Nitrifikation und Denitrifikation

Einführung

Bakterien entfernen Stickstoff aus Abwasser durch einen zweistufigen biologischen Prozess: Nitrifikation und anschließend Denitrifikation. (Technisch gesehen handelt es sich dabei um einen dreistufigen Prozess: Der Ammonifikation geht die Nitrifikation und Denitrifikation voraus.) Während des Transports durch die Abwasserrohre wird der größte Teil des Stickstoffs im Rohabwasser (Harnstoff und Fäkalien) durch einen Prozess namens Hydrolyse von organischem Stickstoff in Ammoniak umgewandelt.

Bei der biologischen Nitrifikation handelt es sich um den Prozess der mikrobiellen Oxidation von Ammoniak zur Entfernung von Stickstoffverbindungen aus Abwasser. Häusliches Abwasser enthält typischerweise 20 bis 40 mg/l Ammoniakstickstoff (NH4-N). Auch stickstoffhaltige organische Stoffe, zum Beispiel Proteine und Nukleinsäuren, zersetzen sich, wobei Ammoniak freigesetzt wird. Die Freisetzung dieses Ammoniaks in die aufnehmenden Gewässer hat eine unmittelbare toxische Wirkung auf Fische und andere Tiere und führt darüber hinaus zu einem erheblichen Sauerstoffmangel.

Nitrat gilt in öffentlichen Gewässern als unerwünschte Substanz. Obwohl es natürlicherweise im Wasser vorkommt, sind hohe Nitratwerte im Grundwasser in der Regel auf menschliche Aktivitäten zurückzuführen, beispielsweise auf den übermäßigen Einsatz chemischer Düngemittel in der Landwirtschaft und die unsachgemäße Entsorgung menschlicher und tierischer Abfälle. Hohe Nitratkonzentrationen im Trinkwasser können bei Menschen und Tieren schwerwiegende Probleme verursachen. Um diesem Trend entgegenzuwirken, hat die US-Umweltschutzbehörde EPA den Höchstwert für die Nitratbelastung im Trinkwasser auf 10 mg NO3- festgelegt.

Der Nettoeffekt besteht darin, dass 4,5 mg Sauerstoff erforderlich sind, um ein mg Ammoniak N vollständig zu oxidieren. Deshalb können bereits geringe Ammoniakkonzentrationen erhebliche Schäden an Pflanzen und Tieren im aufnehmenden Gewässer verursachen. Aus diesem Grund ist in vielen häuslichen und industriellen Abwasseraufbereitungsanlagen vor der Einleitung des aufbereiteten Wassers eine Ammoniakentfernung erforderlich.

Quellen von Ammoniak, Nitrat und Nitrit

Überschüssiger Stickstoff in Form von Ammoniak im Endwasser kann die Hauptursache für die Nitrifikation sein, da Ammoniak als primäres Substrat im Nitrifikationsprozess fungiert. Aufgrund natürlicher Prozesse kommen Ammoniak, Nitrat und Nitrit häufig in Oberflächenwasserquellen vor. Diese natürlichen Stickstoffquellen haben im Allgemeinen nur minimale Auswirkungen auf die Wasserverteilungssysteme, da die Stickstoffkonzentration im Oberflächen- und Grundwasser typischerweise weniger als 0,1 mg/l beträgt. Zu weiteren Stickstoffquellen können landwirtschaftliche Düngemittel oder Viehdung sowie die Verschmutzung durch Abwässer gehören. Ammoniak kommt auch auf natürliche Weise in einigen Grundwasserquellen vor und kann durch das Eindringen landwirtschaftlicher Abschwemmungen in die Grundwasserleiter mit Stickstoff verunreinigt werden. Zum Schutz der öffentlichen Gesundheit muss jedes System, dessen Quellwasser die MCLs für mineralische Verunreinigungen von 10 mg/l für Nitrat und Nitrit bzw. 1 mg/l (als Stickstoff) überschreitet, das Wasser unterhalb dieser Werte behandeln.

PH und Alkalität

Der pH-Wert des Rohwassers ist aus zwei Gründen ein wichtiger Faktor für die Nitrifikationsaktivität. Erstens kann eine Abnahme der Gesamtalkalität mit der Nitrifikation in Zusammenhang stehen, da bei der Umwandlung von Ammoniak in Nitrit eine erhebliche Menge Bicarbonat verbraucht wird. Ein 1974 entwickeltes Modell zeigt, dass für jedes mg/l oxidierten Ammoniak-Stickstoff 8,64 mg/l Bicarbonat (HCO 3 ) verwendet werden. Eine verringerte Alkalität hat zwar keine direkten Auswirkungen auf die allgemeine Gesundheit, kann jedoch zu einer Verringerung der Pufferkapazität führen, was wiederum die pH-Stabilität und die Korrosivität des Wassers gegenüber Blei und Kupfer beeinträchtigen kann. Zweitens reagieren nitrifizierende Bakterien sehr empfindlich auf den pH-Wert. Nitrosomonas hat einen optimalen pH-Wert zwischen 7,0 und 8,0 und der optimale pH-Bereich für Nitrobacter liegt bei etwa 7,5 bis 8,0. Einige Unternehmen haben berichtet, dass sich die Nitrifikation durch eine Erhöhung des pH-Werts (auf über 9) verringern lässt.

Desinfektionsmethoden

Die chemische Kontrolle oder Behandlung nitrifizierender Bakterien umfasst üblicherweise die Aufrechterhaltung hoher Desinfektionsmittelrückstände im Verteilungssystem (über 2 mg/l) oder eine regelmäßige Grenzwertchlorierung. Die Ergebnisse einer analytischen Untersuchung in den Vereinigten Staaten zeigten, dass mehr als 90 Prozent der Proben aus Verteilungssystemen erhöhte Nitrit- und Nitratwerte – ein Hinweis auf Nitrifikation – in Gewässern aufwiesen, die Desinfektionsmittelrückstände von weniger als 2 mg/l aufwiesen. Viele Unternehmen haben festgestellt, dass eine Erhöhung der Desinfektionsmittelrückstände durch eine Erhöhung der Chemikaliendosierung oder eine Steuerung des Wasseralters zur Eindämmung der Nitrifikation beitragen kann.

Freies Chlor ist bei der Inaktivierung von Kolonien ammoniakoxidierender Bakterien wirksamer als Chloramin. Aus diesem Grund wird die Grenzwertchlorung von Unternehmen auch zur Behandlung nitrifizierender Bakterien eingesetzt. Bei einigen Systemen mit Breakpoint-Chlorierung wurde unmittelbar nach der Behandlung ein anfänglicher Anstieg der HPC-Bakterien und der Gesamtcoliformen-Werte gemeldet, was wahrscheinlich auf die Bildung eines Biofilms zurückzuführen ist.

Fehlendes Sonnenlicht

Obwohl Monochloramin bei Kontakt mit der Atmosphäre je nach Sonneneinstrahlung, Wind und Temperatur unterschiedlich schnell zerfällt, sind Nitrifizierer sehr empfindlich gegenüber nahem UV-Licht, sichtbarem Licht und fluoreszierendem Licht. Dies hat zur Folge, dass Teile der Nitrifikation im Dunkeln stattfinden (in abgedeckten Behältern, Rohrleitungen, Wasserhähnen usw.).

