energie frei, um organische Kohlenstoffquellen mit niedrigem Molekulargewicht wie flüchtige Fettsäuren (VFAs) aus dem Abwasser zu absorbieren und sie in Polyhydroxyalkanoate (PHAs) zur Speicherung in den Zellen umzuwandeln. Bei diesem Prozess werden intrazelluläre Phosphate in das Abwasser freigesetzt, was zu einem vorübergehenden Anstieg des Phosphorgehalts im Wasser führt. -Dies ist der anaerobe Phosphorfreisetzungsprozess.

(II) Aerobes Stadium der überschüssigen Phosphorabsorption

Wenn die Umgebung in einen aeroben Zustand übergeht, absorbieren PPAs keine organischen Kohlenstoffquellen mehr, sondern zersetzen stattdessen die im anaeroben Stadium gespeicherten PHAs und gewinnen durch die Oxidation und Zersetzung organischer Stoffe eine große Energiemenge. Unter Nutzung dieser Energie absorbieren Polyphosphat-akkumulierende Bakterien (PACs) übermäßig viel Phosphat aus dem Abwasser, und zwar weit mehr als die Menge, die während der anaeroben Phase freigesetzt wird. Das überschüssige Phosphat wird dann als Polyphosphat in den Zellen gespeichert, wodurch eine Phosphoranreicherung und -entfernung aus dem Wasser erreicht wird.

Letztendlich setzen sich die phosphorreichen PACs mit dem Schlamm ab und werden durch die Abwasserschlammeinleitung vollständig aus dem Abwassersystem entfernt, wodurch der gesamte biologische Phosphorentfernungsprozess abgeschlossen ist. Die alternierenden Stoffwechseleigenschaften von PACs sind der Kern der biologischen Phosphorentfernung, und ein stabiler Wechsel der anaeroben -aeroben Umgebung ist entscheidend für die Gewährleistung der Effizienz der Phosphorentfernung.

Die Wirksamkeit der biologischen Stickstoff- und Phosphorentfernung hängt ausschließlich von der mikrobiellen Aktivität ab. Die Stoffwechseleigenschaften der Mikroorganismen bestimmen die zentralen Steuerungsparameter des Prozessablaufs. Zu den Haupteinflussfaktoren zählen zwei Kategorien: Umweltparameter und Wasserqualitätsparameter.

1. Gelöster Sauerstoff: Nitrifikation und aerobe Phosphoraufnahme erfordern ausreichend gelösten Sauerstoff; Die anoxische Denitrifikation erfordert eine streng sauerstoffarme Umgebung. und die anaerobe Phosphorfreisetzung erfordert eine absolut anaerobe Umgebung. Störungen in der Sauerstoffumgebung führen direkt zum Versagen der Stickstoff- und Phosphorentfernung.

2. Gehalt an Kohlenstoffquellen: Sowohl denitrifizierende Bakterien als auch Polyphosphat--ansammelnde Bakterien sind für den Stoffwechsel auf organische Kohlenstoffquellen angewiesen. Wenn das Kohlenstoff{3}}zu-Stickstoff-Verhältnis und das Kohlenstoff-zu-Phosphor-Verhältnis des Abwassers zu niedrig sind, müssen exogene Kohlenstoffquellen wie Natriumacetat und Glucose hinzugefügt werden; Andernfalls kommt es zu einer unvollständigen Stickstoffentfernung und einer geringen Phosphorentfernungseffizienz.

3. pH-Wert und Temperatur: Der optimale pH-Wert für nitrifizierende Bakterien liegt bei 7,5-8,5, während der optimale pH-Wert für Polyphosphat-akkumulierende Bakterien bei 6,5–8,0 liegt. Die optimale Temperatur für Mikroorganismen liegt bei 20-30 Grad. Niedrige Temperaturen verringern die Bakterienaktivität und die Behandlungseffizienz erheblich.

4. Schlammalter: Nitrifizierende Bakterien haben einen langen Generationszyklus und erfordern ein längeres Schlammalter, um das Überleben der Bakterien zu gewährleisten. Polyphosphat-akkumulierende Bakterien haben dagegen ein kürzeres Schlammalter; Eine zu lange Schlammalterung kann zur Phosphorfreisetzung aus dem Schlamm führen. Daher muss der eigentliche Prozess das Schlammalter ausgleichen, um sowohl die Stickstoff- als auch die Phosphorentfernungseffizienz sicherzustellen.

Basierend auf den oben genannten Grundprinzipien der Stickstoff- und Phosphorentfernung hat die Industrie verschiedene ausgereifte Prozesse entwickelt, die alle darauf abzielen, abwechselnde anaerobe, anoxische und aerobe Reaktionsumgebungen zu schaffen. Der A²/O-Prozess ist der klassischste Prozess zur gleichzeitigen Entfernung von Stickstoff und Phosphor. Es schließt nacheinander die Phosphorfreisetzung und Kohlenstoffspeicherung durch Polyphosphat-ansammelnde Bakterien in der anaeroben Zone, die Denitrifikation in der anoxischen Zone und die Nitrifikation und übermäßige Phosphoraufnahme durch Polyphosphat-ansammelnde Bakterien in der aeroben Zone ab. Schließlich wird durch Schlammsedimentation und -austrag eine gleichzeitige Entfernung von Stickstoff und Phosphor erreicht. Darüber hinaus basieren modifizierte A²/O-, SBR- und Oxidationsgrabenprozesse alle auf biochemischen Grundprinzipien und optimieren die Tankstruktur und den Betriebsablauf, um sie an unterschiedliche Anforderungen an die Wasserqualitätsaufbereitung anzupassen.

Der Kern der biologischen Stickstoff- und Phosphorentfernung aus Abwasser besteht darin, die differenzierten Stoffwechseleigenschaften funktioneller Mikroorganismen zu nutzen und die Gewässerumgebung künstlich zu regulieren, um die Umwandlung von Stickstoff- und Phosphorschadstoffen und deren Entfernung aus dem Gewässer zu erreichen. Die Stickstoffentfernung beruht auf den schrittweisen Reaktionen der Ammonifikation, Nitrifikation und Denitrifikation, um eine gasförmige Entfernung zu erreichen, während die Phosphorentfernung auf dem zyklischen Metabolismus von Polyphosphat-akkumulierenden Bakterien-anaerober Phosphorfreisetzung und aerober Phosphoraufnahme- beruht, um eine Schlammverfestigung und -entfernung zu erreichen. Ein gründliches Verständnis seiner biochemischen Prinzipien ist die zentrale Grundlage für die Optimierung von Abwasserbehandlungsprozessen, die Verbesserung der Effizienz der Stickstoff- und Phosphorentfernung und die Lösung des Problems der Eutrophierung in Gewässern. Es bietet auch wichtige theoretische Unterstützung für Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und Verbesserung der Abwasserbehandlung.