DE60016931T2

DE60016931T2 - Nitrifikation von abwasser

Info

Publication number: DE60016931T2
Application number: DE60016931T
Authority: DE
Inventors: Thomas Cranfield STEPHENSON
Original assignee: Cranfield University
Current assignee: Water Innovate Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: WO2000058227A1; GB9907210D0; EP1200360B1; ATE285384T1; DE60016931D1; EP1200360A1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nitrifizierung von Abwasser und insbesondere die Steuerung eines solchen Verfahrens.
Untersuchungen von Stickstoff(I)-oxid-Emissionen aus Abwasserreinigungsanlagen und Seen sind im Artikel "Nitrous Oxide Emissions from Sewage Treatment Plants and Lakes" von Martin Mengis und Teto von Schulthess, EAWAG News 40D, November 1995, beschrieben, während Untersuchungen zu Stickstoff(I)-oxid-Emissionen aus Abwasserreinigungsanlagen im Artikel "Emission of Nitrous Oxide from High-rate Nitrification and Denitrification by Mixed Liquor Circulating Process and Sequencing Batch Reactor Process" von Yuji Lkayasu, Isaya Abe und Yoshitaka Matsuo, Water Science and Technology No. 12, S. 39 – 45, 1997, beschrieben sind.

Industrielles und häusliches Abwasser wird behandelt, um Umweltverschmutzungen zu entfernen. Organische Stoffe, ammoniakalischer Stickstoff und andere Chemikalien müssen aus Abwasser entfernt werden. Die Entfernung von ammoniakalischem Stickstoff aus häuslichem und industriellem Abwasser vor der Abwassereinleitung ist eine gesetzliche Bestimmung. Bei der Nitrifizierung handelt es sich um die biologische Oxidation von Ammoniak (NH₃) zu Nitrat (NO₃ ^–) über Nitrit (NO₂ ^–). Zwei Bakteriengattungen sind für die Nitrifizierung verantwortlich; Nitrosomonas oxidiert Ammoniak zu Nitrit, und Nitrobacter oxidiert dieses zu Nitrat. Nitrosomonas oxidiert Ammoniak zu Nitrit wie folgt: Oxidation von Ammoniak zu Nitrit

Stufe	Reaktion
1	NH₃ + O₂+ 2H + 2e^– → NH₂OH + H₂O
	Ammoniakmonooxygenase
2	NH₂OH + H₂O → HONO + 4 H⁺ + 4 e^–
	Hydroxylaminoxidoreduktase
3	0,5 O₂+ 2 H⁺+ 2 e^– → H₂O
Insgesamt	NH₃ + 1,5 O₂ → NO₂ ^– + H⁺ + H₂O

