Biologické odstraňování nutrientů

Transkript

1 Biologické odstraňování nutrientů Martin Pivokonský 8. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. Tel.: pivo@ih.cas.cz

2 Nutrienty v odpadních vodách Dusík (N) specifická produkce 12 g N na 1 obyvatele za 1 den antropogenními zdroji jsou hlavně splašky, odpady ze zemědělství a splachy z půdy obdělávané pomocí dusíkatých hnojiv, některé průmyslové odpadní vody (potravinářství, tepelné zpracování uhlí ) Fosfor (P) specifická produkce 2-3 g P na 1 obyvatele za 1 den antropogenními zdroji jsou prací a čistící prostředky, živočišné odpady a některá hnojiva Eutrofizace růst obsahu minerálních živin (nutrientů), zejména sloučenin N a P, důsledkem je zvýšený rozvoj fotosyntetizujících organismů ovlivňujících jakost vody

3 Odstraňování N v aktivačních systémech z anorganických forem se ve splaškových vodách vyskytuje zejména dusík amoniakální, organický dusík pak zpravidla v redukovaném stavu N -III dusičnanový a dusitanový dusík se zpravidla nevyskytují ve významných koncentracích (vzhledem k mikrobiální redukci ve stokové síti) princip biologického odstraňování N: oxidace na dusičnany a následné snižování jejich koncentrace na požadovanou hodnotu podstatná část N je také využívána mikroorganismy pro syntézu biomasy (může obsahovat až 6-8 % N)

4 Amonifikace dusík vázaný v aminoskupině (-NH 2 ) organických látek bílkovinné povahy je hydrolýzou konvertován na amoniakální dusík prvním krokem je depolymerizace makromolekul bílkovin pomocí extracelulárních enzymů produkovaných mikroorganismy, vzniklé aminokyseliny jsou následně transportovány do buněk a dále degradovány kromě amoniakálního dusíku vznikají při amonifikaci různé typy uhlíkatých sloučenin (alkoholy, mastné kyseliny ) vznikající amoniakální dusík je následně dostupný pro nitrifikaci

5 Nitrifikace oxidace amoniakálního dusíku probíhající ve dvou stupních 1) 2) 2 NH O 2 2 NO H 2 O + 2 H + 2 NO O 2 2 NO 3 - při nitrifikaci mikroorganismy (chemolitotrofní nitrifikační bakterie) využívají energii produkovanou oxidací anorganických sloučenin nitrifikace probíhá při oxických podmínkách (kyslík jako akceptor elektronu) na 1. stupni se podílejí např. rody Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus na 2. stupni pak např. rody Nitrobacter, Nitrocystis nitrifikační bakterie jsou pomalu rostoucí (řádově menší rychlost než ostatní mikroorganismy aktivovaného kalu) a v aktivovaném kalu mívají nízké zastoupení (do 3 %)

6 Nitrifikace Faktory: zpravidla nutná vyšší doba zdržení biomasy (stáří aktivovaného kalu) obvykle nad dní koncentrace rozpuštěného kyslíku by neměla klesnout pod 1,5-2 mg.l -1 během nitrifikace hrozí nadměrný pokles ph (během první fáze jsou uvolňovány H + ionty) při ph pod 7,0-7,2 dochází ke zpomalení nitrifikace při ph pod 6,0-6,4 nitrifikace ustává optimální teplota pro čisté kultury je C (s klesající teplotou se snižuje rychlost nitrifikace) nitrifikační bakterie jsou citlivé na řadu anorganických i organických látek z anorganických např. těžké kovy, kyanidy, kyanatany, neiontové formy amoniaku z organických látek zejména ty, které obsahují v molekule síru a dusík (např. allylthiomočovina) škodlivé látky mohou vznikat i během vlastní nitrifikace - autoinhibice

7 Denitrifikace oxidované formy dusíku mohou být organismy využity asimilačně nebo disimilačně nitrátová asimilace redukce dusičnanového dusíku na amoniakální, který může být využit v anabolických procesech, a tak být inkorporován do nově vznikající biomasy nitrátová disimilace dusičnanový a dusitanový dusík je využíván jako konečný akceptor elektronů místo kyslíku, konečný produkt je určován druhem mikroorganismu a podmínkami reakce jako denitrifikace je označován proces, kdy je dusík redukován na N 0, který uniká z vodního prostředí jako plynný dusík N 2 denitrifikace probíhá za anoxických podmínek procesu denitrifikace je schopna většina organotrofních bakterií (např. rody Pseudomonas, Micrococcus, Denitrobacillus) 5 CH 3 OH + 6 NO 3-3 N H 2 O + 5 CO OH - 3 CH 3 OH + 6 NO 2-3 N H 2 O + 3 CO OH -

