Gleichzeitige effektive Kohlenstoff- und Stickstoffentfernung und Phosphorrückgewinnung in einem intermittierend belüfteten Membranbioreaktor-integrierten System

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 16281 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Die Rückgewinnung von Nährstoffen, insbesondere der Phosphatressource, aus Abwasser hat in letzter Zeit zunehmendes Interesse auf sich gezogen. Hierin wurde ein intermittierend belüfteter Membranbioreaktor (MBR) mit einem Maschenfilter für die gleichzeitige Entfernung von chemischem Sauerstoffbedarf (CSB), Gesamtstickstoff (TN) und Phosphor sowie anschließende Phosphorrückgewinnung aus dem phosphorreichen Schlamm entwickelt. Dieses integrierte System zeigte verbesserte Leistungen bei der Nitrifikation und Denitrifikation sowie der Phosphorentfernung, ohne dass überschüssiger Schlamm ausgetragen wird. Die Entfernung von CSB, TN und Gesamtphosphor (TP) in einem modifizierten MBR betrug durchschnittlich 94,4 ± 2,5 %, 94,2 ± 5,7 % bzw. 53,3 ± 29,7 %. Das entfernte TP wurde in Biomasse gespeichert und 68,7 % des im Schlamm gespeicherten Phosphors konnten als konzentrierte Phosphatlösung mit einer Phosphatkonzentration über 350 mg/L zurückgewonnen werden. Der Schlamm konnte nach der Phosphorfreisetzung zur Phosphoraufnahme in den MBR zurückgeführt werden und 83,8 % seiner Kapazität konnten zurückgewonnen werden.

Die übermäßige Einleitung von Stickstoff und Phosphor in Gewässer führt zu Eutrophierung und schlechter Wasserqualität1 und gefährdet die Gesundheit und Lebensumwelt der Menschen2. Ironischerweise sind die Ressourcen dieser essentiellen Nährstoffe, insbesondere abbaubarer Phosphor, begrenzt und werden für viele Länder zu strategischem Material3. Die Entfernung und Rückgewinnung dieser Nährstoffe aus dem Abwasser hat also nicht nur den zusätzlichen Vorteil, dass die Eutrophierung des Gewässers minimiert wird, sondern auch die potenzielle Phosphorkrise gemildert wird4,5. Aus diesen Gründen sollte der Phosphatrückgewinnungsprozess zur Nährstoffentfernung in die bestehenden Abwasseraufbereitungsanlagen integriert werden6,7.

Biologische Ansätze werden in Kläranlagen häufig zur Entfernung von Stickstoff und Phosphor eingesetzt8,9,10. Durch abwechselnde anaerobe-anoxisch-aerobe (A2O) Prozesse, Rückführung von Abwasser und Schlamm und Austrag des phosphatreichen Schlamms aus dem System als Überschussschlamm kann eine gleichzeitige Entfernung von Stickstoff und Phosphor erreicht werden11,12. Allerdings weisen solche konventionellen Abwasserbehandlungstechnologien aufgrund ihres komplexen Betriebs und der Schlammentsorgung, des hohen Energiebedarfs, der schlechten Abwasserqualität und des fehlenden Phosphorrückgewinnungsprozesses immer noch erhebliche technische, wirtschaftliche und nachhaltige Einschränkungen auf13.

In den letzten Jahren hat das MBR-Verfahren aufgrund seiner hohen Behandlungseffizienz, der geringen Schlammproduktion und der guten Abwasserqualität zunehmend an Bedeutung gewonnen14,15,16. Es wurde berichtet, dass ein belüfteter MBR mit anaeroben und/oder anoxischen Prozessen verbunden werden kann, um während der Abwasserbehandlung eine gleichzeitige Entfernung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor zu erreichen17,18,19. Bei diesen Prozessen werden jedoch lediglich einige einzelne Reaktoren hintereinander verbunden, was die Komplexität des Betriebs erhöht. In den letzten Jahren wurden intermittierend belüftete MBRs für die Abwasserbehandlung entwickelt und die Auswirkung des abwechselnden Ein-/Aus-Modus der Belüftung auf die Systemleistung untersucht20,21,22. In unserer vorherigen Studie wurde ein intermittierend belüfteter MBR mit einem Edelstahlnetzfilter entwickelt, um gleichzeitig den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) und Stickstoff im kontinuierlichen Durchflussmodus zu entfernen, ohne dass überschüssiger Schlamm ausgetragen wird23. Die Entfernung von Phosphor wurde in diesem System jedoch nicht untersucht. Um diese Technologie praktischer zu machen, müssen Konfiguration und Betrieb des Systems weiter optimiert und die Entfernung und Rückgewinnung von Phosphor berücksichtigt werden. Tatsächlich könnten einige Strategien zur Phosphorrückgewinnung aus Abwasser unter Verwendung einer modifizierten verbesserten biologischen Phosphorentfernung24,25 oder einer biologisch induzierten Phosphorfällung26 als Referenz im intermittierend belüfteten MBR verwendet werden.

