Univerzitet u Novom Sadu
Prirodno­matematički fakultet
Departman za hemiju, biohemiju i zaštitu životne sredine
Ud ž j za unapređenje
Udruženje
đ j zaštite
š i životne
ži
sredine
di „Novi Sad“
N i S d“
BIOLOŠKI PROCESI ZA UKLANJANJE NUTRIJENATA
Dr Snežana Maletić, docent PMF‐a u Novom Sadu
Novi Sad 2­5. septembar, 2014.
2
Vrste azotnih jedinjenja
Azot u otpadnim vodama može postojati u četiri oblika:
¾organski azot
g
(proteini, peptidi, aminokiseline, kreatin, (p
p p
mokraćna kiselina, itd.) ,
¾amonijačni azot
amonijačni azot (NH4‐N); N);
¾nitratni azot (NO3‐N), koga u pravilu ima veoma malo, i ¾nitritni azot (NO2‐N) karakteristični za septične, odstajale, otpadne vode i anaerobno obrađene otpadne odstajale
otpadne vode i anaerobno obrađene otpadne
vode. 3
P
¾ U sirovoj otpadnoj vodi fosfor se javlja u obliku
¾ ortofosfata, ¾ polifosfata i
¾ fosfora vezanog u organskim jedinjenjima. ¾ Oko 10 % P je u nerastvorljivom obliku (uklanja u prethodnom taložniku.
¾ Deo P se ukloni prilikom biološkog prečišćavanja (ugrađuje se u biomasu). ¾ Fosfor se smatra
se smatra glavnim uzročnikom eutrofikacije. eutrofikacije
¾ Fosfor se mora ukloniti i u slučajevima kada je azot uklonjen u toj meri
iz vode da p
postaje
j limitirajući
j faktor rasta ((svaki višak fosfora p
podstiče
rast plavozelenih algi koje imaju sposobnost usvajanja azota direktno iz
vazduha).
Koncentracija (mg N/l)
Količina (kg/st/god)*
Ukupni azot
Ukupni azot
20 85
20‐85
3450
3,4‐5,0
Organski azot
8‐35
0,7‐1,0
Amonijak/amonijum jon
12‐50
2,7‐4,0
*kg/st/god – kilograma po stanovniku godišnje
Prečišćavanje
Efikasnost, %**
Primarno
5‐10
Sekundarno
10‐20
Sekundarno sa nitrifikacijom
20‐30
*Tipične
Tipične vrednosti
vrednosti
**U odnosu na sirovu otpadnu vodu
5
Biološki
Fizčko‐hemijski
Nitrifikacija
Denitrifikacija
Izdvajanje gasovitog NH3
(striping)
oksidacija NH3
oksidacija NH
sa hlorom
Biološki
Hemijski
Dodavanjem
• soli metala ili
• kreča
Ugradnja u
ćelije bakterija
6
Kriterijumi biološkog uklanjanja nutrijenata
ij
9 Vreme zadržavanja u anoksičnoj i anaerobnoj zoni, 9 F/M odnos, 9 HRT, 9 Koncentracija volatilnih
suspendovanih materija u bioreaktoru (MLVSS), 9 Interna recirkulacija i povratni
aktivni mulj, 9 BPK i bHPK influenta, 9 Nivo kiseonika, 9 Alkalitet,
9 pH i temperatura, ™ Srednje vreme zadržavanja ‐ meri prosečnu dužinu vremena (u danima) koliko se dužinu
vremena (u danima) koliko se
mikroorganizmi (mulj) održava u sistemu:
♣ MCRT prekratko ‐ biološki sistem
neće imati dovoljno bakterija da
degradira i ukloni polutante ‐ loš
kvalitet efluenta.
♣ Potrebno srednje vreme
zadržavanja zavisi od konstituenata
otpadnih voda i brzine rasta
mikroorganizama koji je je
konzumiraju.