Operative Aktivitäten

Nitrifizierende Bakterien sind langsam wachsende Organismen und Nitrifikationsprobleme treten normalerweise in großen Tanks oder Systemabschnitten mit geringer Strömung auf. Betriebspraktiken, die kurze Verweilzeiten und Zirkulation innerhalb des Systems gewährleisten, können Nitrifikationsprobleme minimieren. Bereiche des Systems mit geringer Zirkulation, wie Sackgassen und Tanks, sind die Hauptbereiche für die Nitrifikation, da dort die Verweilzeiten und die Sedimentansammlung viel größer sein können als in anderen Teilen des Systems.

Die Wassertemperatur hat einen großen Einfluss auf die Wachstumsrate nitrifizierender Bakterien. Es gibt mehrere dokumentierte Fälle, in denen Nitrifikationsepisoden in den wärmeren Monaten häufiger auftreten. Die meisten Stämme nitrifizierender Organismen wachsen optimal bei Temperaturen zwischen 25 und 30 ° C , Nitrifikation findet jedoch in einem weiten Temperaturbereich statt. Betriebsaktivitäten, die zu einer Verringerung des Wasseralters führen, können auch eine Verringerung der Gesamtwassertemperatur zur Folge haben.

Mikrobielle Populationen

Wie im Nitrifikationsprozess gezeigt, wird zuerst Ammoniak zu Nitritionen oxidiert, dann werden Nitritionen zu Nitrationen oxidiert. Jede Oxidation wird von einer anderen Bakteriengruppe durchgeführt : Ammoniakoxidierende Bakterien (AOB) und Nitritoxidierende Bakterien (NOB). Jede Bakteriengruppe verfügt über zahlreiche Arten und am Abwasseraufbereitungsprozess können mehrere Arten aus jeder Gruppe beteiligt sein. In den meisten Lehrbuchbeschreibungen des Nitrifikationsprozesses werden Nitrosomonas-Arten als AOB und Nitrobacter-Arten als NOB bezeichnet. Diese Vereinfachung kann für den Prozessbediener und Fehlersucher sehr hilfreich sein, da diese beiden Gruppen die Wachstumsbedingungen besser charakterisieren. Nitrifizierende Bakterien sind Autotrophe, das heißt, sie nutzen anorganische Kohlenstoffquellen (wie Kohlendioxid und Carbonationen) zur Produktion von Biomasse, im Gegensatz zu den meisten anderen Mikroben im System (Heterotrophe), die normalerweise eine Vielzahl organischer Stoffe als organisches Material verwenden. Sie nutzen. Quelle von Energie und Kohlenstoff. Autotrophe wachsen und vermehren sich viel langsamer als Heterotrophe; Nitrosomonas kann sich beispielsweise alle acht Stunden teilen, während sich ein schnell wachsender Heterotroph alle 20 Minuten teilen kann. ) sein. Darüber hinaus reagieren Autotrophe empfindlicher auf Wachstumsbedingungen wie pH-Wert, Temperatur und das Vorhandensein toxischer Verbindungen.

Um nitrifizierende Mikroben in einem Prozess aufrechtzuerhalten, muss das Schlammalter hoch genug gehalten werden, um eine ausreichende Population dieser Organismen aufrechtzuerhalten. Unter toxischen und/oder kalten Witterungsbedingungen verringert sich die Wachstumsrate natürlicher Nitrifikantenpopulationen erheblich, was zu einer Eliminierung der Nitrifikanten aus dem System führt. Daher kann die Aufrechterhaltung der Ammoniakentfernung problematisch sein, wenn solche Bedingungen bestehen bleiben.

Zur richtigen Ernährung nitrifizierender Bakterien sind auch andere Elemente wie Kalzium, Kupfer und Eisen erforderlich. Die Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen ist nicht immer praktikabel, da sie kostspielig sein kann. Stattdessen können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um die nitrifizierenden Populationen trotz sich verschlechternder Bedingungen aufrechtzuerhalten. Hierzu gehören:

Aufrechterhaltung einer höheren als üblich erwünschten Biomassekonzentration in der Belüftungszone des Biotreaters und anschließende Schaffung einer noch höheren Schlammkonzentration im Biotreater, um langsam wachsende Autotrophe bei erwarteten widrigen Bedingungen (wie etwa kälterem Wetter) im System zu halten.
Einsatz von Biofortifizierung mit konzentriertem und separat gezüchtetem mikrobiellen Inokulum, um natürliches Saatgut und das Wachstum von Autotrophen im System zu fördern.
Präzise Kontrolle des System-pH-Werts. Niedrigere pH-Werte (saure Bedingungen) sind besonders unerwünscht.
Sorgen Sie dafür, dass im Belüftungsbereich stets ein Überschuss an gelöstem Sauerstoff vorhanden ist. Autotrophe konkurrieren mit Heterotrophen um gelösten Sauerstoff und Heterotrophe können Sauerstoff in niedrigen Konzentrationen effizienter entfernen. Eine gelöste Sauerstoffkonzentration von 2 mg/l sollte aufrechterhalten werden.
Aufrechterhaltung hoher Konzentrationen von Substanzen, die bekanntermaßen für Autotrophe toxisch sind, wie z. B. übermäßige Konzentrationen von Ammoniak oder giftigen Schwermetallionen wie Kupfer und Chrom, aus dem in das System gelangenden Abwasser. Dies kann in industriellen Umgebungen wie Ölraffinerien nützlich sein, in denen relativ hohe Ammoniakkonzentrationen im unbehandelten Abwasser vorhanden sind und die Trennung von Nebenströmen praktikabler ist.
Umsetzung industrieller Vorbehandlungsstandards für häusliche Abwassereinleitungen von Stoffen, die sich negativ auf das langsamere Wachstum von Nitrifizierern auswirken.

Bakterien entfernen Stickstoff aus Abwasser durch einen zweistufigen biologischen Prozess: Nitrifikation und anschließend Denitrifikation. Technisch gesehen handelt es sich dabei um einen dreistufigen Prozess: Der Ammonifikation gehen die Nitrifikation und die Denitrifikation voraus. Während des Transports durch die Abwasserrohre wird der größte Teil des Stickstoffs im Rohabwasser durch einen Prozess namens Hydrolyse von organischem Stickstoff in Ammoniak umgewandelt. Bei der Ammoniakproduktion entsteht in den meisten Fällen mehr Ammonium als Ammoniak. Das tatsächliche Verhältnis wird durch pH-Wert und Temperatur beeinflusst.

Nitrifikation

Die biologische Umwandlung von Ammonium in Nitratstickstoff wird als Nitrifikation bezeichnet. Die Nitrifikation ist ein zweistufiger Prozess. Bakterien namens Nitrosomonas wandeln Ammoniak und Ammonium in Nitrit um. Anschließend schließen Bakterien namens Nitrobacter die Umwandlung von Nitrit in Nitrat ab. Bei der biologischen Nitrifikation handelt es sich um einen Prozess, bei dem Nitrosomonas-Bakterien Ammoniak zu Nitrit und Nitrobacter-Bakterien Nitrit zu Nitrat oxidieren. Bei diesem Vorgang wird Ammoniak vollständig in Nitrat umgewandelt. Diese Mikroorganismen sind autotroph, das heißt, sie beziehen ihre Kohlenstoffquelle aus anorganischem Kohlenstoff wie Kohlendioxid und Bikarbonat. Die meisten anderen im Belebtschlamm vorkommenden Organismenarten sind heterotroph, das heißt, sie beziehen ihre Kohlenstoffquelle aus organischen Stoffen im Abwasser. Umweltbedingungen wie pH-Wert, Alkalität, Temperatur, Konzentration des gelösten Sauerstoffs und organische Belastung beeinflussen den Nitrifikationsprozess in Belebtschlammanlagen.

