Belebtschlamm verstehen (II) – Wie man Mikroorganismen „reproduktiv“ hält!

Vorwort: Im vorherigen Dokument wurden der Ursprung und die mikrobielle Gemeinschaftsstruktur von Belebtschlamm erörtert. Der Schwerpunkt dieses Dokuments liegt darauf, „wie man die Fortpflanzung von Mikroorganismen aufrechterhält“. Wir alle wissen, dass Organismen (Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen) auf natürliche Weise in einen Fortpflanzungszustand übergehen, wenn die Umgebung für die Fortpflanzung geeignet ist; Wenn sich die Umwelt verschlechtert, hören Organismen auf, sich zu vermehren. Wenn wir das menschliche „Fortpflanzungsbedürfnis“ als Vergleich nehmen, stehen junge Menschen heute vor drei großen Herausforderungen: Bildung, Gesundheitsversorgung und Wohnen. Diese drei Aspekte wirken sich maßgeblich auf ihre Kinderbereitschaft aus. Natürlich haben Mikroorganismen nicht so viele Ansprüche, sie brauchen auch keine Autos oder Häuser. Solange die Wasserumgebung die Anforderungen an Temperatur, gelösten Sauerstoff, pH-Wert und Nährstoffe erfüllt, können sie schnell wachsen!

Mikroorganismen haben ihre eigene Wachstumskurve und ihr Wachstumsprozess ändert sich mit der Verfügbarkeit von Nährstoffen. In einer definierten Umgebung, unbeeinflusst von äußeren Faktoren, entspricht die Wachstumskurve von Mikroorganismen dem untenstehenden Diagramm. Der Wachstumsprozess umfasst vier Phasen: Anpassung (Anpassungsphase), logarithmische Wachstumsphase, Verzögerungswachstumsphase und endogene Atmung. Wenn Mikroorganismen in eine neue Umgebung eindringen, gibt es eine Anpassungsphase, in der ihre Zahl relativ stabil bleibt.

Schlammwachstumskurve (d. h. mikrobielle Wachstumskurve)

Die Konzentration der Mikroorganismen hat einen Anfangswert, der die bei der Erstinbetriebnahme des biologischen Klärbeckens zugesetzte Schlammmenge darstellt. Mit der Zeit nimmt die Schlammkonzentration allmählich zu. Im Allgemeinen kann die Schlammkonzentration in einem aeroben biologischen Behandlungsbecken zwischen 3000 und 5000 mg/L gehalten werden. Die Schlammkonzentration hängt von der BSB-Konzentration des Zulaufs ab; Je höher die BSB-Konzentration, desto höher kann die Schlammkonzentration aufrechterhalten werden.

Im tatsächlichen Betrieb des biologischen Klärbeckens wird die Schlammkonzentration zwischen der Wachstumsverzögerungsphase und der endogenen Atmungsphase aufrechterhalten. Es ist zu erkennen, dass die Schlammkonzentration je nach Betriebsweise des biologischen Klärbeckens variiert.

Bei der gewöhnlichen Belüftung, auch Pfropfenströmungsbelüftung genannt, nehmen die Schadstoffe während des Vortriebsprozesses allmählich ab und das Schlammwachstum wird während der Verzögerungswachstumsphase kontrolliert. Manche fragen sich vielleicht: Wie wird das kontrolliert? Dies wird durch Schlammrückführung und Schlammentfernungsmaßnahmen erreicht!

Vollständige Durchmischung bedeutet, dass alle Teile des biologischen Behandlungsbeckens unter den gleichen Bedingungen arbeiten (z. B. Schadstoffkonzentration, pH-Wert, gelöster Sauerstoff usw.). Intermittierend betriebene biologische Behandlungsverfahren (wie das zuvor erwähnte SBR-Verfahren) können dies im Allgemeinen gut erreichen, und der Schlammzustand wird während der Verzögerungswachstumsphase kontrolliert.

Bei der erweiterten Belüftung (SRT) wird bei der Konstruktion eine sehr niedrige volumetrische Beladungsrate verwendet, was zu einer relativ geringen Schlammkonzentration im biologischen Behandlungstank führt. Dieser Prozess läuft in der endogenen Atmungsphase der Wachstumskurve ab und erfordert eine niedrige organische Beladungsrate und eine lange Belüftungszeit, typischerweise 20–30 Tage für SRT und 24 Stunden für HRT. Bei diesem Verfahren wird im Allgemeinen kein Vorklärbecken verwendet.

