Short-Cut-Nitrifikation, als einer der Kernprozesse für die effiziente Stickstoffentfernung in der Abwasserbehandlung, basiert auf dem Prinzip der selektiven Anreicherung von ammoniakoxidierenden Bakterien (AOB) unter gleichzeitiger Hemmung der Aktivität von nitritoxidierenden Bakterien (NOB) durch kontrollierte Umweltbedingungen und Betriebsparameter. Dieser Prozess erreicht die gerichtete Umwandlung von Ammoniakstickstoff in Nitrit. Mit Vorteilen wie geringem Energieverbrauch, kurzen Reaktionszyklen und minimalen Alkalitätsanforderungen ist eine standardisierte Kultivierung entscheidend, um einen stabilen und effizienten Prozessbetrieb zu gewährleisten. Die wichtigsten technischen Punkte sind wie folgt:
1. Screening und Akklimatisierung des Impfschlamms
Die Qualität des geimpften Schlamms bestimmt direkt die Anlaufeffizienz der Short-Cut-Nitrifikation. Bevorzugt werden Belebtschlamm aus kommunalen Abwasserreinigungsanlagen oder akklimatisierter Short-Cut-Nitrifikationsschlamm, wobei das Schlammabsetzverhältnis (SV30) bei 20 % - 30 % und die MLSS-Konzentration zwischen 3000 - 5000 mg/L gehalten werden sollte, um sicherzustellen, dass kein signifikanter Geruch und eine gute Absetzleistung vorliegen. Das Impfvolumen sollte auf 15 % - 20 % des effektiven Volumens des Reaktors begrenzt werden. Nach der Impfung die Akklimatisierungsphase einleiten: Die anfängliche Zulaufkonzentration an Ammoniakstickstoff auf 50 - 80 mg/L einstellen, eine volumetrische Belastungsrate von 0,1 - 0,2 kg NH4+-N/(m³·d) beibehalten. Sobald sich die Ammoniakstickstoff-Entfernungsrate über 70 % stabilisiert hat, die Zulaufkonzentration an Ammoniakstickstoff wöchentlich um 20 % - 30 % erhöhen, bis die Auslegungslast erreicht ist, wodurch die Umweltanpassungsfähigkeit und die Stoffwechselaktivität der AOB durch eine Gradientenanpassung verbessert werden.
2. Parameterkontrolle
(1) Temperaturkontrolle
Die optimale Wachstumstemperatur für AOB liegt bei 25 - 35 °C, wobei die Ammoniakoxidationsrate deutlich höher ist als die von NOB. Während der Kultivierung sollte die Temperaturschwankung im Reaktor innerhalb von ±1 °C gehalten werden, was mit Geräten wie einem Konstanttemperatur-Wasserbad oder einem Heizmantel aufrechterhalten werden kann. Wenn die Temperatur unter 15 °C fällt, sollte die Zulaufbelastung angemessen reduziert werden, um ein Prozessversagen aufgrund der gehemmten AOB-Aktivität zu verhindern.
(2) Regelung des gelösten Sauerstoffs (DO)
Einer der Kernkontrollpunkte für die Short-Cut-Nitrifikation ist die Aufrechterhaltung einer sauerstoffarmen Umgebung, wobei die Konzentration an gelöstem Sauerstoff (DO) streng bei 0,5 - 1,0 mg/L gehalten wird. Eine präzise DO-Regelung wird durch Anpassung der Belüftungsintensität erreicht (unter Verwendung von kontinuierlichen oder intermittierenden Belüftungsmodi mit geringer Intensität). Die sauerstoffarme Umgebung hemmt signifikant die Vermehrung von aeroben nitrifizierenden Bakterien (NOB) und erfüllt gleichzeitig die mikroaeroben Stoffwechselanforderungen von ammoniakoxidierenden Bakterien (AOB). Wenn ein Biofilmreaktor eingesetzt wird, kann die anoxische Mikroumgebung innerhalb des Biofilms die selektive Anreicherung von AOB weiter verbessern.
