SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

Transkript

1 SYSTÉMY BIOLOGICKÉHO ODSTRAŇOVÁNÍ NUTRIENTŮ

2 NUTRIENTY VE VODÁCH: - anorganické sloučeniny dusíku a fosforu Formy výskytu: Dusík: - amoniakální dusík (NH 4 + a NH 3 ) - organický dusík N ORG (-NH 2 ) - dusičnanový (NO 3- -N) a dusitanový (NO 2- -N) Fosfor: - orthofosforečnany (PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4- ) - organicky vázaný fosfor P ORG - polyfosforečnany PP (lineární, cyklické)

3 N NH N ORG = Kjldahlův dusík (TKN) N NH N NO N NO 2 - = N ANORG N ANORG + N ORG = N CELK orthop + PP + P ORG = P CELK

4 Degradace organických dusíkatých sloučenin Bílkoviny (-NH 2 ) hydrolýza proteázy aminokyseliny deaminační enzymy amoniakální dusík + organické látky nitrifikace ox/anox CO 2 + H 2 O anaerobie fermentace

5 Degradace organických a poly- sloučenin fosforu PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO organicky vázaný fosfor P ORG degradace hydrolýza - polyfosforečnany PP (lineární, cyklické)

6 Důvody pro odstraňování nutrientů 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 Střední hodnoty P-limitující Sladké vody 4,5 4,5 6 6 Mořské pobřeží

7 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

8 Biologické odstraňování dusíku - principy Nitrifikace oxidace amoniakálního dusíku na dusík dusitanový (nitritace) NH ,5 O 2 = NO H 2 O + 2H kj oxidace dusitanového dusíku na dusík dusičnanový (nitratace) NO ,5 O 2 = NO kj

9 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+ + NO 2 - = HNO 2 vysoce toxická, autoinhibice, nestabilní, jedním z produktů NO extrémně toxický inhibice zvenčí (allylthiomočovina org. sloučeniny S) Nitratace nižší spotřeba kyslíku mnohem stabilnější proces

10 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 O 2 /g NH 4+ 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)

11 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 O 2 (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 N 2, je označován jako denitrifikace.

12 Biologické odstraňování dusíku - principy Denitrifikace NO 3 -, NO 2 - anoxie N 2 6 NO CH 3 OH 3 N CO H 2 O + 6 OH -

13 Biologické odstraňování dusíku - principy Denitrifikace organotrofní anoxické/denitrifikační baktérie - zdroj energie i C organické látky - rychle rostoucí, cca % baktérií v AK - méně citlivé - 1 g NO 3- -N ~ 2,86 g O 2 - denitrifikace 1 g NO 3- -N ~ 8 g CHSK substrát lze i dotovat do systému - rychlosti denitrifikace 5 15 mg/(g.h) - částečné zvyšování alkality

14 Výhody zařazení denitrifikace do technologické linky ekologické důvody - odstranění dusíku stupeň odstranění N v systému s denitrifikací je v rozmezí % 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

15 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 %

16 Biologické odstraňování fosforu - principy Zvýšené biologické odstraňování fosforu poly-p (polyfosfát akumulující) baktérie schopné zvýšené akumulace fosforu do buněk při střídání anaer/ox podmínek obsah fosforu cca 9 10 %

17 Biologické odstraňování fosforu - principy Schéma přenosu energie mezi anaerobními a oxickými kultivačními podmínkami KULTIVAČNÍ PODMÍNKY ANAEROBNÍ FERMENTACE SRS (PP)n-1+Pi ENERGIE (OZL)n-1 OXICKÉ CO + H O 2 2 (PP)n + Pi ENERGIE SRS snadno rozložitelné substráty OZL organické zásobní látky PP buněčné polyfosforečnany P i orthofosforečnan (PP)n (OZL)n (PP)n+1 O 2

18 Biologické odstraňování fosforu - principy 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

19 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!!!

20 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku N - D dvoukalový systém substrát OX DN ANOX DN

21 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 Systémy biologického odstraňování nutrientů Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku D - N aktivační systémy s predenitrifikací IR P AS ANOX OX DN O VK PK

22 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku k dosažení běžně požadovaných účinností denitrifikace je nutno používat vysoké hodnoty recirkulačního poměru interní recirkulace (R int = 2-3), s čímž je spojena zvýšená spotřeba energie na čerpání s vysokými hodnotami R int 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

23 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Čtyřstupňový proces BARDENPHO IR P AS O ANOX OX ANOX OX DN VK PK

24 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku ALPHA system P2 P3 P P1 ANOX OX ANOX OX ANOX OX DN O VK PK

25 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Simultánní nitrifikace a denitrifikace KZ AS ANOX AR OAN OX OX AR ANOX DN O P VK PK Schéma oběhové aktivace s kontaktní zónou KZ kompartmentalizovaná, míchaná (neprovzdušňovaná) kontaktní zóna, OAN oběhová aktivační nádrž, AR aerační rotory

26 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Simultánní nitrifikace a denitrifikace Stratifikace idealizované vločky aktivovaného kalu exponované A) B) KULTIVAČNÍ PODMÍNKY AEROBNÍ ANOXICKÉ ANAEROBNÍ A) do prostředí s vysokou koncentrací substrátu B) do prostředí s nízkou koncentrací substrátu

27 Schéma aktivačního procesu R-D-N AKZ anoxická kontaktní zóna (kompartmentalizovaná), R regenerační zóna Systémy biologického odstraňování nutrientů Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Aktivační systémy s regenerací kalu AKZ IR P ANOX OX DN O R VK PK

