ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΦΩΣΦΟΡΟΥ από υγρά βιομηχανικά απόβλητα

Transcript

1 ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗ ΦΩΣΦΟΡΟΥ από υγρά βιομηχανικά απόβλητα Βλυσίδης Απόστολος Καθηγητής ΕΜΠ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Έλεγχος Ευτροφισμού Έλεγχος θρεπτικών: C, N, P 3

4 Συμβάλει στον Ευτροφισμό Κατηγοριοποίηση των λιμνών Ολιγοτροφικές Μεσοτροφικές Αυξημένη περιεκτικότητα σε θρεπτικά Κρύες, Βαθιές, μικρή περιεκτικότητα σε θρεπτικά 4 Ευτροφικές Αβαθείς, Θερμές, Υψηλή περιεκτικότητα σε θρεπτικά

5 Άζωτο Απαραίτητο θρεπτικό Διατίθεται άφθονο στην φύση Πρακτικά δύσκολο να ελεγχθεί Έλεγχος Ευτροφισμού 5

6 Έλεγχος ευτροφισμού Φώσφορος Απαραίτητο θρεπτικό Δεν διατίθεται εύκολα στην φύση Ο έλεγχός του είναι πρακτικά εύκολος Ο κύκλος του φωσφόρου 6

7 Οργανικός Φώσφορος σύνθετες οργανικές ενώσεις διαλυτός ή σε στερεά μορφή αποσυντίθενται σε ορθοφωσφορικά Πολυφωσφορικά (συμπυκνωμένος φώσφορος) δεσμευμένα με άλλα μόρια διαλυτά οικιακά και βιομηχανικά απορρυπαντικά επεξεργασία πόσιμου νερού αποσυντίθενται σε ορθοφωσφορικά Ορθοφωσφορικά απλά φωσφορικά, PO 4 διαλυτά οικιακά απορρυπαντικά βιομηχανικά καθαριστικά φωσφορικό οξύ Μετατροπή των οργανικών και πολυφοσφορικών 7 Μορφές και πηγές φωσφόρου δεσμευμένα με άλλα μόρια διαλυτά οικιακά και βιομηχανικά απορρυπαντικά επεξεργασία πόσιμου νερού αποσυντίθενται σε ορθοφωσφορικά

8 Μετατροπή σε ορθοφωσφορικά Όρθο-Ρ Πολύ-Ρ Οργανικό Ρ Ορθο P P P Πρωτογενή καθίζηση Δεξαμενή αερισμού P Δευτερογενή καθίζηση 8 Απορριπτόμενη Βιολογική Λάσπη WAS

9 Αναγκαιότητα απομάκρυνσης φωσφόρου P P Επιτρεπόμενη απορριπτόμενη συγκέντρωση P 1 mg/l και χαμηλότερη P 5-15% Πρωτογενή καθίζηση Δεξαμενή αερισμού P Δευτερογενή καθίζηση Απορριπτόμενη Βιολογική Λάσπη WAS 100:5:1 (C:N:P) 9

10 Απομάκρυνση Ρ Η απομάκρυνση των Ορθο-P μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: 1. Χημική Καθίζηση 2. Αυξημένη Βιολογική Απορρόφηση (ΕΒPR Enhanced Biological Uptake 10

11 Χημική απομάκρυνση φωσφόρου Ορθοφωσφορικά (Διαλυτά) + Μεταλλικά άλατα (διαλυτά) σχηματίζουν Αδιάλυτες Φωσφορικές Ενώσεις 11

12 Χημική απομάκρυνση Φωσφόρου Ολικός Φώσφορος Οργανικός Φώσφορος Συμπυκνωμένος (Poly) Φωσφορικά Ορθοφωσφορικά Ορθο- Φωσφορικά Πρόσθεση Μεταλλικών Αλάτων 12

13 Χημική απομάκρυνση M +3 + PO 4-3 MPO 4 ( M +3 = Μέταλλο σε διάλυμα) ΚΑΘΙΖΗΣΗ Τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται είναι: Αργίλιο, Al Σίδηρος, Fe 13

14 Χημικά που χρησιμοποιούνται για την καθίζηση του Φωσφόρου Χλωριούχος Σίδηρος Χλωριούχος Υποσίδηρος Θειικό Αργίλιο 14

15 Τρισθενής σίδηρος- Fe +3 Fe +3 + PO 4-3 FePO 4 Αναλογία βάρους Fe +3 to P 1.8 : 1 FeCl 3 : P 5.2 : 1 15 Δόση έναρξης mg/l

16 ΕΝΩΣΕΙΣ ΑΡΓΥΛΙΟΥ Θειικό αργίλιο(alum) Al 2 (SO 4 ) 3. 14H 2 O Αργιλικό Νάτριο Na 2 Al 2 O 4 Χλωριούχο Αργίλιο AlCl 3 16