Hierin wurde in dieser Arbeit ein intermittierend belüfteter MBR weiter entwickelt, um die Phosphorrückgewinnung aus Abwasser zu verbessern. Die vorliegende Studie untersuchte das Potenzial der gleichzeitigen Entfernung von CSB, TN und TP in einem einzigen Reaktor, ohne dass überschüssiger Schlamm ausgetragen wird. Darüber hinaus wurde die Phosphorrückgewinnung untersucht. Darüber hinaus wurde der Mechanismus der TN- und TP-Entfernung im intermittierend belüfteten MBR analysiert.

In dieser Studie wurde ein MBR im Labormaßstab mit Edelstahlnetzfilter konstruiert und der Aufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Der Säulenreaktor besteht aus einem Belüftungstank und einem Tauchfiltermodul. Das röhrenförmige Hohlmaschenfiltermodul wurde in den Reaktor eingetaucht, um eine Innenschleifenkonfiguration zu bilden. Am Boden des Reaktors ist ein mikroporöses Belüftungsrohr angebracht, um feine Luftblasen zuzuführen, während unter dem Hohlfiltermodul ein elektrischer Mixer für die Flüssigkeitsmischung in Zeiten ohne Belüftung angebracht ist.

(A) Schematische Darstellung und (B) Foto des MBR-Systems.

Während des Langzeitbetriebs wurde die abwechselnde aerobe/anoxische Situation durch periodisches Abschalten der Belüftung gewährleistet. Im abwechselnden aeroben/anoxischen Zyklus fanden verschiedene biochemische Reaktionen wie der heterotrophe biologische Abbau von CSB, die Nitrifikation, Denitrifikation sowie die Aufnahme und Freisetzung von Phosphor durch Polyphosphat-akkumulierende Organismen statt, was zu Änderungen des Sauerstoffgehalts und des pH-Werts der Lösung führte, die in Abb. 2 dargestellt sind. Die DO-Konzentration stieg langsam an, sobald die Belüftung begann, erreichte am Ende der aeroben Phase 5 mg/l und fiel dann im Anfangsstadium der anoxischen Phase, als die Luftpumpe ausgeschaltet wurde, schnell auf Null ab.

DO- und pH-Änderungsprofile in einem typischen aeroben/anoxischen Zyklus.

Der pH-Wert änderte sich mit den Ein-/Aus-Zyklen der Belüftung in einem ähnlichen Muster wie die Sauerstoffänderungen, blieb jedoch leicht zurück (Abb. 2). Die aus den abwechselnden aeroben/anoxischen Prozessen resultierende pH-Änderung würde die Ausfällung von Phosphat im Schlamm begünstigen26,27,28. Über eine Schlauchpumpe (Lange Co., China) wurde dem Reaktor kontinuierlich Abwasser mit einer konstanten Durchflussrate (0,5 oder 0,67 l/h) zugeführt. Die entsprechende hydraulische Verweilzeit (HRT) betrug 8 bzw. 6 Stunden. Die Systemleistung in Bezug auf CSB, TN und TP bei unterschiedlichen HRTs und Zuflusskonzentrationen ist in Abb. 3 dargestellt. Die Effizienz der Nährstoffentfernung wurde ebenfalls in Tabelle 1 zusammengefasst. Das System zeigt eine hervorragende Leistung bei der Entfernung von CSB und TN während des Betriebs. Die CSB- und TN-Konzentrationen im Abwasser lagen während des gesamten Versuchszeitraums im Durchschnitt bei 17,7 ± 8,3 mg/L bzw. 1,5 ± 1,4 mg/L. Dementsprechend lagen die CSB- und TN-Entfernungseffizienzen im Durchschnitt bei 94,4 ± 2,5 % bzw. 94,2 ± 5,7 %.