Nitrobacter oxidiert Nitrit zu Nitrat wie folgt: Oxidation von Nitrit zu Nitrat

Stufe Reaktion

1 HONO + H₂O → HONO₂ + 2 H⁺ + 2 e^–

Nitrit-Oxidoreduktase

2 0,5 O₂+ 2 H⁺+ 2e^– → H₂O

Insgesamt HONO + 0,5 O₂ → HONO₂
Die Nitrifizierung ist ein empfindliches Verfahren, dessen Stabilität von zahlreichen Betriebsbedingungen, insbesondere dem pH-Wert, der organischen Substanz, dem Ammoniakgehalt, dem gelösten Sauerstoff und dem Fehlen von Toxinen, abhängt. Zur Oxidation von 1 kg Ammoniak zu Nitrat sind etwa 4,3 kg Sauerstoff erforderlich. Das Nitrifizierungsverfahren hat einen viel höheren Sauerstoffbedarf als die Oxidation von organischen Stoffen in Abwasser, wobei die Stabilität von Ersterem von der Sauerstoffzufuhrgeschwindigkeit und der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) besonders beeinflusst wird. Somit kann jede Schwankung der Merkmale des zufließenden Abwassers oder der Betriebsbedingungen, die die DO-Konzentration so vermindert, dass das Verfahren anoxisch (anaerob) wird, eine nachteilige Auswirkung auf die Nitrifizierungsgeschwindigkeit und -Wirksamkeit haben, und wenn sie nicht behoben wird, kann ein Versagen des Verfahrens erfolgen. Zur Verhinderung einer solchen Folge ist eine kontinuierliche Online-Überwachung erforderlich. Oft wird eine kontinuierliche Messung des DO während der Nitrifizierung durchgeführt, obwohl der Nutzen einer solchen Überwachung eingeschränkt ist. Niedrige DO-Konzentrationen sind zu beobachten, wenn die Sauerstoffzufuhrgeschwindigkeiten hoch genug sind, um den Bedarf zu erfüllen, und niedrige DO-Konzentrationen allein implizieren nicht ein bevorstehendes Versagen des Verfahrens.
Die Überwachung der Nitrifizierung während der Abwasserbehandlung erfolgt hauptsächlich durch eine Punktanalyse von abfließendem Ammoniak, Nitrit und Nitrat durch nasschemische Verfahren. Diese Überwachungsmethode ist zeitaufwendig, Resourcen verbrauchend und ergibt keine Vorwarnung für ein Versagen der Nitrifizierung. In jüngster Zeit sind bei einigen Abwasserreinigungsanlagen biologische Monitore zur Ermittlung der Nitrifizierungstoxizität in Seitenströmen montiert worden. Obwohl ihre Montage teuer und ihr Betrieb zeitaufwendig und teuer ist, ermöglicht diese Methode wenigstens eine gewisse Online-Überwachung.
Es ist jetzt gezeigt worden, dass normalerweise mit dem Nitrifizierungsverfahren assoziierte Bakterien unter oxischen Bedingungen Stickstoffoxid (NO) und Distickstoffoxid (N₂O) erzeugen. Es ist gezeigt worden, dass NO und N₂O durch die Reduktion von NO₂ ^– gebildet werden, wenn das Nitrifizierungsverfahren unter Sauerstoffstress steht und unter oxischen Bedingungen betrieben wird. Unter solchen Bedingungen wird von Ammoniakoxidanzien NO₂ ^– statt Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor verwendet und N₂O statt NO₃ ^– gebildet.
Daher kann jede Änderung des Zuflusses oder der Arbeitsverfahren, die zu oxischen Bedingungen und einer Erhöhung von NO₂ ^– führt, durch die Überwachung von gasförmigem N₂O bestimmt werden. Reduktion von Nitrit zu Distickstoffoxid