Die Reaktionen sind im Allgemeinen gekoppelt und verlaufen schnell unter Bildung von Nitrat. Daher ist der Nitritgehalt im Allgemeinen immer niedrig. Diese als „Nitrifizierer“ bezeichneten Bakterien sind „streng aerob“, das heißt, sie benötigen für ihre Arbeit freien gelösten Sauerstoff. Nitrifikation tritt nur unter aeroben Bedingungen bei einem gelösten Sauerstoffgehalt von 1,0 mg/l oder mehr auf. Bei Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff (DO) unter 0,5 mg/l ist die Wachstumsrate minimal. Die Nitrifikation erfordert lange Verweilzeiten, niedrige Nahrungs-Mikroorganismen-Verhältnisse (F/M), mittlere Zellretentionszeiten (gemessen als MCRT oder Schlammalter) und ausreichende Pufferung (alkalisch). Ideal ist ein steckerfertiges und langlebiges Belebungsbecken. Auch die Temperatur ist wichtig.

Die Nitrifikation ist temperaturempfindlich. Als optimale Temperatur für die Nitrifikation werden üblicherweise 30 °C angenommen.

Temperatur	Einfluss auf die Nitrifikation
> 45°C	Die Nitrifikation stoppt.
28-32°C	Optimaler Temperaturbereich
16°C	Etwa 50 % der Nitrifikationsrate bei 30 °C
10-30°C	Deutliche Reduzierung der Nitrifikationsrate – 20 %
<5°C	Die Nitrifikation stoppt.

Was ist der Schlüsselfaktor für die Durchführung der Nitrifikation? Mittlere Zellverweilzeit (MCRT). Mit steigender Temperatur erhöht sich die Wachstumsrate der Nitrifikanten. Mit zunehmender Nitrifizierer-Wachstumsrate sinkt die erforderliche MCRT. Bei jedem Temperaturanstieg um 10 °C verdoppelt sich die Wachstumsrate der Nitrifizierer, die erforderliche MCRT halbiert sich und die erforderliche MLSS-Konzentration verringert sich ebenfalls. Mit zunehmendem gelösten Sauerstoff erhöht sich die Wachstumsrate der Nitrifikanten bis zu einem DO-Wert von etwa 5 mg/l. Halten Sie für eine optimale Nitrifikation die Konzentration an gelöstem Sauerstoff bei 2,0 mg/l oder höher. Durch die Nitrifikation kommt es zu einem Alkalinitätsverbrauch und einer pH-Absenkung im Belebtschlamm-Mischwasser. Ein pH-Wert unter 6,5 oder über 8,0 kann die Nitrifikation erheblich hemmen.

Der Nitrifikationsprozess erzeugt Säure. Diese Säurebildung senkt den pH-Wert der biologischen Population im Belebungsbecken und kann das Wachstum nitrifizierender Bakterien verlangsamen. Der optimale pH-Wert für Nitrosomonas und Nitrobacter liegt zwischen 7,5 und 8,5. Die meisten Kläranlagen können bei einem pH-Wert von 6,5 bis 7,0 wirksam nitrifizieren. Bei einem pH-Wert unter 6 stoppt die Nitrifikation. Die Nitrifikationsreaktion (d. h. die Umwandlung von Ammoniak in Nitrat) verbraucht für jedes mg/l oxidierten Ammoniakstickstoff 7,1 mg/l Alkalität in Form von CaCO 3. Um eine ausreichende Pufferung sicherzustellen, ist eine Alkalität von weniger als 50–100 mg/l erforderlich.

Auch die Wassertemperatur beeinflusst die Nitrifikationsrate. Die Nitrifikation erreicht ihre maximale Rate bei Temperaturen zwischen 30 und 35 °C (86 und 95 °F). Bei Temperaturen von 40 °C (104 °F) und mehr sinkt die Nitrifikationsrate auf nahezu Null. Bei Temperaturen unter 20 °C läuft die Nitrifikation langsamer ab, bei Temperaturen von 10 °C und darunter findet sie jedoch weiterhin statt. Geht die Nitrifikation jedoch verloren, wird sie erst wieder aufgenommen, wenn die Temperatur über 10 °C steigt.

Zu den für Nitrifizierer giftigsten Verbindungen zählen Cyanid, Thioharnstoff, Phenol und Schwermetalle wie Silber, Quecksilber, Nickel, Chrom, Kupfer und Zink. Auch nitrifizierende Bakterien können durch salpetrige Säure und freies Ammoniak gehemmt werden.

Zur Erinnerung: Der Stickstoffkreislauf beginnt mit Stickstoff (N2) in der Luft. Algen nutzen diesen Stickstoff zur Produktion von organischem Stickstoff. Der organische Stickstoff in den Algen durchläuft die Nahrungskette und landet schließlich im Abwasser unserer Anlagen. Was machen wir damit, jetzt wo es in der Fabrik ist? Der erste Schritt in der Kläranlage besteht darin, die Ammoniumionen aus der organischen Substanz zu entfernen. Dies geschieht auf zwei verschiedene Arten. Der erste Weg ist einfach Zeit. Mit der Zeit stagniert das Abwasser und die Ammoniumgruppe wird einfach ausgewaschen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass Mikroben, die gern Kohlenstoffketten fressen, dies tun und dabei die Ammoniumgruppe zurücklassen. Nachdem das Ammonium von der Kohlenstoffkette getrennt wurde, heißt es Ammoniak.

Ammoniak ist eine interessante Sache. Eigentlich gibt es zwei verschiedene Formen. Die meisten Menschen denken bei Ammoniak an NH3. Bei dieser Form handelt es sich eigentlich um Ammoniakgas. Die von organischen Stoffen abgetrennte Ammoniakform ist NH4, das Ammoniumion. Diese beiden können je nach pH-Wert des Wassers hin und her wechseln. Bei einem hohen pH-Wert ist mehr NH 3 vorhanden. Bei einem neutralen oder niedrigen pH-Wert liegt das meiste Ammoniak in Form von Ammoniumionen vor. Da wir nun Ammoniak haben, fahren wir mit dem nächsten Schritt fort. Im Belüftungsbecken und im Tropfkörper befinden sich verschiedene Arten winziger Mikroben, die kohlenstoffhaltige Nahrung fressen. Aber es gibt nur einen speziellen kleinen Mikroorganismus, der Ammoniak fressen kann. Sein Name ist Nitrosomonas. Seine Energiequelle sind Ammoniumionen. Im natürlichen biologischen Prozess frisst Nitrosoma Ammoniumionen und produziert als Nebenprodukt Nitrit oder NO 2. Wenn sie Nitrit produzieren, kommt Nitrobacter zum Einsatz und wandelt es schnell in Nitrat oder NO3 um. Nitrobacter erledigt seine Aufgabe viel schneller und wandelt Nitrit ebenso schnell in Nitrat um, wie es Nitrit aufnimmt. Dieser zweistufige Prozess, bei dem Ammoniak in Nitrit und dann in Nitrat umgewandelt wird, wird Nitrifikation genannt.