Behandlungsleistung des Reaktors in Bezug auf: (A) CSB; (B) TN; (C) TP-Entfernung. (■) Zuflusskonzentration, (▲) Abwasserkonzentration und (○) Entfernungseffizienz.

Die TP-Entfernung wurde durch die einströmende Phosphorkonzentration, HRT sowie den Zustand der Biomasse beeinflusst. Eine durchschnittliche TP-Entfernung von 66,4 ± 19,2 % wurde bei einem geringen Phosphorzufluss von 6,7 ± 1,1 mg/L in Lauf 1 erreicht. Als der Phosphorzufluss in Lauf 2 auf 12 mg/L erhöht wurde, sank die TP-Entfernungseffizienz auf 45,1 ± 11,5 %. In Lauf 3 verschlechterte sich die TP-Entfernungseffizienz weiter und die Phosphoraufnahmefähigkeit des Belebtschlamms ging fast verloren, was auf die Sättigung des Belebtschlamms hinsichtlich der Phosphoraufnahme hinweist. Am Ende von Durchlauf 3 wurde der phosphorreiche Schlamm aus dem Reaktor entnommen, um den im Schlamm enthaltenen Phosphor freizusetzen. Die Phosphoraufnahmefähigkeit des Belebtschlamms wurde dann teilweise wiederhergestellt und die Systemleistung der CSB- und TN-Entfernung war nach der Rückführung des Schlamms in den MBR immer noch hoch (Abb. 3). Dieses Ergebnis impliziert, dass der phosphorreiche Schlamm in einem solchen intermittierend belüfteten MBR recycelt werden kann.

Die Veränderungen von MLSS und MLVSS im MBR sowie der TP in der Biomasse im Zeitverlauf sind in Abb. 3 dargestellt. Die anfängliche MLSS-Konzentration und das anfängliche MLVSS/MLSS-Verhältnis betrugen etwa 7 g/L bzw. 73 %. Während der Operation stieg die MLSS-Konzentration langsam an, während das MLVSS/MLSS-Verhältnis leicht abnahm und dann auf relativ konstanten Werten von 11 g/L und 68 % blieb. Der MBR hatte eine durchschnittliche CSB-Belastungsrate von 2,18 kg CSB/m3/Tag. In diesem intermittierend belüfteten MBR wurde eine geringe Schlammausbeute von 0,0275 kg MLSS/kg CSB erzielt.

Während des Experiments wurde aufgrund der geringen Schlammausbeute und der verlängerten SRT im intermittierend belüfteten MBR keine Schlammverschwendung durchgeführt. Gleichzeitig ermöglichte die hervorragende Schlammrückhaltung durch die Membran eine hohe Schlammkonzentration, was ebenfalls zur Effizienz der Nährstoffentfernung und zur Produktion von hochwertigem Abwasser beitrug.

Wie in Abb. 4 dargestellt, stieg die TP in der Biomasse im Anfangsstadium langsam an und schwankte dann um 50 mg TP/g MLSS. Als der Phosphor im Schlamm freigesetzt wurde, sank der TP in der Biomasse auf etwa 11 mg TP/g MLSS. Nachdem der Schlamm wieder dem Reaktor zugeführt wurde, stieg er im weiteren Betrieb auf etwa 40 mg TP/g MLSS an.

Veränderungen von MLSS, MLVSS und der TP in der Biomasse im MBR in den Experimenten.

Der Belebtschlamm im MBR konnte Phosphor aus dem Überstand aufnehmen und in Biomasse speichern. Um die Phosphorfreisetzungskapazität von Polyphosphat-akkumulierenden Organismen (PAOs) und die Phosphoraufnahmeleistung des Belebtschlamms nach der Phosphorfreisetzung zu bestimmen, wurde der Schlamm im MBR am 43. Tag aus dem Reaktor entnommen und dann mit konzentrierter zusätzlicher Kohlenstoffquelle vermischt. Natriumacetat. Wie in Abb. 5 gezeigt, wurde Phosphor schnell freigesetzt, sobald das Acetat in den Schlamm gegeben wurde und die Konzentration von orthoP im Überstand auf etwa 364 mg/L anstieg. Dies bedeutet, dass etwa 70 % des Phosphors im Belebtschlamm zurückgewonnen wurden, wenn man den gesamten Phosphor in der Biomasse vor der Freisetzung vergleicht.

