In den letzten Jahren sind im In- und Ausland mehrere völlig neue Entstickungsverfahren entstanden, die neue Möglichkeiten für die Behandlung von Abwässern mit hohem Ammoniak- und Stickstoffgehalt bieten. Dazu gehören vor allem die Kurznitrifikation und Denitrifikation, die aerobe Denitrifikation und die anaerobe Ammoniakoxidation (ANAMMOX).

1. Short-cut Nitrification and Denitrification

Im Jahr 1975 entdeckten Voets und andere das Phänomen der NO2-N-Anreicherung während des Nitrifikationsprozesses, als sie die Behandlung von Abwässern mit hohem Ammoniak- und Stickstoffgehalt untersuchten, und schlugen zunächst das Konzept der Abkürzung von Nitrifikation und Denitrifikation vor.

Da die Oxidation von Ammoniakstickstoff eine große Menge Sauerstoff erfordert, sind die Kosten für die Belüftung der Hauptausgabenfaktor bei dieser Entstickungsmethode. Durch verkürzte Nitrifikation und Denitrifikation (Oxidierung von Ammoniakstickstoff zu Nitritstickstoff vor der Denitrifikation) kann nicht nur der für die Ammoniakoxidation erforderliche Sauerstoff, sondern auch die für die Denitrifikation benötigte Kohlenstoffquelle eingespart werden. Ruiza und andere verwendeten synthetisches Abwasser (simuliertes Industrieabwasser mit hohen Konzentrationen an Ammoniakstickstoff), um die Bedingungen für die Nitritakkumulation zu bestimmen. Um eine Nitritakkumulation zu erreichen, ist der pH-Wert kein kritischer Kontrollparameter, denn wenn der pH-Wert zwischen 6,45 und 8,95 liegt, findet eine vollständige Nitrifikation unter Bildung von Nitrat statt; wenn pH < 6.45 or pH > Bei einem Wert von 8,95 wird die Nitrifikation gehemmt und Ammoniakstickstoff reichert sich an. Bei DO = 0,7 mg/L können 65 % des Ammoniakstickstoffs in Form von Nitrit akkumuliert werden, mit einer Ammoniakstickstoffumwandlungsrate von über 98 %. Wenn DO < 0.5 mg/L, ammonia nitrogen accumulation occurs; when DO > Bei einer Gesamtnitrifikation von ca. 1,7 mg/L entsteht Nitrat. Liu Junxin und andere führten eine vergleichende Analyse der Auswirkungen der Denitrierung vom Nitrit-Typ und Nitrat-Typ für hochkonzentriertes Ammoniak-Stickstoff-Abwasser mit einem niedrigen Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis durch. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Denitrierung vom Nitrit-Typ die Gesamteffizienz der Stickstoffentfernung erheblich verbessern kann und die Ammoniakstickstoff- und Nitratstickstofffrachten nahezu verdoppelt werden können. Darüber hinaus haben Faktoren wie pH-Wert und Ammoniakstickstoffkonzentration einen wichtigen Einfluss auf die Art der Denitrierung.

Ergebnisse im Pilotmaßstab zur Behandlung von Kokereiabwasser mittels Kurznitrifikation und Denitrifikation zeigen, dass die durchschnittlichen Abwasserkonzentrationen 197,1, 14,2, 181,5 und 0,4 mg/L betragen, wenn die Zulaufkonzentrationen von CSB, Ammoniakstickstoff, TN und Phenol 1201,6, 510,4, 540,1 bzw. 110,4 mg/L betragen. Die entsprechenden Entfernungsraten betragen 83,6 %, 97,2 %, 66,4 % bzw. 99,6 %. Im Vergleich zu herkömmlichen biologischen Denitrierungsverfahren weist dieses Verfahren eine höhere Ammoniak-Stickstoffbelastung auf und kann die TN-Entfernungsrate unter Bedingungen niedrigerer C/N-Werte erhöhen.

