BIOLOŠKI PROCESI ZA UKLANJANJE NUTRIJENATA

Transcript

1 Univerzitet u Novom Sadu Prirodno matematički fakultet Departman za hemiju, biohemiju izaštituživotnesredine Udruženje za unapređenjeđ zaštite ši životne sredine Novi Sad BIOLOŠKI PROCESI ZA UKLANJANJE NUTRIJENATA Dr Snežana Maletić, docent PMF a u Novom Sadu Novi Sad 2 5. septembar, 2014.

2 2

3 Vrste azotnih jedinjenja Azot u otpadnim vodama može postojati u četiri oblika: organski g azot (proteini, pp peptidi, aminokiseline, kreatin, mokraćna kiselina, itd.), amonijačni azot (NH 4 N); nitratni azot (NO 3 N), koga u pravilu ima veoma malo, i nitritni azot (NO 2 N) karakteristični za septične, odstajale, otpadne vode i anaerobno obrađene otpadne vode. 3

4 P U sirovoj otpadnoj vodi fosfor se javlja u obliku ortofosfata, polifosfata i fosfora vezanog u organskim jedinjenjima. Oko 10 % P je u nerastvorljivom obliku (uklanja u prethodnom taložniku. Deo P se ukloni prilikom biološkog prečišćavanja (ugrađuje se u biomasu). Fosfor se smatra glavnim uzročnikom eutrofikacije. Fosfor se mora ukloniti i u slučajevima kada je azot uklonjen u toj meri iz vode da postaje limitirajućifaktor rasta (svakivišakfosfora podstiče rast plavozelenih algi koje imaju sposobnost usvajanja azota direktno iz vazduha).

5 Koncentracija (mg N/l) Količina (kg/st/god)* Ukupni azot ,4 5,0 Organski azot ,7 1,0 Amonijak/amonijum jon ,7 4,0 *kg/st/god kilograma po stanovniku godišnje Prečišćavanje Efikasnost, %** Primarno 5 10 Sekundarno Sekundarno sa nitrifikacijom *Tipične vrednosti **U odnosu na sirovu otpadnu vodu 5

6 Biološki Fizčko hemijski Nitrifikacija Denitrifikacija Izdvajanje gasovitog NH 3 (striping) oksidacija NH 3 sa hlorom Hemijski Dodavanjem soli metala ili kreča Biološki Ugradnja u ćelije bakterija 6

7 Kriterijumi biološkog uklanjanja nutrijenata Vreme zadržavanja u anoksičnoj i anaerobnoj zoni, F/M odnos, HRT, Koncentracija volatilnih suspendovanih materija u bioreaktoru (MLVSS), Interna recirkulacija i povratni aktivni mulj, BPK ibhpkinfluenta, Nivo kiseonika, Alkalitet, ph i temperatura,

8 Srednje vreme zadržavanja meri prosečnu dužinu vremena (u danima) koliko se mikroorganizmi (mulj) održava u sistemu: MCRT prekratko biološki sistem neće imati dovoljno bakterija da degradira i ukloni polutante loš kvalitet efluenta. Potrebno srednje vreme zadržavanja zavisi od konstituenata otpadnih voda i brzine rasta mikroorganizama koji je konzumiraju.

9 Odnos unešenog BPK influenta i heterotrofne biomase (F/M) meri količinu BPK influenta koja je dostupna u aktivnom mulju (MLVSS) u aeracionom bazenu: zona može biti konfigurisana da podstakne rast nefilamentoznih organizama. Ili zona može biti konfigurisana dapodstakne dtk rast Ai Acinetobacter tb t organizama.

10 o Karakteristike otpadnih voda. o Jedna odključnih karakteristika je količina inertne TSS u influentu biološkog tretmana (itss 2INF ). o Visoka koncentracija inertne TSS ćepovećati procenat nebiodegradabilnih čvrstih materijau MLSS bićepotrebnob duže MCRT. o Recirkulacioni tokovi. BNR mogu da imaju više povratnih tokova, koji mogu biti interni (MLR). o Brzina recirkulacije aktivnog mulja je obično 30 do 100% protoka influenta. o Odnosi pumpanja MLRmogubiti 100do400% protokainfluenta influenta, o Oni takođemogudase prenose iz aerobne (MLR OX ) ili iz anoksične zone (MLR AX ). o Izvor MLR i zona koja ga prima često pravi razliku jednog BNR procesa od drugog.