Stufe Reaktion

1 NO₂ ^–+ e^–+ 2 H⁺ → NO + H₂O

2 NO + e^– + H⁺ → 1/2 N₂O + 1/2 H₂O

Insgesamt NO₂ ^– + 2 e^– + 3 H⁺ → 1/2 N₂O + 1 1/2 H₂O
Die Erzeugung von N₂O während der Nitrifizierung ist mit der Hemmung der Nitrifizierung stark gekoppelt. Die Erfindung nutzt diese Beziehung; die Konzentration von gasförmigem N₂O wird mittels eines Analysators für N₂O bestimmt und verwendet, um die Stabilität des Nitrifizierungsverfahrens zu bewerten. Die Konzentration des während der Nitrifizierung gebildeten gasförmigen N₂O steht in direkter Beziehung zur Ansammlung von NO₂ ^– in der wässrigen Phase während der oxischen Bedingungen. Das Versagen der Nitrifizierung, das durch das Vorhandensein von toxischen Substanzen bewirkt wird, wird ebenfalls durch die erhöhte N₂O-Erzeugung nachgewiesen. Weiterhin steht die Geschwindigkeit, mit der gasförmiges N₂O zunimmt, in direkter Beziehung zum Grad der Hemmung der Nitrifizierung. Die Vorteile dieser Erfindung sind beträchtlich; es kann eine nichtinvasive Online-Überwachung des Nitrifizierungsverfahrens bei allen Typen von biologischen Behandlungsverfahren unternommen werden, ohne dass eine Notwendigkeit für regelmäßige Punktproben, nasschemische Analysen oder teure Toxizitätsmonitore besteht.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren verfügbar gemacht, das die Nitrifizierung und Messung von erzeugtem NO₂ umfasst.
Die Zunahme von NO₂ deutet unabhängig von der Ursache für die Hemmung der Nitrifizierung auf ein Versagen der Nitrifizierung hin. Eine Erhöhung der Ammoniakkonzentration, eine Abnahme der Sauerstoffzufuhr (wie auch immer diese verursacht wird) und das Vorhandensein eines Toxins, das die nitrifizierenden Bakterien beeinflusst, führt jeweils zu einer Zunahme der N₂O-Erzeugung.
Nach dem Nachweis eines Versagens der Nitrifizierung durch den Nachweis von NO₂ in einer kommerziellen Vorrichtung kann eine Reihe von verschiedenen Maßnahmen zur Korrektur des Versagens ergriffen werden. Die Geschwindigkeit des Luftstroms in das Belüftungsbecken kann erhöht werden, um die DO-Konzentration zu erhöhen. Die Zuflussgeschwindigkeit könnte vermindert oder komplett abgestoppt werden. Die Geschwindigkeit der Rückführung von Belebtschlamm könnte erhöht werden. Weiteres Material könnte zum Belüftungsbecken oder zum Abfluss gegeben werden, um dem Vorhandensein einer toxischen Verbindung entgegenzuwirken. Der Abfluss könnte einer weiteren Behandlungsstufe zugeführt werden, oder er könnte in einen Aufbewahrungstank geleitet werden, um als Zufluss wieder dem Nitrifizierungswerk zurückgeführt zu werden. Jede Maßnahme oder alle diese Maßnahmen können in Echtzeit erfolgen, um die Hemmung der Nitrifizierung zu korrigieren.
Damit die Erfindung klar verstanden werden kann und leicht ausgeführt werden kann, wird jetzt beispielhaft auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeitsbehandlungswerks ist,
2 eine schematische Darstellung einer Haube zum Sammeln von während der Flüssigkeitsbehandlung gebildeten Gasen ist,
3 eine graphische Darstellung ist, in der die Zunahme von NO₂ ^– in der wässrigen Phase und das resultierende, während der Nitrifizierung gebildete NO₂ bei einer Schockbeladung mit ammoniakalischem Stickstoff dargestellt ist,
4 eine graphische Darstellung ist, in der die Geschwindigkeit des während der Nitrifizierung gebildeten gasförmigen NO₂ für verschiedene Schockbeladungen mit ammoniakalischem Stickstoff dargestellt ist,
5 eine graphische Darstellung ist, in der die Erhöhung von NO₂ ^– in der wässrigen Phase und von gasförmigem N₂O während der Nitrifizierung dargestellt sind, wenn ein Versagen der Belüftung auftritt,
die 6a und 6b graphische Darstellungen sind, die die Auswirkung eines zweiten Beispiels einer Schockbelastung auf den Nitrifizierungsvorgang darstellen,