2. Anaerobic Ammonia Oxidation (ANAMMOX)

Unter anaerober Ammoniakoxidation (ANAMMOX) versteht man den Prozess, bei dem Ammoniakstickstoff unter anaeroben Bedingungen unter Verwendung von Nitrit als Elektronenakzeptor direkt zu Stickstoffgas oxidiert wird.

Die biochemische Reaktionsgleichung für ANAMMOX lautet:
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ ↑ + 2H₂O

ANAMMOX-Bakterien sind obligat anaerobe Autotrophe und eignen sich daher hervorragend für die Behandlung von Ammoniak-Stickstoff-Abwässern, die NO₂⁻ und niedrige C/N-Verhältnisse enthalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren weist die Entstickung auf Basis der anaeroben Ammoniakoxidation einen einfachen Prozessablauf auf, erfordert keine externe organische Kohlenstoffquelle, verhindert Sekundärverschmutzung und bietet hervorragende Anwendungsaussichten. Es gibt zwei Hauptanwendungen der anaeroben Ammoniakoxidation: den CANON-Prozess und die Integration mit Single Reactor High Activity Ammonia Removal Over Nitrite (SHARON), um den kombinierten SHARON-ANAMMOX-Prozess zu bilden.

3. Completely Autotrophic Nitrogen-removal Over Nitrite (CANON)

Der CANON-Prozess ist eine Methode, die vollständig autotrophe Mikroorganismen nutzt, um gleichzeitig Ammoniak, Stickstoff und Nitrit unter sauerstofflimitierten Bedingungen zu entfernen. Hinsichtlich der Reaktionsform handelt es sich um eine Kombination der SHARON- und ANAMMOX-Prozesse, die im selben Reaktor durchgeführt werden. Meng Liao und andere fanden in der Sickerwasseraufbereitungsanlage für feste Abfälle in Shenzhen < 800 mg/L, and ammonia nitrogen load < 0.46 kg NH₄⁺/(m³•d), the CANON process can be achieved using an SBR reactor, with an ammonia nitrogen removal rate > 95% and a total nitrogen removal rate > 90%.

Untersuchungen von Sliekers und anderen zeigen, dass sowohl ANAMMOX- als auch CANON-Prozesse in Gasliftreaktoren gut funktionieren und sehr hohe Stickstoffumwandlungsraten erzielen können. Bei der Regelung des gelösten Sauerstoffs auf etwa 0,5 mg/L in einem Gasliftreaktor erreichte die Denitrierungsrate des ANAMMOX-Prozesses 8,9 kg N/(m³·Tag), während der CANON-Prozess 1,5 kg N/(m³·Tag) erreichte.

4. Simultaneous Nitrification and Denitrification (SND)

Gemäß der traditionellen biologischen Denitrifizierungstheorie umfasst der Denitrifizierungsweg im Allgemeinen zwei Stufen: Nitrifikation und Denitrifikation. Diese beiden Prozesse müssen in zwei isolierten Reaktoren oder im selben Reaktor durchgeführt werden, wobei zeitlich oder räumlich abwechselnd anoxische und aerobe Umgebungen geschaffen werden. Tatsächlich wurde bereits vor Jahren bei einigen Belebtschlammprozessen ohne offensichtliche anoxische und anaerobe Stufen das Phänomen des nicht assimilativen Stickstoffverlusts mehrfach beobachtet, und auch in Belüftungssystemen wurde das Verschwinden von Stickstoff häufig beobachtet.

In diesen Behandlungssystemen treten Nitrifikations- und Denitrifikationsreaktionen häufig unter den gleichen Behandlungsbedingungen und im gleichen Behandlungsraum auf; Daher werden diese Phänomene als gleichzeitige Nitrifikation/Denitrifikation (SND) bezeichnet. Derzeit ist MBBR das repräsentative Verfahren zur gleichzeitigen Nitrifikation und Denitrifikation.