Warum sollten wir in Kläranlagen eine Nitrifikation durchführen? Zum einen kann das im behandelten Abwasser verbleibende Ammoniak für Fische giftig sein. Nitrifikatoren in den aufnehmenden Gewässern wandeln das Ammoniak außerdem in Nitrat um. Diese Umwandlung verbraucht Sauerstoff. Durch die Nitrifikation von Fabrikabwässern wird der Sauerstoffbedarf im Vorfluter gesenkt.

Bei Schwebewachstumsreaktoren handelt es sich um Abwasserbehandlungsverfahren, bei denen abfallreinigende Mikroorganismen und Bakterien im zu behandelnden Abwasser suspendiert werden, wie beispielsweise bei verschiedenen Verfahren der Belebtschlammbehandlung. Schwebende Wachstumsreaktoren werden häufig für die biologische Umwandlung von Ammoniak in Nitrat (d. h. biologische Nitrifikation) verwendet. Der biologische Nitrifikationsprozess kann als einstufig oder separat eingeteilt werden. Beim einstufigen Verfahren finden Nitrifikation und Kohlenstoffoxidation (BSB-Entfernung) in einem Becken statt, und das Verhältnis BSB 5 / TKN (Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff) des ursprünglichen Abwassers ist üblicherweise größer als 5.

TKN ist die Summe aus organischem Stickstoff und Ammoniakstickstoff. Die Konzentration von TKN in typischem häuslichem Abwasser liegt zwischen 20 und 85 mg/l als Stickstoff. Beim getrennten Stufenverfahren finden Kohlenstoffoxidation und Nitrifikation in getrennten Tanks statt und das BOD 5 / TKN-Verhältnis liegt üblicherweise zwischen 1 und 3.

Einstufige und separate biochemische Nitrifikationsprozesse

Schwebende Wachstumsreaktoren

Abwasserbehandlungsverfahren, bei denen abfallreinigende Mikroorganismen und Bakterien im zu behandelnden Abwasser suspendiert werden. Schutt fließt um und durch die schwebenden Pflanzenteile. Bei verschiedenen Verfahren des Belebtschlammverfahrens kommen Schwebewachstumsreaktoren zum Einsatz. Diese Reaktoren können zur BOD-Entfernung (biochemischer Sauerstoffbedarf) sowie zur Nitrifikation und Denitrifikation verwendet werden. Es gibt verschiedene Betriebskonfigurationen für Schwebewachstumsreaktoren, aber nicht alle davon sind für die biologische Nitrifikation geeignet.

Lange Belüftung

Moderne Belüftungsanlagen erzielen aufgrund der langen Belüftung und der mittleren Zellverweilzeit (MCRT) die beste Nitrifikationsleistung. Das erweiterte Belüftungsverfahren ist eine Abwandlung des Belebtschlammverfahrens und ermöglicht eine biologische Behandlung zur Beseitigung biologisch abbaubarer organischer Abfälle unter aeroben Bedingungen. Die Luftzufuhr kann durch mechanische oder diffuse Belüftung erfolgen, um den zur Aufrechterhaltung aerober biologischer Prozesse erforderlichen Sauerstoff bereitzustellen. Das Mischen sollte durch Belüftung oder mechanische Mittel erfolgen, um den Kontakt der mikrobiellen Organismen mit der gelösten organischen Substanz aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus muss der pH-Wert kontrolliert werden, um den biologischen Prozess zu optimieren, und es müssen wichtige Nährstoffe vorhanden sein, um das biologische Wachstum und den fortgesetzten biologischen Abbau zu erleichtern. Das Bild unten zeigt den Prozessablauf einer typischen Anlage mit erweiterter Belüftung.

Erweiterte Belüftungssysteme werden typischerweise gebaut, um Abwasserdurchflussraten zwischen 0,002 und 0,1 MGD zu behandeln. Umfangreiche Belüftungsanlagen werden üblicherweise mit „Impfschlamm“ aus einer anderen Abwasseranlage gestartet. Vom Einpflanzen des Samens bis zur Anzucht der Pflanze können zwei bis vier Wochen vergehen. Anlagen zur erweiterten Belüftung werden häufig in kleinen Gemeinden, Vorortsiedlungen, Apartmentkomplexen, Autobahnraststätten, Wohnwagenparks, kleinen Betrieben und anderen Orten eingesetzt, wo die Durchflussraten weniger als 0,1 MGD betragen. Diese Systeme sind auch für Bereiche nützlich, in denen eine Nitrifikation erforderlich ist.

Sequentielle Batch-Reaktoren (SBR)

Ein SBR (Sequencing Batch Reactor) ist eine Art Belebtschlammverfahren. Da es sich um ein Fill-and-Pull- oder Batch-Verfahren handelt, finden alle biologischen Behandlungsschritte in einem einzigen Tank statt. Dies unterscheidet sich vom herkömmlichen Durchflussverfahren mit Belebtschlamm, da SBRs keine separaten Tanks zur Belüftung und Absetzung benötigen. SBR-Systeme bestehen aus zwei oder mehr parallel betriebenen Reaktorbehältern oder einem Homogenisierungsbehälter und einem Reaktorbehälter. Geschlossene SBRs werden typischerweise für die Behandlung von Abwasserdurchflussraten zwischen 0,01 und 0,2 MGD gebaut. Der SBR-Behandlungszyklus besteht typischerweise aus fünf Phasen: Füllen, Reagieren, Absetzen, Entladen und Leerlauf. Die Dauer jeder Phase wird durch eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) gesteuert, die die Steuerung des Systems von entfernten Standorten aus ermöglicht.

In der Füllphase gelangt Rohabwasser in das Becken, wo es sich mit abgesetzter Biomasse aus dem vorherigen Zyklus vermischt. In dieser Phase kann es zu einer gewissen Belüftung kommen. Anschließend wird in der Reaktionsphase das Becken belüftet, wodurch Oxidation und Nitrifikation stattfinden können. In der Absetzphase werden Belüftung und Durchmischung unterbrochen und die Feststoffe können sich absetzen. Das gereinigte Abwasser wird anschließend in der Einleitstufe aus dem Becken abgeleitet. In der letzten Phase steht das Becken still, während es auf den Beginn des nächsten Zyklus wartet. Während dieser Zeit wird ein Teil der Feststoffe aus dem Becken entfernt und als Klärschlamm entsorgt. Ein SBR-System erfordert kein RAS-System, da sowohl die Belüftung als auch die Sedimentation im selben Tank stattfinden. Dadurch wird verhindert, dass Schlamm während der Reaktionsphase verloren geht, und es ist nicht mehr erforderlich, Schlamm aus dem Klärbecken in die Belüftungskammer zurückzuführen. Nachfolgend sehen Sie ein Diagramm, das den Prozessablauf für einen Sequenzierungs-Batch-Reaktor zeigt:

SBRs für Verpackungsanlagen eignen sich für Gebiete mit begrenztem Grundstück, hohen Behandlungsanforderungen und geringen Abwassermengen. SBRs eignen sich insbesondere für Wohnmobilstellplätze, Campingplätze, Baustellen, ländliche Schulen, Hotels und andere kleine Einsatzgebiete. SBRs eignen sich auch für Standorte, die nur eine minimale Bedienerpräsenz erfordern und ein breites Spektrum an Zulauf- und/oder organischer Belastung aufweisen. Für Branchen mit hoher BOD-Belastung sind SBRs zur Abwasserbehandlung nützlich. Diese Systeme eignen sich auch für Anlagen, in denen eine Nitrifikation, Denitrifikation und Phosphorentfernung erforderlich ist.