Konzentrationskurve für gelösten Sauerstoff

Ohne externe Ergänzung mit gelöstem Sauerstoff nimmt der gelöste Sauerstoff im Wasser allmählich ab, wie in der Abbildung dargestellt. Natürlich muss im biologischen Behandlungstank gelöster Sauerstoff ergänzt werden, um einen relativ konstanten Wert aufrechtzuerhalten.

Schadstoffkonzentrationskurve

Der BSB kann bis zu einem gewissen Grad die Konzentration von Schadstoffen im Wasser ausdrücken (wie bereits erwähnt, werden CSB-Werte am besten bei der Auslegung des Tankvolumens verwendet). Mit der Zeit sinkt die Schadstoffkonzentration auf ein ableitfähiges Niveau.

Bei geeigneter Temperatur, ausreichend gelöstem Sauerstoff und Nährstoffen sowie der Abwesenheit hemmender Substanzen ist das Verhältnis F/M zwischen der Menge an Nahrungsmitteln (organische Substanz im Abwasser, auch Substrat genannt) und der Menge an Mikroorganismen (Belebtschlamm) der entscheidende Faktor für die Steuerung des Belebtschlammwachstums. Dieses wird auch von Faktoren wie der Abbaurate des organischen Substrats, der Sauerstoffnutzungsrate und den Flockungs- und Adsorptionseigenschaften von Belebtschlamm beeinflusst.

Anpassungsphase (Anpassungsphase): Auch Anpassungsphase genannt, ist dies die Anfangsphase der Belebtschlammkultivierung. Mikroorganismen vermehren sich nicht, aber es treten qualitative Veränderungen auf. Diese Phase entspricht dem anfänglichen horizontalen Teil der Wachstumskurve im Diagramm und ist im Allgemeinen von kurzer Dauer. In den späteren Phasen der Anpassungsphase hat sich das mikrobielle Enzymsystem allmählich an die neue Umgebung angepasst, die individuelle Entwicklung hat ein bestimmtes Niveau erreicht, Zellen beginnen sich zu teilen und Mikroorganismen beginnen sich zu vermehren.

Logarithmisches Wachstumsstadium: Die Wachstumsrate des Belebtschlamms nimmt zu, das F/M-Verhältnis ist relativ groß, organisches Substrat ist reichlich vorhanden und die Aktivität des Belebtschlamms ist hoch. Mikroorganismen absorbieren gleichzeitig organisches Substrat mit höchster Geschwindigkeit und synthetisieren Zellen mit höchster Geschwindigkeit, wodurch eine Proliferation erreicht wird. In diesem Stadium verfügt der Belebtschlamm über eine hohe Kapazität zur Entfernung organischer Stoffe, und das Schlammwachstum wird nicht durch die Nährstoffbedingungen, sondern nur durch die Mikrobenkonzentration begrenzt. Allerdings weist der Schlamm schlechte Flockungseigenschaften auf, lässt sich nur schwer absetzen und weist eine schlechte Behandlungseffizienz auf.

Verlangsamtes Wachstumsstadium: Die Wachstumsrate des Belebtschlamms nimmt ab, das F/M-Verhältnis sinkt weiter und die Wachstumsrate wird durch organische Nährstoffe begrenzt. Dies ist die typische Betriebsphase des Belebtschlammprozesses. In diesem Stadium können organische Stoffe im Abwasser weitgehend entfernt werden und der Schlamm weist gute Flockungs- und Absetzeigenschaften auf.

Stadium des endogenen Stoffwechsels: Die Nährstoffe sind weitgehend aufgebraucht. Da der Belebtschlamm nicht in der Lage ist, ausreichend Nährstoffe aufzunehmen, beginnt er, seinen internen Speicher auszunutzen, d. h. er befindet sich im Stadium der Selbstoxidation. In diesem Stadium hat der Schlamm einen hohen Anorganisierungsgrad und gute Absetzeigenschaften, aber eine schlechte Flockung, und der Schlamm nimmt allmählich ab. Da die Rückstände der endogenen Atmung Zellwände und Zytoplasma jedoch meist nur schwer--abbauen, kann der Belebtschlamm nicht vollständig verschwinden.

Viele Faktoren können das mikrobielle Wachstum beeinflussen, darunter Nährstoffe, Temperatur, pH-Wert, gelöster Sauerstoff und toxische Substanzen. Natürlich haben verschiedene Arten von Mikroorganismen unterschiedliche Toleranzbereiche für diese Faktoren. Zu den häufigsten Arten von Mikroorganismen in Belebtschlamm gehören aerobe Bakterien (eine breite Kategorie, die viele Unterkategorien wie nitrifizierende Bakterien umfasst), hydrolytische Bakterien, fermentierende Bakterien, Wasserstoffbakterien, Essigsäurebakterien, Methanogene, sulfatreduzierende Bakterien und anaerobe Protozoen. Solange diese Faktoren im normalen Bereich bleiben, kann daher ein schnelles mikrobielles Wachstum erreicht werden.

