Auswirkungen des pH-Werts auf die gleichzeitige Entfernung von Stickstoff und Mangan in MBBR
Einfluss des pH-Werts auf die MBBR-Leistung
Der pH-Wert spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz von Moving Bed Biofilm Reactors (MBBR), indem er die mikrobielle Aktivität und die biochemischen Reaktionsraten direkt beeinflusst. pH-Schwankungen sind ein wichtiger Umweltfaktor und wirken sich auf Folgendes aus:
- Struktur der Biofilm-Gemeinschaft- pH-Wert-Verschiebungen verändern die Dominanz von nitrifizierenden/denitrifizierenden Bakterien und Mangan-oxidierenden Mikroorganismen.
- Enzymaktivität- Optimale pH-Bereiche bestimmen die Leistung von Nitritoxidoreduktase (pH 7–8) und Manganoxidase (pH 6–7).
- Kinetik der Redoxreaktion- Der pH-Wert bestimmt das Gleichgewicht zwischen Mn²⁺/Mn⁴⁺-Umwandlungen und Stickstoffumwandlungswegen.
- Niederschlagspotential - Higher pH (>8) fördert die Mn²⁺-Oxidation und Phosphatfällung, während saure Bedingungen (pH<6) may inhibit these processes.
Das System zeigt eine bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit, da bestimmte Mikrobenpopulationen ihre Funktionalität über weite pH-Bereiche (5–9) beibehalten, obwohl bei bestimmten pH-Werten eine optimale Entfernungseffizienz für verschiedene Verunreinigungen erzielt wird.
MBBR-Leistung unter verschiedenen pH-Bedingungen
Eine kürzlich von einer chinesischen Universität durchgeführte Studie untersuchte die Leistung von Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-Systemen unter verschiedenen pH-Bedingungen (pH 5-9) und auch unter der Bedingung einer einströmenden Mn²⁺-Konzentration von 10 mg·L⁻¹. Die Zu- und Abflusskonzentrationen von NH₄⁺-N, TN, TP, COD, Mn²⁺, NO₂⁻-N und NO₃⁻-N während der Betriebsphasen IV sind unten zusammengefasst.
(1)NH₄⁺-N-Entfernungseffizienz
The MBBR demonstrated consistently high NH₄⁺-N removal across all pH levels, with average efficiencies of 96.22% (pH 5), 98.89% (pH 6), 98.70% (pH 7), 98.65% (pH 8), and 96.69% (pH 9). These results indicate robust nitrification performance (>96 % Effizienz), unabhängig von pH-Schwankungen. Während die Entfernungseffizienz zunächst von pH 5 auf 6 anstieg (Höchstwert bei 98,89 %), bevor sie bei höheren pH-Werten allmählich abnahm, war der Gesamteinfluss des pH-Werts auf die NH₄⁺-N-Entfernung minimal. Dies deutet auf eine starke Anpassungsfähigkeit der nitrifizierenden Bakterien im Biofilm an pH-Schwankungen hin.
(2) TN-Entfernungseffizienz
Die gesamte Stickstoffentfernung zeigte eine erhebliche pH-Abhängigkeit:
- pH-Wert 5: 40,13 %
- pH-Wert 6: 42,66 %
- pH-Wert 7: 49,20 %
- pH-Wert 8: 52,74 %
- pH-Wert 9:69.79%(Spitzenleistung)
Die Verbesserung um 29,66 % von pH 5 auf 9 unterstreicht die erhöhte denitrifizierende mikrobielle Aktivität unter alkalischen Bedingungen.
(3) Effizienz der CSB-Entfernung
Die CSB-Entfernung folgte einer glockenförmigen Kurve:
- Optimaler neutraler pH-Wert: 94,27 % bei pH 7
- Im Extremfall ablehnen:
- pH 5: 90,85 %
- pH 9: 53,81 %
The sharp drop at pH>7 legt die Hemmung heterotropher Bakterien in alkalischen Umgebungen nahe.
(4)Mn²⁺-Entfernungseffizienz
Die Mn²⁺-Entfernung war bei einem nahezu-neutralen pH-Wert am effizientesten:
- pH-Wert 6: 95,74 % (optimal für Mn²⁺→MnOx-Oxidation)
- pH-Wert 5/9: <60% efficiency
Dies korreliert mit Mangan-oxidierenden mikrobiellen Aktivitätstrends.