Messung von Phosphat und Acetat während anaerober Batch-Tests mit Acetatzugabe am Tag 43.

Die Machbarkeit der Phosphoranreicherung und der Schlammrückführung wurde in dieser Studie nachgewiesen. Aus dem Schlamm konnten etwa 68,7 % Phosphor freigesetzt werden. Nach der Phosphorfreisetzung wurde die Biomasse wieder in den MBR zurückgeführt und ihre Phosphoraufnahmeleistung bewertet (Durchlauf 4). Wie in Abb. 3 und Tabelle 1 gezeigt, zeigte der recycelte Schlamm immer noch eine hervorragende CSB- und TN-Entfernungsleistung. Gleichzeitig konnten etwa 58,3 ± 25,6 % des Phosphors entfernt werden. Nach 15-tägigem Betrieb in Lauf 4 stieg die Gesamtmenge an Phosphor in der Biomasse auf 1,16 g, was 69,5 % der Menge an freigesetztem Phosphor ausmacht. Dieses Ergebnis legt nahe, dass der größte Teil der Phosphoraufnahmekapazität des recycelten Schlamms zurückgewonnen werden könnte.

Um den Mechanismus der Stickstoff- und Phosphorentfernung im intermittierend belüfteten MBR zu analysieren, wurden die Bioaktivitäten des Schlamms zur CSB-, TN- und TP-Entfernung am Ende von Lauf 3 gemessen. Wie in Abb. 6A, B gezeigt, beträgt die Nitrifikationsrate ( NR) und Denitrifikationsrate (DNR) der Schlammproben betrugen 1,85 mg N/g MLVSS/h bzw. 5,14 mg N/g MLVSS/h, was auf hohe Bioaktivitäten des Schlamms zur Stickstoffentfernung schließen lässt. Beim Verzehr von Acetat sank der DNR auf 0,94 mg N/g MLVSS/h, was als endogene Denitrifikationsrate (EDNR) bezeichnet wurde. Die hohe Bioaktivität des Schlamms zur Stickstoffentfernung und die hohe Schlammkonzentration sowie reichlich Nitrifizierer und Denitrifizierer (Abbildung S1) im intermittierenden MBR trugen ebenfalls zur hohen Stickstoffentfernung bei.

Die Bioaktivitäten des Schlamms am Tag 43 im Hinblick auf: (A) Nitrifikation; (B) Denitrifikation; (C) anaerobe Phosphorfreisetzung und (D) Phosphoraufnahmerate bei anoxischer Denitrifikation.

In diesem intermittierend belüfteten MBR spielten PAOs, einschließlich denitrifizierender PAOs, eine wichtige Rolle bei der Phosphorentfernung. Abbildung 6C zeigt die Phosphorfreisetzungskurve unter anaeroben Bedingungen. Mit der Veröffentlichung des PO43--P wurde der COD schnell eingenommen. Die Schlammprobe nach der Phosphatfreisetzung wurde dann verwendet, um die Phosphoraufnahmerate der PAOs bei der anoxischen Denitrifikation zu bestimmen. Abbildung 6D zeigt die Variation der PO43--P- und NO3--N-Konzentrationen unter anoxischen Bedingungen. Sowohl die PO43-P- als auch die NO3-N-Konzentration sanken sofort, sobald Nitrat zugegeben wurde, was darauf hindeutet, dass die denitrifizierende Phosphoraufnahme unter anoxischen Bedingungen erfolgte, wobei Nitrat als Elektronenakzeptor anstelle von Sauerstoff zur Oxidation von Poly-β-hydroxybutyrat verwendet wurde. Es gab also zwei Wege zur Phosphorentfernung im intermittierend belüfteten MBR. In der aeroben Phase könnte externer Phosphor von PAOs zur Polyphosphatrückgewinnung assimiliert werden. In der anoxischen Phase würden DPAOs mit einer erhöhten Phosphoraufnahme und erheblicher CSB-Einsparung sowohl zur Stickstoff- als auch zur Phosphorentfernung beitragen. Frühere Studien haben berichtet, dass die Verwendung von Nitrat anstelle von Sauerstoff als Elektronenakzeptor zur gleichzeitigen Entfernung von Phosphor und Stickstoff aus dem Abwasser zu einer geringeren Schlammausbeute sowie einer effizienten Entfernung von CSB29,30 führt.