‰ Odnos unešenog BPK influenta i heterotrofne biomase (F/M) ‐
meri količinu BPK influenta koja je dostupna u aktivnom mulju
(MLVSS)
(MLVSS) u aeracionom
i
b
bazenu:
‰
‰ zona može biti konfigurisana da podstakne rast
nefilamentoznih organizama. Ili zona može biti konfigurisana
d podstakne
da
d t k rastt Acinetobacter
A i t b t organizama.
i
o Karakteristike otpadnih voda.
o Jedna od ključnih karakteristika je količina
je količina inertne TSS u influentu
TSS u influentu
biološkog tretmana (iTSS2INF). o Visoka koncentracija inertne TSS će povećati procenat nebiodegradabilnih
č ih materija
čvrstih
ij u MLSS ‐
MLSS biće
bić potrebno
b duže
d ž MCRT. MCRT
o Recirkulacioni tokovi. BNR mogu da imaju više povratnih tokova, koji
mogu biti interni (MLR). o Brzina recirkulacije aktivnog mulja je obično 30 do 100% protoka
influenta. o Odnosi pumpanja MLR mogu
MLR mogu biti 100 do 400% protoka
100 do 400% protoka influenta, influenta
o Oni takođe mogu da se prenose iz aerobne (MLROX) ili iz anoksične zone (MLRAX). o Izvor MLR i zona koja ga prima često pravi razliku jednog BNR procesa od
drugog.
¾ Alkalitet i pH. ‐ potrebna kontrola pH ili dodatak zbog podešavanja alkaliteta.
¾ Niži alkalitet ne snižava samo pH, nego može ograničiti i rast nitrifikujućih organizama tokom nitrifikacije jer nemaju dovoljno neorganskog ugljenika.
k
lj ik
¾ Hidrauličko vreme zadržavanja (HRT) potrebno za održavanje BNR zavisi od veličine reaktora, što zauzvrat zavisi od MCRT neophodnog zavisi
od veličine reaktora, što zauzvrat zavisi od MCRT neophodnog
za rast. ¾ Kada je veličina reaktora poznata, onda se HRT može naći deljenjem zapremine reaktora (V) i protoka sekundarnog influenta (Q
k
( )
k
k d
fl
( 2INF):
)
Uklanjanje azota u tretmanu otpadnih voda
p
Osnovne reakcije
Organski ‐ C
Organski ‐ N
Gas N2
Hidroliza
NH3 ‐ N
Bez O2
+O2
Nitrifikacija
Nitrosomonas
NO2 ‐ N
Nitriti
+O2
Nitrifikacija
Nitrobacter
NO3 ‐ N
Nitrati
NITRIFIKACIJA NIT
Potrebno
• O2 (aeracija)
• NH3 ‐ N
U biorektoru
DENITRIFIKACIJA DEN
Potrebno
• NO3 ‐ N
• Nema O2
• Organski C (BPK)
U anoksičnom
U
anoksičnom
biorekatoru
12
Nitrifikacija
•
Najveći deo azota se u otpadnim vodama nalazi kao amonijačni azot. •
Nitrifikacione bakterije (Nitrosomonas i Nitrobacter) prisutne u normalnoj mikroflori vode oksiduju amonijačni u nitratni azot:
ik fl i d k id j
ij č i
it t i
t
•
2NH4+‐N + 3 O2→ 2NO2‐ + 2H2O + 4H+
(Nitrosomonas)
2 NO2‐ + O
2 NO
+ O2 →2 NO
→2 NO3‐ ‐N ‐N
(Nitrobacter)
NH4+‐N+ 2O2 → NO3‐ ‐N + 2H+ + H2O (Nitrifikujući organizmi)
g j
reakcijom
j
H+ reaguje sa alkalnošću iz vode sledećom
2H+ + 2HCO3‐ 2CO2 + 2H2O
•
Tokom aerobnog prečišćavanja otpadnih voda odvija se i nitrifikacija u određenom obimu.
•
Kod aerobnih postupaka prečišćavanja u pravilu je odnos BPK5/TKN visok j
j
j
tako da je udeo nitrifikacionih bakterija i efekat nitrifikacije mali. •
Smanjivanjem vrednosii odnosa BPK5/TKN ‐ aerobni proces prečišćavanja može se prevesti u kombinovani proces prečišćavanja i nitrifikacije. • Prevođenje postupaka prečišćavanja sa suspendovanom mikroflorom u kombinovani postupak prečišćavanja i nitrifikacije postiže se povećavanjem starosti mulja i pojačavanjem aeracije.
• Za nitrifikaciju se troši ukupno 4,2 mg O2/mg NH4+‐N.
• MCRT
MCRT od
d 6 do 9 dana
6d 9d
za proizvodnju
i d j do 0,2 mg VSS po
d 02
VSS
10
1,0 mg uklonjenog amonijaka
• Brzina rasta biomase (μ) se izračunava
(μ) se izračunava na sledeći način:
μ= količina naraslih bakterija u danu
μ= količina
u danu / količina
/ količina prisutnih bakterija
14
Denitrifikaija
™ Nitratredukujuće bakterije, fakultativno anaerobni heterotrofi, u anoksičnim uslovima koriste kiseonik iz nitrata za oksidaciju organske materije
organske materije,.
