Grundsätze und Prozesstechnologien zur biologischen Phosphorabbauung

I. Formen von Phosphor im Abwasser Phosphor kommt im Abwasser hauptsächlich in drei Formen vor: Anorganische Phosphate: H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻, PO₄³⁻ Polyphosphate Organischer Phosphor Bei der Abwasserbehandlung nehmen alle Bakterien eine bestimmte Menge Phosphor aus der Umwelt auf, um ihren Wachstumsbedarf zu decken. Eine bestimmte Bakteriengruppe, bekannt als Polyphosphat-akkumulierende Organismen (PAOs), auch als Phosphat-akkumulierende Bakterien oder Phosphor-entfernende Bakterien bezeichnet, kann jedoch Phosphor in Mengen aufnehmen, die ihren physiologischen Bedarf übersteigen, und ihn intrazellulär in großen Mengen als Polyphosphate speichern. Durch die Entsorgung dieses phosphorreichen Schlamms wird Phosphor aus dem System entfernt. II. Kernprinzipien der biologischen Phosphorentfernung Das Wesen der biologischen Phosphorentfernung liegt darin, PAOs durch einen Zyklus von "anaerobe Phosphorfreisetzung – aerobe Phosphoraufnahme" über abwechselnde anaerobe und aerobe Umgebungen zu steuern.

1. Anaerobe Phosphorfreisetzungsphase Unter anaeroben Bedingungen laufen folgende Schlüsselprozesse ab: (1) Organische Substanz im Abwasser wird von fermentativen acidogenen Bakterien in flüchtige Fettsäuren (VFAs) umgewandelt. (2) Unter diesen ungünstigen anaeroben Bedingungen bauen PAOs ihre intrazellulären Polyphosphatreserven ab. Die erzeugte Energie wird teilweise für die Zellpflege und teilweise zur aktiven Aufnahme von VFAs verwendet, die dann intrazellulär als PHB (Poly-β-hydroxybutyrat) umgewandelt und gespeichert werden. (3) Das aus der Polyphosphatzersetzung stammende anorganische Phosphat wird wieder ins Abwasser freigesetzt – dies stellt die "anaerobe Phosphorfreisetzung" dar.
2. Aerobe Phosphoraufnahmephase Nach dem Eintritt in die aerobe Umgebung: (1) PAOs verstoffwechseln aerob das gespeicherte PHB und setzen erhebliche Energie frei, um die Vermehrung und andere physiologische Aktivitäten anzutreiben. (2) Ein Teil dieser Energie treibt die aktive Aufnahme von Phosphaten aus dem Abwasser an, die intrazellulär in übermäßigen Mengen als Polyphosphate akkumuliert werden – dies stellt die "aerobe Phosphoraufnahme" dar. (3) Der ablaufende Überschussschlamm, der PAOs enthält, die überschüssigen Phosphor aufgenommen haben, repräsentiert den aus dem Abwasser entfernten Phosphor. Wichtige Daten: Konventionelle Belebtschlammverfahren erreichen nur etwa 12 %–20 % Phosphorentfernung durch Assimilation. Im Gegensatz dazu können Systeme, die für die biologische Phosphorentfernung ausgelegt sind, Phosphorgehalte im Schlamm von 5 %–6 % (Trockengewicht) erreichen, wobei die Entfernungsraten im Allgemeinen ausreichen, um die Einleitungsstandards zu erfüllen. III. Faktoren, die die biologische Phosphorentfernung beeinflussen
3. Gelöster Sauerstoff (DO) Anaerobe Zone: Muss streng anaerob sein; selbst Nitrate (NO₃⁻) müssen abwesend sein. Aerobe Zone: Muss ausreichend gelösten Sauerstoff aufrechterhalten, um eine angemessene Phosphoraufnahme durch PAOs zu gewährleisten.
4. Schlammrückhaltezeit (SRT) SRT hat einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Phosphorentfernung – kürzere SRT führt zu besserer Leistung: SRT = 30 Tage → ~40 % Entfernungsrate SRT = 17 Tage → ~50 % Entfernungsrate SRT = 5 Tage → bis zu 87 % Entfernungsrate
5. Temperatur Optimalbereich: 5–30 °C.
6. pH-Wert Optimalbereich: 6–8.
7. BSB₅-Belastung Ein BSB₅/TP-Verhältnis > 20 ist eine grundlegende Voraussetzung für eine effektive Phosphorentfernung. Leicht abbaubare niedermolekulare organische Verbindungen induzieren eine stärkere Phosphorfreisetzung; eine vollständigere anaerobe Freisetzung führt zu einer größeren anschließenden aeroben Aufnahme.
8. Nitratkonzentration Nitratspiegel in der anaeroben Zone sollten unter 2 mg/L gehalten werden. Wenn COD/TKN > 10, wird die hemmende Wirkung von Nitrat gemildert.
9. Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP) 表格 Zone ORP-Bereich Aerobe Zone +40 bis +50 mV Anoxische Zone -160 bis -5 mV IV. Biologische Phosphorentfernungsverfahren
10. Anaerob-Oxisch-Verfahren (A/O-Verfahren) Prozessmerkmale: Hydraulische Verweilzeit (HRT): 3–6 h Gemischte Flüssigkeit Schwebstoffe (MLSS) im Belüftungstank: 2.700–3.000 mg/L Phosphorentfernungseffizienz: ~70 %; Ablauf TP < 1 mg/L Schlammphosphorgehalt: ~4 % (hoher Düngerwert) SVI < 100; gute Absetzbarkeit, resistent gegen BlähschlammbildungPhostrip-Verfahren (Kombiniert biologisch-chemisch) Das Phostrip-Verfahren integriert biologische und chemische Phosphorentfernung: (1) Der Hauptstrom durchläuft eine konventionelle biologische Behandlung (anaerob-aerob). (2) Ein Seitenstrom des Rücklaufschlamms gelangt in einen Stripptank, wo Phosphor unter anaeroben Bedingungen freigesetzt wird. (3) Kalk wird zum phosphorreichen Überstand zur chemischen Fällung zugegeben. (4) Der gestrippte Schlamm wird in das Hauptsystem zurückgeführt. Phostrip-Verfahren Merkmale: Hervorragende Phosphorentfernung; Ablauf TP typischerweise < 1 mg/L Hoher Schlammphosphorgehalt: 2,1 %–7,1 % Geringer Kalkverbrauch SVI < 100; Schlamm setzt sich ab, verdickt und entwässert leicht; hoher Nährstoff-/Düngewert; resistent gegen Blähschlammbildung Fazit Der Kern der biologischen Phosphorentfernung liegt im zyklischen "Freisetzungs-Aufnahme"-Mechanismus von PAOs, der durch abwechselnde anaerobe-aerobe Bedingungen angetrieben wird. Das Ausmaß der anaeroben Phosphorfreisetzung bestimmt direkt die Kapazität für die anschließende aerobe Aufnahme; daher ist die strikte Aufrechterhaltung der anaeroben Umgebung (Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff und Nitraten) entscheidend für eine erfolgreiche biologische Phosphorentfernung. Darüber hinaus sind eine angemessene SRT, eine ausreichende Kohlenstoffquelle und ein geeigneter pH-Wert wesentliche Faktoren, um eine hohe Entfernungseffizienz zu gewährleisten.