Die Trübung des Abwassers wurde während des größten Teils der Betriebszeit überwacht. Die geringe Trübung des Abwassers zeigte die gute Rückhaltung der Biomasse durch den Maschenfilter im Reaktor an (Daten nicht gezeigt). Bei diesem Maschenfilter-MBR wurde der Filtrationsprozess durch die Schwerkraft angetrieben. Während des Betriebs wurden die Permeationsflüsse des MBR auf etwa 20–27 l/m2/h gehalten. Wie in Abb. 7 dargestellt, stieg der TMP mit der langsamen Entwicklung von Biofilm auf dem Netz in der Anfangsphase allmählich an. Nach einem längeren Betrieb wird der auf dem Stahlgewebe haftende Biofilm jedoch dicker und der TMP steigt stark an. Als der Druck etwa 1 kPa erreichte, wurde in regelmäßigen Abständen eine Offline-Rückspülung durchgeführt, um den überwucherten Biofilm zu entfernen, und das TMP fiel unmittelbar nach jeder Rückspülung ab. Nach der anfänglichen Reinigung sank der TMP weitgehend auf sein Ausgangsniveau, jedoch war in der späteren Phase des Betriebs häufiger eine Reinigung des Netzes erforderlich, was darauf hindeutet, dass es nach längerem Betrieb zu irreversibler Verschmutzung kommen würde.

Variation des Wasserdruckabfalls während des Langzeitbetriebs.

Die gleichzeitige Entfernung von CSB, TN und TP in einem einzigen Reaktor ist aufgrund seines wirtschaftlichen Nutzens und seiner Umweltfreundlichkeit günstig für die Abwasserbehandlung31,32. Hierin wurde ein intermittierend belüfteter Membranbioreaktor mit einem Edelstahlnetzfilter zur gleichzeitigen Schadstoffentfernung und Nährstoffrückgewinnung entwickelt, mit besonderem Schwerpunkt auf der Phosphorrückgewinnung aus Abwasser. Durch Zugabe einiger zusätzlicher Kohlenstoffquellen wurde ein konzentrierter Phosphatstrom aus dem phosphorreichen Schlamm freigesetzt. Am wichtigsten ist, dass der Schlamm recycelt wurde und während der Experimente kein überschüssiger Schlamm ausgetragen wurde, was bedeutet, dass die Kosten für die Schlammentsorgung eingespart werden konnten. Darüber hinaus verspricht der intermittierende Belüftungsbetrieb eine Reduzierung des Energieverbrauchs in MBRs. In dieser Studie konnte bei einem Belüftungs-Ein/Aus-Zeitverhältnis von 25 Min./20 Min. die Belüftungsenergie im Vergleich zu kontinuierlich belüfteten Systemen um etwa 44 % reduziert werden.

In dieser Studie zeigte der intermittierend belüftete MBR im Vergleich zu anderen biologischen Nährstoffentfernungssystemen eine höhere CSB-, TN- und TP-Entfernungseffizienz. Beim Stickstoffentfernungsprozess wurde während der meisten Versuchszeiträume eine vollständige Nitrifikation erreicht, während die Denitrifikation durch die Einführung einer anoxischen Phase in das System verbessert wurde. Für den Phosphorentfernungsprozess könnte externer Phosphor von PAOs in der aeroben Phase assimiliert werden, während denitrifizierende PAOs sowohl zur Stickstoff- als auch zur Phosphorentfernung in der anoxischen Phase beitragen würden. Das denitrifizierende PAO-Verfahren ist in der Lage, eine gleichzeitige Denitrifikation und anoxische Phosphoraufnahme durchzuführen und hat den Vorteil, dass die Belüftung eingespart, der Bedarf an externen Kohlenstoffquellen reduziert und die Schlammausbeute minimiert wird. Unsere Versuchsergebnisse zeigten, dass die denitrifizierende Phosphoraufnahme möglicherweise unter Verwendung von Nitrat als Elektronenakzeptor anstelle von Sauerstoff im intermittierenden MBR erfolgen könnte (Abb. 6D). Das Vorhandensein von PAOs, die die intermittierend belüftete MBR-Biomasse dominierten, wurde durch die FISH-Bilder (Abbildung S1) bestätigt, die möglicherweise die Denitrifikationsaktivitäten durchführen33. In unserer zukünftigen Forschung ist es notwendig, den Beitrag denitrifizierender PAOs zur Phosphatentfernung im intermittierenden MBR zu untersuchen.