Nährstoffe
Während der Lebensaktivitäten von Mikroorganismen müssen sie kontinuierlich essentielle Nährstoffe aus dem umgebenden Wasserkörper aufnehmen, darunter Kohlenstoffquellen, Stickstoffquellen, anorganische Salze und bestimmte Wachstumsfaktoren. Das zu behandelnde Abwasser muss ausreichende Mengen dieser Stoffe enthalten.

Kohlenstoff ist ein wichtiger Strukturbestandteil mikrobieller Zellen. Mikroorganismen, die an der Belebtschlammbehandlung beteiligt sind, haben einen relativ hohen Bedarf an Kohlenstoffquellen, im Allgemeinen nicht weniger als 100 mg/L (berechnet als BSB5).

Stickstoff ist ein wichtiges Element bei der Zusammensetzung von Proteinen und Nukleinsäuren in mikrobiellen Zellen. Stickstoffquellen können aus anorganischen Stickstoffverbindungen wie N2, NH3 und NO3 sowie aus organischen stickstoffhaltigen Verbindungen wie Proteinen und Aminosäuren stammen.

Phosphor ist ein wesentliches Element für die Synthese von Nukleoproteinen, Lecithin und anderen Phosphorverbindungen und spielt eine entscheidende Rolle im mikrobiellen Stoffwechsel und der Materialumwandlung. Coenzym I, Coenzym II und Adenosinmonophosphat (ATP) enthalten alle Phosphor. Mikroorganismen gewinnen Phosphor hauptsächlich aus anorganischen Phosphorverbindungen. Unzureichende Phosphorquellen beeinträchtigen die Enzymaktivität und beeinträchtigen dadurch die physiologischen Funktionen von Mikroorganismen.

Im Allgemeinen beträgt das Verhältnis der drei Hauptnährstoffe (Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor) BSB:N:P=100:5:1. Darüber hinaus spielen auch Spurenelemente wie Schwefel, Natrium, Kalium, Kalzium, Magnesium und Eisen eine wichtige Rolle im Wachstumsprozess von Mikroorganismen.

Gelöster Sauerstoff

Die an der Abwasserbehandlung beteiligten Mikrobenarten werden in aerobe und anaerobe Arten unterteilt. Zu den Betriebstanks gehören aerobe Tanks, anoxische Tanks, Hydrolysetanks und anaerobe Tanks. Basierend auf Betriebserfahrungen sollte die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Aerobic-Tank zwischen 2 und 4 mg/l gehalten werden. In den Hydrolyse- und Anoxtanks, bei denen es sich um fakultativ anaerobe Umgebungen handelt, ist eine bestimmte Konzentration an gelöstem Sauerstoff zulässig, im Allgemeinen zwischen 0,2 und 0,5 mg/l. Der anaerobe Tank ist eine streng anaerobe Umgebung; Um die Hydrolyse- und Fermentationsprozesse sicherzustellen, ist die Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff nicht zulässig.

Gelöster Sauerstoff ist für den Betrieb von Kläranlagen von entscheidender Bedeutung. Wenn der gelöste Sauerstoff im Aerobic-Becken zu niedrig ist, wird das Wachstum von nitrifizierenden Bakterien und anderen aeroben Bakterien gehemmt, während sich filamentöse Bakterien schnell vermehren, was zu einer Schlammaufblähung führt.

pH-Wert: Die physiologischen Aktivitäten von Mikroorganismen hängen eng mit dem pH-Wert der Umgebung zusammen. Mikroorganismen können nur unter geeigneten pH-Bedingungen normale physiologische Aktivitäten ausführen. Der optimale pH-Bereich für Mikroorganismen, die an der biologischen Abwasserreinigung beteiligt sind, liegt im Allgemeinen zwischen 6,5 und 8,5. Unterschiedliche Bakteriengruppen haben unterschiedliche Toleranzbereiche; Hydrolytische Säuerungsbakterien haben einen pH-Bereich zwischen 5,5 und 7,5, während aerobe Bakterien einen pH-Bereich zwischen 6,5 und 8,5 haben.

