Untersuchungen zur Unterdrückung der Nitritoxidation bei Nitrifikation mit intermittierender Belüftung
Final Report Abstract
Für die Umsetzung innovativer, energieeffizienter und kostengünstiger Stickstoffeliminationsverfahren über Nitrit ist die Etablierung einer stabilen Nitritation wesentlich. Dabei muss durch die erfolgreiche Unterdrückung der Nitritoxidation eine Bildung von Nitrat stabil und langfristig vermieden werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Untersuchungen zur Unterdrückung der Nitritoxidation bei Nitrifikation mit intermittierender Belüftung“ wurden verschiedene Mechanismen und deren jeweilige Einflussfaktoren untersucht, welche die Aktivität nitritoxidierender Bakterien begrenzen. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei auf den durch eine intermittierende Belüftung ausgelösten Mechanismen sowie der Abbildung der Hemmwirkung von Ammoniak und salpetriger Säure, die in bisherigen Modellen nicht integriert waren. Mit Abschluss des Projektes steht nun ein Modell zur zweistufigen Nitrifikation mit mathematischen Beschreibungen der Hemmkinetik von Ammoniak und salpetriger Säure sowie der sog. lag-Phase (verzögertes Einsetzen der Nitritoxidation nach anoxischen Phasen) zur Verfügung. Zur Abbildung der Akkumulation von Nitrit mittels unterschiedlicher Betriebsstrategien erfolgte darüber hinaus die Ergänzung von Termen zur Beschreibung der Säurekapazität und des pH-Wertes sowie die Bewertung der in der Literatur verfügbaren Sauerstoffaffinitätskonstanten. Das erweiterte Modell wurde anhand von Daten aus labor- und halbtechnischen Versuchen kalibriert und validiert. Bezüglich der Sensitivität der betrachteten Einflussgrößen kann aus den Untersuchungsergebnissen festgehalten werden, dass sowohl Hemmungseffekte als auch der Einfluss der Sauerstoffkonzentration einen signifikanten Einfluss auf die Aktivität der beteiligten Bakteriengruppen haben. Für das Ziel der Unterdrückung einer Nitratbildung mittels intermittierender Belüftung kann die Hemmung durch Ammoniak oder salpetrige Säure unterstützend wirken. Der Effekt der intermittierenden Belüftung auf die Trennung der Bakteriengruppen wird insbesondere bei hohen Sauerstoffkonzentrationen während der belüfteten Phasen noch verstärkt. Aus den Projektergebnissen lässt sich ableiten, dass bei der Inbetriebnahme von Nitritationsverfahren das Einstellen klar definierter, ausreichend langer aerober und anaerober Phasen essentiell für die erfolgreiche Unterdrückung der Nitratbildung sind. Unter Einsatz einer De- und Reaktivierungsfunktion zur Beschreibung des lag-Phasen-Effektes war eine realitätsnahe Simulation auch für Systeme möglich, in denen die Intervallbelüftung der einzige Mechanismus zur Unterdrückung der Nitratbildung ist. Ein weiteres wesentliches Ergebnis des Projektes ist die Definition schlammspezifischer kinetischer Konstanten mit der zugehörigen Entwicklung eines Vorgehens zur Ermittlung dieser Größen durch Kombination von Batchversuchen und Modellierung. Dieses Vorgehen ermöglicht die Anpassung des Modells an Schlammsysteme mit Adaption an verschiedene Betriebsbedingungen und sichert so – in Kombination mit der optionalen Modellerweiterung für Anammox/Denitrifikation - die Übertragbarkeit des Modells. Die gewonnenen Erkenntnisse können zukünftig bei der Anpassung und Optimierung von Betriebsstrategien und der Auslegung von Stickstoffeliminationsverfahren sowie die Entwicklung von Strategien für Inbetriebnahmen und Reaktion auf Betriebsstörungen eingesetzt werden.