™ Nitrati se redukuju, u prvom stepenu do nitrita, a u drugom stepenu do oksida azota (NO2, NO) ili do gasovitog azota (N2) koji je i najzastupljeniji produkt denitrifikikacije.
j t lj iji
d kt d it ifikik ij
NO3‐‐N (NO2‐ ‐N)+ izvor ugljenika + fakultativne bakterije + H+→ →N2 + CO
+ CO2 + H
+ H2O + nove
O+
b kt ij k ćelije
bakterijske
ć lij
™ MCRT od 2 do 4 dana da proizvedu 0,5 mg VSS po 1,0 mg uklonjenog BPK, ova faza oezbeđuje3,57 kg CaCO3/kg NO3
BPK, ova faza oezbeđuje3,57 kg CaCO3/kg NO3‐N
N
™ Brzina po kojoj denitrifikujući organizmi uklanjaju nitrat je specifična
brzina denitrifikacije :
Denitrifikacija se može izvesti kao:
• Poseban stepen u posebnom reaktoru, i Poseban stepen u posebnom reaktoru i
• Kao postupak kombinovan sa aerobnom oksidacijom
(
(sekundarno prečišćavanje) i nitrifikacijom. p
j )
j
• Prilikom denitrifikacije izvor organskog ugljenika potreban za metabolizam i rast ćelija mikroflore obezbeđuje se: – dodavanjem metanola (CH3OH), ili – korištenjem
korištenjem postojećeg organskog zagađenja, i organskog postojećeg organskog zagađenja, i organskog
ugljenika koji dospeva u vodu usled endogene respiracije aktivnog mulja. 16
• Kada je denitrifikacija izvedena kao poseban stepen, koristi se spoljašnji izvor organskog ugljenika, obično metanol
bakterije
6 NO 3− + 5CH 3 OH ⎯⎯ ⎯ ⎯⎯→ 5CO 2 + 3N 2 + 7 H 2 O + 6OH −
• Performanse postupaka su prilagođene kinetici procesa denitrifikacije. • Kako se gasoviti azot nastao denitrifikacijom obično nakuplja na flokule otežavajući taloženje aktivnog mulja u sekundarnom taložniku, to se
otežavajući taloženje aktivnog mulja u sekundarnom taložniku, to se između reaktora i taložnika postavlja ili kratak kanal sa aeraciojom ili poseban pufer tank sa kratkotrajnom aeracijom (30 do 60 sekundi)
17
Uklanjanje azota u tretmanu
otpadnih
d ih voda
d
9 Svi biološki tretmani
uklanjanja azota moraju imati
aerobnu zonu gde se dešava
biološka nitrifikacija.
9 Takođe u procesu mora da
postoji i anoksična zona gde
dolazi do denitrifikacije.
9 Postoje dva tipa procesa za
biološko uklanjanje azota:
9 Jednostepeni postupak sa
aktivnim muljem
9 D
Dvostepeni
t
i postupak
t
k sa
aktivnim muljem.
Jednostepeni postupak
sa aktivnim muljem –
jedan taložnik se koristi za
odvajanje čvrstih
materija‐uglavnom
l
sekundarni taložnik.
Reaktor u kome
u kome se nalazi
se nalazi
mulj može biti podeljen u dve zone: anoksičnu i
aerobnu a smeša se aerobnu, a smeša
se
pumpa iz jedne u drugu. Denitrifikacija nakon aerobne oksidacije i
nitrifikacije, (Wuhrmann)
nitrifikacije, (Wuhrmann) aeracija
Q
NIT
(Bi l ški
(Biološki reaktor)
kt )
Dodavanje
izvora ugljika
(M t
(Metanol)
l)
DEN
NT
Q
mešanje
Recirkulacija mulja
Nakon BR (biološkog reaktora) potrošen je najveći deo rastvorenih jedinjenja, pa je potrebno dodati spoljni izvor ugljenika za potrebe heterotrofnih bakterija koje obavljaju denitrifikaciju (najčešće metanol)
20
Denitrifikacija pre aerobne oksidacije (L d k Ettinger, 1962.g.)