8 Denitrifikace Faktory: denitrifikace může částečně nebo zcela kompenzovat pokles ph způsobený nitrifikací může probíhat v širokém rozmezí ph od 6 do 9 není výrazně ovlivňována teplotou denitrifikační bakterie jsou oproti nitrifikačním obecně méně citlivé na podmínky okolního prostředí

9 Aktivační systémy s predenitrifikací aktivační směs přítok anoxická zóna oxická zóna dosazovací nádrž odtok interní recirkulace aktivační směsi vratný aktivovaný kal přebytečný aktivovaný kal mísení aktivovaného kalu s odpadní vodou za anoxických podmínek umožňuje využít organické látky z odpadní vody jako substrát pro denitrifikaci dusičnany vzniklé nitrifikací se vrací do denitrifikační zóny pomocí recirkulace někdy se využívají systémy s opakovaným zařazením anoxických a oxických zón

10 Aktivace s předřazenou denitrifikací a regenerací vratného aktivovaného kalu regenerační zóna zvyšuje metabolickou aktivitu mikroorganismů aktivovaného kalu zvyšování rychlosti je umožněno dosahovat potřebného stáří kalu pro úplnou nitrifikaci Aktivační systémy se simultánní nitrifikací a denitrifikací uspořádání aktivační nádrže umožňuje vznik anoxických zón (vyčerpáním kyslíku respirační aktivitou mikroorganismů) v oxickém reaktoru Bioaugmentace obohacování biocenózy nitrifikačními mikroorganismy kultivovanými v rámci ČOV kultivátor je součástí aktivačního systému, umístění např. v proudu vratného kalu nebo v regenerační nádrži

11 Odstraňování P v aktivačních systémech v odpadních vodách se vyskytují zejména orthofosforečnany, polyfosforečnany a organicky vázaný fosfor hydrolýzou polyfosforečnanů a degradací organických látek se však téměř veškerý fosfor transformuje na formu orthofosforečnanů část fosforu je při biologickém čištění vždy odstraněna inkorporací do nově syntetizované biomasy (obsah P v sušině kalu cca 2 %) bakterie schopné zvýšené akumulace fosforu do buněk ve formě polyfosfátů se nazývají poly-p bakterie (polyfosfátkumulující) např. rody Acinetobacter, Klebsiella, Moraxella pro navození zvýšené akumulace fosforu je nutné opakované střídání anaerobních a oxických kultivačních podmínek a přenos energie mezi těmito systémy (obsah P v sušině kalu pak může dosahovat až 9-10 %)

12 Odstraňování P v aktivačních systémech fermentativními procesy vznikají v anaerobních podmínkách nižší alkoholy nebo nižší mastné kyseliny, důležitá je přítomnost kyseliny octové poly-p bakterie si z těchto látek za anaerobních podmínek vytvářejí zásobní látku poly-β-hydroxymáselnou kyselinu PHB (potřebná energie je uvolňována depolymerizací buněčných polyfosforečnanů) po přechodu do oxických podmínek jsou zásobní látky oxidovány a přebytečná uvolněná energie je ukládána do buněčných polyfosforečnanů za oxických podmínek kumulují poly-p bakterie jak fosfor uvolněný za anaerobních podmínek, tak fosfor dodaný odpadní vodou fosfor je pak vázaný v přebytečném aktivovaném kalu, který je odebírán za oxických podmínek

13 Odstraňování P v aktivačních systémech může být odstraňování fosforu zařazeno jak v hlavní lince, tak mimo ni samostatně nebo v kombinaci s biologických odstraňováním lze také aplikovat chemické srážení fosforu za využití anorganických solí (železnatých, železitých nebo hlinitých, zpravidla se jedná o sírany nebo chloridy) chemické srážení fosforu lze provozovat jako: předřazené srážecí činidlo je dávkováno před usazovací nádrží, přičemž ale musí být vyloučena limitace fosforem při následném biologickém čištění simultánní srážecí činidlo je dávkováno do aktivační směsí před aktivační nádrží po precipitaci k chemickému srážení dochází za dosazovací nádrží, tedy po dokončení biologického čištění lze dosáhnout téměř nulových odtokových koncentrací P je nutný další separační stupeň investiční náklady