die 7a und 7b graphische Darstellungen sind, die die Auswirkung eines dritten Beispiels einer Schockbelastung auf den Nitrifizierungsvorgang darstellen,
die 8a und 8b graphische Darstellungen sind, die die Auswirkung eines zweiten Beispiels einer Sauerstoffverminderung auf das Nitrifizierungsverfahren darstellen,
die 9a und 9b graphische Darstellungen sind, die die Auswirkung eines dritten Beispiels einer Sauerstoffverminderung auf das Nitrifizierungsverfahren darstellen, und
die 10a und 10b graphische Darstellungen sind, die die Auswirkung der Zugabe einer toxischen Substanz auf das Nitrifizierungsverfahren darstellen.
Die Flüssigkeitsbehandlungsanlage 1 von 1 dient zur biologischen Behandlung häuslichem oder industriellem Abwasser. Die Nitrifizierung erfolgt im Belüftungsbecken 2. Wenn das Abwasser organisches Material enthält, das ebenfalls eine biologische Behandlung mit Mikroorganismen erfordert, die von denjenigen, die die Nitrifizierung durchführen, verschieden ist, kann dies auch im selben Becken 2 durchgeführt werden. Alternativ können die Behandlung des organischen Materials und die Nitrifizierung in Reihe in getrennten Becken erfolgen.
Das in Form von abgesetztem Abwasser vorliegende Abwasser gelangt in einen Tank 3. Aus diesem Tank 3 kann Zufluss mit einer geregelten Rate in das Belüftungsbecken 2 gepumpt werden, das die beiden verschiedenen Nitrifizierungsbakterien Nitrosomonas und Nitrobacter enthält. Zur Bereitstellung von Sauerstoff wird Luft aus einem Kompressor 4 dem Becken 2 zugeführt. Die Bakterien bauen den vorhandenen ammoniakalischen Stickstoff über Nitrit zu Nitrat ab, und das in Form von Schlamm vorliegende behandelte Abwasser wird prinzipiell in eine Absetzsäule 5 geleitet, in der der wesentliche Mengen an Bakterien (und daher als "Belebtschlamm" bezeichneter) Schlamm vom Rest abgetrennt werden, der als Abfluss abgelassen wird. Der aktivierte Schlamm wird durch ein Rücklaufrohr 6 in das Belüftungsbecken 2 gepumpt. Das Becken 2 hat auch eine Vorrichtung zum Ableiten von Abfallschlamm in einen Tank 7, um diesen direkt einem Abwasserrohr zuzuführen.
Wie in 2 veranschaulicht ist, sammelt eine Haube 10, die auf dem Belüftungsbecken 2 der Nitrifizierungs-Abwasserbehandlungseinheit 1 angeordnet ist, die gebildeten gasförmigen Produkte. Das erzeugte Gas wird dann zur Bestimmung der Konzentration an gasförmigem NO₂ über ein Rohr 11 einen NO₂-Analysator 12 übertragen. Ein geeigneter Analysator wäre die Gasanalyseneinheit VIA-510 von Horiba. Die folgenden Beispiele zeigen, wie sich die Erzeugung von NO₂ in Abhängigkeit von einer Schwankung der Betriebsbedingungen ändert.
Beispiel 1
Eine nitrifizierende mikrobielle Population mit einer Biomassenkonzentration von 1 (±0,05) mg TSS (Gesamtmenge an suspendierten Feststoffen) I^–1 wurde in einem bei einem pH-Wert von 7,2 und auf einer Temperatur von 25 °C gehaltenen Belebtschlammverfahren kultiviert. Die hydraulische Verweilzeit betrug 7 Tage, und die Feststoffverweilzeit betrug 23 Tage. Dem Verfahren wurde als einzige Energiequelle Ammoniak zugeführt; im stationären Zustand betrug die Stickstoffbeladung 244 (±15) mg NH₃-N g TSS^–1 d^–1. NH₃-N bezieht sich auf Stickstoff in Form von Ammoniak. Zum Zeitpunkt null wurde das Belebtschlammwerk durch die Zugabe von Ammoniak mit einer Konzentration von 3,3 mg NH₃-N g TSS^–1 I^–1 (insgesamt 16,9 mg NH₃-N) schockbeladen. Bei der Schockbeladung handelt es sich um die Zugabe einer relativ großen Menge einer Substanz in einem kurzen Zeitraum. Die Schwankungen der N₂O-Konzentration in der Gasphase und die NO₂ ^–-Konzentration in der wässrigen Phase sind in 3 dargestellt.
Beispiel 2