Oxidationsgräben

Ein Oxidationsgraben, eine abgewandelte Form des Belebtschlammverfahrens, ist ein vollbelüftetes, langfristig durchmischtes Verfahren. Viele Systeme sind für den Betrieb als erweiterte Belüftungssysteme ausgelegt. Typische Oxidationsgraben-Behandlungssysteme bestehen aus einer ein- oder mehrkanaligen Konfiguration in einem kreisförmigen, ovalen oder hufeisenförmigen Teich. Horizontal oder vertikal installierte Belüfter sorgen für Belüftung, Zirkulation und Sauerstoffübertragung im Graben. Verfüllte Oxidationsgräben werden typischerweise in Größen gebaut, die Abwasserdurchflussraten zwischen 0,01 und 0,5 MGD behandeln. Unten sehen Sie das Flussdiagramm für einen Oxidationsgraben.

Je nach Anlagengröße und Herstellertyp kann eine Kiesgrube erforderlich sein. Nach dem Einlaufen in den Graben wird das Abwasser mit Oberflächen- oder mechanischen Schwimmerbelüftern belüftet, die die gemischte Flüssigkeit mit einer ausreichenden Geschwindigkeit im Kanal bewegen, um ein Absetzen von Feststoffen zu verhindern. Der Belüfter sorgt dafür, dass die Flüssigkeit genügend Sauerstoff für die Mikroben enthält und eine ausreichende Durchmischung stattfindet, um einen ständigen Kontakt zwischen den Organismen und dem Lebensmittel zu gewährleisten. Oxidationsgruben werden in der Regel in einem langen Belüftungsmodus betrieben, der lange hydraulische und Feststoff-Verweilzeiten mit sich bringt, wodurch mehr organische Stoffe zersetzt werden können.

Oxidationsgruben eignen sich für Anlagen, bei denen Nährstoffe entfernt werden müssen, bei denen aufgrund der Beschaffenheit des Standorts Einschränkungen bestehen oder bei denen ein biologisches System gewünscht wird, das durch den begrenzten Einsatz von Chemikalien Energie spart, sofern keine weitere Behandlung erforderlich ist. Mithilfe der Oxidationsgraben-Technologie kann jede Art von Abwasser behandelt werden, das auf aeroben Abbau reagiert. Diese Technologie ist besonders nützlich für Schulen, kleine Industrien, Wohnsiedlungen und kleine Gemeinden. Letztendlich ist diese Technologie eher an Orten anwendbar, an denen viel Land zur Verfügung steht.

Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff (TKN)

Der Stickstoffkreislauf ist das Mittel, durch das atmosphärischer Stickstoff lebenden Organismen in verschiedenen Formen zur Verfügung gestellt wird. Von den Grundmolekülen Ammoniak, Nitrat und Nitrit bis hin zu Aminosäuren und komplexeren Proteinen ist Stickstoff für das Funktionieren lebender Organismen unverzichtbar. Darüber hinaus ist es ein wichtiger Bestandteil für den reibungslosen Betrieb vieler Kläranlagen. Damit der Zyklus reibungslos funktioniert, ist es wichtig, die in den verschiedenen Phasen des Zyklus vorhandene Stickstoffmenge zu kennen. Die Analyse des Gesamtstickstoffs nach Kjeldahl (TKN) bietet die Möglichkeit, die in organischer Form vorhandene Stickstoffmenge zu quantifizieren. Da es so viele Arten stickstoffhaltiger organischer Verbindungen gibt, ist es nicht möglich, einen einzigen Test zu entwickeln, der bei allen die gleiche Reaktion hervorruft. Durch die Verdauung wird dieses Problem überwunden, indem alle Formen des Zielstickstoffs in eine einzige Verbindung, Ammoniak, umgewandelt werden. Dadurch kann der gesamte Stickstoff als eine Art analysiert werden. Eine qualitative Analyse ist leider nicht möglich. Die Ergebnisse sollten einfach als TKN ausgedrückt werden. Durch die TKN-Aufbereitung erhalten Sie nur Ergebnisse für den gesamten organischen Stickstoff plus Ammoniak. TKN wird üblicherweise angefordert, um Erkenntnisse über den Gesamtstickstoffgehalt der Probe zu gewinnen. Daher werden häufig auch andere Stickstoffanalysen durchgeführt. Die Zusammenhänge sind nachfolgend aufgeführt:

Gesamtstickstoff = TKN + (Nitrat + Nitrit)

Gesamter organischer Stickstoff = TKN – Gesamtammoniak)

Gesamter anorganischer Stickstoff = (Nitrat + Nitrit) + Gesamtammoniak

TKN = Gesamter organischer Stickstoff + Gesamtes Ammoniak

Aerob vs. anoxisch

Wenn Sie an ein Aquarium denken, in dem aerobe Bedingungen herrschen, wissen Sie, dass sich darin viel Sauerstoff befindet. Ebenso ist ein Anaerobtank ein Tank ohne Sauerstoff. Es gibt noch eine weitere Sache, die zu berücksichtigen ist. Wenn der gelöste Sauerstoff im Tank aufgebraucht ist, ist der Tank nicht unbedingt anaerob. Sowohl Nitrit (NO 2 ) als auch Nitrat (NO 3 ) enthalten „chemisch gebundenen Sauerstoff“. Wenn den aeroben Mikroben der gelöste Sauerstoff ausgeht, werden sie kreativ und bauen diese Stickstoffchemikalien ab, um den Sauerstoff zu erhalten, den sie benötigen. Wenn in einem Tank kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist, jedoch Nitrate vorhanden sind, wird der Tankzustand als anoxisch bezeichnet. Aerobe Mikroben können auch unter sauerstofffreien Bedingungen im Tank funktionieren. Dies geschieht manchmal im Nachklärbecken des Belebtschlammverfahrens. Im Klärbecken nutzen aerobe Mikroben den gelösten Sauerstoff, der bei der Belüftung übrig bleibt, und beginnen dann, den Sauerstoff aus dem Nitrat zu verwenden. Durch den Abbau von Nitrat verbrauchen Mikroben Sauerstoff und setzen Stickstoff frei. Stickstoff liegt in Form von Stickstoffgas vor. Auf den ersten Blick scheint dies kein Problem zu sein. Stickstoffgas ist ungiftig und sollte nur auf der Oberfläche des Klärers schwimmen und in die Luft entweichen. Das Problem besteht darin, dass den Mikroben in den Flockenpartikeln als Erstes der gelöste Sauerstoff ausgeht und diese dann beginnen, Nitrat zu verbrauchen und Stickstoffgas zu produzieren. Wenn dies geschieht, sorgen die Stickstoffgasbläschen dafür, dass die Flockenpartikel mit den darin enthaltenen Stickstoffbläschen an die Oberfläche steigen. Der Prozess der Umwandlung von Nitrat in Stickstoffgas durch Mikroben wird Denitrifikation genannt. Denitrifikation ist ein gutes Verfahren, jedoch nicht zur Klärung.