11 Alkalitet i ph. potrebna kontrola ph ili dodatak zbog podešavanja alkaliteta. Niži alkalitet ne snižava samo ph, nego može ograničiti i rast nitrifikujućih organizama tokom nitrifikacije jer nemaju dovoljno neorganskog ugljenika. Hidrauličko vreme zadržavanja (HRT) potrebno za održavanje BNR zavisi od veličine reaktora, što zauzvrat zavisi od MCRT neophodnog za rast. Kada je veličina reaktora poznata, onda se HRT može naći deljenjem zapremine reaktora (V) i protoka sekundarnog influenta (Q 2INF ):

12 Osnovne reakcije Organski N NH 3 N Uklanjanje azota u tretmanu otpadnih voda Organski C Hidroliza Gas N 2 Bez O 2 Nitrifikacija +O 2 Nitrosomonas NO 2 N Nitriti 2 Nitrifikacija +O 2 Nitrobacter NO 3 N Nitrati NITRIFIKACIJA NIT DENITRIFIKACIJA DEN Potrebno Potrebno O 2 (aeracija) NO 3 N NH 3 N NemaO 2 OrganskiC(BPK) U biorektoru U anoksičnom biorekatoru 12

13 Nitrifikacija Najveći deo azota se u otpadnim vodama nalazi kao amonijačni azot. Nitrifikacione bakterije (Nitrosomonas i Nitrobacter) prisutne u normalnoj mikroflori i vode oksiduju amonijačni č i u nitratni t i azot: 2NH 4+ N+3 O 2 2NO 2 + 2H 2 O + 4H + (Nitrosomonas) 2 NO 2 + O 2 2 NO 3 N (Nitrobacter) NH 4+ N+ 2O 2 NO 3 N+2H + + H 2 O H + reaguje sa alkalnošću iz vode sledećom reakcijom 2H + + 2HCO 3 2CO 2 + 2H 2 O (Nitrifikujući organizmi) Tokom aerobnog prečišćavanja otpadnih voda odvija se i nitrifikacija u određenom obimu. Kod aerobnih postupaka prečišćavanja u pravilu je odnos BPK 5 /TKN visok tako da je udeo nitrifikacionih bakterija i efekat nitrifikacije mali. Smanjivanjem vrednosii odnosa BPK 5 /TKN aerobni proces prečišćavanja može se prevesti u kombinovani proces prečišćavanja i nitrifikacije.

14 Prevođenje postupaka prečišćavanja sa suspendovanom mikroflorom u kombinovani postupak prečišćavanja i nitrifikacije postiže se povećavanjem starosti mulja i pojačavanjem aeracije. Za nitrifikaciju se troši ukupno 4,2 mg O 2 /mg NH 4+ N. MCRT od 6 do 9 dana za proizvodnju do 02 0,2 mg VSS po 10 1,0 mg uklonjenog amonijaka Brzina rasta biomase (μ) se izračunava na sledeći način: μ= količinanaraslih bakterija u danu / količinaprisutnih bakterija 14

15 Denitrifikaija Nitratredukujuće bakterije, fakultativno anaerobni heterotrofi, u anoksičnim uslovima koriste kiseonik iz nitrata za oksidaciju organske materije,. Nitrati se redukuju, u prvom stepenu do nitrita, a u drugom stepenu do oksida azota (NO 2, NO) ili do gasovitog azota (N 2 ) koji je i najzastupljeniji produkt denitrifikikacije. ifikik ij NO 3 N (NO 2 N)+ izvor ugljenika + fakultativne bakterije + H+ N 2 + CO 2 + H 2 O + nove bkt bakterijske ijk ćelije MCRT od 2 do 4 dana da proizvedu 0,5 mg VSS po 1,0 mg uklonjenog BPK, ova faza oezbeđuje3,57 kg CaCO3/kg NO3 NN Brzina po kojoj denitrifikujući organizmi uklanjaju nitrat je specifična brzina denitrifikacije :

16 Poseban stepen u posebnomreaktoru, i Denitrifikacija se može izvesti kao: Kao postupak kombinovan sa aerobnom oksidacijom (sekundarno prečišćavanje) j) i nitrifikacijom. Prilikom denitrifikacije izvor organskog ugljenika potreban za metabolizam i rast ćelija mikroflore obezbeđuje se: dodavanjem metanola (CH 3 OH), ili korištenjem postojećeg organskogzagađenja, i organskog ugljenika koji dospeva u vodu usled endogene respiracije aktivnog mulja. 16

17 Kada je denitrifikacija izvedena kao poseban stepen, koristi se spoljašnji izvor organskog ugljenika, obično metanol 6NO3 + 5CH3OH bakterije 5CO2 + 3N2 + 7H2O + 6OH Performanse postupaka su prilagođene kinetici procesa denitrifikacije. Kako se gasoviti azot nastao denitrifikacijom obično nakuplja na flokule otežavajući taloženje aktivnog mulja u sekundarnom taložniku, to se između reaktora i taložnika postavlja ili kratak kanal sa aeraciojom ili poseban pufer tank sa kratkotrajnom aeracijom (30 do 60 sekundi) 17

18 Uklanjanje azota u tretmanu otpadnih voda Svi biološki tretmani uklanjanja azota moraju imati aerobnu zonu gde se dešava biološka nitrifikacija. Takođe u procesu mora da postoji i anoksična zona gde dolazi do denitrifikacije. Postoje dva tipa procesa za biološko uklanjanje azota: Jednostepeni postupak sa aktivnim muljem Dvostepeni postupak sa aktivnim muljem.