In diesem Beispiel erfolgten das Verfahren und der Betrieb gemäß der Angaben in Beispiel 1. Das Verfahren wurde Ammoniak-Schockbeladungen über einen Konzentrationsbereich ausgesetzt, und die Bildungsgeschwindigkeit von N₂O wurde aus dem Belebtschlamm bestimmt (4). Die Geschwindigkeit der N₂O-Erzeugung stand bei Konzentrationen von weniger als 1,6 NH₃-N g TSS^–1 I^–1 in direkter Relation zum Umfang der Schockbelastung. Daher geht aus den Beispielen 1 und 2 klar hervor, dass eine plötzliche Erhöhung des Ammoniakgehalts des Zuflusses eine sofortige und entsprechende Erhöhung des gebildeten N₂O bewirkt.
Beispiel 3
Dasselbe Verfahren, das in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde in diesem Beispiel unter denselben Bedingungen durchgeführt. In diesem Beispiel wurde die Belüftungsrate jedoch von 3,7 I min^–1 auf 0,3 I min^–1 vermindert, was zu einer Abnahme der Konzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) von 4,5 mg I^–1 zu <2 mg I^–1 führte. Die resultierende Erhöhung der N₂O-Konzentration in der Gasphase stand in enger Relation zur Ansammlung von NO₂ ^– in der wässrigen Phase, wie in 5 dargestellt ist.
Andere Änderungen der Zuflussmerkmale oder der Betriebsbedingungen führen auch zu einer Erhöhung der Instabilität des gebildeten gasförmigen N₂O während der Nitrifizierung. Insbesondere würde eine signifikante Erhöhung der Geschwindigkeit der Beladung eines Nitrifizierungsverfahrens mit organischen Stoffen, die zu einer Instabilität des Verfahrens führt, auch die Bildung von gasförmigem N₂O verstärken. Ein Durchbrechen von organischem Material aus einem vorherigen Verfahren in einer kommunalen Behandlungsvorrichtung oder eine Erhöhung der Beladungsrate der Zufuhr aus einem industriellen Zufluss sind übliche Ursachen für eine Instabilität/ein Versagen von Nitrifizierungsverfahren und führen auch zu einer erhöhten Bildung von N₂O.
Weitere, unten aufgeführte Beispiele wurden in einer Pilotanlage durchgeführt, die aus zwei Bahnen besteht, die jeweils ein 300-I-Belüftungsbecken 2 und eine 100-I-Absetzsäule 5 gemäß der Darstellung in 1 umfassen. Jedes Becken 2 wurde anfänglich mit 150 I Abwasser und 150 I Belebtschlamm befällt, der aus dem Belebtschlamm-Rücklauf- (RAS-)Kanal eines kommunalen Abwasserwerkes (Cotton Valley Wastewater Treatment Works, Anglian Water) entnommen wurde. Abwasser der Cranfield University Wastewater Treatment Works (mittlerer COD 391 ±40 mg/I), NH₃-Mittelwert 44,3 ±7,5 mg/I) wurde mit 50 I/h zugeführt, wodurch die hydraulische Retentionszeit (HRT) auf 8 h gehalten wurde. Die hydraulische Retentionszeit ist der Zeitraum, den das Abwasser im Belüftungsbecken 1 verbleibt.
Die Belüftungsbecken und Absetzsäulen wurden abgedeckt, um einen Flüssigkeitsverlust durch Verdampfen zu minimieren. Die Belüftungsbecken wurden mit einem Frostschutz und einer Isolierung versehen, und die Absetzsäulen wurden isoliert. Der gelöste Sauerstoff (DO) wurde auf 4,0 ±1,7 mg/I gehalten, und der pH-Wert des Zuflusses wurde ohne eine Regelung des pH-Wertes innerhalb von 7,31 – 7,60 gehalten. Feststoffe wurden täglich von den Beckenwandungen abgebürstet und Schlamm aus dem Belüftungsbecken mit einer Geschwindigkeit so entfernt, dass eine mittlere Retentionszeit der Zellen (MCRT) von 12 Tagen beibehalten wurde. Messungen des chemischen Sauerstoffbedarfs (COD) des Zuflusses und des Abflusses, der Konzentration an NH₃ und von suspendierten Feststoffen (SS) wurden dreimal pro Woche gemacht; die Schlammkonzentration im Belebtschlamm (MMLS) wurde ebenfalls gemessen.