5. Aerobic Denitrification

Die traditionelle Denitrierungstheorie geht davon aus, dass denitrifizierende Bakterien fakultativ sind und ihre Atmungskette unter aeroben Bedingungen Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor und unter anoxischen Bedingungen Nitrat als terminalen Elektronenakzeptor verwendet. Wenn also eine Denitrifikationsreaktion stattfinden soll, muss diese in einer anoxischen Umgebung stattfinden. In den letzten Jahren wurde das Phänomen der aeroben Denitrifikation immer wieder entdeckt und berichtet und erlangte allmählich Aufmerksamkeit. Es wurden einige aerobe denitrifizierende Bakterien isoliert, von denen einige gleichzeitig eine aerobe Denitrifikation und eine heterotrophe Nitrifikation durchführen können (z. B. T. pantotropha LMD82.5, isoliert und untersucht von Robertson und anderen). Dies ermöglicht eine gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation im eigentlichen Sinne innerhalb desselben Reaktors, was den Prozessablauf vereinfacht und Energie spart.

Experimentelle Ergebnisse eines SBR-Reaktors zur Behandlung von Ammoniak-Stickstoff-Abwasser bestätigten das Vorhandensein einer aeroben Denitrifikation. Die aerobe Denitrifikationskapazität nimmt mit zunehmender Konzentration an gelöstem Sauerstoff in der Mischflüssigkeit ab. Wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs 0,5 mg/L beträgt, kann die Gesamtstickstoffentfernungsrate 66,0 % erreichen.

Kontinuierliche dynamische experimentelle Untersuchungen zeigen, dass bei hochkonzentriertem Ammoniak-Stickstoff-Sickerwasser die Gesamtstickstoffentfernungsrate des aeroben Denitrifikationsprozesses mit gewöhnlichem Belebtschlamm mehr als 10 % erreichen kann. Die Nitrifikationsreaktionsgeschwindigkeit nimmt ab, wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs abnimmt, während die Denitrifikationsreaktionsgeschwindigkeit zunimmt, wenn die Konzentration des gelösten Sauerstoffs abnimmt. Die kinetische Analyse von Nitrifikation und Denitrifikation zeigt, dass bei einem gelösten Sauerstoffgehalt von etwa 0,14 mg/L gleichzeitig Nitrifikation und Denitrifikation stattfinden, wobei die Nitrifikationsrate und die Denitrifikationsrate gleich sind. Die Rate beträgt 4,7 mg/(L·h), mit einer Nitrifikationsreaktionskonstanten KN = 0,37 mg/L und einer Denitrifikationsreaktionskonstanten KD = 0,48 mg/L.

N2O, ein Treibhausgas, entsteht während des Denitrifikationsprozesses und verursacht neue Verschmutzung. Die Erforschung der damit verbundenen Mechanismen ist noch nicht tiefgreifend genug und viele Prozesse befinden sich noch im Laborstadium und erfordern weitere Untersuchungen, bevor sie effektiv in der praktischen Technik angewendet werden können. Darüber hinaus befinden sich Prozesse wie der vollständig autotrophe Denitrogenierungsprozess und die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation noch im experimentellen Forschungsstadium, die alle große Anwendungsaussichten haben.

YexSensor Core Monitoring Matrix für Systemintegration

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F1: Warum ist die Kontrolle des gelösten Sauerstoffs (DO) bei der Kurzzeitnitrifikation so wichtig?
A: Eine präzise DO-Kontrolle ermöglicht das Überleben von Ammoniak-oxidierenden Bakterien (AOB) und hemmt gleichzeitig nitritoxidierende Bakterien (NOB). Durch die Aufrechterhaltung eines Sauerstoffgehalts von ca. 0,7 mg/L wird sichergestellt, dass Ammoniak nur zu Nitrit oxidiert wird, was den Eckpfeiler des Kurzzeitverfahrens darstellt.

