Der Stickstoffkreislauf
Die Stickstoffentfernung ist einer der wesentlichen Schritte in der Abwasserbehandlung. In vielen Ländern gibt es auch regulatorische Standards in Bezug auf die Stickstoffkonzentrationen am Auslass der Anlage. Um diese Konzentrationen zu erreichen, müssen daher die Nitrifikation und Denitrifikation optimal gesteuert werden.
Im Wasser kommt Stickstoff in mineralischer (Ammoniak, Nitrat) oder organischer Form vor. Sein organisches oder ammoniakalisches Vorhandensein führt zu einem Verbrauch von Sauerstoff in der natürlichen Umwelt und verändert die Lebensbedingungen.
In der Kanalisation durchläuft der Stickstoffkreislauf die verschiedenen Stadien der biogeochemischen Entwicklung der Verbindung. Er führt zur Bildung von gasförmigem Stickstoff (Stickstoff N2) , beginnend mit dem organischen Stickstoff , und weiter über: Ammoniak, Nitrit, Nitrat.
In Kläranlagen kommen verschiedene Formen von Stickstoff vor:
- Nitrit und Nitrat: oxidierter Stickstoff
- nicht oxidierte Formen: Kjeldhal-Stickstoff, der organischen Stickstoff und Ammoniumstickstoff (NH4+) umfasst.
- Ammonifizierbarer organischer Stickstoff
- Refraktärer organischer Stickstoff
Die Messung aller Formen entspricht dem Gesamtstickstoff.
Abwasser setzt sich im Wesentlichen zusammen aus:
- ammonifizierbarer oder refraktärer organischer Stickstoff (in löslicher und teilchenförmiger Form)
- von Ammoniumstickstoff
Ammonisierbarer organischer Stickstoff
Dies ist die am weitesten verbreitete Form und Ammoniumstickstoff (NH4-H). Es ist diejenige , die im Urin vorkommt.
Das Abwasser, das in eine Kläranlage gelangt, enthält einen großen Teil an organischem Stickstoff (Albumin, Carbamid, etc.). Darüber hinaus ist der von einem Haushalt freigesetzte Stickstoff ursprünglich etwas stärker in veränderlichem organischem Stickstoff konzentriert.
Organischer Stickstoff gilt als ammonisierbar, wenn er durch enzymatische Hydrolyse in Ammoniumstickstoff umgewandelt werden kann.
Mit anderen Worten, das Verhältnis von Ammonisierbarkeit zu Ammoniak kann von Faktoren wie Temperatur und Inkubationszeit (abhängig von der Länge des Netzwerks) abhängen, da hier die Umwandlung von organischem Stickstoff in NH4-H beginnt.
Während der Behandlung in der Kläranlage geht die Ammonifikation weiter, bis der Großteil des Stickstoffs in NH4-N umgewandelt ist.
Löslicher und partikulärer refraktärer Stickstoff, der als "harter Stickstoff" bezeichnet wird
Der lösliche Refraktärstickstoff ist der biologisch nicht abbaubare Bestandteil des Stickstoffs. Außerdem wird dieser Teil bereits beim Eintritt in die Station nachgewiesen.
Darüber hinaus liegen die Größenordnungen dieses Stickstoffs für normales kommunales Wasser zwischen 1,5 und 2,5 mg/Liter. Der harte oder partikuläre feuerfeste Stickstoff hat die gleichen Konzentrationen, wird aber im Schlamm eingeschlossen.
In einigen Fällen kann die Reihenfolge des löslichen harten Stickstoffs wichtiger sein. Dies erklärt sich in der Regel durch Rückflüsse aus dem Klärschlammsektor oder einem Netzwerk mit langer Verweildauer.
Zu den Technologien, die sich auf den Gehalt an organischem Hart-Stickstoff auswirken, gibt es Rückläufe aus der thermischen Trocknung.
Biologische Nitrifikation
Es handelt sich um den biologischen Zyklus der Umwandlung von reduziertem Stickstoff in die oxidierte Form Nitrat (NO3-). Und Mikroorganismen spielen in diesem Prozess eine große Rolle.
Die Nitrifikation erfolgt in zwei Schritten:
- die Umwandlung von Ammoniak in Nitrit durch Oxidation
- dann die Entwicklung von Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-). Man spricht dann von Nitritation und anschließend von Nitratation.
