SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

Systémy biologického odstraňování nutrientů

SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

Degradace organických dusíkatých sloučenin hydrolýza proteázy Bílkoviny (-NH2)

aminokyseliny

deaminační enzymy

amoniakální dusík + organické látky ox/anox CO2 + H2O nitrifikace


NUTRIENTY VE VODÁCH: - anorganické sloučeniny dusíku a fosforu Formy výskytu: Dusík: - amoniakální dusík (NH4+ a NH3) - organický dusík NORG (-NH2) - dusičnanový (NO3--N) a dusitanový (NO2--N)

anaerobie fermentace


Degradace organických a poly- sloučenin fosforu PO43-, HPO4 2-, H2PO4-

- organicky vázaný fosfor PORG

degradace hydrolýza

Fosfor:

- polyfosforečnany PP (lineární, cyklické)

- orthofosforečnany (PO43-, HPO4 2-, H2PO4-) - organicky vázaný fosfor PORG - polyfosforečnany PP (lineární, cyklické)



Důvody pro odstraňování nutrientů N

– NH4+ + NORG = Kjldahlův dusík (TKN)

N – NH4+ + N – NO3- + N – NO2- = NANORG NANORG + NORG = NCELK

orthoP + PP + PORG = PCELK

 zvýšené náklady na úpravu vody při vodárenském využívání, případně jeho znemožnění  eutrofizace povrchových vod se všemi průvodními negativními jevy  toxicita amoniaku (zejména nedisociované formy) na vodní organismy Rozdílné podmínky limitující růst řas v závislosti na poměru N/P (vyjádřeno jako hmotnostní poměr)

N-limitující Sladké vody Mořské pobřeží

Střední hodnoty

P-limitující

≤ 4,5

4,5 – 6

≥6

≤5

5 – 10

≥ 10

1


Biologické odstraňování dusíku principy Inkorporace do nově syntetizované biomasy část dusíku z odpadní vody může být využita pro syntézní účely organotrofními mikroorganismy nově vzniklá biomasa může obsahovat 6 - 8 % N, část takto odstraněného dusíku se vrací do technologické linky z kalového hospodářství


Biologické odstraňování dusíku principy Nitrifikace oxidace amoniakálního dusíku na dusík dusitanový (nitritace) NH4+ + 1,5 O2 = NO2- + H2O + 2H+ + 250 kJ oxidace dusitanového dusíku na dusík dusičnanový (nitratace) NO2- + 0,5 O2 = NO3- + 75 kJ


Biologické odstraňování dusíku principy Nitritace  vysoká spotřeba kyslíku, mikroorganismy zisk energie oxidací amoniaku – malý výtěžek, nízká růstová rychlost  velice citlivý proces  H+ - pokles pH – autoinhibice  H+ + NO2- = HNO2 – vysoce toxická, autoinhibice, nestabilní, jedním z produktů NO – extrémně toxický  inhibice zvenčí (allylthiomočovina – org. sloučeniny S)

Systémy biologického odstraňování nutrientů chemolitotrofní nitrifikační baktérie 2 oddělené skupiny nitrifikačních baktérií: nitritační (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira) nitratační (Nitrobacter, Nitrocystis) - využívají energie z oxidace amoniakálního a dusitanového dusíku, přičemž novou biomasu syntetizují z uhlíku anorganického (CO2) - pomalu rostoucí, zastoupení v AK cca 1 – 3 % - podléhají celé řadě inhibičních vlivů

- vyšší stáří AK (12 – 15 dní) - teplota (12 °C) - koncentrace rozp. kyslíku (teor. 4,57 g O2/g NH4+–N, reál. 4,2) - hodnota pH (zpomalení při 7,0 – 7,2, zastavení při 6,5 – 6,0) - složení OV - rychlost nitrifikace 2 – 5 mg/(g.h)