Die abwechselnden anoxischen/aeroben Prozesse im intermittierend belüfteten MBR führten zu hohen mikrobiellen Aktivitäten von nitrifizierenden Bakterien, denitrifizierenden Bakterien und PAOs im MBR. Die Ergebnisse legen nahe, dass die metabolische Selektion über abwechselnde anoxische/aerobe Prozesse das Potenzial hat, die Bioaktivitäten zu steigern und somit die Stickstoff- und Phosphorentfernung im intermittierend belüfteten MBR zu verbessern. Die hervorragende Schlammrückhaltung durch die Membran ermöglichte hohe Schlammkonzentrationen, was auch zur Verbesserung der langsam wachsenden Mikroorganismen und damit zur Verbesserung der nitrifizierenden und denitrifizierenden Aktivitäten im MBR beitrug.

Genau wie in unseren vorherigen Berichten34,35,36 kann die Verwendung von billigem Edelstahlgewebe in dieser Studie als Alternative zu herkömmlichen Mikrofiltrations-/Ultrafiltrationsmembranen die MBR-Baukosten senken, die Wirtschaftlichkeit erhöhen und die Anwendung solcher Prozesse fördern37,38. Bei diesem Maschenfilter-MBR wurde der Filtrationsprozess durch die Schwerkraft angetrieben. Der Energiebedarf für die Wasserableitung sowie die Membranverschmutzung im modifizierten MBR werden im Vergleich zum herkömmlichen MBR39 reduziert.

Das modifizierte MBR-System integriert sowohl die Nährstoffentfernung als auch die Phosphorrückgewinnung und stellt ein vielversprechendes System für die Abwasserbehandlung und Ressourcenrückgewinnung dar. In dieser Studie betrug die Entfernung des gesamten Phosphors in einem modifizierten MBR durchschnittlich 53,3 ± 29,7 %. Das aus dem Abwasser entfernte TP wurde in Biomasse gespeichert und 68,7 % des im Schlamm gespeicherten Phosphors konnten als hochkonzentrierte Phosphatlösung zurückgewonnen werden, deren Konzentration etwa 30-mal höher war als die im Abwasser und für die chemische Fällung ausreichte40. Höhere Phosphatkonzentrationen würden zu einer effektiveren Phosphorrückgewinnung führen, d. h. zur direkten Verwendung als Düngemittel oder zur Ausfällung als Magnesium-Ammonium-Phosphat (Struvit)41. Wenn eine solche Strategie für eine Kläranlage mit einer Kapazität von 50.000 m3/Tag und einer Phosphorkonzentration im Zulauf von 10 mg/L angewendet wird, könnte eine Menge von etwa 267 kg/Tag Phosphor aus dem Zulaufabwasser entfernt werden und fast 200 kg/Tag. Tagesphosphor könnte als konzentrierte Phosphatlösung angereichert werden, begleitet von der Produktion von hochwertigem aufbereitetem Wasser. In dieser Studie wurden die Systemleistungen bewertet und der Mechanismus der gleichzeitigen Entfernung von Stickstoff und Phosphor untersucht. Um die praktische Anwendung dieser Technologie zu fördern, sollten jedoch die Phosphorentfernungseffizienz sowie die Phosphorrückgewinnungskapazität des MBR-Systems weiter verbessert werden.

