NOWE KIERUNKI ROZWOJU TECHNOLOGII USUWANIA AZOTU W KOMUNALNYCH OCZYSZCZALNIACH ŚCIEKÓW

Transkrypt

1 NOWE KIERUNKI ROZWOJU TECHNOLOGII USUWANIA AZOTU W KOMUNALNYCH OCZYSZCZALNIACH ŚCIEKÓW Jacek Mąkinia Politechnika Gdańska Wydział InŜynierii Lądowej i Środowiska Udział w gremiach międzynarodowych zajmujących się tematyką usuwania azotu członek komitetu zarządzającego grupy specjalistycznej stowarzyszenia IWA (International Water Association) Nutrient Removal and Recovery członek grupy roboczej Niemieckiego Stowarzyszenia Wodnego (DWA, dawniej ATV) KA 6.10 Innovative technologies in biological wastewter treatment (od 2008 r.), przewodniczący prof. K.H. Rosenwinkel, Leibniz University of Hanover członek grupy roboczej WEF/WERF (Water Environment Federation/ Water Environment Research Foundation) w USA nt. azotu organicznego rozpuszczonego (od 2008 r.), przewodniczący prof. H.D. Stensel, University of Washington w Seattle Działalność grupy specjalistycznej IWA Tematyka konferencji Nutrient Recovery and Management 2011, 912 stycznia 2011 r., Miami (USA) 1

2 Zmienne decyzyjne w procesie osadu czynnego beztlen. 1 naprz. tlenowa Recyrkulacja wewn. Objętość komór/stosunek objętości stref w komorach Modyfikacja jakości/ładunku dopływających ścieków Wprowadzenie systemu stopniowego obciąŝania (tzw. stepfeed) Sposób napowietrzania Stopień recyrkulacji wewnętrznych Stopień recyrkulacji osadu Wiek osadu Dodanie zewnętrznego źródła węgla Kierunki rozwoju technologii usuwania azotu Modyfikacje istniejących układów wielofazowych Oczyszczanie wód poosadowych (odcieków) W linii recyrkulacji osadu (hodowla bakterii nitryfikacyjnych) Wydzielone (jednostopniowe i dwustopniowe) Nitryfikacja Nitrytacja NH 4 O 2 NO 2 Nitratacja NO 2 O 2 NO 3 Denitryfikacja NO 3 C org N 2 Nitrytacja NH 4 O 2 NO 2 Denitrytacja NO 2 C org N 2 Beztlenowe utlenianie azotu amonowego NH 4 NO 2 N 2 2 H 2 O Zalety częściowej nitryfikacji (NH 4 N NO 2 N) 25% niŝsze zuŝycie tlenu w części tlenowej; Zapotrzebowanie na donor elektronów jest niŝsze (do 40%) w części anoksycznej; Szybkości denitryfikacji z NO 2 N są 1,52 razy wyŝsze w porównaniu do NO 3 N; Redukcja emisji CO 2 o 20%; NiŜsza produkcja osadu o 3355% (nitryfikacja) i 55% (denitryfikacja) Rosenwinkel i wsp (2007, Vienna) 2

3 Modyfikacje istniejących układów wielofazowych (1) Układ z wydzieloną nitryfikacją (A 2 N, DEPHANOX ) Przepływ cieczy nadosadowej Odcieki z przeróbki osadu nitryfikacji beztlenowa pośredni Przepływ osadu anoksyczna odmierny Modyfikacje istniejących układów wielofazowych (2) Zmienne decyzyjne w procesie osadu czynnego beztlen. 1 naprz. tlenowa Recyrkulacja wewn. Odcieki z procesów przeróbki osadu 12% Q 1030% ładunku N 3

4 Wielkość obiektów do oczyszczania wód poosadowych przykład Van Loosdrecht (2008) Wpływ wód poosadowych na efektywność usuwania N w oczyszczalni Kappala (Szwecja) Sundin (2007) Wpływ oczyszczania wód poosadowych na efektywność usuwania N w ciągu głównym Phillips i Kobylinski (2007, Baltimore) 4