Der Prozess der Denitrifikation wird nicht von Nitrogenase-Mikroben durchgeführt. Stattdessen gibt es spezielle Kohlenstofffresser, die Nitrat in Stickstoffgas umwandeln, weil sie Sauerstoff benötigen. Das Produkt der Denitrifikation, Stickstoffgas, stellt zugleich das Ende des Stickstoffkreislaufs dar.

Nachdem wir nun wissen, wie Nitrifikatoren allein funktionieren, müssen wir untersuchen, wie sie mit der übrigen mikrobiellen Population zusammenarbeiten. Wie wir bereits wissen, gibt es kleine Mikroben, die Bakterien genannt werden, und große Mikroben, die Protozoen genannt werden. Nitrifizierer sind Teil einer kleinen Mikrobenpopulation. Diese kleinen Mikroben werden in zwei Kategorien unterteilt. Als Kohlenstofffänger werden Mikroben bezeichnet, die organische Stoffe fressen, die Kohlenstoff enthalten. Die zweite Gruppe ernährt sich von Stickstoffverbindungen und wird daher als Nitrifizierer bezeichnet. Es ist viel einfacher, kohlenstofffressende Mikroben zum Fressen zu bringen, als stickstofffressende Mikroben zum Fressen.

Kohlenstoffmikroben sind die jungen Erwachsenen der Population. Sie fressen viel und vermehren sich entsprechend. Nitrifizierer sind die „Senioren“ der kleinen mikrobiellen Population. Sie sind älter, anspruchsvoller hinsichtlich der Ernährungsbedingungen und vermehren sich leichter als Kohlenstoffmikroben. Bei Belebtschlamm bevorzugen Nitrifizierer längere Schlammverweilzeiten. Wenn das Durchschnittsalter der Mikroben zu niedrig gehalten wird, erbringen die kohlenstoffverbrauchenden Mikroben zwar gute Leistungen, die Nitrifizierer beginnen jedoch nicht mit der Nahrungsaufnahme. Wenn das Durchschnittsalter der Mikroben zu hoch ist, funktionieren die Nitrifikatoren zwar einwandfrei, die kohlenstoffhaltigen Mikroben beginnen jedoch abzusterben. Von hier aus können wir deutlich erkennen, warum ein zweistufiger Sekundärprozess am besten funktioniert.

Sowohl Belebtschlamm- als auch Tropfkörper eignen sich gut als erste Stufe zur CBOD-Reduzierung. Die Nitrifikationsrate in Tropfkörpern hängt von verschiedenen Faktoren ab, unter anderem von der Temperatur, dem gelösten Sauerstoff, dem pH-Wert, dem Vorhandensein von Inhibitoren, der Filtertiefe und Art des Mediums, der Belastungsrate und dem BOD des Abwassers. Durch den Einsatz von Niedrigleistungs-Tropfkörpern konnte eine Population mit hoher Nitrifikation aufgebaut werden. Werden zwei Filter verwendet, findet im ersten Filter heterotrophes Wachstum und im zweiten Filter Nitrifikation statt.

Normalerweise werden rote Blutkörperchen ohnehin in verschiedene Stufen eingeteilt. Um ein stabiles nitrifiziertes Abwasser zu erhalten, werden fünf RBC-Stufen empfohlen. Der RBC-Biofilm sorgt für die anfängliche Adsorption von Mikroben an der Scheibenoberfläche und bildet einen 1–4 mm dicken Biofilm, der für die BOD-Entfernung in rotierenden biologischen Kontaktoren verantwortlich ist. Rotierende Scheiben bieten eine große Angriffsfläche für anhaftende Biomasse. Die ersten Stufen eines RBC entfernen den Großteil der organischen Stoffe, während die späteren Stufen die NH3-Form von Stickstoff durch Nitrifikation entfernen, wenn der BOD niedrig genug ist. Ammoniakoxidierer können nicht wirksam mit Heterotrophen konkurrieren, die schneller wachsen und organische Stoffe oxidieren. Nitrifikation tritt nur auf, wenn der BSB mit der Umsatzrate abnimmt und zunimmt. Die Leistung der roten Blutkörperchen wird in den frühen Stadien durch einen niedrigen gelösten Sauerstoff und in den späteren Stadien, in denen Nitrifikation stattfindet, durch einen niedrigen pH-Wert negativ beeinflusst.

Ein weiterer großer Unterschied zwischen kohlenstoff- und stickstofffixierenden Mikroben ist ihre Herkunft. Kohlenstoffhaltige Mikroben werden mit dem Haushaltsabwasser eingebracht. Nitrifikatoren kommen nur im Boden vor. Während der Wintermonate werden weiterhin kohlenstoffhaltige Mikroben in der Pflanze gespeichert. Werden die Nitrifikatoren der Pflanze weggeschwemmt oder zerstört, können sie erst ersetzt werden, wenn der Boden auftaut. Dies kann die Nitrifikation im Winter erschweren. Nitrifikanten wachsen nur in den obersten 2,5 cm des freiliegenden Bodens, ein großer Klumpen ist also nicht hilfreich. Aus diesem Grund und weil Nitrifikatoren bei den kälteren Temperaturen im Winter viel langsamer arbeiten, sind die Ammoniak-Abwassergrenzwerte im Winter oft niedriger als im Sommer.

Denitrifikation

Jetzt, da Ihre Anlage nitrifiziert, was müssen Sie zur Denitrifikation tun? Antwort: Schaffen Sie irgendwo im Belebtschlammprozess anoxische Bedingungen. Dabei kommt eine anoxische Zone am Anfang der Belebungsbecken vor der Denitrifikation zum Einsatz.

Wenn Nitrosomanas und Nitrobacter Ammoniak in Nitrat umwandeln, findet eine chemische Reaktion statt, mit der sich die Gesamtveränderung beschreiben lässt:

NH4 + 2O2 → NO3 + 2H + H2O

Bei der biologischen Denitrifikation handelt es sich um einen Prozess, bei dem Mikroorganismen Nitrat in Nitrit und Nitrit in Stickstoffgas umwandeln. Heterotrophe Bakterien, die üblicherweise in Belebtschlamm vorhanden sind, führen diese Umwandlung durch, wenn molekularer Sauerstoff oder gelöster Sauerstoff fehlt und ausreichend organische Substanz vorhanden ist. Bakterien gewinnen ihren Sauerstoff aus dem Sauerstoff der Nitrate. Das erzeugte Stickstoffgas liegt in Form von Stickoxid (NO), Distickstoffmonoxid (N2O) oder Stickstoffgas (N2) vor. Die Nettostickstoffentfernung wird durch die Entfernung des bei der Denitrifikation des Abwassers entstehenden Stickstoffgases in einem anschließenden Belüftungsprozess erreicht.

Gelöster Sauerstoff verhindert die Denitrifikation. Mit steigendem DO nimmt die Denitrifikationsrate ab. Um eine Denitrifikation zu erreichen, halten Sie den DO in der anoxischen Zone unter 0,3 mg/l.