(4) Nährstoffproportionierung
Der Zulauf muss die Ernährungsbedürfnisse für das AOB-Wachstum erfüllen, wobei das Stickstoff-Phosphor-Verhältnis (N:P) bei 10:1 gehalten wird. Zusätzlich sollten Spurenelemente wie Magnesium, Eisen und Mangan ergänzt werden (mit Konzentrationen vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 1,0 mg/L), um die essentielle Kofaktorunterstützung für den AOB-Stoffwechsel zu gewährleisten. Hohe Konzentrationen an toxischen oder schädlichen Substanzen (z. B. Schwermetalle, Antibiotika usw.) im Zulauf sollten vermieden werden, um eine irreversible Hemmung der mikrobiellen Aktivität zu verhindern.
III. Überwachung und Regulierung des Kultivierungsprozesses
Während der Kultivierungsperiode muss ein routinemäßiger Überwachungsmechanismus eingerichtet werden, um täglich die Konzentrationen von Ammoniakstickstoff, Nitritstickstoff und Nitratstickstoff im Zulauf und Ablauf zu messen und gleichzeitig pH-Wert, gelösten Sauerstoff (DO), Temperatur, Alkalinität und andere Parameter zu überwachen.
In der Anfangsphase (1 - 2 Wochen) sollte der Schwerpunkt auf der Ammoniakstickstoff-Entfernungsrate und der Schlammabsetzleistung liegen. Wenn die Ammoniakstickstoff-Entfernungsrate unter 50 % liegt, sollte die aktuelle Belastung beibehalten werden, bis sich die mikrobielle Gemeinschaft angepasst hat.
Während der Übergangsphase (2 - 4 Wochen) ist die primäre Sorge die Überwachung der Nitritakkumulationsrate (NO2--N/(NO2--N+NO3--N)). Wenn sich die Akkumulationsrate bei 80 % oder höher stabilisiert, kann die Belastung schrittweise erhöht werden.
In der stabilen Phase (4 - 6 Wochen) ist es unerlässlich, sicherzustellen, dass die Nitritakkumulationsrate ≥ 90 % und die Ammoniakstickstoff-Entfernungsrate ≥ 85 % beträgt, was darauf hindeutet, dass das Short-Cut-Nitrifikationssystem einen reifen Zustand erreicht hat.
Wenn während des Kultivierungsprozesses eine übermäßige Vermehrung von NOB (kontinuierlicher Anstieg der Nitratstickstoffkonzentration) auftritt, können Maßnahmen wie Erhöhung der Temperatur (auf 30 - 35 °C), Verkürzung der Belüftungszeit oder Durchführung einer kurzfristigen Hungerperiode (Stopp des Zulaufs für 1 - 2 Tage) ergriffen werden, um die NOB-Aktivität zu hemmen. Wenn die AOB-Aktivität abnimmt, ist es notwendig, zu untersuchen, ob Parameter wie pH-Wert, DO und Temperatur vom optimalen Bereich abweichen, diese umgehend anzupassen und Nährstoffe zu ergänzen.
IV. Maßnahmen zur Gewährleistung eines stabilen Prozessbetriebs
Sobald das Short-Cut-Nitrifikationssystem ausgereift ist, ist es unerlässlich, stabile Betriebsparameter beizubehalten und drastische Schwankungen der Zulaufbelastung, der Temperatur, des pH-Werts und anderer Faktoren zu vermeiden. Eine regelmäßige Schlammentnahme sollte durchgeführt werden, um die MLSS-Konzentration im Bereich von 3000 - 6000 mg/L zu halten und eine Schlammalterung zu verhindern. Wenn es signifikante Änderungen in der Zulaufqualität gibt, sollte ein schrittweiser Belastungsanpassungsansatz gewählt werden, damit sich die mikrobiellen Gemeinschaften anpassen können. Durch standardisierte Kultivierungsverfahren und präzise Betriebskontrolle kann ein stabiler und effizienter Betrieb des Short-Cut-Nitrifikationsprozesses erreicht werden, der die Grundlage für die anschließende Denitrifikation oder die Anammox-Prozessintegration bildet.