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MBBR N-XS
Biologische Behandlung
Die für die Nitrifikation verantwortlichen Mikroorganismen sind Nitrosomonas und Nitrobacter. Diese sind empfindlich und benötigen eine konstante Temperatur (größer oder gleich 12°).
Eine ausreichende Sauerstoffversorgung und eine günstige C/P/N-Zufuhr sind jedoch ebenfalls unerlässlich.
Die maximale Wachstumsrate von nitrifizierenden Bakterien ist deutlich niedriger als die von heterotrophen Bakterien (die sich von kohlenstoffhaltigem Substrat ernähren). In einer Kläranlage steht die Masse der nitrifizierenden Bakterien in direktem Zusammenhang mit der Menge des Substrats, die sie erhält, und der Temperatur des Wassers. Die Wachstumsrate nitrifizierender Populationen passt sich mehr oder weniger schnell an die zu behandelnde Stickstoffmasse an.
Die biologische Nitrifikation von 1 kg Ammoniumstickstoff:
- benötigt theoretisch 4,2 kg Sauerstoff , von denen 80% in den gebildeten Nitraten enthalten sind,
- geht mit einer Abnahme der Alkalinität einher (ausgleichbar durch 3,9 kg Branntkalk CaO),
- produziert 170 g nitrifizierende Bakterien, was im Vergleich zum Schlamm sehr gering ist. Die Anzahl der Nitrifikanten ist sehr gering, verglichen mit der Schlammproduktion, die durch den Abbau der organischen Kohlenstoffbelastung entsteht.
Zusammenfassendlässt sich sagen, dass eine gute Nitrifikation ohne zusätzliche Chemikalien gewährleistet werden kann, muss man:
- Ammoniak
- Eine Temperatur von mindestens 12°C
- Ausreichende natürliche Alkalität im Rohwasser
- Viel Sauerstoff
- Ausreichend nitrifizierende Bakterien
- Ein pH-Wert zwischen 7,2 und 8,5
Biologische Denitrifikation
Ziel der biologischen Denitrifikation ist es, Stickstoff vollständig aus dem Abwasser zu entfernen. Bei diesem Verarbeitungsschritt verdampft Stickstoff in seiner molekularen Form N2 in die Atmosphäre.
Denitrifikation ist der anaerobe Mechanismus , der ermöglicht es einer großen Anzahl heterotropher Bakterien ihren Energiebedarf aus Nitraten zu decken , wenn es an gelöstem Sauerstoff mangelt.
Einfach ausgedrückt: Da es ihnen an O2 mangelt, fehlt , müssen diese Bakterien den in den Nitraten enthaltenen Sauerstoff zum Atmen verwenden.
Sie atmen nämlich Nitrate ein. Und um eine gute Denitrifikation zu gewährleisten, ist es daher notwendig, O2 im zu behandelnden Wasser zu vermeiden.
Die Bakterien , die am Denitrifikationszyklus beteiligt sind, sind auch an der Veränderung des Kohlenstoffs beteiligt. Da sie sich “ ausgewogen “ ernähren brauchen sie eine Kohlenstoffquelle , um ihren stickstoffhaltigen Speiseplan zu ergänzen. In den Kläranlagen, werden häufig Methanol oder Essig, um den Mangel an Kohlenstoff auszugleichen.
Einer der weiteren Vorteile bei der Denitrifikation, ist die Rückgewinnung von Alkalinität (ein Teil der Alkalinität, die im Nitrifikationsschritt verloren geht ). In der Tat, sorgt die Denitrifikation für eine Alkalinitätsrückgabe in Höhe von die Hälfte des Verbrauchs, der für die Nitrifikation erforderlich ist. d . h. 1 kg denitrifizierter Nitratstickstoff entspricht der Zugabe von 1,95 kg Branntkalk CaO.
Darüber hinaus ist es interessant, ein Kreislaufsystem im Wasseraufbereitungsprozess einzurichten, um diese Alkalität wiederzuverwenden.
Zusammenfassendlässt sich sagen, dass eine gute Denitrifikation nur dann gewährleistet werden kann, wenn:
- Nitrate
- Kein Sauerstoff
- Ausreichend denitrifizierende Bakterien
- Eine leicht assimilierbare komplementäre Kohlenstoffquelle (streben Sie ein Mindest-BSB5/NO3-Kohlenstoff-Verschmutzungsverhältnis von mehr als 2 an).