(Ludzak ­
E i
1962 )
mešanje
DEN
aeracija
NIT
((Biološki rektor))
Recirkulacija mulja
NO3
NT
Nitrat je Ni
j
sadržan u povratnom mulju i
mulju i efikasnost denitrifikacije zavisi od veličini
zavisi od veličini recirkulacije
21
Modifikovan Ludzak‐Ettinger‐ov postupak (MLE)
mešanje
aeracija
Q
NIT
DEN
(Biološki reaktor)
NO3
Recirkulacija mulja
NT
Ntot≤ ≤ 10 mg/l
Interna recirkulacija iz
biološkog reaktora
doprinosi većom
opterećenju
p
j nitratima.
Zbog relativno male
koncentracije nitrata u
MLSS, veličina
interne recirkulacije je
od 2 – 4 Q
22
Bardenpho 4‐fazni postupak
Recirkulacija nitrata
aeracija
j
Q
DEN
NIT
DEN
mešanje
aeracija
mešanje
Q
NT
Recirkulacija mulja
23
Postupak sa stepenastim
d d
dodavanjem otpadne vode
d
d
9 Preanoksične zone se takođe koriste kod postupnog snabdevanja BNR procesa. 9 Mogući podeoni procentualni tok influenta za 4 faze bi mogao biti npr. ć
f
f
15:35:30:20. Finalni protok u poslednju anoksično/aerobnu zonu je kritičan jer nitrati proizvedeni u toj fazi neće biti redukovani i definisaće koncentraciju nitratnog azota u efluentu Koncentracija bi trebalo da bude
koncentraciju nitratnog azota u efluentu. Koncentracija bi trebalo da bude niža od 8 mg/l
SBR reaktor
SBR reaktor
SBR sistemi takođe mogu da koriste preanoksičnu denitrifikaciju koristeći
preanoksičnu denitrifikaciju koristeći organske materije influenta. Mešanjem se poboljšava kontakt M
š j
b ljš
k t kt
influenta otpadne vode sa aktivnim muljem. Zatim se vrši aeracija, uvođenjem vazduha, taloženje i dekantovanje. Ovim tretmanom je moguće ostvariti koncentraciju nitratnog azota < 5 mg/l.
Oksidacioni kanali
U zavisnosti od aeracionog dizajna i dužine oksidacionog kanala, anoksične U
i
ti d
i
di j i d ži
k id i
k l
k ič
zone mogu biti kreirane u oksidacionom kanalu da bi se postiglo biološko uklanjanje azota u jednom reaktoru
NitroxTM procesi
p
9 Oksidacioni kanal se menja od aerobnog do anoksičnog isključivanjem aeracije i uključivanjem miksera za mešanje. j
j
j
9 Proces se kontroliše merenjem oksidaciono‐redukcionog potencijala (ORP) da bi (1) odredili kada se smanjila količina nitrata u anoksičnoj operaciji i (2) restartovala aeracija. 9 Kada se količina nitrata smanji u periodu bez aeracije, ORP značajno opada. 9 Na određenoj vrednosti ORP automatski se pokreće aeracija. Simultana nitrifikacija ‐ denitrifikacija
efluent
aeracija četkama
NIT
DEN
supstrat
O2
DEN
NIT
Anoksična
zona N
2
CO2
influent
Aerobna
zona
NH+
4
NO- 2
28
NO- 3
Dvostepeni proces: nitrifikacija – denitrifikacija, (postupak sa dva mulja)
(p
p
j )
aeracija
j
aeracija
Q
Nitrifikacijoni
taložnik
NIT
Recirkulacija
j mulja
j
NT
Dodavanje izvora C
DEN
NT
Q
aeracija
Recirkulacija mulja
29
Membranski Bioreaktori
Membranski Bioreaktori
• Membranski bioreaktori (MBRs) kombinuju aktivni mulj i
membranske filtracione sisteme. • Semipermeabilne membrane se koriste obično za ultra‐filtraciju ili
mikrofiltraciju. • MCRT je tipično 20 dana ili više da minimizira začepljenje membrane.
membrane
•
Konfiguracija sistema i oprema zavise od proizvođača: – instalirane membrane direktno u aeracionom bazenu, – instalirane membrane u rezervoaru van aeracionog bazena. Drugi procesi za uklanjanje azota
™ Lagune
g
™ Procesi sa biofilmom, i bili
imobilisanom mikroflorom
ik fl
™ Integrisani procesi sa Integrisani procesi sa
imobilisanom mikroflorom u proces sa aktivnim muljem
Biološko uklanjanje fosfora
PO43Energija
Fakultativne
F
k lt ti
b kt ij
bakterije
Acinetobacter spp.
