USUWANIE FOSFORU

O ^DNOWA W ^ODY

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

dt x

dx =

x – st enie biomasy (g

/m ³ ) µ – szybko przyrostu

mikroorganizmów (1/d

)

dx = - Yds

Y – wydajno przyrostu

mikroorganizmów z substratu (g

/g

) s – st enie substratu

(g

/m ³ )

Y x dt -

ds =

< 0, s ₁ > µ = f(s) s ₁ ≤ s µ = const

szybko przyrostu mikroorganizmów µ –

x – st enie biomasy

dt x

dx =

1. Normatywne st enia zwi zków azotu i fosforu w ciekach

odprowadzanych do wód powierzchniowych

1.1. Wg Rozporz dzenia Ministra Ochrony rodowiska

N (NH ₄ ⁺ ) 6 mg/dm ³

N (NO ₃ ^- ) 30 mg/dm ³

N og (ΣΣΣΣ) 30 mg/dm ³

P og (ΣΣΣΣ) 1,5 mg/dm ³

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 substancji

biogenicznych w ciekach

Nog Pog ( ^mg/dm

)

— cieki miejskie surowe 80 14

— .m.s. po II st. 45 11 oczyszczania (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 usuwania

substancji biogenicznych

—

Proces jednostkowy

200

ChZT m tno

12 70

zw.rozp. L/100m

gr/m

Index

coli

Odwrócona osmoza

Wska nik zanieczyszczenia(mg/l)

BZT

P N

Koszt

ciek B.O.

Koagulacja CaO Filtracja

Klinoptylolit (J) Adsorpcja

Dezynfekcja (Cl

)

30 5 1,5 1,5 0,5 0,0 0,0

700 55 40 35 35 6 6 1

130 65

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

550 500 500 500 500 500 600 100

10

10

10

10

10

10

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 )

cieki surowe

ci ek i o cz ys zc zo ne

BZT

Nog N NH

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 45

— 11

25 40

— 2

20 30 0,3 —

O O

O O.Cz. K F D

2.5. Schemat oczyszczania

(metody wysokoefektywne)

cieki surowe

ci ek i o cz ys zc zo ne

O W B U B O F D

BZT

Nog N NH

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 12 1,2 –

25 10

0,3 —

Denitryfikacja

N

N

N

N

N

asymilacja asymilacja asymilacja

amonifikacja

utlenianie

nitryfikacja nitryfikacja(O² ,MO ) denitryfikacja (O^{2 ,} MO )

denitryfikacja

nitryfikacja denitryfikacja

= 98 %

 →    →

 ↑





 →

 NH

NO

N

N

Usuwanie zwi zków azotu

- amonifikacja / nitryfikacja /denitryfikacja

6. Amonifikacja 7. Nitryfikacja

8. Schematy technologiczne

6. Amonifikacja

-

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. Nitryfikacja

Jest to utlenianie amoniaku do azotanów

Podstawow rol odgrywaj tu bakterie z rodzaju Nitrosomonas (1-utlenianie amoniaku do azotynów),i Nitrobacter (2-utlenianie azotynów do azotanów).

Reakcja 2. Jest znacznie szybsza od 1. ródłem w gla jest CO2 Nitrosomonas

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

2.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 + H2O 2. 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 O2 µµµµ = µµµµ^max--- x ---

K¹ + N K² + O2

µµµµ

= 0,47(e

) (1-0,833(7,2-pH))

t = <8 - 30> oC

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

Denitryfikacja mo e zachodzi z wykorzystaniem wewn 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 H₂O

Zakładaj 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 )

cieki surowe

ci ek i o cz ys zc zo ne

BZT

Nog N NH

Pog

350 80 45 14

270 70 40 13

30 45 38 11

25 40

— 2

20 30 0,3 —

O O

O O.Cz. K F D

8. Schematy technologiczne

5.1. Nitryfikacja (N)

Kn O

Kn – Komora napowietrzania

O – Osadnik

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)

Kni Kn

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)

Kni

Kn O O

NO3-N2D

O

Z

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)

Kni

Kn O O

NO3-N2D

O

Z W

Amonifikacja i nitryfikacja

Denitryfikacja

3. Biologiczne usuwanie P og

3.1. Klasyczny osad czynny

ω ω ω

ω _p = 2 % (s.m.o.)

Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT ₅

Biologiczne usuwanie fosforu Problem

Do oczyszczalni dopływa 500 m3/d cieków o st eniu BZT5 równym 300mgO2/l i 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 zanie BZT5 = 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

ω ω ω

ω _p = 2 % (s.m.o.)

Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT ₅

3.2. Bakterie akumuluj ce fosforany (BAP, Acinetobacter)

ω ω ω

ω _p = 8 % (s.m.o.)

Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT ₅

Biologiczne usuwanie fosforu - metody wysokoefektywne Problem

Do oczyszczalni dopływa 500 m3/d cieków o st eniu BZT5 równum 300mgO2/l i 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 zanie BZT5 = 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)n nPi

Pi

(Pi)n Acylo-CoA Octan

Pi nPi

ATP ADP

Octan

Faza beztlenowa procesu

Faza tlenowa procesu

(Pi)^n=6-12

I O = P = O

I OI O = P = O

IO

CoA

CH³ - C=O Ac-Acylo Oznaczenia

O

I HO - P - OH

I OI HO - P - OH

IO 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.

C^P

t PO4(P^r)

P ^z

BZT⁵

F

1 2

O 3 ChS

4 5

Proces PhoStrip Usprawn.

6 7

C

= f(t)

Schemat

technologiczny

4.2. Po usprawnieniach

• osadnik wst pny (Ow)

• filtr (F)

• odstojnik/uwalniacz (Od)

• reaktor (R)

• odstojnik chemiczny (Oc)

• LSO (

)

R

Kb Kt F

Oc Od

O

Ow

LSO

Oz On

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)

Kn O

Kn – Komora napowietrzania

O – Osadnik

Kn O

Kn – Komora napowietrzania O – Osadnik

V,Ce,Xa,N1e Qo,Co,N4o N2e,Zp

N2o,Zo,Zio Ce,Xa,N1e Ce,Xe,N1e,N2e N2e,(1+α)Qo,Zp Zp,Qo-Qn

Ce,Xr,N1e,N2e,Zp Ce,Xr,N1e,N2e,Zp

Qr=αQo Qn

5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)

Kni Kn

Kni – Komora nitryfikacji

O O

Ο Ο

Ο Ο

5.3. Nitryfikacja / Denitryfikacja (N,D)

Kd Kni

Kn O O K O

w z

Kd – komora denitryfikacji w – wewn trzne

z – zewn trze

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

Kn

Kd O

5.5. Symultaniczna (D,N)

Kt/b O

Ktb – komora tlenowa/beztlenowa

5.6. System A/O (P)

Kt

Kb O

5.7. System A2/O (N,P)

Kt Kd

Kb O

5.8 System UCT (N,P)

Kt Kd

Kb O

Recyrkul.φ Recyrkul.β

Recyrkulacja α

Zagadnienia

- WMB; definicja i charakteystyka

- denitryfikacja; reakcja, warunki, technologia - defosfatacja; mechanizm, technologia

- Phostrip(?)

- schematy technologiczne