28 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Aktivační systémy s regenerací kalu zajištění potřebného "aerobního" stáří aktivovaného kalu pro úplnou nitrifikaci při snížených nárocích na celkový objem systému (oproti D-N lince lze uvažovat s úsporou objemu až 20%) přítomnost regenerační zóny zvyšuje celkovou metabolickou aktivitu mikroorganismů aktivovaného kalu vedoucí k zvýšení specifických rychlostí 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 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

29 Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Bioaugmentace 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 Přítok Aktivační nádrž Odtok

30 Další možnosti intenzifikace Zvýšení stáří pomocí nosičů biomasy 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 zlepšení procesu nitrifikace nebo kultivace MO pro odstranění specifických polutantů

31 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

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

33 Další možnosti intenzifikace 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

34 Koncentrace (mg/l) Systémy biologického odstraňování nutrientů Aktivační systémy biologického odstraňování dusíku Automatická regulace D-N (proměnné doby trvání fází, při minimální době trvání) 13,0 12,0 11,0 NITRIF DENIT NITRIF DENIT NITRIF 10,0 9,0 8,0 Průběh N-NH4 Průběh N-NO3 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0-1,0 Čas (h) Systém s přerušovanou aerací

35 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

36 Alternativní způsoby odstraňování dusíku 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

37 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) za těchto podmínek je růstová rychlost nitritačních MO vyšší amoniakální dusík je oxidován jen na dusitany výhodou je nižší spotřeba kyslíku na oxidaci i substrátu na denitrifikaci nevýhodou je závislot na vysoké teplotě vhodné pro průmyslové OV

38 Alternativní způsoby odstraňování dusíku CANON kombinace nitritace a systému ANAMMOX aerobní nitritační bakterie oxidují amoniakální dusík na dusitany a spotřebovávají kyslík, čímž vytváří vhodné podmínky pro ANAMMOX bakterie vhodné pro menší zdroje dusíkatého znečištění

39 Alternativní způsoby odstraňování dusíku NO X 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:NH 4 + se pohybuje od 1:1 000 do 1:5 000 toxicita oxidů dusíku vůči některým mikroorganismům úspory organického substrátu i kyslíku

40 Aktivační systémy zvýšeného biologického odstraňování fosforu Systémy s odstraňováním fosforu mimo hlavní linku PhoStrip P AS UNP AKN VK VÁPNO SN DN O PK S CHK 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

41 Aktivační systémy zvýšeného biologického odstraňování fosforu Systémy s odstraňováním fosforu v hlavní lince A/O Process P AS AN OX DN O VK 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

42 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

43 Společné biologické odstraňování N a P (5-ti stupňový) BARDENPHO Process IR P AS AN ANOX 1 OX 1 ANOX 2 OX 2 DN 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

44 Společné biologické odstraňování N a P PHOREDOX Process, A2/O Process IR P AS AN ANOX OX DN O VK PK

45 UCT proces Systémy biologického odstraňování nutrientů Společné biologické odstraňování N a P IR2 IR1 P AN ANOX OX DN O VK PK

46 Společné biologické odstraňování N a P DEPHANOX AN UN1 N DN PA UN2 P O VK 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

47 Aktivace SBR (Sequencing Batch Reactor) ODP. VODA ODTAH A B C D E VZDUCH

48 Extenzivní způsoby čištění Kořenové čistírny Biologické rybníky

49 Extenzivní způsoby čištění přírodní, pomalé, prakticky neřiditelné procesy 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 pouze pro malé zdroje znečištění

50 Dimenzování aktivačních systémů biologického odstraňování nutrientů Znalost požadované kvality odtoku» volba technologické varianty Podrobné složení odpadní vody, zejména P CELK /BSK 5 (CHSK) a N CELK /BSK 5 (CHSK), odhad podílu snadno rozložitelného substrátu (SRS) Dimenzování založeno na požadavcích nitrifikace jako nejpomalejšího procesu Základním návrhovým parametrem stáří aktivovaného kalu (doba zdržení biomasy), volba závislá na teplotě, obvykle dní Na základě stáří aktivovaného kalu a zvolené X lze zjistit potřebné objemy, přičemž vzájemný poměr objemů závisí na složení odpadní vody

51 Dimenzování aktivačních systémů biologického odstraňování nutrientů Doporučeny jsou následující hodnoty doby kontaktu aktivační směsi: regenerace obvykle 2 hodiny anaerobní zóna 1 3 h podle P CELK /BSK 5 anoxická zóna, N CELK /BSK 5 0,2 alespoň 0,5 h anoxická zóna, N CELK /BSK 5 0,3 delší než 1 h oxická zóna 1,5 h (zatížení kalu redukovanými formami dusíku 0,06 g/(kg.d) Do výpočtu nitrifikovatelného množství dusíku nutno zahrnout i proud kalové vody ze zpracování přebytečného kalu

52 Chemické srážení fosforu srážecí činidla menší a střední ČOV samostatně větší ČOV kombinace s biologickým odstraňováním Srážedla: Vápno Ca(OH) 2 > hydroxylapatity Ca(OH)PO 4 lehký kal, těžko zahustitelný a odvodnitelný srážení PO 4 3- v kalových vodách Soli Fe 2+, Fe 3+, Al 3+ síran hlinitý, PAX nedochází k disociaci, účinnější síran železitý (40 % roztok) > hydratovaný Fe 2 O 3 > FePO 4 snadná manipulace, levnější redukce, možnost disociace

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

54 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

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

56 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

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

58