ODNOWA WODY

Wykład 10

USUWANIE FOSFORU ZE �CIEKÓW PRZY U�YCIU WYSOKOEFEKTYWNYCH METOD BIOLOGICZNYCH

Odnowa Wody - definicja

Zespół jednostkowych procesów fizyczno-chemicznych oczyszczania �cieków stosowany w celu wtórnego u�ycia wody (głównie w przemy�le), lub ochrony zbiorników wodnych przed zanieczyszczeniem (głównie eutrofizacj�).

A. Kowal: „Odnowa Wody”, Politechnika Wrocławska,Wrocław 1996.

Odnowa Wody - definicja

Zespół jednostkowych procesów fizyczno-chemicznych oczyszczania �cieków stosowany w celu przywrócenia wodzie wła�ciwo�ci spełniaj�cych normy niezb�dne dla jej ponownego uzycia

A. Kowal: „Odnowa Wody”, Politechnika Wrocławska,Wrocław 1996.

4. Bardziej szczegółowo

4.1. Kinetyka mikrobiologiczna

�x dtdx =

x – st��enie biomasy (gs.m.o./m3)

µ – szybko��przyrostu mikroorganizmów (1/d; g s.m.o./g s.m.o. doba)

�

dx = - YdsY – wydajno�� przyrostu

mikroorganizmów z substratu (gs.m.o./gsubstratu)s – st��enie substratu npBZT,ChZT,PO4,O2 (gsubstratu/m3)

xY�

- dtds =

< 0, s1 > µ = f(s)s1 ≤ s µ = const

�

�szybko�� przyrostu mikroorganizmów

µ –

x – st��enie biomasy

�x dtdx =

1. Normatywne st��enia zwi�zków azotu i fosforu w �ciekach odprowadzanych do wódpowierzchniowych

1.1. Wg Rozporz�dzenia MinistraOchrony �rodowiska

N (NH4+) 6 mg/dm3

N (NO3-) 30 mg/dm3

N og (ΣΣΣΣ) 30 mg/dm3

P og (ΣΣΣΣ) 1,5 mg/dm3

2. Metody usuwania substancji biogenicznych

2.1. Metody fizykochemiczne

a) zwi�zki fosforu— str�canie chemiczne— koagulacja— procesy membranowe

b) zwi�zki azotu— usuwanie amoniaku / striping— wymiana jonowa

2.2. Metody biologiczne

a) osad czynny— zawieszony (KOC)— przytwierdzony(ZŁO�A)

b) metody wyskoefektywne

- nitryfikacja/denitryfikacja

- defosfatacja

2.3. St��enia substancjibiogenicznych w �ciekach

Nog Pog (mg/dm3)— �cieki miejskie surowe 80 14

— �.m.s. po II st. 45 11oczyszczania (o.cz.)

— po III st. ocz.(str.chem) 40 2(1,5) — + filtr 30 0,3 — + klinoptylolit 4 0,3

�.m.s. po wysoko- 12 1,2 efektywnych biologicznych

metodach usuwaniasubstancji biogenicznych

—

Procesjednostkowy

200

ChZT m�tno��

12 70

zw.rozp. L/100m3 gr/m3

Indexcoli

Odwrócona osmoza

Wska�nik zanieczyszczenia(mg/l)

BZT5 P N

Koszt

�ciek B.O.

Koagulacja CaO

Filtracja

Klinoptylolit (J)

Adsorpcja

Dezynfekcja (Cl2)

30

5

1,5

1,5

0,5

0,0

0,0

70055

40

35

35

6

6

1

13065

4

2

2

2

0,5

0,0

10

1,5

0,1

0,1

0,1

0,1

0,1

40

20

20

2

2

2

0,5

550500

500

500

500

500

600

100

109

107

103

102

102

102

0

0

—25

10

5

20

20

5

50

Efektywno��i koszt procesów jednostkowych w III stopniu oczyszczania �cieków miejskich

�cieki miejskie

2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie)