Es wurden N₂O-Proben entnommen und mittels einer Gasanalyseeinheit VIA-510 von Horiba analysiert. Diese Einheit misst die Konzentrationen von spezifischen Komponenten in Gasmischungen unter Anwendung einer nicht streuenden Infrarotanalyse zur Punkt- oder kontinuierlichen Messung von Komponenten in Probengasen. Aus verschiedenen Atomen bestehende Teilchen absorbieren Infrarot in ihren spezifischen Wellenlängen-Banden, und Gase mit konstantem Druck absorbieren Infrarot entsprechend ihrer Konzentration. Auf der Grundlage dieses Prinzips misst das VIA-510 Infrarotlicht mit einer spezifizierten Wellenlänge, das durch eine Zelle mit Probengas gelangt, das unter konstanten Bedingungen gehalten wird. Änderungen der NO₂-Menge bewirken Änderungen der Quantität an durch die Probezellen gelangendem Licht, woraus Gaskonzentrationen berechnet werden. Der Arbeitsbereich des Gasanalysators betrug 0 – 200 ppm, gemessen mit einer Genauigkeit von einer Dezimalstelle (±1,0 ppm), wenn mit Druckluft (null Gas) und 160 ppm N₂O (mit N₂ als Rest, zertifizierte Reinheit 99,99 %) kalibriert wurde. Die Nachweisgrenze betrug 0,1 ppm.
Die Bedingungen, unter denen die folgenden Beispiele durchgeführt wurden, sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
Experimentelle Bedingungen
Beispiele 4 und 5 - Hohe Ammoniak-Beladungen
In Beispiel 4 wurde eine der Pilotwerk-Bahnen durch die Zugabe von 2,44 g NH₃-N (dosiert als 7,25 g NH₃Cl, gelöst in 1000 ml H₂O) direkt in den Belüftungstank, eine Dosis, die so berechnet wurden, dass sie einen sofortigen Sauerstoffbedarf von 3,5 mg·I^–1 auf den Belüftungstank 3001 ausübte, schockbeladen. Vor der Schockbeladung betrug das zufließende Ammoniak in der Abwasserzufuhr 36,4 mg·I^–1. Die Luftzufuhr wurde während des Experiments konstant gehalten, und der Anfangs-DO betrug 2,2 mg·I^–1. Der DO im Belebtschlamm (MLDO) und das N₂O im Kopfraum wurden alle 15 min erfasst, und vom Abfluss wurden zur Bestimmung von Ammoniak, Nitrit und Nitrat Proben genommen. Das Experiment verlief über 12 h.
Bei Beispiel 5 wurde dieselbe Ammoniakbeladung verwendet, die in der Abwasserzufuhr gelöst und in einem Zeitraum von etwa 15 min in die zweite Bahn der Pilotanlage gepumpt wurde. Das Experiment verlief auf exakt dieselbe Weise wie oben. Der Ausgangs-DO betrug 2,4 mg·I^–1, und das Ammoniak in der Abwasserzufuhr betrug 36,0 mg·I^–1. Der DO im Belebtschlamm und das N₂O im Kopfraum wurden in den ersten 2 h alle 5 min und danach alle 15 min erfasst, und vom Abfluss wurden zur Analyse für die nächsten 10 h in 15-min-Intervallen Proben genommen.
Der Schockbeladung folgten eine Abnahme des DO im Belüftungstank (6a und 7a) und eine Erhöhung des N₂O im Abgas aus dem Belüftungstank (6b und 7b). Nach einem Zeitraum erfolgten Erhöhungen von NO₂-N (Stickstoff in Form von Nitrit) und NH₃-N, während NO₃-N (Stickstoff in Form von Nitrat) keine scharfen Zunahmen aufwies (6b und 7b).
In Beispiel 4 wurden ein Minimum für den DO und ein Maximum für N₂O etwa 30 min nach der Schockbeladung erreicht, wonach der DO ab- und das N₂O zunahm. Sowohl der DO als auch das N₂O erholten sich nach etwa 105 min. Abfließendes NO₂-N (6a) und NH₃-N (6b) blieben 7 h nach dem Einwirkenlassen der Schockbelastung mit 0,7 ±0,1 bzw. 1,5 ±1,4 mg·I^–1 stabil. NO₂-N hatte sich nach weiteren 2,5 h erholt, während die NH₃-N-Werte für die übrige Zeit des Tests hoch blieben. Eine 24 h nach der Schockbelastung entnommene Abflussprobe enthielt 1,8 mg·I^–1 NH₃-N, was darauf hindeutete, dass das System sich erholt hatte. Der beobachtete Peak im Abgas-N₂O ging dem Erscheinen von Ammoniak und Nitrit im Abfluss des Werks um etwa 7 h (d.h. 0,9 HRT) voraus. Eine Messung von N₂O-Gas ergibt im Vergleich zu anderen bekannten Verfahren eine viel frühere Warnung eines Nitrifizierungsversagens.