19 Jednostepeni postupak sa aktivnim muljem jedan taložnik se koristi za odvajanje čvrstih materija uglavnom sekundarni taložnik. Reaktor u kome se nalazi mulj može biti podeljen u dve zone: anoksičnu i aerobnu, a smeša se pumpa iz jedne u drugu.

20 Denitrifikacija nakon aerobne oksidacije i nitrifikacije, (Wuhrmann) aeracija Dodavanje izvora ugljika (Metanol) Q NIT (Biološki reaktor) DEN NT Q mešanje Recirkulacija mulja Nakon BR (biološkog reaktora) potrošen je najveći deo rastvorenih jedinjenja, pa je potrebno dodati spoljni izvor ugljenika za potrebe heterotrofnih bakterija koje obavljaju denitrifikaciju (najčešće metanol) 20

21 Denitrifikacija pre aerobne oksidacije (Ludzak Ettinger, 1962.g.) mešanje aeracija DEN NIT (Biološki rektor) Recirkulacija mulja NO 3 NT Nitrat je sadržan u povratnom mulju i efikasnost denitrifikacije zavisi odveličini recirkulacije 21

22 Modifikovan Ludzak Ettinger ov postupak (MLE) mešanje aeracija Q DEN NIT (Biološki reaktor) NT N tot 10 mg/l NO 3 Recirkulacija mulja Interna recirkulacija iz biološkog reaktora doprinosi većom opterećenju nitratima. Zbog relativno male koncentracije nitrata u MLSS, veličina interne recirkulacije je od 2 4 Q 22

23 Bardenpho 4 fazni postupak Recirkulacija nitrata aeracija Q DEN NIT DEN NT Q mešanje aeracija mešanje Recirkulacija mulja 23

24 Postupak sa stepenastim dodavanjem d otpadne vode Preanoksične zone se takođe koriste kod postupnog snabdevanja BNR procesa. Mogući ć podeoni procentualni tok influenta za 4 faze bi mogao biti npr. 15:35:30:20. Finalni protok u poslednju anoksično/aerobnu zonu je kritičan jer nitrati proizvedeni u toj fazi neće biti redukovani i definisaće koncentraciju nitratnog azotau efluentu. Koncentracija bi trebalo da bude niža od 8 mg/l

25 SBR reaktor SBR sistemi takođe mogu da koriste preanoksičnu denitrifikaciju koristeći organske materije influenta. Mš Mešanjem se poboljšava kontakt kt influenta otpadne vode sa aktivnim muljem. Zatim se vrši aeracija, uvođenjem vazduha, taloženje i dekantovanje. Ovim tretmanom je moguće ostvariti koncentraciju nitratnog azota < 5 mg/l.

26 Oksidacioni kanali U i ti d i di j i d ži kid i k l kič U zavisnosti od aeracionog dizajna i dužine oksidacionog kanala, anoksične zone mogu biti kreirane u oksidacionom kanalu da bi se postiglo biološko uklanjanje azota u jednom reaktoru

27 Nitrox TM procesi Oksidacioni kanal se menja od aerobnog do anoksičnog isključivanjem aeracije i uključivanjem j miksera za mešanje. Proces se kontroliše merenjem oksidaciono redukcionog potencijala (ORP) da bi (1) odredili kada se smanjila količina nitrata u anoksičnoj operaciji i (2) restartovala aeracija. Kada se količina nitrata smanji u periodu bez aeracije, ORP značajno opada. Na određenoj vrednosti ORP automatski se pokreće aeracija.

28 Simultana nitrifikacija denitrifikacija efluent aeracija četkama NIT DEN influent DEN NIT supstrat O 2 CO 2 NH+ NO Aerobna zona Anoksična zona N 2 NŌ NO 3

29 Dvostepeni proces: nitrifikacija denitrifikacija, (postupak p sa dva mulja) j) aeracijaj Nitrifikacijoni taložnik Dodavanje izvora C Q NIT NT DEN NT Q aeracija Recirkulacija mulja Recirkulacija mulja 29

30 Membranski Bioreaktori Membranski bioreaktori (MBRs) kombinuju aktivni mulj i membranske filtracione sisteme. Semipermeabilne membrane se koriste obično za ultra filtraciju ili mikrofiltraciju. MCRT je tipično 20 dana ili više da minimizira začepljenje membrane. Konfiguracija sistema i oprema zavise od proizvođača: instalirane membrane direktno u aeracionom bazenu, instalirane membrane u rezervoaru van aeracionog bazena.