17 Δοσολογία Αργυλίου Al 2 (SO 4 ) 3 + 2PO 4-3 2AlPO 4 Αναλογία βάρους Al +3 : P 0.87 : 1 Θειικό αργύλιο/ρ 9.6 : 1 Δοσολογία έναρξης mg/l 17

18 8.0 Μοριακή αναλογία Al/P Επιθημητή προοπτική 0.2 έως 0.4 mg/l Al/P = 1.5 έως 2.0 Δευτερογενή καθίζηση Al/P = 1. 0 έως 1.2 Πρωτογενή καθίζηση Ρ ο Απόδοση χημικής καταβύθισης φωσφόρου Διαλυτός Ρ, mg/l Al 2 (SO 4 ) 3 + 2PO 4-3 2AlPO 4 (αναλογία βάρους Al +3 :P = 0.87:1) Fe +3 + PO 4-3 FePO 4 (αναλογία βάρους Fe +3 :P = 1.8:1) 18

19 Χημική απομάκρυνση Φωσφόρου εισαγωγή αποβλήτου - Οργανικός Φώσφορος - Πολυφωσφορικά - Ορθοφωσφορικά Πρωτογενή καθίζηση Ορθοφωσφορικά Βιολογική οξείδωση Πρόσθεση μεταλλικών αλάτων Δευτερογενή καθίζηση Πρόσθεση μεταλλικών αλάτων RAS αέρας WAS 19 απόρριψη λασπών

20 Απομάκρυνση Φωσφόρου Μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους: 1. Χημική Καθίζηση 2. Ενισχυμένη Βιολογική Απορρόφηση (EBPR) Συνήθως ονομάζεται απλά Βιολογική Απομάκρυνση Φωσφόρου 20

21 Βιολογική Απομάκρυνση Ρ Όλα τα βιολογικά συστήματα απομακρύνουν Ρ 100:5:1 C:N:P Μερικά όμως βιολογικά συστήματα μπορούν να απορροφήσουν περισσότερο Ρ Σε αυτές τις περιπτώσεις παρατηρήθηκε ότι τα MLSS ανακυκλοφορούσαν από αναερόβιες σε αερόβιες συνθήκες Διαπιστώθηκε πως μερικά βακτήρια αποθήκευαν ενέργεια υπο την μορφή πολυφωσφορικών 21 Acinetobacter & άλλα Ονομάστηκαν Phosphate Accumulating Organisms (PAO)

22 Αρχή βιολογικής δέσμευσης του φωσφόρου Ενισχυμένη Βιολογική Απορρόφηση (EBPR) αναερόβια αερόβια RAS WA S Σ υγκέντ ρωση BOD PO BOD 4 poly-p PHB Ορθοφωσφορικά Lux ury Uptak e PO 4 poly-p PHB Νέα κύτταρα Χρόνος 22

23 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Αναερόβιες συνθήκες Ετερότροφα βακτήρια διασπούν τις οργανικές ενώσεις Ζύμωση Πτητικά Λιπαρά Οξέα (VFAs) Οξικά (Οξικό οξύ) Επίσης Επιλογή των PAO - Phosphate Accumulating Organisms (Ικανά να εκτοπίσουν άλλα αερόβια βακτήρια που δεν έχουν την ικανότητα συσσώρευσης του Φωσφόρου) 23

24 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Αναερόβιες συνθήκες PAO Παραλαμβάνουν τα VFAs και τα μετατρέπουν σε Polyhydroxybutyrate (PHB) PAO είναι ικανά να αποθηκεύσουν διαλυτά οργανικά σαν Polyhydroxybutyrate (PHB) 24

25 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Αναερόβιες συνθήκες PAO είναι ικανά να αποθηκεύσουν διαλυτά οργανικά σαν Polyhydroxybutyrate (PHB) Τα PAO διασπούν τους πλούσιους σε ενέργεια δεσμούς των πολυφωσφορικών για να παραλάβουν την ενέργεια που χρειάζονται για την παραγωγή των PHB BOD επαμφοτερίζοντα βακτήρια PO 4 VFA Poly-P PHB βακτήρια PAO 25 Αναερόβιες συνθήκες Τα Ορθοφωσφορικά αυξάνονται στο διάλυμα

26 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Αερόβιες συνθήκες Γρήγορος μεταβολισμός της αποθηκευμένης τροφής (PHB) παράγοντας νέα κύτταρα Η διαδικασία αποθήκευσης PO 4 σαν πολυφωσφορικές ενώσεις ονομάζεται φαινόμενο Luxury ( Luxury Uptake ) PO 4 νέα βακτήρια PHB Poly-P Αερόβιες συνθήκες 26