(5) TP-Entfernungseffizienz
Die Phosphorentfernung verbesserte sich linear mit dem pH-Wert:
- pH 5: 20,70 % → pH 9:51.76%
Der niedrigste Abwasser-TP (2,80 mg/L bei pH 9) weist auf eine alkalisch-begünstigte PAO-Aktivität hin.
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N Dynamik
- NO₃⁻-N-Minimierung bei pH 9: 5,89 mg/L (vs. . 11.63 mg/L bei pH 5)
- Stabile NO₂⁻-N-Akkumulation (0,16–0,19 mg/L) über alle Phasen
Dies bestätigt eine synergistische Nitrifikation-Denitrifikation bei alkalischem pH-Wert.
Abschluss
Unter der Bedingung einer Mn²⁺-Konzentration im Zulauf von 10 mg·L⁻¹ untersuchte diese Studie weiter den Einfluss unterschiedlicher pH-Werte auf die MBBR-Leistung für die Abwasserbehandlung. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einer Erhöhung des pH-Werts des Zuflusses auf 9 die durchschnittliche Entfernungseffizienz von NH₄⁺-N, TN und TP erreicht wurde96,69 %, 69,79 % und 51,76 %, jeweils. Im Vergleich zu Phase I (pH 5) stiegen die Entfernungseffizienzen von TN und TP deutlich an29,66 % und 31,06 %, jeweils.
Wichtigste Erkenntnisse
1. Optimale Leistung bei pH 9
- Höchste N&P-Entfernung: Der MBBR zeigte sein BestesDenitrifikation und PhosphorentfernungEigenschaften unter alkalischen Bedingungen (pH 9), mit minimaler NO₃⁻-N-Erzeugung und nahezu-vollständiger NH₄⁺-N-Umwandlung.
- Erhöhte mikrobielle Aktivität: DieEffektive Gesamtoberfläche (ETSA)Der Anteil des Biofilms nahm proportional mit dem pH-Wert (7–9) zu und erreichte seinen Höhepunkt bei pH 9, was auf eine überlegene Stoffwechselaktivität unter alkalischen Bedingungen hinweist. Dies ist wahrscheinlich auf die Fülle an freien Hydroxidionen (OH⁻) zurückzuführen, die die Wirkung verstärkenEffizienz der gleichzeitigen Nitrifikation-Denitrifikation (SND)..
2. Mn²⁺-Entfernungsmechanismus
- Extrazelluläre Adsorptionsdominanz: Über alle Phasen (I-V), vorbei75 % der Mn²⁺-Entfernungwurde durch extrazelluläre Adsorption durch Biofilm-Mikroorganismen erreicht.
3. Dynamik der mikrobiellen Gemeinschaft
- Alkalische-Beliebte Denitrifikatoren: Wichtige denitrifizierende Gattungen wie Comamonas und Hyphomicrobium zeigten bei höheren pH-Werten eine erhöhte relative Häufigkeit, was ihre Anpassung an alkalische Umgebungen bestätigt.
- Comamonas aquatica LNL3 zeigte eine außergewöhnliche metabolische Vielseitigkeit und wandelte sowohl NH₄⁺-N → NO₂⁻-N als auch NH₄⁺-N → N₂ um.
- Erhöhte Artenvielfalt bei pH 9: Eindeutige operative taxonomische Einheiten (OTUs) stiegen von2 (pH 5) bis 13 (pH 9), was auf einen größeren mikrobiellen Reichtum unter alkalischen Bedingungen hinweist.
4. Funktionale Implikationen
- Synergistische Nährstoffentfernung: Der alkalische pH-Wert (9) förderte die Aktivität vonPolyphosphat-akkumulierende Organismen (PAOs)Unddenitrifizierende Bakterien(z. B. Acinetobacter), wodurch die gleichzeitige N-P-Entfernung optimiert wird.
- Prozessstabilität: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75 % unabhängig von pH-Verschiebungen, was die Widerstandsfähigkeit des Systems unterstreicht.
Praktische Implikationen
- Empfohlener pH-Wert für den Betrieb: 8,5–9,0für maximale TN/TP-Entfernung in Mn²⁺-modifizierten MBBR-Systemen.
- Mikrobielles Management: Bioaugmentation mit Comamonas- oder Hyphomicrobium-Stämmen könnte die Denitrifikation in alkalischen Reaktoren weiter verbessern.