Biologické odstraňování dusíku - principy Obecně mohou být oxidované formy dusíku mikroorganismy využity asimilačně disimilačně Nitrátová asimilace je proces redukce dusičnanového dusíku na dusík amoniakální, který může být použit v anabolických procesech a být tak inkorporován do nově syntetizované biomasy. Nitrátová disimilace (respirace) je proces, při kterém je dusičnanový a dusitanový dusík využíván jako konečný akceptor elektronů místo molekulárního O2 (zisk energie). Konečný produkt je určen druhem mikroorganismu a podmínkami. Proces, při kterém je dusík je z oxidačního stupně N+V a N+III redukován na dusík, který uniká z vodního prostředí jako plynný N2, je označován jako denitrifikace.


Biologické odstraňování dusíku principy Denitrifikace -

-

NO3 , NO2

6 NO3- + 5 CH3OH

anoxie

N2

3 N2 + 5 CO2 + 7 H2O + 6 OH-

Nitratace  nižší spotřeba kyslíku  mnohem stabilnější proces

2


Biologické odstraňování dusíku principy Denitrifikace


Biologické odstraňování fosforu - principy Zvýšené biologické odstraňování fosforu  poly-P (polyfosfát akumulující) baktérie

organotrofní anoxické/denitrifikační baktérie - zdroj energie i C – organické látky - rychle rostoucí, cca 80 – 90 % baktérií v AK - méně citlivé

 schopné zvýšené akumulace fosforu do buněk při střídání anaer/ox podmínek obsah fosforu cca 9 – 10 %

- 1 g NO3--N ~ 2,86 g O2 - denitrifikace 1 g NO3--N ~ 8 g CHSK substrát lze i dotovat do systému - rychlosti denitrifikace 5 – 15 mg/(g.h) - částečné zvyšování alkality


Výhody zařazení denitrifikace do technologické linky • ekologické důvody - odstranění dusíku – stupeň odstranění N v systému s denitrifikací je v rozmezí 90 - 95 % • ekonomické důvody - úspora energie – lze využít až 60 % kyslíku vynaloženého na nitrifikaci i na oxidaci organického znečištění za anoxických podmínek • technologické důvody - odstranění nežádoucí denitrifikace – omezení vzplývání aktivovaného kalu v dosazovací nádrži na minimum



Biologické odstraňování fosforu - principy Schéma přenosu energie mezi anaerobními a oxickými kultivačními podmínkami

SRS – snadno rozložitelné substráty OZL – organické zásobní látky PP – buněčné polyfosforečnany Pi – orthofosforečnan


Biologické odstraňování fosforu - principy Biologické odstraňování fosforu - principy Inkorporace do nově syntetizované biomasy  jako nutrient inkorporován do nově syntetizované biomasy, odstraňován s přebytečným kalem  obsah fosforu v sušině aktivovaného kalu z konvenčních čistíren cca 2 %

V anaerobních podmínkách se fermentativními procesy vytvářejí z organických látek v odpadní vodě nízkomolekulární sloučeniny jako nižší mastné kyseliny či nižší alkoholy Není přítomen ani kyslík, ani dusičnanový dusík, nemůže docházet k oxidativnímu využití těchto organických látek Poly-P baktérie jsou však schopny je akumulovat a ukládat ve formě zásobních látek jako poly-β-hydroxymáselná kyselina (PHB) Energie potřebná k tomuto procesu je uvolňována depolymerizací buněčných polyfosforečnanů, uložených v buňkách ve volutinových granulích Po přenosu do oxických podmínek jsou organické zásobní látky v buňkách poly-P baktérií oxidovány za přítomnosti molekulárního kyslíku. Uvolněná energie je v přebytku k potřebám buňky, a proto je tato energie zpětně ukládána do buněčných polyfosforečnanů

3


Biologické odstraňování fosforu - principy Buňky poly-P baktérií v oxických podmínkách akumulují jak fosforečnany uvolněné za anaerobních podmínek, tak přinesené odpadní vodou Fosfor se ze systému odstraňuje vázán ve volutinových granulích v přebytečném aktivovaném kalu, který se odebírá v oxickém stavu Problém – při anaerobním vyhnívání PK se fosfor uvolní do kalové vody, která se obvykle vrací do aktivace – fosfor stále cirkuluje v systému!!!


Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku k dosažení běžně požadovaných účinností denitrifikace je nutno používat vysoké hodnoty recirkulačního poměru interní recirkulace (Rint = 2-3), s čímž je spojena zvýšená spotřeba energie na čerpání s vysokými hodnotami Rint se v systému smazává, a to i při kompartmentalizaci jednotlivých zón, koncentrační gradient potřebný pro dosažení přijatelných rychlostí procesů i k zamezení nadměrného růstu vláknitých mikroorganismů koncentrace dusičnanového dusíku v odtoku ze systému je stejná jako ve vnitřním recyklu, a tedy mnohdy nepřijatelně vysoká


Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku

N-D



Čtyřstupňový proces BARDENPHO

dvoukalový systém

IR substrát P OX

DN

AS

DN

ANOX

ANOX 1

ANOX OX 2 2

OX 1

O

DN

VK PK





aktivační systémy s predenitrifikací

D-N

ALPHA system

IR P2

P AS

OX

ANOX

P3

O

DN

P

P1

ANOX

OX

ANOX

OX

ANOX

OX

O

DN

VK PK Schéma aktivačního systému s předřazenou denitrifikací (D–N systém) AS – aktivační směs, P – přítok, O – odtok, VK – vratný aktivovaný kal, PK – přebytečný aktivovaný kal, IR – interní recirkulace aktivační směsi, ANOX – anoxická zóna (denitrifikace), OX – oxická zóna (nitrifikace), DN – dosazovací nádrž

VK PK

4



Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku KZ

Simultánní nitrifikace a denitrifikace


OAN

Aktivační systémy s regenerací kalu

AR

zajištění potřebného "aerobního" stáří aktivovaného kalu pro úplnou

OX ANOX

nitrifikaci při snížených nárocích na celkový objem systému (oproti D-N lince lze uvažovat s úsporou objemu až 20%)

ANOX OX DN

AR

přítomnost regenerační zóny zvyšuje celkovou metabolickou aktivitu mikroorganismů aktivovaného kalu vedoucí k zvýšení specifických rychlostí

O

AS

při řízení aerace v regenerační zóně lze díky vysoké koncentraci aktivovaného kalu (shodná s koncentrací vratného aktivovaného kalu) zvýraznit efekt výše zmíněné simultánní denitrifikace na mikroúrovni vločky, takže se zvyšuje celková účinnost odstranění dusíku

VK P

PK

Schéma oběhové aktivace s kontaktní zónou

zlepšení bilance alkality v systému – pokud vstupní část R zóny anoxická (využití dusičnanů ve vratném aktivovaném kalu), možnost odvětvit část OV = D-R-D-N proces

KZ – kompartmentalizovaná, míchaná (neprovzdušňovaná) kontaktní zóna, OAN – oběhová aktivační nádrž, AR – aerační rotory



Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Bioaugmentace

Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Stratifikace idealizované vločky aktivovaného kalu exponované

Simultánní nitrifikace a denitrifikace

 



dotace aktivačního systému nitrifikačními baktériemi kultivovanými in situ kultivace se provádí v kultivátoru, který je součástí aktivačního procesu nebo je umístěn v proudu vratného kalu (možnost využití regenerační nádrže) je to provzdušňovaný reaktor se zavedeným zdrojem obsahujícím dusíkaté látky (obvykle kalová voda), proces bioaugmentace vyžaduje splnění dvou předpokladů: 1. vytvoření podmínek pro optimální růst nitrifikačních baktérií 2. zajištění potřebného substrátu, tj. amoniakálního dusíku Zdroj N Kultivátor

A) do prostředí s vysokou koncentrací substrátu B) do prostředí s nízkou koncentrací substrátu