In dieser Studie wurde ein MBR im Labormaßstab mit Edelstahlnetzfilter (Huayang Ironware Co., China) konstruiert und die Struktur ist in Abb. 1 dargestellt. Der Säulenreaktor hat ein Arbeitsvolumen von 4 l und besteht aus einem Belebungsbecken und ein Tauchfiltermodul. Das röhrenförmige Hohlmaschenfiltermodul mit einer durchschnittlichen Porengröße von 53 μm und einer effektiven Filterfläche von 0,025 m2 wurde in den Reaktor eingetaucht, um eine Innenschleifenkonfiguration zu bilden. Am Boden des Reaktors ist ein mikroporöses Belüftungsrohr angebracht, um feine Luftblasen zuzuführen, während unter dem Hohlfiltermodul ein elektrischer Mixer für die Flüssigkeitsmischung in Zeiten ohne Belüftung angebracht ist.

Das Belebungsbecken wurde mit Belebtschlamm aus einem Reaktor zur verbesserten biologischen Phosphorentfernung geimpft. Die anfängliche Konzentration der suspendierten Feststoffe in der gemischten Flüssigkeit (MLSS) betrug 7,85 g/l. Während des gesamten Versuchszeitraums wurde bis auf die Probenanalyse kein Überschussschlamm ausgetragen.

Es wurde synthetisches Abwasser verwendet, das CH3COONa·3H2O, NH4Cl und K2HPO4·3H2O als Kohlenstoff-, Stickstoff- bzw. Phosphorquellen enthielt. Die CSB-, NH4+-N- und PO43--P-Konzentrationen im Zufluss während der Experimente sind in Tabelle 1 aufgeführt. Dem synthetischen Abwasser wurden weitere Spurenelemente zugesetzt. Die Zusammensetzung der Spurenelementlösung (in μg/L) war: EDTA, 50, ZnSO4·7H2O, 22, CaCl2·2H2O, 8,2, MnCl2·4H2O, 5,1, FeSO4·7H2O, 5,0, (NH4)6Mo7O24·4H2O, 1.1, CuSO4·5H2O, 1.8, CoCl2·6H2O, 1.6. Über eine Schlauchpumpe (Lange Co., China) wurde dem Reaktor kontinuierlich Abwasser mit einer konstanten Durchflussrate (0,5 oder 0,67 l/h) zugeführt. Die entsprechende hydraulische Verweilzeit (HRT) betrug 8 bzw. 6 Stunden. Die Temperatur wurde während des Experiments auf 25 ± 1 °C geregelt. Der Transmembrandruck (TMP) über das Netz, reflektiert durch den Wasserdruckabfall, wurde online mit einem Drucksender (LD187, Leide Electronic Ltd., China) überwacht. Der TMP würde ansteigen, wenn der am Netz haftende Biofilm dicker würde. Sobald der TMP 1,0 kPa erreichte, wurde eine Offline-Rückspülung durchgeführt, um den überwachsenen Biofilm zu entfernen. Es wurde eine intermittierende Belüftung mit einem aeroben/anoxischen Periodenverhältnis von 20 Min./25 Min. durchgeführt, das automatisch durch ein Zeitrelais (Xinling Electrical Co., Ltd. China) gesteuert wurde. Während der anoxischen Phase wurde der Reaktor kontinuierlich mit einem elektrischen Mixer gerührt.

Die Rückgewinnung von Phosphor aus dem Schlamm und die Phosphoraufnahmekapazität des recycelten Schlamms im Zeitverlauf wurden bewertet. Am 43. Tag wurde der gesamte Schlamm im MBR herausgenommen, fünfmal mit Leitungswasser gewaschen, um den restlichen COD, NH4+-N, NO3--N zu entfernen, und dann mit konzentriertem Natriumacetat gemischt und auf ein Volumen von 4,6 l verdünnt Phosphor freisetzen. Nach 3-stündigem Mischen wurde der Schlamm 3 Minuten lang bei 7100 × g zentrifugiert, um den Überstand zu entfernen. Der nach der Phosphorfreisetzung gesammelte Schlamm wurde zur Phosphorentfernung wieder dem MBR zugeführt.