Die Ammoniakbeladung in Beispiel 5 erzeugte zwischen 15 und 35 min nach dem Einwirkenlassen der Dosis einen viel breiteren N₂O-Peak. Die Absenkung beim gelösten Sauerstoff im Belebtschlamm (MLDO) war auch breiter und erfolgte zwischen 30 und 75 min nach der Zudosierung. Abfließendes NO₂-N (7a) und NH₃-N (7b) erhöhten sich 7 h und 30 min nach dem Einwirkenlassen der Schockbelastung. NO₂-N hatte sich nach einer weiteren Stunde erholt, während die NH₃-N-Werte für die restliche Dauer des Tests hoch blieben. Eine 15 h nach der Schockbeladung genommene Abflussprobe enthielt 2,1 mg·I^–1 NH₃-N, was darauf hindeutet, dass das System sich erholt hatte. Der beobachtete Peak im Abgas-N₂O ging dem Erscheinen von Ammoniak und Nitrit im Werksabfluss um etwa 6 h und 15 min (d.h. 0,78 × HRT) voraus.
Beispiele 6 und 7 Sauerstoffverarmung
Bei den Beispielen 6 und 7 wurde die Belüftung vermindert, um DO-Konzentrationen von <1,0 mg·I^–1 für 1 h beizubehalten. Die verfügbaren Luftregler wiesen Steilwerte von 0 bis 10 bar auf und ergaben daher bei den erforderlichen niedrigen Strömen keine zuverlässigen Druckwerte, weswegen Messungen der Luftfließgeschwindigkeit nicht verfügbar waren. Der Luftstrom wurde dahingehend geändert, dass Zielwerte des gelösten Sauerstoffs im Belebtschlamm (MLDO) statt spezifizierter Luftstromgeschwindigkeiten erreicht wurden. Um während der Verminderung der Luftzufuhr ein Vermischen der Schlammkonzentration im Belebtschlamm (MLSS) beizubehalten, wurde eine Tauchpumpe im Belüftungstank positioniert. Das Kopfraum-N₂O, der MLDO und das NO₃-N, NO₂-N und NH₃-N des Abflusses wurden wie in Beispiel 5 gemessen. Der Anfangswert für MLDO bzw. der Zufuhr-NH₃-N betrugen in Beispiel 6 2,4 mg·I^–1 bzw. 44,6 mg·I^–1 und in Beispiel 7 2,9 mg·I^–1 bzw. 40,1 mg·I^–1.
Eine 1-stündige Beibehaltung des MLDO auf <1,0 mg·I^–1 führte dazu, dass eine scharfe Erhöhung des Kopfraum-N₂O erfolgte, wobei Spitzenwerte 1 h, nachdem der MLDO auf <1,0 mg·I^–1 abgefallen war, beobachtet wurden (8a und 9a), nach 3 – 3,5 h gefolgt von einer Abnahme auf Konzentrationen wie vor dem Test. Der DO des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches kehrte innerhalb von 15 min zu Konzentrationen wie vor dem Test zurück. NO₂-N und NH₃-N wurden für 7,5 h, nachdem das N₂O im Abgas sich zu erhöhen begann, im Abfluss erzeugt (8a und 9a). Es ist ersichtlich, dass eine Messung von N₂O-Gas wiederum die früheste Warnung eines Versagens der Nitrifizierung ergibt.
Mindestwerte für den MLDO und das Höchst-N₂O wurden in beiden Experimenten etwa 65 min, nachdem die Luftzufuhr vermindert wurde, erreicht, wonach der DO zunahm und das N₂O abnahm. Der DO des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches erholte sich etwa 20 min nach der Wiederaufnahme der Luftzufuhr, und das N₂O erholte sich in Beispiel 6 nach 2,5 h und in Beispiel 7 nach 3,25 h. Abfließendes NO₂-N (8a und 9a) und NH₃-N (8b und 9b) blieb bis zu 7,5 h (0,90 HRT), nachdem das nachgewiesene N₂O sich zu erhöhen begann, stabil. Die Werte des abfließenden NO₂-N und NH₃-N blieben für die restliche Dauer des Tests hoch. Eine 12 h nach Beispiel 6 genommene Abflussprobe enthielt 3,7 mg·I^–1 NH₃-N und 12 h nach Beispiel 7 8,7 mg·I^–1, was darauf hindeutet, dass das System sich nicht vollständig erholt hatte, aber dies war teilweise auf Umgebungstemperaturen von 5 – 8 °C zurückzuführen.
Beispiel 8 - Hemmung der Nitrifizierung durch eine toxische Substanz
Bei Beispiel 8 handelte es sich um einen chemischen Schock, der auf eines der Belebtschlamm-Systeme ausgeübt wurde. Eine Dosis Allylthioharnstoff (ATU), ein bekannter Nitrifizierungsinhibitor, wurde mit Abwasser vermischt und als Zufuhr in einem 15-minütigen Zeitraum zugepumpt. Die Gesamtbeladung an ATU betrug 22,8 mg, eine Dosis, von der berechnet wurde, dass sie eine Hemmung von 75 % im Belüftungsbecken ergab. Eine Konzentration von 0,076 mg·I^–1 ergibt eine Hemmung von 75 %. Zu Beginn betrug die Konzentration des zufließenden NH₃-N 38,1 mg·I^–1, und der MLDO betrug 2,2 mg·I^–1. Die Belüftungsrate wurde über den gesamten 12-stündigen Test konstant gehalten, und der MLDO, das Kopfraum-N₂O und ausströmendes NO₃-N, NO₂-N und NH₃-N wurden wie in den Beispielen 5 – 7 gemessen.