Aktivační systémy s regenerací kalu

P

ANOX

DN

OX

R

Aktivační nádrž

Odtok


Další možnosti intenzifikace Zvýšení stáří pomocí nosičů biomasy

IR

AKZ

Přítok

O

VK

zvýšení oxického i anoxického stáří kalu instalací nosiče o velkém povrchu do aktivační nádrže, na kterém se mohou MO aktivovaného kalu přichytit a nejsou vyplavovány ze systému

pevné nosiče i nosiče ve vznosu PK

zlepšení procesu nitrifikace nebo kultivace MO pro odstranění specifických polutantů

Schéma aktivačního procesu R-D-N AKZ – anoxická kontaktní zóna (kompartmentalizovaná), R – regenerační zóna

5


Reaktory s imobilizovanou biomasou intenzifikace



procesu biologického odbourávání dusíku

uzavření vhodného MO do kapslí z polymerního materiálu náhrada běžné suspenze AK nižší produkce kalu, vyšší koncentrace MO v systému snadné udržení pomalu rostoucích MO v systému snadná separace od vyčištěné vody Systém s přerušovanou aerací


Reaktory s imobilizovanou biomasou PVA (hydrogel) má vynikající fyzikálně - mechanické vlastnosti, které poskytují dlouhodobou mechanickou stabilitu a navíc je biologicky obtížně odbouratelný a netoxický.


Alternativní způsoby odstraňování dusíku Heterotrofní nitrifikace schopnost některých bakterií, řas a hub oxidovat redukované sloučeniny dusíku (amoniak, dusitany, hydroxylamin) nejsou ale schopny z procesu získat energii – je nutný organický substrát pomalejší proces než autotrofní nitrifikace, ale vyšší zastoupení MO především v systémech s vysokým poměre C:N a nízkou koncentrací kyslíku vyšší podíl asimilovaného dusíku = vyšší produkce kalu



Další možnosti intenzifikace

Alternativní způsoby odstraňování dusíku

Dávkování externího substrátu pro denitrifikaci zlepšení

nepříznivého poměru C/N v přitékající OV

substráty: alkoholy (methanol), odpadní organické látky (G-fáze) Optimalizace řízení procesů na ČOV na

základě měření koncentrace kyslíku

měření koncentrace amoniakálního a dusičnanového dusíku pomocí sond

ANAMMOX určité

druhy MO (Brocardia anammoxidans a Kuenenia stuttgartiensis) jsou schopny oxidovat amoniak na plynný dusík akceptorem elektronů je dusičnanový nebo dusitanový dusík (anoxická oxidace) dlouhá doba zapracování reaktoru (více než 100 dní), MO jsou velmi pomalu rostoucí

6



Aktivační systémy zvýšeného biologického odstraňování fosforu

Alternativní způsoby odstraňování dusíku SHARON proces založen na vyplavování nitratační MO ze systému při vyšších teplotách (30 – 35 °C) a krátké době zdržení (1 – 1,2 dne)

Systémy s odstraňováním fosforu mimo hlavní linku P

AS

DN

AKN

za těchto podmínek je růstová rychlost nitritačních MO vyšší

O PK

VK

amoniakální dusík je oxidován jen na dusitany

S SN

UNP

výhodou je nižší spotřeba kyslíku na oxidaci i substrátu na denitrifikaci

CHK

VÁPNO

nevýhodou je závislot na vysoké teplotě – vhodné pro průmyslové OV


Alternativní způsoby odstraňování dusíku

PhoStrip AKN – aktivační nádrž, DN – dosazovací nádrž, UNP – nádrž na uvolňování P z vratného aktivovaného kalu VK, SN – separační nádrž chemického kalu CHK, P – přítok, O – odtok, PK – přebytečný aktivovaný kal, S – supernatant


Aktivační systémy zvýšeného biologického odstraňování fosforu Systémy s odstraňováním fosforu A/O Process v hlavní lince