Daraus lässt sich schließen, dass dieser Prozess Sauerstoff erfordert und Wasserstoffionen (H) produziert. Das Hinzufügen von Wasserstoffionen zu Wasser ist dasselbe, als würde man Wasser Säure hinzufügen. Es kann zu einem Abfall des pH-Werts führen. Wenn der pH-Wert deutlich unter 6,8 fällt, funktionieren Nitrifikatoren nicht. Der pH-Wert am Zulauf verhindert die Belüftung von Nitrifizierern, sofern sich nicht bereits eine Chemikalie im Wasser befindet, die die Wasserstoffionen absorbiert. Diese „Chemikalie“ wird Alkali genannt. Unter Alkalität versteht man eine Reihe von Chemikalien, die gemeinsam die Aufgabe haben, Säure zu absorbieren. Eine dieser Chemikalien ist Calciumcarbonat (CaCO 3 ). Der Alkalinitätswert in Milligramm pro Liter wird tatsächlich als die Konzentration an Calciumcarbonat angegeben, die die gleiche Menge Säure in der Wasserprobe absorbiert. Die Alkalität ist für die Absorption oder „Pufferung“ des pH-Werts während der Nitrifikation von entscheidender Bedeutung. Für jedes umgewandelte Pfund Ammoniak werden mehr als sieben Pfund Alkali verbraucht. Wenn im belüfteten Abwasser nicht genügend Alkalität vorhanden ist, sinkt der pH-Wert rapide ab und auch die Nitrifikationsrate nimmt ab. Wenn die Alkalität des belüfteten Abwassers nicht ausreicht, sollte Calciumcarbonat oder ein anderer säureabsorbierender chemischer Stoff hinzugefügt werden.

Die optimalen pH-Werte für die Denitrifikation liegen zwischen 7,0 und 8,5. Die Denitrifikation ist ein alkalischer Produktionsprozess. Die biologische Reduktion von Nitrat (NO 3 ) zu Stickstoffgas (N 2 ) durch fakultative heterotrophe Bakterien wird als Denitrifikation bezeichnet. Heterotrophe Bakterien benötigen zum Leben eine Kohlenstoffquelle als Nahrung. Fakultative Bakterien können ihren Sauerstoff gewinnen, indem sie gelösten Sauerstoff aus dem Wasser entfernen oder ihn aus Nitratmolekülen entfernen. Denitrifikation tritt auf, wenn der Sauerstoffgehalt sinkt und Nitrat zur primären Sauerstoffquelle für Mikroben wird. Dieser Prozess wird unter anoxischen Bedingungen durchgeführt, wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs weniger als 0,5 mg/l, idealerweise weniger als 0,2, beträgt. Wenn Bakterien Nitrat (NO3) abbauen, um Sauerstoff (O2) zu produzieren, wird das Nitrat zu Distickstoffmonoxid (N2O) und wiederum zu Stickstoffgas (N2) reduziert. Da Stickstoffgas eine geringere Löslichkeit in Wasser aufweist, entweicht es in Form von Gasblasen in die Atmosphäre. Zur Denitrifikation ist eine Kohlenstoffquelle erforderlich.

Da denitrifizierende Bakterien fakultative Organismen sind, können sie gelösten Sauerstoff oder Nitrat als Sauerstoffquelle für den Stoffwechsel und die Oxidation organischer Stoffe nutzen. Wenn gelöster Sauerstoff und Nitrat vorhanden sind, nutzen die Bakterien zuerst den gelösten Sauerstoff. Dies bedeutet, dass die Bakterien die Nitratkonzentration nicht reduzieren. Denitrifikation findet nur unter anaeroben, also sauerstofffreien Bedingungen statt. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Denitrifikation ist der Kohlenstoffbedarf. Dies bedeutet, dass genügend organische Stoffe vorhanden sind, um eine Denitrifikationsreaktion auszulösen. Organische Stoffe können in Form von Rohabwasser oder zusätzlichem Kohlenstoff vorliegen. Zu den Bedingungen, die die Denitrifikationseffizienz beeinflussen, zählen Nitratkonzentration, anoxische Bedingungen, Vorhandensein von organischer Substanz, pH-Wert, Temperatur, Alkalität und Spurenmetalleffekte. Denitrifizierende Organismen reagieren im Allgemeinen weniger empfindlich auf toxische Chemikalien als Nitrifizierer und erholen sich schneller von toxischen Schockbelastungen als Nitrifizierer.

Die Wachstumsrate denitrifizierender Organismen wird von der Temperatur beeinflusst und verläuft bei höheren Temperaturen schneller. Zwischen 5 und 30 °C (41 und 86 °F) kann eine Denitrifikation erfolgen, wobei diese Raten mit der Temperatur und der Art der verfügbaren organischen Quelle zunehmen. Die höchsten Wachstumsraten werden bei Verwendung von Methanol oder Essigsäure erzielt. Bei der Verwendung von Rohabwasser sind die Raten etwas niedriger, und die niedrigsten Wachstumsraten werden bei der Nutzung endogener Kohlenstoffquellen bei niedrigen Wassertemperaturen beobachtet. Eine Denitrifikation von Abwasser ohne vorherige Nitrifizierung ist nicht möglich.

Wie werden Sie nun aussehen, wenn das gesamte Nitrat aufgebraucht ist? Der nächste Ort, an dem Mikroben nach einer Sauerstoffquelle suchen, ist Sulfat. Beim Verbrauch von Sulfaten verbinden sich Sulfide mit Wasserstoff und bilden Schwefelwasserstoff, der nach faulen Eiern riecht. Warum möchten Sie in Ihrer Anlage eine Denitrifikation durchführen? Der offensichtliche Grund hierfür sind die Gesamtstickstoffbeschränkungen in Ihrer Abwassergenehmigung. Weitere Gründe sind Alkalität und Sauerstoffrückgewinnung, der Wunsch, ein Abwasser mit hoher Stabilität zu erzeugen, und die Verringerung von Problemen mit Schlammablagerungen in Ihrem Klärbecken.

Nach der Denitrifikation wird am Boden der Belebungsbecken eine anoxische Zone genutzt. Die Denitrifikation in der Nachdenitrifikationszone ist langsamer als in der Vordenitrifikationszone.

Was kann getan werden, um die Denitrifikationsrate im Gebiet nach der Denitrifikation zu erhöhen? Bei der stufenweisen Denitrifikation werden abwechselnd Perioden mit aeroben und anaeroben Bedingungen genutzt. Primäres Abwasser wird an mehreren Stellen entlang des Tanks zugeführt, um eine Kohlenstoffquelle für die Denitrifikation bereitzustellen.

Ammoniakentfernung

Ammoniakentfernung Die Entfernung von Stickstoff aus Abwasser, wenn der Stickstoff in Form von gasförmigem Ammoniak vorliegt. Ammoniak ist eine flüchtige Substanz, das heißt, es neigt dazu, aus dem Abwasser zu entweichen und in die Atmosphäre zu gelangen. Ammoniak (NH 3 ) und Ammonium (NH 4 ) stehen je nach pH-Wert im Gleichgewicht. Der größte Teil des Ammoniakstickstoffs im kommunalen Abwasser liegt aufgrund des neutralen pH-Bereichs (zwischen 6 und 8) in Form von Ammonium vor. Daher müssen Chemikalien wie Kalk oder Natriumhydroxid hinzugefügt werden, um den pH-Wert in den Bereich zwischen 10,5 und 11,5 zu bringen. Dadurch wird das Ammonium im Abwasser effektiv in Ammoniak „umgewandelt“. Der Trenneffekt wird dadurch erzielt, dass Abwasser mit hohem pH-Wert in den oberen Teil eines mit einem festen Medium (oder „Füllmaterial“) gefüllten Turms eingeleitet wird. Luft wird in den Turm geblasen und fließt im Gegenstrom zum einströmenden Abwasser. Durch den engen Kontakt zwischen Abwassertröpfchen und Frischluft wird die Ammoniakverdunstung aus dem Abwasser in den Abluftstrom gefördert.