MLSS, flüchtige suspendierte Feststoffe in gemischten Flüssigkeiten (MLVSS), CSB-, TN-, TP-Konzentrationen und Trübung wurden gemäß den Standardmethoden42 gemessen. Die Messungen von NH4+-N, NO3--N, PO43--P wurden mit einem Wasserqualitäts-Autoanalysator (Aquakem 200, ThermoFisher, Finnland) gemäß den Standardmethoden durchgeführt. Die DO-Konzentration und der pH-Wert wurden mit einem DO-Messgerät (HQ 30d, Hach Co., USA) und einem pH-Messgerät (PHS-3C, INESA Scientific Instrument Co., Led, China) überwacht.

Untersucht wurden die Bioaktivitäten des Schlamms im Hinblick auf die spezifische Nitrifikationsrate (SNR), die spezifische Denitrifikationsrate (SDNR), die anaerobe Phosphorfreisetzungsrate und die Phosphoraufnahmerate unter anoxischen Bedingungen. Die Belebtschlammproben wurden am 43. Tag aus dem intermittierend belüfteten MBR entnommen, um die Nitrifikations-, Denitrifikations- und anaerobe Phosphorfreisetzungs-Bioaktivitäten des Schlamms zu bestimmen. Stickstoffgas wurde durch jeden Reaktor gespült, um bei Bedarf anaerobe oder anoxische Bedingungen aufrechtzuerhalten.

Zur Bestimmung des SNR wurde die Schlammprobe mit Ammoniumchlorid bis zu einer Konzentration von etwa 55 mg/L NH4+-N versetzt. Während dieses Batch-Experiments wurde der DO-Gehalt durch Ein-/Ausschalten der Belüftungspumpe auf etwa 5 mg/L geregelt. Um die Denitrifikationsaktivität des Belebtschlamms im System zu messen, wurde SDNR nach der in einer früheren Studie beschriebenen Methode43 bestimmt. Um die anaerobe Phosphorfreisetzungsrate zu messen, wurde Acetat in den Reaktor dosiert, bis zu einer anfänglichen äquivalenten CSB-Konzentration von 350 mg/L. Nach vollständiger Phosphatfreisetzung wurde der Schlamm zentrifugiert und gewaschen, um den restlichen CSB und das Phosphat zu entfernen. Anschließend wurden der Schlammprobe unter anoxischen Bedingungen NaNO3 und K2HPO4·3H2O zugesetzt, um die Phosphoraufnahmerate denitrifizierender Polyphosphat-akkumulierender Organismen zu bestimmen.

Zitierweise für diesen Artikel: Wang, Y.-K. et al. Gleichzeitige effektive Kohlenstoff- und Stickstoffentfernung und Phosphorrückgewinnung in einem intermittierend belüfteten Membranbioreaktor-integrierten System. Wissenschaft. Rep. 5, 16281; doi: 10.1038/srep16281 (2015).

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Die Autoren danken der NSFC (51178443, 51322802), der Fok Ying Tong Education Foundation (142024), der China Postdoctoral Science Foundation (2015M570596), den Fundamental Research Funds der Shandong University (2015GN005), dem Program for Changjiang Scholars und dem Innovative Research Team in University und den Fundamental Research Funds for the Central Universities für die teilweise Unterstützung dieser Studie.

Fachbereich Chemie, CAS Key Laboratory of Urban Pollutant Conversion, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

Yun-Kun Wang, Xin-Rong Pan, Yi-Kun Geng und Guo-Ping Sheng

Fakultät für Umweltwissenschaften und -technik, Shandong-Universität, Jinan, 250100, China

Yun-Kun Wang

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YKW hat die Experimente entworfen, die Experimente durchgeführt, die Arbeit geschrieben; XRP führte die Experimente durch; YKG führte die Experimente durch; GPS entwarf die Experimente, analysierte die Daten und verfasste die Arbeit.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

Dieses Werk ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe nichts anderes angegeben ist; Wenn das Material nicht unter der Creative-Commons-Lizenz enthalten ist, müssen Benutzer die Erlaubnis des Lizenzinhabers einholen, um das Material zu reproduzieren. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Nachdrucke und Genehmigungen

Wang, YK., Pan, XR., Geng, YK. et al. Gleichzeitige effektive Kohlenstoff- und Stickstoffentfernung und Phosphorrückgewinnung in einem intermittierend belüfteten Membranbioreaktor-integrierten System. Sci Rep 5, 16281 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16281

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Eingegangen: 24. Juni 2015

Angenommen: 13. Oktober 2015

Veröffentlicht: 06. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16281

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