�ciekisurowe

�cie

ki o

czys

zczo

ne

BZT5NogN NH4

+

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 45 —11

25 40 —2

20 30 —0,3

OOO O.Cz. F DK

2.5. Schemat oczyszczania(metody wysokoefektywne)

�ciekisurowe

�cie

ki o

czys

zczo

ne

O O F DW B U B

BZT5NogN NH4

+

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 12 –

1,2

25 10 —0,3

Denitryfikacja

Norg

NNH3

NNO2

NNO3N2

asymilacjaasymilacja asymilacja

amonifikacja

utlenianie

nitryfikacja nitryfikacja(O2 ,MO )denitryfikacja (O2 , MO )

denitryfikacja

nitryfikacja denitryfikacja

� = 98 % � = 85 % ↑ → → → −+2NNONHN biolog. red.

3biolog. utl.

4amonifik.

org

Usuwanie zwi�zków azotu

- amonifikacja/nitryfikacja/denitryfikacja

6. Amonifikacja

7. Nitryfikacja

8. Schematy technologiczne

6. Amonifikacja

- Przemiana azotu organicznego do amoniaku

W warunkach beztlenowych: (C,H,N) NH4+

lub tlenowych: C10H19O3N + 12 1/2 O2 10 CO2 + 8 H2O + NH3

-Szybko�� wi�ksza ni� szybko�� nitryfikacji-Powoduje wzrost zasadowo�ci o 3,57 g CaCO3/ g N

7. NitryfikacjaJest to utlenianie amoniaku do azotanówPodstawow� rol� odgrywaj� tu bakterie z rodzaju Nitrosomonas (1-utlenianieamoniaku do azotynów),i Nitrobacter (2-utlenianie azotynów do azotanów). Reakcja 2. Jest znacznie szybsza od 1. ródłem w�gla jest CO2

Nitrosomonas1.NH4 + 1,5O2 NO2 + 2H + H2O + (58-84) kcal

Nitrobacter2.NO2 +0,5O2 NO3 + (15-21)kcal

Po przyj�ciu formuły C5H7NO2 dla biomasy nitryfikatorów, mo�na napisa�nast�puj�ce reakcje

1. 13NH4 + 15CO2 = 10NO2 + 3C5H7NO2 + 23H + H2O2. NH4 + 5CO2 + 10NO2 + 2H2O = 10NO3 + C5H7NO2 + H

Kwa�ne wodory wytwarzane w reakcjach nitryfikacji reaguj� z wodorow�glanami zasadowo�ci:HCO3- + H = CO2 + H2O

Powy�sze reakcje zachodz� z ró�n� wydajno�ci�.W optymalnych warunkach powstaje:

Nitrosomonas: 0,15 g smo/g NH4 (lub 0,0186mol Nitrosomonas/molNH4) Nitrobacter: 0,02 g smo/g NH4 (lub 0,0025mol Nitrobacter/ molNH4)

Sumaryczna reakcja ma posta�:

NH4 + !,83O2 + 1,98HCO3 = 0,021C5H7NO2 + 1,041H2O + 0,98NO3 + 1,88H2CO3

Nale�y ponadto pami�ta� o:- zu�yciu zasadowo�ci (7,14 gCaCO3/gNH4)- zu��yciu tlenu (4,57g O2/gNH4)- wpływie okresowego braku tlenu na aktywno�� nitryfikatorów (nie stwierdzono)- kinetyce nitryfikacji (zale�y od st��enia dwóch substratów)

N O2µµµµ = µµµµmax---------- x -----------

K1 + N K2 + O2

µµµµmax = 0,47(e0,098(t-15) )(1-0,833(7,2-pH))

t = <8 - 30> oCpH = <6 -8,2> dla pH>7,2 µµµµ nie zale�y od pH

Denitryfikacja mo�e zachodzi� z wykorzystaniemwewn�trznych lub zewn�tzrnych ródeł zwi�zków organicznych

ródła wewn�trzne (�cieki komunalne)- rezkład zwi�zków organicznych

10 NO3 + C10H19O3N = 5N2 + 10CO2 + 3H2O + 10OH + NH3

- synteza biomasy heterotroficznej

C10H19O3N + 1,5 NH3 + 2,5 CO2 = 21/2 C5H7NO2 + 3 H2OZakładaj�c �e Ymax = 0,25g smo/g ChZT, oraz m = 0, sumaryczna reakcja ma posta�:

C10H19O3N + 6,5NO3 = 0,875C5H7NO2 + 3,25N2 + 3H2O + 6,5OH- + 5,625CO2 + 0,125NO3

�ródła zewn�trzne (np. metanol)

NO3 + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3 = 0,04C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + HCO3-

2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie)

�ciekisurowe

�cie

ki o

czys

zczo

ne

BZT5NogN NH4

+

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 45 38 11

25 40 —2

20 30 —0,3

OOO O.Cz. F DK

8. Schematy technologiczne

5.1. Nitryfikacja (N)

OKn

Kn – Komora napowietrzaniaO – Osadnik

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)

KniKn

Kni – Komora nitryfikacji

O O

Denitryfikacja polega na desymilacyjnej redukcji azotu (+5) do azotu cz�steczkowego (0)

- jest uwarunkowana st��eniem tlenu rozpuszczonego

- wi�kszo�� bakterii osadu czynnego jest zdolna do denitryfikacji(fakultatywne)ze wzgl�du na wydzielanie enzymu- reduktaza azotanowa

- celem denitryfikacji jest usuni�cie azotanów ( oraz materii organicznej )

- zachodzi w warunkach beztlenowych (reduktaza azotanowa jest inhibowana, przez tlen), ale nie redukcyjnych (zachodzi w warunkach anoksycznych)

Schemat osadu czynnego-denitryfikacja

N2

NO2–

NO3–

CO2

NH4+ O2

Roztwór

Strefa tlenowa

Strefa beztlenowa

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)/denitryfikacja(D)

KniKn O O

DNO3-N2

AOZ

W

Warunki konieczne dla denitryfikacji

- w �ciekach musz� by� obecne zwi�zki w�gla i amoniak- pH winno mie�ci� si� w przedziale 6,5 - 7,5- st��enie tlenu rozpuszczonegpo w komorze denitryfikacji musi by� mniejsze

ni� 0,5 mg/l- optymalna temperatura wynosi 20 oC

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 O2(mg/l)

Wydajno�� procesu zale�y od st��enia tlenu(%)100

50

D N

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)/denitryfikacja(D)

KniKn O O

DNO3-N2

AOZ

W

Amonifikacja i nitryfikacja

Denitryfikacja

3. Biologiczne usuwanie P og

3.1. Klasyczny osad czynny

ωωωωp = 2 % (s.m.o.)Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT5

Biologiczne usuwanie fosforu

ProblemDo oczyszczalni dopływa 500 m3/d �cieków o st��eniu BZT5 równym 300mgO2/li s��eniu P równym 12mg/l. Z ka�dego kilograma BZT5 dopływaj�cego do oczyszczalni przyrasta 0,5 kg osadu nadmernego o st��eniu P równym 2,0%.Nale�y obliczy� st��enie P w �ciekach po oczyszczeniu.

Koncepcja:-okre�lamy przyrost osadu nadmiernego/jed.obj.�cieków-okre�lamy zawarto��P w osadzie nadmiernym/jed.obj.��ieków-obliczamy st��enie ko�cowe

Rozwi�zanieBZT5 = 300g/m3

Zawarto�� P w osadzie nadmiernym/jed.obj.�cieków= 400gosadu nadmiernego/1000gBZT5 x 2gP/100g osadu nad. x 300gBZT5/m3

st��enie ko�cowe P = 12g/m3 -2,4g/m3 = 9,6g/m3

3. Biologiczne usuwanie P og

3.1. Klasyczny osad czynny

ωωωωp = 2 % (s.m.o.)Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT5

3.2. Bakterie akumuluj�ce fosforany(BAP, Acinetobacter)

ωωωωp = 8 % (s.m.o.)Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT5

Biologiczne usuwanie fosforu - metody wysokoefektywne

ProblemDo oczyszczalni dopływa 500 m3/d �cieków o st��eniu BZT5 równum 300mgO2/li s��eniu P równym 12mg/l. Z ka�dego kilograma BZT5 dopływaj�cego do oczyszczalni przyrasta 0,4 kg osadu nadmernego o st��eniu P równym 8,0 %.Nale�y obliczy� st��enie P w �ciekach po oczyszczeniu.