Acetate plus
Substrat
(Sporo rastuće
fermentatacioni
Poly-P
bakterije za
PHB
produkti
j j
uklanjanje
fosfora)
Anaerobno
Aerobno
Energy
BPK + O2
PO43-
polihidroksibutirat (PHB)
PHB
Poly-P
+
CO2+H2O
Nova biomasa
Poboljšanje procesa biološkog uklanjanja fosfora
kl
f f
Razdvajanje procesa u dva R
d j j
d
koraka u kojima nakon anaerobnog okruženja sledi aerobno. aerobno
U selektoru anaerobnog dela, Acinetobacter
organizmi oslobađaju fosfor, čime se dobija energiju za razgradnju lako biorazgradivih organskih
biorazgradivih organskih materija. Ova sposobnost omogućava Acinetobacter organizama da postanu dominantni.
Phoredox (A/O) postupak ( / )p
p
U ovim pro‐cesima nema nitrifikacije i anaerobno vreme zadržavanja je 30 min do 1 h, da bi se obezbedili odabrani uslovi za biološko uklanjanje fosfora. SRT za aerobnu zonu je 2 do 5 dana, što zavisi od temperature.
A/O proces se obično ne koristi u postrojenjima za prečišćavanje gde je potrebno zajedno ukloniti i azot i fosfor, jer su drugi procesi za zajedničko
uklanjanje efikasniji
PhoStrip
procesi uklanjanja fosfora
9 Anaerobni uslovi se postižu držanjem RAS dovoljno dugo u gra‐
vitacionom taložniku sa vremenom zadržavanja od 8 do 12 h
vitacionom taložniku sa vremenom zadržavanja od 8 do 12 h. 9 Oslobođeni fosfor se ispira,
fosfor se ispira, obično dodatkom primarnog primarnog
efluenta ili sirove otpadne vode koja
vode, koja takođe poboljšava anaerobne anaerobne
uslove
A2O postupak
p
p
UCT postupak
Za otpadne vode koje imaju malo rastvoreni BPK
θc = 10 – 25
dana
2-4Q
Q
θ = 12h
MLSS 3-4kg/m3
θ = 24h
Q
θ = 4-12h
1-3Q
3Q
0,8-1Q
37
VIP proces
9 U VIP procesu, sve faze su organizovane da sadrže najmanje dva reaktora sa potpunim mešanjem u serijama. 9 Povratni aktivni mulj se ispušta na ulazu u anoksičnu zonu zajedno sa p
nitrifikovanim povratnim tokom iz aerobne zone. 9 Sadržaj reaktora iz anoksične zone se vraća do glavnog kraja anaerobne zone.
Johannesburg proces
Johannesburg proces
9 Modifikovani UCT proces za smanjenje uvođenja nitrata u anaerobnu zonu, za slabo opterećene vode. 9 Povratni
Povratni aktivni mulj se usmerava ka anoksičnoj zoni koja ima dovoljno vreme aktivni mulj se usmerava ka anoksičnoj zoni koja ima dovoljno vreme
zadržavanja za smanjenje nitrata pre njenog odvođenja u anaerobnu zonu. 9 Redukcija nitrata je vođena endogenom respiracijom smeše aktivnog mulja i otpadne vode, a anoksično vreme zadržavanja zavisi od koncentracije zagađujućih materija u otpadnoj vodi, temperature i koncentracije nitrata u povratnom toku mulja. Modifikovani Bardenpho (5­ofazni) proces
9
Petofazni sistem omogućuje anaerobne, anoksične i aerobne faze za uklanjanje fosfora, azota i ugljenika. 9
Druga anoksična faza obezbeđuje dodatnu denitrifikaciju korišćenjem nitrata, Druga
anoksična faza obezbeđuje dodatnu denitrifikaciju korišćenjem nitrata
proizvedenim u aerobnoj fazi, kao elektron akceptora, a endogenog organskog ugljenika kao elektron donora. 9
Finalna aerobna faza se korisiti da ukloni rezidualni gas azot iz rastvora i da smanji Finalna
aerobna faza se korisiti da ukloni rezidualni gas azot iz rastvora i da smanji
oslobađanje fosfora u finalnom taložniku. 40
Petostepeni proces koristi duže SRT (10 do 20 dana)
9
SBR sa biološkim biološkim
uklanjanjem f f
fosfora
Anaerobni reakcioni period može da se postigne tokom i nakon perioda punjenja SBR‐
a. Anoksični operacioni period se koristi nakon što protekne dovoljno aerobno vreme za nitrifikaciju i produkciju fk
d k
nitrata
Hvala na pažnji
Download

Biološki procesi za uklanjanje nutrijenata, dr