27 εισαγωγή αποβλήτου Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Αερόβιες συνθήκες Τα PO 4 χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κυττάρων Η περίσσεια τους αποθηκεύεται ως Polyphosphate Με αυτόν τον τρόπο ο αποθηκευμένος Ρ ανέρχεται σε 5 με 7% P κατά βάρος της παραγόμενης βιομάζας (Κανονικά θα ήταν 1.5 με 2 %) Βιολογική οξείδωση Δευτερογενή καθίζηση αναερόβιες συνθήκες οξικές συνθήκες αέρας Απορριπτόμενη λάσπη μαζί με την περίσσεια Ρ RAS WAS 27

28 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Βακτήρια Συσσώρευσης Φωσφόρου (PAO) Αναερόβια Ζύμωση Παραγωγή οξικών Επιλογή μικροοργανισμών/pao P αύξηση για την παραγωγή ενέργειας Αερόβια Αποθήκευση τροφής Απορρόφηση περίσσειας Ρ Απόρριψη Ρ με την WAS 28

29 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Τα πιο συνηθισμένα χρησιμοποιούμενα συστήματα είναι: A/O Phostrip A 2 /O Sequencing Batch Reactor (SBR) 29

30 Ορισμοί Οξικό σύστημα Παρουσία ελεύθερου O 2 Ανοξικό σύστημα Δεν υπάρχει ελεύθερο O 2 (δεσμευμένο Ο2 Νιτρώδη NO 2 και Νιτρικά NO 3 ) Αναερόβιο σύστημα Απουσία O 2 30

31 Σύστημα Α/Ο εισαγωγή αποβλήτου Βιολογική οξείδωση Δευτερογενή καθίζηση αναερόβιες συνθήκες οξικές συνθήκες αέρας RAS WAS 31

32 Σύστημα Α 2 /Ο αναρροή νιτρικών CO 2 N 2 CO 2 εισαγωγή αποβλήτου Βιολογική οξείδωση Δευτερογενή καθίζηση Αναερόβιες συνθήκες Ανοξικές συνθήκες Οξικές συνθήκες αέρας RAS WAS 32

33 33 Sequencing Batch Reactor

34 Σπουδαίες προϋποθέσεις για την βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου Ικανοποιητική συγκέντρωση BOD στην τροφοδοσία ώστε να επιτευχθούν αναερόβιες συνθήκες: BOD:P 20:1 Ικανοποιητικός χρόνος παραμονής στις αναερόβιες συνθήκες (1-3 hrs). Μεγαλύτερος χρόνος θα επιτρέψει την έναρξη παραγωγής υδροθείου που είναι ανταγωνιστική της δημιουργίας ΡΗΒ. Ικανοποιητικός χρόνος παραμονής στις αερόβιες συνθήκες (4-5 hrs) ώστε να έχει ολοκληρωθεί η νιτροποίηση και η απομάκρυνση του BOD Η συγκέντρωση των SS στην έξοδο του βιολογικού να μην είναι μεγαλύτερη από 20 mg/l Να επιτυγχάνεται ικανοποιητική απονιτροποίηση ώστε να μην προστίθεται οξυγόνο στο αναερόβιο στάδιο μέσω των νιτρικών 34

35 Βιολογική απομάκρυνση Φωσφόρου Πλεονεκτήματα Δεν χρησιμοποιούνται χημικά πρόσθετα έτσι ώστε αποφεύγεται η παραγωγή χημικής λάσπης και ο εμπλουτισμός της εξόδου με μεταλλικά ιόντα Παρεμποδίζεται η δημιουργία νηματοειδών βακτηρίων και βελτιώνεται η καθιζησιμότητα της βιολογικής λάσπης Είναι φτηνότερη από την χημική απομάκρυνση 35

36 Σύστημα Phostrip απομάκρυνση ορθοφωσφορικών ως φωσφορικό ασβέστιο Πρωτογενή καθίζηση Δευτερογενή καθίζηση εισαγωγή αποβλήτου σύστημα A2/O ή σύστημα Α/Ο αέρας Λάσπη πλούσια σε Ρ πρωτογενής λάσπη RAS ασβέστης πηγή άνθρακα Αναερόβιος απογυμνωτής φωσφόρου WAS Λάσπη φτωχή σε Ρ 36 Φωσφορικό ασβέστιο

37 Σύστημα Phostrip απομάκρυνση ορθοφωσφορικών ως στρουμβίτης Πρωτογενή καθίζηση Δευτερογενή καθίζηση εισαγωγή αποβλήτου RAS σύστημα A2/O ή σύστημα Α/Ο αέρας Λάσπη πλούσια σε Ρ πρωτογενής λάσπη ΝaOH κρυσταλλωτής άλας μαγνησίου πηγή άνθρακα Αναερόβιος απογυμνωτής φωσφόρου στρουβίτης WAS Λάσπη φτωχή σε Ρ 37

38 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.