Die Kernlogik und Vor-/Nachteile des AO-Denitrifikationsprozesses
Der Kern des AO-Denitrifikationsprozesses ist der sequentielle Ablauf zweier Stufen: anoxisch und aerob. Die Umwandlung und Entfernung von Stickstoff wird durch die synergistische Wirkung von Mikroorganismen erreicht. Der konkrete Prozess kann in drei Schritte unterteilt werden:
Ammonifikation: Im anoxischen Stadium (A-Tank, Sauerstoffgehalt kleiner oder gleich 0,2 mg/l) wandeln heterotrophe Bakterien Stickstoff aus organischen Schadstoffen wie Proteinen und Fetten im Abwasser in Ammoniakstickstoff (NH₃-N) um.
Nitrifikation: Im aeroben Stadium (O-Tank, DO=2–4 mg/L) oxidieren nitrifizierende Bakterien bei ausreichender Sauerstoffversorgung Ammoniakstickstoff zu Nitratstickstoff (NO₃⁻) oder Nitritstickstoff (NO₂⁻).
Denitrifikation: Die nitrifizierte Flüssigkeit aus der aeroben Stufe wird über eine interne Rezirkulation in die anoxische Stufe zurückgeführt. Denitrifizierende Bakterien reduzieren unter anoxischen Bedingungen Nitratstickstoff zu Stickstoffgas (N₂), das dann durch Belüftung aus dem Wasserkörper freigesetzt wird und so den Denitrifikationskreislauf schließt. Dieses Prozessdesign bietet zwei wesentliche Vorteile:
Erstens kann mit dem anoxischen Tank vor dem aeroben Tank der organische Kohlenstoff im Abwasser direkt durch denitrifizierende Bakterien genutzt werden, wodurch sowohl die organische Belastung des aeroben Tanks als auch die Kosten für externe Kohlenstoffquellen reduziert werden.
Zweitens kompensiert die durch Denitrifikation erzeugte Alkalität die durch die Nitrifikation im Aerobic-Tank verbrauchte Alkalität und trägt so zur Aufrechterhaltung der pH-Stabilität des Systems bei.
Allerdings hat das AO-Verfahren auch erhebliche Nachteile: Die Effizienz der Stickstoffentfernung ist nicht hoch, typischerweise nur 70–80 %, weit niedriger als die Entfernungsrate von 90–95 % für organische Stoffe. Dennoch kann bei den meisten konventionellen Abwasserprojekten die Kontrolle wichtiger Parameter die Effizienz der Stickstoffentfernung deutlich verbessern. Für Abwässer mit hohem-Ammoniak-Stickstoffgehalt ist in der Regel ein zwei-stufiges AO-Seriendesign ausreichend.
So verbessern Sie die Effizienz der Stickstoffentfernung
MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids Concentration): Die MLSS-Konzentration beeinflusst direkt die Anzahl der nitrifizierenden und denitrifizierenden Bakterien. Es wird empfohlen, den Wert über 3.000 mg/L zu halten; Unterhalb dieses Wertes nimmt die Stickstoffentfernungskapazität des Systems erheblich ab.
Schlammbeladung (CSB/MLSS): Nitrifizierende Bakterien sind „langsam wachsende Bakterien“. Wenn die organische Belastung zu hoch ist, vermehren sich heterotrophe Bakterien schnell und konkurrieren um Sauerstoff und Nährstoffe. Es wird empfohlen, die Schlammbeladungsrate auf weniger als 0,10–0,15 kgCSB/kgMLSS·d zu kontrollieren. Dies kann erreicht werden, indem die MLSS-Konzentration oder das Volumen des Belebungsbeckens erhöht, die organische Belastung verringert und ausreichend Raum für die Vermehrung nitrifizierender Bakterien geschaffen wird.
Schlammalter: Die minimale spezifische Wachstumsrate nitrifizierender Bakterien beträgt nur 0,21/Tag und liegt damit weit unter den 1,2/Tag heterotropher Bakterien. Damit nitrifizierende Bakterien zur dominierenden Spezies werden können, muss das Schlammalter mehr als 4,76 Tage betragen. Allerdings beträgt das Schlammalter bei herkömmlichen Belebtschlammverfahren nur 2–4 Tage, was ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die Nitrifikation nicht abgeschlossen werden kann.
Ammoniak-Stickstoff-Beladung: Die Ammoniak-Stickstoff-Belastung (organischer Stickstoff + Ammoniak-Stickstoff) für die Nitrifikation muss unter 0,05 gTKN/(gMLSS·d) kontrolliert werden. Eine übermäßige Belastung übersteigt die Behandlungskapazität der nitrifizierenden Bakterien, was zu einer Anreicherung von Ammoniakstickstoff und einer Unterbrechung der Denitrifikation führt.
Belebungsbecken-einflussreiche Kohlenstoffquelle: Wenn die BSB₅-Konzentration im Zufluss zu hoch ist (über 80 mg/L), vermehren sich heterotrophe Bakterien, die mit nitrifizierenden Bakterien um Sauerstoff konkurrieren und so die Nitrifikation hemmen. Daher muss der BSB₅, der in das Nitrifikationsbecken gelangt, unter 80 mg/L gehalten werden.