Koncepcja:-okre�lamy przyrost osadu nadmiernego/jed.obj.�cieków-okre�lamy zawarto��P w osadzie nadmiernym/jed.obj.��ieków-obliczamy st��enie ko�cowe

Rozwi�zanieBZT5 = 300g/m3

Zawarto�� P w osadzie nadmiernym/jed.obj.�cieków= 300gosadu nadmiernego/1000gBZT5 x 8gP/100g osadu nad. x 300gBZT5/m3

st��enie ko�cowe P = 12g/m3 - 9,6g/m3 = 2,4g/m3

3.3. Mechanizm biochemiczny BAP

— faza beztlenowa (uwalnianie fosforanów, obecno��labilnej substancji organicznej (LSO)

— faza tlenowa (kumulacja fosforanów)

ATP ADP +Pi

Octan Acylo-CoA

(Pi)nnPiPi

(Pi)n

Acylo-CoAOctan

nPiPi

ATP ADP

Octan

Faza beztlenowa procesu

Faza tlenowa procesu

(Pi)n=6-12

IO = P = O

IOI

O = P = OIO

CoA

CH3 - C=O

Ac-Acylo

Oznaczenia

O

IHO - P - OH

IOI

HO - P - OHIO

OH

CH3

ADP

4. Najprostszy schemat układu technologicznego do usuwania P

K.t.K.b. O

O.z.O.n.

4. Schemat układu technologicznego do usuwania P

- polega na modyfikacji układu podstawowego

K.t.K.b. O

O.z.O.n.

K.t.K.b. O

O.z.O.n.

CP

t

PO4(Pr)

P zBZT5

F1 2

O

3ChS

4

5

Proces PhoStrip Usprawn.

6

7

CP = f(t)

Schemattechnologiczny

4.2. Po usprawnieniach

• osadnik wst�pny (Ow)• filtr (F)• odstojnik/uwalniacz (Od)

• reaktor (R)• odstojnik chemiczny (Oc)• LSO (lotne kwasy organiczne)

R

Kb Kt F

OdOc

OOw

LSO

OzOn

5. Typowe układy technologiczne

— nitryfikacja (N)— wydzielona nitryfikacja (W)— nitryfikacja / denitryfikacja (N,D)— -II- jednoosadowa (N,D)— symultaniczna (D,N)— system A/O (P)— system A2/O (P,N,D)— SBR— proces Phoredox (P,N,D)— proces UCT (P,N,D)

5.1. Nitryfikacja (N)

OKn

Kn – Komora napowietrzaniaO – Osadnik

OKn

Kn – Komora napowietrzaniaO – Osadnik

V,Ce,Xa,N1eQo,Co,N4o N2e,ZpN2o,Zo,Zio

Ce,Xa,N1e Ce,Xe,N1e,N2eN2e,(1+α)Qo,Zp Zp,Qo-Qn

Ce,Xr,N1e,N2e,Zp Ce,Xr,N1e,N2e,ZpQr=αQo Qn

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)

KniKn

Kni – Komora nitryfikacji

O OΟΟΟΟ

5.3. Nitryfikacja / Denitryfikacja (N,D)

KdKniKn OOO K

w z

Kd – komora denitryfikacjiw – wewn�trznez – zewn�trze

5.4. Denitryfikacja / Nitryfikacja(jednoosadowa – D,N)

KnKd O

5.5. Symultaniczna (D,N)

Kt/b O

Ktb – komora tlenowa/beztlenowa

5.6. System A/O (P)

KtKb O

5.7. System A2/O (N,P)

KtKdKb O

5.8 System UCT (N,P)

KtKdKb O

Recyrkul.φ Recyrkul.β

Recyrkulacja α

Zagadnienia

- WMB; definicja i charakteystyka- denitryfikacja; reakcja, warunki, technologia- defosfatacja; mechanizm, technologia- Phostrip(?)- schematy technologiczne