5 Gospodarka odciekami z procesów przeróbki osadu moŝliwe strategie Niekontrolowane odprowadzanie odcieków do głównego ciągu oczyszczania ścieków (brak strategii!) Kontrolowane odprowadzanie odcieków do głównego ciągu oczyszczania ścieków w czasie dopływu kanalizacją najniŝszych ładunków azotu Hodowla bakterii nitryfikacyjnych w linii recyrkulacji osadu z osadnika wtórnego Oczyszczanie odcieków z przeróbki osadu metodami biologicznymi Oczyszczanie odcieków z przeróbki osadu zagadnienia eksploatacyjne Wysokie stęŝenia zawiesin w dopływie (w zakresie g/m 3 ) Wytrącanie struwitu Zapewnienie odpowiedniej zasadowości ze źródeł zewnętrznych (największy składnik kosztów eksploatacyjnych!) Efektywność napowietrzania Konfiguracja reaktora (preferowane zbiorniki o pełnym wymieszaniu) Pienienie WEF (2005) Klasyfikacja układów usuwania azotu z wód poosadowych (przygotowana dla DWA) Primary clarifiers Mainstream BIOREACTOR Secondary clarifiers Anox. Anaer. Anoxic Aerobic MLR RAS Reject water 100% RAS WAS Sidestream PROCESSES part of RAS Insitu bioaugmentation (BAR process) Insitu bioaugmentation & N removal (ScanDeni process) Insitu bioaugmentation (BABE process) External bioaugmentation (InNitri process) Insitu bioaugmentation & N removal ( cascade Nitr Denitr process) N removal 1stage vs. 2stage suspended growth vs. biofilm SBR vs. continuousflow reactor processes (conventional nitrdenitr, partial denitr Anammox) 5

6 Oczyszczanie wód poosadowych w linii recyrkulacji osadu (1) kaskadowa ALFA beztlen. tlenowa tlenowa tlenowa tlen. Odcieki z przeróbki osadu Wanner i wsp. (2007, Vienna) Efektywność usuwania N w oczyszczalni ścieków w Usti nad Łabą Parker i Wanner (2007, Baltimore) Oczyszczanie wód poosadowych w linii recyrkulacji osadu (2) Proces ScanDeNi beztlenowa anoksyczna tlenowa Recyrkulacja wewnętrzna tlen. Zewnętrzne źródło węgla Odcieki z przeróbki osadu Rosenwinkel i wsp (2007, Vienna) Oczyszczalnia Vesteras (Szwecja): zmniejszenie pojemności bioreaktora o 2535% przy tym samym WO 6

7 Oczyszczanie wód poosadowych w linii recyrkulacji osadu (3) Proces BABE Komory tlenowe Reaktor BABE Odcieki Van Loosdrecht i Salem (2005, BNR) Oczyszczanie wód poosadowych w układzie BABE (cd.) napowietrzania (6 420 m 3 ) Proces BABE Tlen. 650 m 3 Anoks. 650 m 3 Odcieki z procesów przeróbki osadu Źródło: Salem i wsp. (2004) Oczyszczanie wód poosadowych w układzie BABE (cd.) lokalizacja procesu BABE w oczyszczani Garmerwolde (Holandia) Reaktor BABE KOS 1a KOS 1b i wtórne 1/3 odcieków i wstępne 2/3 odcieków KOS 2a KOS 2b i wtórne Prasy filtracyjne i wstępne do odwodnienia KOS 3a KOS 3b i wtórne Źródło: Salem i wsp. (2004) 7