C/N-Verhältnis: Um eine vollständige Denitrifikation sicherzustellen, muss das C/N-Verhältnis zwischen 4 und 6 kontrolliert werden. Wenn die Kohlenstoffquelle nicht ausreicht, kann die Denitrifikation nicht vollständig ablaufen und es verbleibt Nitratstickstoff, was zu einer hohen Gesamtstickstoffkonzentration im Abwasser führt.
Zufluss Ammoniak-Stickstoff-Konzentration: Die Auswirkung der Ammoniak-Stickstoffkonzentration auf die Nitrifikation zeigt einen „Anstieg-dann-Abfall“-Trend. Bei niedrigen Konzentrationen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Konzentration zu. Wenn jedoch die Ammoniak-Stickstoffkonzentration am vorderen Ende des Aerobic-Tanks im kommunalen Abwasser 100 mg/L und im Industrieabwasser 150 mg/L übersteigt, wird die Nitrifikation gehemmt. Bei Abwässern mit hohem -Ammoniak-Stickstoffgehalt (z. B. Aquakulturabwasser und Deponiesickerwasser) kann die anfängliche Zulaufkonzentration durch Rezirkulationsverdünnung reduziert werden.
Internes Rezirkulationsverhältnis (Rezirkulation der Nitrifikationsflüssigkeit): Ein höheres Rezirkulationsverhältnis führt zu einer höheren Denitrifikationsrate, erhöht aber auch die Stromkosten. Normalerweise liegt der Wert zwischen 300 und 500 % und kann auf der Grundlage der Gesamtstickstoffdaten des Abwassers fein-abgestimmt werden. Bei hohem Gesamtstickstoff kann das Rezirkulationsverhältnis entsprechend erhöht werden. Sollten die Betriebskosten zu hoch sein, können diese gesenkt und dennoch den Standards entsprochen werden.
Gelöster Sauerstoff (DO) im Nitrifikationstank: Nitrifizierende Bakterien sind „aerobe Bakterien“, und ausreichend Sauerstoff ist Voraussetzung für die Nitrifikation. Es wird empfohlen, einen Sauerstoffgehalt zwischen 2 und 4 mg/L aufrechtzuerhalten. Theoretisch erfordert die Oxidation von 1 g NH₄⁺ 4,57 g Sauerstoff. Wenn der Sauerstoffgehalt unter 2 mg/L fällt, verlangsamt sich die Nitrifikationsreaktion deutlich.
Hydraulische Verweilzeit (HRT): Für eine vollständige Reaktion ist eine ausreichende Verweilzeit unerlässlich. Die HRT für die Nitrifikation sollte mehr als 6 Stunden betragen, für die Denitrifikation sollte sie 2 Stunden betragen, bei einem Verhältnis von 3:1. Andernfalls sinkt die Effizienz der Stickstoffentfernung rapide.
pH-Wert und Alkalität: Der optimale pH-Wert für nitrifizierende Bakterien liegt bei 8,0–8,4 und für denitrifizierende Bakterien bei 6,5–7,5. pH-Abweichungen von diesen Bereichen beeinträchtigen die mikrobielle Aktivität erheblich. Darüber hinaus erfordert die vollständige Nitrifikation von 1 g Ammoniakstickstoff 7,1 g Alkalität (berechnet als CaCO₃), während die durch Denitrifikation erzeugte Alkalität etwa die Hälfte kompensieren kann. Wenn die Alkalität nicht ausreicht, muss sie umgehend wieder aufgefüllt werden (z. B. durch Zugabe von Natriumcarbonat), um einen pH-Wert-Abfall und eine Hemmung der Nitrifikation zu verhindern.
Temperatur: Die Temperatur beeinflusst direkt die mikrobielle Aktivität. Die optimale Temperatur für die Nitrifikation liegt bei 20–30 Grad, bei unter 5 Grad kommt sie fast zum Stillstand. Die optimale Temperatur für die Denitrifikation liegt bei 20–40 Grad, wobei die Rate schnell unter 15 Grad abfällt. Während des Winterbetriebs und der Wartung müssen die Denitrifikationsraten durch Erhöhung des Schlammalters, Reduzierung der Belastung und Verlängerung der hydraulischen Verweilzeit aufrechterhalten werden.
Salzgehalt: Übermäßiger Salzgehalt schädigt die Zellmembranen von Mikroben und beeinträchtigt den Sauerstofftransport, wodurch die Nitrifikation gehemmt wird. Unter normalen Bedingungen kann die Nitrifikation normal ablaufen, wenn die Chlorkonzentration weniger als 2.000 mg/L beträgt. Wenn der Zufluss stabil ist, können salztolerante Bakterien kultiviert werden, um den Betrieb auch bei einer Chlorkonzentration von 5.000 mg/L zu ermöglichen. Hinweis: Schwankungen des Salzgehalts sind gefährlicher als ein hoher Salzgehalt, da sie leicht zu Schlammverlusten führen können.
Giftige und schädliche Substanzen: Schwermetalle, Phenole, Thioharnstoff, freies Ammoniak, Antibiotika usw. können nitrifizierende Bakterien direkt abtöten oder ihre Enzymaktivität hemmen. Bei der Behandlung von Abwasser, das diese Stoffe enthält, ist eine Vorbehandlung (z. B. Koagulation, Sedimentation und Adsorption) unerlässlich, und die Einleitung giftiger und schädlicher Stoffe in das biologische Klärbecken sollte strengstens verboten sein.
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