CSB/NTK-Verhältnis
Wie bereits erläutert, ernähren sich Bakterien ausgewogen. Zur Messung dieses Gleichgewichts wird das CSB/NTK-Verhältnis verwendet.
Ein niedriges CSB/NTK-Verhältnis wirkt sich jedoch negativ auf die Biotransformation von Stickstoff in oxidierten und gasförmigen Stickstoff aus. Andernfalls kann diese Art von Abwasser keine gute Denitrifikation fördern.
Im Gegensatz dazu, wird ein hohes Verhältnis zu einer vollständigen Assimilation des Stickstoffs führen. aber es wird eine kohlenstoffhaltige Restverschmutzung geben.
Für kommunales Abwasser liegt das CSB/NTK-Verhältnis daher zwischen 7 und 20. Das heißt, je niedriger das Verhältnis, desto mehr zusätzliche Kohlenstoffquelle muss während der Denitrifikationsphase hinzugefügt werden.
FAQ
Warum müssen Sie Stickstoff aus dem Abwasser entfernen?
Die Entfernung von Stickstoff ist unerlässlich, da seine reduzierten Formen (wie z. B. Ammoniak) in Gewässern gelösten Sauerstoff verbrauchen, was zur Erstickung der Fauna und zur Vermehrung von Algen (Eutrophierung) führt. Darüber hinaus können Nitrate das Grundwasser verunreinigen und eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Aus diesem Grund gibt es in vielen Verordnungen strenge Grenzwerte für die Stickstoffkonzentrationen in Abwassereinleitungen.
Was ist der Unterschied zwischen Nitrifikation und Denitrifikation?
Die Nitrifikation ist ein aerober Prozess (mit Sauerstoff), wobei Ammoniumstickstoff von bestimmten Bakterien in Nitrite und dann in Nitrate umgewandelt wird. Auf der anderen Seite ist die Die Denitrifikation ist ein anaerober Prozess (ohne Sauerstoff), bei der Bakterien Nitrate als Sauerstoffquelle nutzen und sie zu Stickstoffgas (N₂) reduzieren, das in die Atmosphäre abgegeben wird. Diese beiden Schritte ergänzen sich, um Stickstoff effektiv aus dem Abwasser zu entfernen.
Welche Parameter sind zu überwachen, um die Nitrifikation in Kläranlagen zu optimieren?
Um eine effektive Nitrifikation zu gewährleisten, ist es entscheidend, Folgendes aufrechtzuerhalten:
- eine Temperatur > von 12 °C
- pH-Wert zwischen 7,2 und 8,5
- eine ausreichende Konzentration an gelöstem Sauerstoff
- natürliche oder korrigierte Alkalität
- eine aktive Population nitrifizierender Bakterien
Eine schlechte Kontrolle dieser Parameter kann zu einer unvollständigen oder instabilen Nitrifikation führen.
Kann man in einer Kläranlage Stickstoff in einem einzigen Schritt entfernen?
Nein, die vollständige Stickstoffentfernung erfordert zwei getrennte biologische Schritte : Nitrifikation (aerob), um Ammoniumstickstoff in Nitrate umzuwandeln, dann Denitrifikation (anaerob), um diese Nitrate in Stickstoffgas umzuwandeln. Es ist unmöglich, alles in einem Schritt effektiv zu verarbeiten, da die Betriebsbedingungen (mit oder ohne Sauerstoff) gegensätzlich sind.
Was ist die Einleitungsnorm für den Gesamtstickstoff im Abwasser in Frankreich?
In Frankreich ist gemäß der europäischen Richtlinie 91/271/EWG und dem Dekret vom 21. Juli 2015 die höchstzulässige Konzentration von Gesamtstickstoff in Einleitungen aus Kläranlagen hängt von der Größe der Anlage (PE) und der Empfindlichkeit der aufnehmenden Umgebung ab. Im Allgemeinen liegt die Grenze für große Stationen (>10.000 EW) bei 15 mg/l Gesamtstickstoff oder manchmal 10 mg/l für nitratempfindliche Bereiche.