Temperatur
Die Temperatur ist entscheidend für das mikrobielle Wachstum. Die meisten an der Belebtschlammbehandlung beteiligten Mikroorganismen sind thermophil, mit einem optimalen Temperaturbereich von 10–45 Grad. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, wird die Wassertemperatur im biologischen Behandlungstank im Allgemeinen zwischen 15 und 35 Grad gehalten. Das mikrobielle Wachstum verlangsamt sich unter 5 Grad. Darüber hinaus haben anaerobe Bakterien eine viel höhere Temperaturtoleranz als aerobe Bakterien, weshalb die meisten anaeroben Tanks mit Isolierung und Heizgeräten ausgestattet sind.

Giftige Substanzen
„Giftige Stoffe“ beziehen sich auf bestimmte anorganische und organische Stoffe, die die physiologischen Aktivitäten von Mikroorganismen hemmen. Dazu gehören hauptsächlich Schwermetallionen (wie Zink, Kupfer, Nickel, Blei, Chrom usw.) und einige nicht-metallische Verbindungen (wie Phenole, Aldehyde, Cyanide, Sulfide usw.). Die toxischen Wirkungen toxischer Substanzen auf Mikroorganismen sind quantitativ; Toxizität und Hemmung werden erst sichtbar, wenn der toxische Stoff eine bestimmte Konzentration in der Umwelt erreicht. Solange die Konzentration verschiedener toxischer Stoffe im Abwasser unter diesem Wert liegt, werden die physiologischen Funktionen von Mikroorganismen nicht beeinträchtigt.

Die mikrobielle Entfernung und der Abbau von Schadstoffen beruht hauptsächlich auf zwei Prozessen: Adsorption und Metabolismus (Assimilation und Dissimilation).

Adsorptionsprozess: Innerhalb kurzer Zeit, nachdem das Abwasser mit Belebtschlamm in Kontakt gekommen ist und sich mit diesem vermischt hat, weisen organische Schadstoffe im Wasser eine hohe Entfernungsrate auf. Dieses anfängliche Phänomen der Hochgeschwindigkeitsentfernung ist das Ergebnis einer Kombination aus physikalischer und biologischer Adsorption. Während dieses Prozesses nimmt der organische Substratanteil in der Mischlauge rapide ab. Dies liegt daran, dass der Belebtschlamm eine große Oberfläche hat und auf seiner Oberfläche mit einer großen Anzahl von Mikroorganismen angereichert ist, die von einer polysaccharidreichen, viskosen Schicht bedeckt sind. Wenn suspendierte und kolloidale organische Substrate im Abwasser mit den Belebtschlammflocken in Kontakt kommen, werden sie schnell koaguliert und adsorbiert, ein Phänomen, das als „Anfangsadsorption“ bekannt ist.

Der anfängliche Adsorptionsprozess verläuft sehr schnell und ist im Allgemeinen innerhalb von 30 Minuten abgeschlossen. Die Adsorptionsentfernungsrate des BSB im Abwasser kann 70 % erreichen, und bei Abwasser, das eine große Menge an suspendierten und kolloidalen organischen Stoffen enthält, kann der BSB um 80–90 % sinken. Die anfängliche Adsorptionsrate hängt in erster Linie von der Aktivität der Mikroorganismen sowie dem Grad der hydraulischen Diffusion und der hydraulischen Dynamik innerhalb des Reaktors ab. Ersteres bestimmt die Adsorptions- und Flockungseffizienz der Belebtschlamm-Mikroorganismen, während Letzteres den Grad des Kontakts zwischen den Belebtschlammflocken und dem organischen Substrat bestimmt.

Stoffwechselprozess: Organische Schadstoffe, die an der Oberfläche von Belebtschlamm-Mikrobenzellen adsorbiert sind, werden metabolisiert. Gelöste und kleinmolekulare organische Stoffe dringen unter der Wirkung permeabilisierender Enzyme direkt durch die Zellwand in die Zelle ein und werden dort verstoffwechselt. Kolloidale und suspendierte große -molekulare organische Stoffe wie Stärke und Protein werden zunächst durch extrazelluläre Enzyme-Hydrolasen- zu gelösten kleinen Molekülen hydrolysiert, bevor sie in die Zelle gelangen. Im Inneren der Zelle werden organische Schadstoffe unter der Katalyse verschiedener intrazellulärer Enzyme nach und nach oxidiert und in stabile anorganische Produkte wie CO2 und H2O zersetzt, wodurch Energie für die Zellsynthese freigesetzt wird. Dabei wird organisches Material durch biochemische Reaktionen in einfache, stabile anorganische Substanzen umgewandelt und so Schadstoffe entfernt.