In Beispiel 8 erhöhten sich der MLDO und das N₂O, wenn die ATU-Dosis auf den Belüftungstank einwirken gelassen wurde. Der Höchstwert des gelösten Sauerstoffs im Belebtschlamm (MLDO) wurde etwa 180 min nach der Schockbeladung erreicht, der N₂O-Höchstwert nach etwa 135 min. Sowohl der DO als auch das N₂O erholten sich nach etwa 10 h. Abfließendes NO₂-N (10a) bzw. NH₃-N (10b) blieben bei 3,8 ±0,1 mg·I^–1 bzw. 2,5 ±0,3 mg·I^–1 bis 7 h nach dem Einwirkenlassen der Schockbeladung stabil. Die Erhöhung von N₂O im Abgas ging dem Erscheinen von Ammoniak und Nitrit im Abfluss des Werks um etwa 6 h (d.h. 0,75 × HRT) voraus. Eine Toxizität kann durch andere Substanzen einschließlich von Schwermetallen, organischen Verbindungen mit C-S- und C-N-Verbindungen, Phenole und Sulfide verursacht werden.
Die Ergebnisse sind in der Tabelle unten zusammengefasst. Die Zeitverzögerung zwischen dem Nachweis von N₂O und dem Erscheinen von Nitrit im Abfluss reichte von 0,75 bis 0,90 HRT. Die mittlere Zeitdauer, die zwischen dem Nachweis von NO₂ bis zum Erscheinen von Nitrit genommen wurde, betrug 0,808 HRT (d.h. 6 h 28 min), wodurch eine Frühwarnung eines Versagens der Nitrifizierung gewährleistet ist.
Zusammenfassung der Ergebnisse
Aus allen obigen Beispielen geht hervor, dass ein Nachweis von N₂O eine Frühwarnung eines Versagens der Nitrifizierung unabhängig von der Versagensart gewährleistet.
Die Zeitverzögerung zwischen dem Nachweis eines erhöhten N₂O-Abgases und dem Auftreten von Nitrit im Abfluss reichte von 0,75 bis 0,90 HRT. Die mittlere Zeitdauer, die zwischen einer Erhöhung von N₂O und dem Erscheinen von Nitrit ermittelt wurde, betrug 0,808 HRT, was eine Warnung vor einem Versagen der Nitrifizierung von 6,5 h ergibt, was darauf hindeutet, dass ein N₂O-Nachweis eine überlegene Anzeige für ein Versagen der Nitrifizierung ist.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Versagens der Nitrifizierung von Abwasser in Abwasserreinigungsanlagen, umfassend die Messung des erzeugten N₂O, wobei die gemessene N₂O-Konzentration nach dem Versagen der Nitrifizierung steigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Versagen durch eine steigende Ammoniakkonzentration im Abwasser bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Sauerstoff dem Abwasser zugeführt wird und das Versagen durch eine Abnahme der Sauerstoffzufuhr zum Abwasser bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Versagen durch eine Substanz bewirkt wird, die gegenüber im Abwasser vorhandenen nitrifizierenden Bakterien toxisch ist.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei eine Maßnahme als Reaktion auf die Erhöhung der N₂O-Konzentration ergriffen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Maßnahme die Erhöhung der Rate der O₂-Zufuhr umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Maßnahme die Verminderung oder das Stoppen des Zuflusses von Abwasser zur Nitrifizierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die Maßnahme die Erhöhung der Rückführungsrate von Belebtschlamm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Maßnahme das Umleiten des Abwassers zu einem Vorratsbehälter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Maßnahme das Leiten des Abwassers zu einer weiteren Behandlungsstufe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 5 bis 10, soweit sie sich auf Anspruch 4 beziehen, wobei weiteres Material zum Abwasser gegeben wird, um dem Vorhandensein der Substanz entgegenzuwirken.