Biologické odstraňování nutrientů Martin Pivokonský, Jana Načeradská 8. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.
Nutrienty v odpadních vodách Dusík (N) specifická produkce 12 g N na 1 obyvatele za 1 den 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 prací a čistící prostředky, živočišné odpady, hnojiva Eutrofizace růst obsahu N a P - zvýšený rozvoj fotosyntetizujících organismů
Odstraňování N v aktivačních systémech anorganický - amoniakální, organický v redukovaném stavu N -III dusičnanový a dusitanový dusík málo (mikrobiální redukce ve stokové síti) biologické odstraňování N: amonifikace z org. Látek nitrifikace - denitrifikace podstatná část N je využívána mikroorganismy pro syntézu biomasy (může obsahovat až 6-8 % N)
Amonifikace dusík vázaný v aminoskupině (-NH 2 ) organických látek (bílkoviny) je hydrolýzou konvertován na amoniakální dusík depolymerizace makromolekul bílkovin pomocí extracelulárních enzymů produkovaných mikroorganismy, vzniklé aminokyseliny jsou transportovány do buněk a dále degradovány vznikají různé typy uhlíkatých sloučenin (alkoholy, mastné kyseliny ) amoniakální dusík je následně dostupný pro nitrifikaci
Nitrifikace oxidace amoniakálního dusíku probíhající ve dvou stupních 1) 2) 2 NH 3 + 3 O 2 2 NO 2 - + 2 H 2 O + 2 H + 2 NO 2 - + O 2 2 NO 3 - při nitrifikaci mikroorganismy (chemolitotrofní nitrifikační bakterie) využívají energii produkovanou oxidací anorganických sloučenin 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 %)
Faktory: zpravidla nutná vyšší doba zdržení biomasy (stáří aktivovaného kalu) obvykle nad 10-13 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 28-32 C (s klesající teplotou se snižuje rychlost nitrifikace) nitrifikační bakterie jsou citlivé na řadu anorganických i organických látek těžké kovy, kyanidy, kyanatany, neiontové formy amoniaku organické látky, které obsahují síru a dusík (např. allylthiomočovina) škodlivé látky mohou vznikat i během nitrifikace - autoinhibice
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 (zelené rostliny) nitrátová disimilace dusičnanový a dusitanový dusík je využíván jako konečný akceptor elektronů místo kyslíku, konečný produkt je určován druhem mikroorganismu a podmínkami reakce denitrifikace - dusík redukován na N 0, který uniká z vodního prostředí jako plynný dusík N 2 za anoxických podmínek většina organotrofních bakterií (např. rody Pseudomonas, Micrococcus, Denitrobacillus) 5 CH 3 OH + 6 NO 3-3 N 2 + 7 H 2 O + 5 CO 2 + 6 OH - 3 CH 3 OH + 6 NO 2-3 N 2 + 3 H 2 O + 3 CO 2 + 6 OH -
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
Aktivační systémy s predenitrifikací aktivační směs přítok anoxická zóna oxická zóna dosazovací nádrž odtok interní recirkulace aktivační směsi vratný aktivovaný kal přebytečný aktivovaný kal dusičnany vzniklé nitrifikací se vrací do denitrifikační zóny pomocí recirkulace někdy se využívají systémy s opakovaným zařazením anoxických a oxických zón
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
Odstraňování P v aktivačních systémech v OV se vyskytují zejména orthofosforečnany, polyfosforečnany a organicky vázaný fosfor většina se trasnformuje na orthofosforečnany - hydrolýzou polyfosforečnanů a degradací organických látek část fosforu 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 např. rody Acinetobacter, Klebsiella, Moraxella pro navození zvýšené akumulace fosforu je nutné opakované střídání anaerobních a oxických kultivačních podmínek (obsah P v sušině kalu pak může dosahovat až 9-10 %)
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
Chemické srážení fosforu pomocí Al 3+ a Fe 3+ solí předřazené srážecí činidlo dávkováno před aktivační nádrží, přičemž ale musí být vyloučena limitace fosforem při následném biologickém čištění simultánní srážecí činidlo je dávkováno do aktivační směsí před aktivační nádrží (nejčastější) oddělené - terciární za dosazovací nádrží (po dokončení biologického čištění ) lze dosáhnout téměř nulových odtokových koncentrací P je nutný další separační stupeň investiční náklady (míchaní + separace sedimentací, případně filtrací) H3PO4 + Fe(OH)3 = FePO4 + 3H2O