CANON kombinace nitritace a systému ANAMMOX

P

aerobní nitritační bakterie oxidují amoniakální dusík na dusitany a spotřebovávají kyslík, čímž vytváří vhodné podmínky pro ANAMMOX bakterie

AS

AN

OX

DN

O

VK

vhodné pro menší zdroje dusíkatého znečištění

PK

AN – anaerobní zóna, OX – oxická (nitrifikační) zóna, DN – dosazovací nádrž, P – přítok, O – odtok, AS – aktivační směs, VK – vratný aktivovaný kal, PK – přebytečný aktivovaný kal


Alternativní způsoby odstraňování dusíku NOX proces přídavek oxidů dusíku stimuluje denitrifikační aktivitu Nitrosomonas like bakterií jsou pak schopny souběžné nitrifikace a denitrifikace za plně aerobních podmínek 60 % amoniakálního dusíku je přeměněno na plynný dusík, 40 % na dusitany nutný poměr NOx:NH4+ se pohybuje od 1:1 000 do 1:5 000 toxicita oxidů dusíku vůči některým mikroorganismům úspory organického substrátu i kyslíku


Společné biologické odstraňování N a P Problémy - antagonismy v požadavcích na podmínky pro odstraňování dusíku a fosforu: nitrifikační organismy jsou pomalu rostoucí, vyžadují vyšší stáří aktivovaného kalu x vyšší stáří snižuje aktivitu jak denitrifikačních, tak polyfosfát akumulujících mikroorganismů  jak denitrifikační tak poly-P baktérie vyžadují pro svou činnost přítomnost lehce rozložitelných substrátů » kompetice o organický substrát  nitrifikační baktérie jsou považovány za striktně aerobní mikroorganismy x zpomalení/zastavení metabolismu v jiných kultivačních podmínkách (koncept aerobního stáří)  dusičnany vznikající nitrifikací v oxické části systému jsou přiváděny vratným aktivovaným kalem z dosazovací nádrže do anaerobní zóny » anoxie » ztráty SRS, které jsou místo konverze do zásobních látek poly-P baktérií oxidovány mikrobiálně dusičnanovým dusíkem 

7



Společné biologické odstraňování N a P


(5-ti stupňový) BARDENPHO Process

DEPHANOX

IR

AN

P AS

AN

ANOX 1

OX 1

ANOX OX 2 2

O

DN

P

UN1

1

2

VK

N

DN

PA

3

4

5

UN2

6

O

VK

PK

P – přítok, AS – aktivační směs, O – odtok, VK – vratný aktivovaný kal, PK – přebytečný aktivovaný kal, IR – interní recirkulace aktivační směsi, AN – anaerobní zóna, ANOX –anoxická zóna, OX – oxická zóna, DN – dosazovací nádrž

PK

P - přítok, O - odtok, VK - vratný aktivovaný kal, PK - přebytečný aktivovaný kal, 1 - anaerobní reaktor, 2 - první usazovací nádrž, 3 biofilmový nitrifikační reaktor, 4 - anoxický reaktor, 5 - postaerace, 6 - 2. usazovací (dosazovací) nádrž




PHOREDOX Process, A2/O Process

ODP. VODA

IR

P

AS

AN

ANOX

Aktivace SBR (Sequencing Batch Reactor)

OX

DN

ODTAH

O

A

B

C

D

E

VK

VZDUCH

PK




Extenzivní způsoby čištění

UCT proces

P

AN

Kořenové čistírny

IR1

IR2

ANOX

OX

DN

Biologické rybníky

O

VK PK

8



Chemické srážení fosforu – srážecí činidla

Extenzivní způsoby čištění



přírodní,



pomalé, prakticky neřiditelné procesy

Srážedla: Vápno Ca(OH)2 > hydroxylapatity Ca(OH)PO4  lehký kal, těžko zahustitelný a odvodnitelný  srážení PO43- v kalových vodách

kořenové ČOV – zasakování do umělého mokřadu, MO na kořenech rostlin, nebezpečí zanášení biologické rybníky – působení vodních organismů, efekt naředění, možnost provzdušňování, problém - eutrofizace nenáročné na energii a pravidelnou obsluhu