Bei der Breakpoint-Chlorierung handelt es sich um die chemische Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffgas (N2) durch Zugabe von Chlor. Der „Knickpunkt“ ist die Chlordosis, bei der eine Erhöhung der Chlordosis zu einer Erhöhung des Restchlors führt. Bei der Breakpoint-Chlorierung sind relativ hohe Chlordosen pro im Abwasser vorhandener Ammoniakeinheit erforderlich. Im Allgemeinen werden etwa 10 Pfund Chlor benötigt, um ein Pfund Ammoniakstickstoff zu oxidieren. Aufgrund des hohen Chlorbedarfs wird die Breakpoint-Chlorierung nicht als primäres Verfahren zur Ammoniak- (bzw. Stickstoff-)Entfernung eingesetzt. In Belebtschlamm werden biologische Methoden wie Nitrifikation/Denitrifikation eingesetzt, um den Großteil des Stickstoffs zu entfernen, und als letzter Schritt wird die Breakpoint-Chlorierung eingesetzt, um Reststickstoff zu entfernen.

BOD:TKN-Verhältnis

In einem zweistufigen Sekundärprozess dient die erste Stufe zur Reduzierung des BSB und die zweite Stufe zur Verringerung der Ammoniakkonzentration. Der Nitrifikationsprozess erfordert langsam wachsende nitrifizierende Bakterien mit lange gealtertem Schlamm und einer hohen Konzentration an gelöstem Sauerstoff. Darüber hinaus reagierten sie empfindlich auf eine Hemmung durch eine große Bandbreite von Verbindungen in sehr geringen Konzentrationen, die keine Auswirkungen auf heterotrophe Bakterien hatten. Aus diesen Gründen erscheint es sinnvoll, die Prozesse der Kohlenstoffentfernung und der Stickstoffentfernung in getrennten Reaktoren zu trennen. Wenn beispielsweise die Schlammeinheit der zweiten Stufe aktiviert wird, sollte der Betreiber versuchen, so viele Nitrifizierer wie möglich in der Mischlauge der zweiten Stufe zu behalten. Leider sind Nitrifizierer schwache Mikroben, die sich absetzen. Sie haften in einem Flockengemisch nicht besonders gut aneinander und setzen sich deshalb in einem Klärbecken nicht gut ab. Aus diesem Grund müssen kohlenstoffhaltige Mikroben vorhanden sein, die gute Flockenpartikel zur Ablagerung bilden. Wenn es zu viele Kohlenstofffresser gibt, sind möglicherweise nicht genügend Nitrifizierer vorhanden, um die Ammoniakkonzentration zu senken. Wie Sie sehen, ist das Gleichgewicht zwischen Kohlenstoffmikroben und Nitrifizierern sehr wichtig.

Der beste Weg, Mikroben im Gleichgewicht zu halten, besteht darin, ihre Nahrung im Gleichgewicht zu halten. Der Kohlenstoffverbrauch von Lebensmitteln kann am BOD gemessen werden. Nitrifizierende Lebensmittel werden mit TKN gemessen. Wenn beispielsweise der BOD im Wasser doppelt so hoch ist wie die TKN, gibt es ungefähr doppelt so viele Kohlenstoffmikroben wie Nitrifizierer. Bei einem hohen Nitrifikatorwert sinkt die Ammoniakkonzentration, das Abwasser der nicht abgesetzten Mikroben wird jedoch trüb. Wenn zu viele Kohlenstoffmikroben vorhanden sind, wird das Abwasser zwar klar, die Nitrifikation verlangsamt sich jedoch oder kommt sogar zum Stillstand. Wenn die BOD-Konzentration durch die TKN-Konzentration geteilt wird, muss die Zahl größer als 2 sein. Ist der Wert kleiner als 2, wird das Abwasser trüb. Der Betrieb bei einem Wert zwischen 2 und 6 in der Nitrifikationseinheit der zweiten Stufe sollte zu einem klaren Abwasser mit einer deutlich reduzierten Ammoniakkonzentration führen. Wenn das BOD:TKN-Verhältnis weniger als 2 beträgt, kann es erhöht werden, indem ein Teil des Primärabwassers an der ersten Stufe vorbeigeleitet wird, um so die BOD-Konzentration beim Eintritt in die zweite Stufe zu erhöhen.

Eines der Probleme, mit denen Betreiber einer separaten Nitrifikationsanlage konfrontiert sind, besteht darin, dass die zur Desinfektion des Abwassers erforderliche Chlormenge zunimmt, sobald mit der Nitrifikation begonnen wird. Durch Denitrifikation wird Abwassernitrat in Stickstoffgas umgewandelt. Wir wollen einfach nicht, dass das in die Kläranlage gelangt.

Rezension

Nitrifikation ist ein mikrobieller Prozess, bei dem reduzierte Stickstoffverbindungen (hauptsächlich Ammoniak) stufenweise zu Nitrit und Nitrat oxidiert werden. Ammoniak ist durch natürliche Prozesse oder durch Zugabe von Ammoniak während der Sekundärdesinfektion vorhanden und bildet Chloramine.

Nitrat (NO 3 – ) und Nitrit (NO 2 – ) sind natürlich vorkommende Mineralionen, die Teil des Stickstoffkreislaufs sind. Durch mikrobielle Aktivität im Boden oder im Wasser werden organische stickstoffhaltige Abfälle in Ammoniak zerlegt, das dann zu Nitrit und Nitrat oxidiert wird. Wasser enthält von Natur aus weniger als 1 mg Nitrat-Stickstoff pro Liter und stellt keine große Belastungsquelle dar. Höhere Werte deuten darauf hin, dass das Wasser verunreinigt ist. Zu den häufigsten Quellen der Nitratverschmutzung zählen Düngemittel, Tierkot, Klärgruben, kommunale Abwasseraufbereitungssysteme und verrottende Pflanzenreste. Landes- und Bundesgesetze legen den maximal zulässigen Nitrat-Stickstoff-Gehalt im öffentlichen Trinkwasser auf 10 Milligramm pro Liter (10 parts per million) fest.

Unter Nitrifikation versteht man die Umwandlung von Ammoniak (NH 3 + ) in Nitrat (NO 3 – ). Denitrifikation ist die Umwandlung von Nitrat (NO 3 – ) in Stickstoffgas (N 2 ). Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff oder TKN wird als gesamter organischer Stickstoff und Ammoniakstickstoff definiert. Wenn Sie diesen Test nicht durchführen können, sollten Sie dennoch den Stickstoffkreislauf in der Anlage überwachen.

Pflicht

Besprechen Sie ausführlich die drei Arten von Schwebewachstumsreaktoren, die zur Nitrifikation/Nitrifikation verwendet werden. Senden Sie Ihre Aufgabe per E-Mail-Anhang, Fax oder Post an den Dozenten.

Sie müssen sich auf die Zwischenprüfung vorbereiten, die die Lektionen 1-8 umfasst. Sofern noch nicht geschehen, senden Sie mir bitte Ihre Schutzdaten zu.

Prüfung