31 Drugi procesi za uklanjanje azota Laguneg Procesi sa biofilmom, imobilisanom mikroflorom Integrisani procesi sa Integrisani procesi sa imobilisanom mikroflorom u proces sa aktivnim muljem

32 Biološko uklanjanje fosfora PO 4 3- Fakultativne ti bakterije Energija Acinetobacter spp. Substrat Acetate plus (Sporo rastuće fermentatacioni bakterije za produkti PHB Poly-P uklanjanje j Anaerobno fosfora) Aerobno Energy PHB BPK + O 2 PO 4 3- Poly-P + polihidroksibutirat (PHB) CO 2 +H 2 O Nova biomasa

33 Poboljšanje procesa biološkog uklanjanja fosfora f Razdvajanje j procesa u dva koraka u kojima nakon anaerobnog okruženja sledi aerobno. U selektoru anaerobnog dela, Acinetobacter organizmi oslobađaju fosfor, čime se dobija energiju za razgradnju lako biorazgradivih organskih materija. Ova sposobnost omogućava Acinetobacter organizama da postanu dominantni.

34 Phoredox (A/O) )postupak p U ovim pro cesima nema nitrifikacije i anaerobno vreme zadržavanja je 30 min do 1 h, da bi se obezbedili odabrani uslovi za biološko uklanjanje fosfora. SRT za aerobnu zonu je 2 do 5 dana, što zavisi od temperature. A/O proces se obično ne koristi u postrojenjima za prečišćavanje gde je potrebno zajedno ukloniti i azot i fosfor, jer su drugi procesi za zajedničko uklanjanje efikasniji

35 PhoStrip procesi uklanjanja fosfora Anaerobni uslovi se postižu držanjem RAS dovoljno dugo u gra vitacionom taložniku sa vremenom zadržavanja od 8 do 12 h. Oslobođeni fosfor se ispira, obično dodatkom primarnog efluenta ili sirove otpadne vode, koja takođe poboljšava anaerobne uslove

36 A 2 O postupak p

37 Za otpadne vode koje imaju malo rastvoreni BPK UCT postupak θ c = dana Q 2-4Q MLSS 3-4kg/m 3 Q θ = 1-2h θ = 2-4h 0,8-1Q θ = 4-12h 1-3Q 37

38 VIP proces U VIP procesu, sve faze su organizovane da sadrže najmanje dva reaktora sa potpunim mešanjem u serijama. Povratni aktivni mulj se ispušta na ulazu u anoksičnu zonu zajedno sa nitrifikovanim povratnim tokom iz aerobne zone. Sadržaj reaktora iz anoksične zone se vraća do glavnog kraja anaerobne zone.

39 Johannesburg proces Modifikovani UCT proces za smanjenje uvođenja nitrata u anaerobnu zonu, za slabo opterećene vode. Povratni aktivni mulj se usmerava ka anoksičnoj zoni koja ima dovoljno vreme zadržavanja za smanjenje nitrata pre njenog odvođenja u anaerobnu zonu. Redukcija nitrata je vođena endogenom respiracijom smeše aktivnog mulja i otpadne vode, a anoksično vreme zadržavanja zavisi od koncentracije zagađujućih materija u otpadnoj vodi, temperature i koncentracije nitrata u povratnom toku mulja.

40 Modifikovani Bardenpho (5 ofazni) proces Petofazni sistem omogućuje anaerobne, anoksične i aerobne faze za uklanjanje fosfora, azota i ugljenika. Druga anoksična faza obezbeđuje dodatnu denitrifikaciju korišćenjem nitrata, proizvedenim u aerobnoj fazi, kao elektron akceptora, a endogenog organskog ugljenika kao elektron donora. Finalna aerobna faza se korisiti da ukloni rezidualni gas azot iz rastvora i da smanji oslobađanje fosfora u finalnom taložniku. 40 Petostepeni proces koristi duže SRT (10 do 20 dana)

41 SBR sa biološkim uklanjanjem fosforaf Anaerobni reakcioni period može da se postigne tokom i nakon perioda punjenja SBRa. Anoksični operacioni period se koristi nakon što protekne dovoljno aerobno vreme za nitrifikaciju fk i produkciju nitrata

42

43 Hvala na pažnji