Soli Fe2+, Fe3+, Al3+ síran hlinitý, PAX  nedochází k disociaci, účinnější síran železitý (40 % roztok) > hydratovaný Fe2O3 > FePO4  snadná manipulace, levnější  redukce, možnost disociace

pouze pro malé zdroje znečištění


Dimenzování aktivačních systémů biologického odstraňování nutrientů 

Znalost požadované kvality odtoku » volba technologické varianty



Podrobné složení odpadní vody, zejména PCELK/BSK5 (CHSK) a NCELK/BSK5 (CHSK), odhad podílu snadno rozložitelného substrátu (SRS)



Dimenzování založeno na požadavcích nitrifikace jako nejpomalejšího procesu

menší a střední ČOV – samostatně větší ČOV – kombinace s biologickým odstraňováním


Chemické srážení fosforu – místo dávkování 1. Předřazené srážení (pre-precipitace, předsrážení)  před usazovací nádrž - do lapáku písku nebo přítoku do usazovací nádrže  částečná koagulace  potřeba fosforu pro aktivaci na syntézu biomasy!!! 2. Simultánní srážení do aktivace nebo do odtoku z aktivace před dosazovací nádrž  simultánně s biol. procesy, separace společně s kalem 



Základním návrhovým parametrem stáří aktivovaného kalu (doba zdržení biomasy), volba závislá na teplotě, obvykle 10 – 13 dní



Na základě stáří aktivovaného kalu a zvolené X lze zjistit potřebné objemy, přičemž vzájemný poměr objemů závisí na složení odpadní vody


Dimenzování aktivačních systémů biologického odstraňování nutrientů Doporučeny jsou následující hodnoty doby kontaktu aktivační směsi: anaerobní zóna anoxická zóna, NCELK/BSK5  0,2  anoxická zóna, NCELK/BSK5  0,3  oxická zóna  



1 – 3 h podle PCELK/BSK5 alespoň 0,5 h delší než 1 h  1,5 h (zatížení kalu redukovanými formami dusíku  0,06 g/(kg.d)

3. Post-precipitace  za dosazovací nádrž (terciární čištění)  org. flokulanty, rychlé a pomalé míchání, separační nádrž nebo filtr


Fyzikálně chemické metody odstraňování dusíku - pouze tam, kde se nevyplatí biologické čištění (především průmyslové OV) stripování

amoniaku

srážení (struvit – hexahydrát fosforečnanu hořečnato amonného) sorpce amonných iontů na zeolit

Do výpočtu nitrifikovatelného množství dusíku nutno zahrnout i proud kalové vody ze zpracování přebytečného kalu

9



POTŘEBA RECYKLACE FOSFORU cena hnojiv se během poslední dekády zdvojnásobila a cena fosforu se zněkolikanásobila odhad zásob ekonomicky získatelného fosforu z minerálů je na 70 – 100 let důraz na recyklaci materiálů, pokud je to jen ekonomicky možné recyklace především do formy struvitu, jenž může být použit jako hnojivo


Alternativní způsoby odstraňování fosforu Krystalizace proces je založen na krystalizaci fosforečnanu vápenatého na krystalizačních jádrech, kterými jsou většinou částice písku (Ø 0,2 – 0,6 mm), ve fluidním reaktoru vznikající pelety jsou periodicky odebírány a nahrazovány menšími částicemi – novými krystalizačními jádry – kontinuální, řiditelný proces vysoká rychlost krystalizace dovoluje nízké doby zdržení a tudíž i malý reaktor


Alternativní způsoby odstraňování fosforu Magnetické odstraňování Sorpce na povrch magnetitu SiroFloc Magnetit jako krystalizační jádro Smit Nymegen Magnetic Water Treatment Systém CoMag Magnetické flokulanty

10

SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

Recommend Documents