F2: Was sind die Hauptvorteile des ANAMMOX-Verfahrens für Systemintegratoren?
A: Bei Großprojekten macht ANAMMOX keine externen Kohlenstoffquellen mehr erforderlich und reduziert den Sauerstoffbedarf um 60 %, wodurch die Betriebskosten (OPEX) und der Fußabdruck des Verfahrens deutlich gesenkt werden Anlage.

F3: Wie stellt YexSensor die Datenstabilität in Umgebungen mit hoher Ammoniakkonzentration sicher?
A: Unser YEX-NHN-206 verwendet eine fortschrittliche ionenselektive Elektrode mit integrierten Interferenzkompensationsalgorithmen, die speziell entwickelt wurde, um den „Vergiftungseffekten“ zu widerstehen, die häufig in Abwässern mit industrieller Stärke auftreten.

F4: Kann der CANON-Prozess in einem einzelnen Reaktor implementiert werden?
A: Ja. CANON kombiniert Teilnitrierung und ANAMMOX in einem einzigen Reaktor, indem es den Sauerstoffgehalt steuert, um sowohl autotrophen aeroben als auch anaeroben Bakterien die Koexistenz in verschiedenen Schichten des Biofilms oder der Flocken zu ermöglichen.

F5: Welchen Nutzen hat die RS485-Modbus-RTU-Kommunikation für Abwasserprojekte?
A: Es erleichtert die nahtlose Integration in SPS- und SCADA-Systeme und ermöglicht die Datenübertragung über große Entfernungen (bis zu 1200 m) und die Verkettung mehrerer Sensoren über ein einziges Kabel, wodurch die Installationskomplexität reduziert wird.

F6: Beeinflusst die Temperatur die Genauigkeit der Ammoniak-Stickstoff-Überwachung?
A: Ja, die Temperatur beeinflusst die Ionenaktivität erheblich. Daher verfügt der YEX-NHN-206 über einen hochpräzisen internen Temperatursensor für die automatische Echtzeitkompensation, um die Datenintegrität bei schwankenden saisonalen Temperaturen sicherzustellen.

F7: Warum ist die pH-Überwachung für die Erzielung einer Nitritakkumulation unerlässlich?
A: Während Sauerstoff der Haupttreiber ist, kann ein pH-Wert außerhalb des Bereichs von 6,45–8,95 die Nitrifikation insgesamt hemmen. Bei Kurzzeitprozessen stellt die Aufrechterhaltung eines optimalen pH-Werts sicher, dass AOB aktiv bleibt und gleichzeitig das NOB-Wachstum unterdrückt.

F8: Ist die gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation (SND) für hochbelastetes Industrieabwasser geeignet?
A: SND ist hochwirksam, wenn es mit Biofilmträgern wie MBBR verwendet wird, die die notwendigen aeroben/anoxischen Mikrozonen erzeugen. Es ist besonders nützlich für Projekte mit begrenztem Platzangebot und erfordert eine präzise DO-Kontrolle bei etwa 0,1–0,5 mg/L.

Zusammenfassung: Die Zukunft der Stickstoffentfernung vorantreiben

Der Übergang von der traditionellen Stickstoffentfernung zu fortschrittlichen autotrophen und Kurzzeitprozessen stellt einen bedeutenden Effizienzsprung in der Umwelttechnik dar. Durch die Integration leistungsstarker Sensortechnologie wie der YexSensor YEX-206-Serie mit innovativen Prozessen wie ANAMMOX und CANON können Systemintegratoren Lösungen liefern, die nicht nur konform, sondern auch äußerst nachhaltig sind.

Da die globalen Standards für Gesamtstickstoff (TN) immer strenger werden, wird die Fähigkeit, diese sensiblen biologischen Prozesse in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, der entscheidende Faktor für den Erfolg moderner industrieller Abwasseraufbereitungsprojekte sein.

Projektunterstützung und -integration:
Für detaillierte Modbus-Registerkarten, kundenspezifische Durchflusszellendesigns oder Integrationsunterstützung für groß angelegte Stickstoffentfernungsprojekte wenden Sie sich bitte an das technische Entwicklungsteam von YexSensor.