8 Oczyszczanie wód poosadowych w układzie BABE (cd.) wyniki pracy reaktora BABE w oczyszczalni Garmerwolde (Holandia) Parametr Jednostka Wartość Reaktor BABE Sucha masa osadu g/m Sucha masa osadu (cz. org.) g/m Temperatura o C 23 z reaktora BABE NH4N g N/m 3 86 NO3N g N/m 3 61 NO2N g N/m 3 25 N całkowity ogólny g N/m ChZT g O2/m Efektywność nitryfikacji % 75 Efektywność usuwania N % 66 Wody poosadowe: N og (Kj) = 522 g N/m 3 ChZT = 630 g O 2 /m 3 ChZT filt. = 540 g O 2 /m 3 Źródło: Salem i wsp. (2004) Wyniki pracy oczyszczalni Garmerwolde (Holandia) Parametr : Jednostka Ciąg z reaktorem BABE Ciąg bez odcieków Ciąg z odciekami g N/m 3 g N/m 3 g N/m 3 Qdop. m 3 /d NKj g N/m NO3N g N/m 3 7,3 0,5 0,9 Reaktor: Szybkość mg N/(g smo h) 4,3 2,7 3,6 nitryfikacji : NH4N g N/m 3 5,2 9,9 13,3 NO3N g N/m 3 19,2 8,1 15,5 NO2N g N/m 3 1,5 2,4 2,2 Ncałk. g N/m 3 25,9 20,4 31 Źródło: Salem i wsp. (2004) Oczyszczanie wód poosadowych w linii recyrkulacji osadu (4) kaskadowa z oczyszczaniem odcieków tlenowa tlenowa tlenowa tlenowa tlen. Metanol Zasadowość tlen. Odcieki z przeróbki osadu Phillips i Kobylinski (2007, Baltimore) 8

9 Wydzielone oczyszczanie wód poosadowych (5) Proces InNitri Komory tlenowe Reaktor InNitri Odcieki Zasadowość UmoŜliwia zmniejszenie tlenowego WO w ciągu głównym o 50% Phillips i Kobylinski (2007, Baltimore) Nowe metody usuwania azotu 1a. Częściowa nitryfikacja (np. proces PANDA) NH 4 Częściowa NO 2 (100%) nitryfikacja (100%) Denitryfikacja N 2 (100%) Mniejszy stopień napowietrzania, mniejsze zuŝycie ChZT Źródło: Salem i wsp. (2004) Wydzielone oczyszczanie wód poosadowych (1) Proces PANDA Zewnętrzne źródło węgla Recyrkulacja (odcieki o wysokiej zawartości azotu) tlenowa anoksyczna Rosenwinkel i wsp. (2007, Vienna) 9

10 Efektywność procesu PANDA w oczyszczalni ścieków RhedaWiedenbruck (Niemcy) Wielkość oczyszczalni RLM (w tym RLM z rzeźni) Ładunek N z procesów przeróbki osadu kg N/d NH 4N NO 3N NO 2N g N/m 3 g N/m 3 g N/m N DN1 1,5 9,4 N DN2 1,8 0,4 Rosenwinkel i wsp. (2007, Vienna) Nowe metody usuwania azotu (cd.) 1b. Częściowa nitryfikacja (SHARON) NH NH 4 /NO 4 2 SHARON (100%) (50/50%) ANAMMOX SHARON Singlereactor Highactivitely Ammonia Removal Over Nitrite Wykorzystanie róŝnicy szybkości przyrostu bakterii utleniających azot amonowy i azotyny w odpowiednio wysokich temperaturach (> 26 o C) lub przy niskich stęŝeniach tlenu (<0,4 go 2 /m 3 ) Czas zatrzymania w reaktorze ok. 1 d dłuŝszy niŝ odwrotność szybkości przyrostu bakterii utleniających azot amonowy, krótszy niŝ odwrotność szybkości przyrostu bakterii utleniających azotyny Nowe metody usuwania azotu (cd.) 1b. Częściowa nitryfikacja (SHARON) (cd.) Proces odpowiedni dla ścieków o wysokiej temperaturze, zawierających wysokie stęŝenia azotu amonowego (np. odcieki z przeróbki osadu) ObciąŜenie objętości reaktora ładunkiem azotu amonowego zaleŝy od stęŝenia azotu amonowego w dopływie (przy stałym czasie zatrzymania w reaktorze) Proces moŝe być połączony z denitryfikacją (wyłączanie napowietrzania i dozowanie metanolu) 10

11 Praktyczne zastosowanie procesu SHARON w oczyszczalniach ścieków Oczyszczalnia Wielkość RLM Ładunek N kg N/d Rok uruchomienia Utrecht Rotterdam Zwolle Bevervijk Garmerwolde Haga Nowy York w budowie Źródło: van Loosdrech i Salem (2005) Nowe metody usuwania azotu (cd.) 2. ANAMMOX NH NO HCO H 1.02 N NO CH2O0.5N H2O NH N 2 /NO 4 /NO 2 3 ANAMMOX (50/50%) (90/10%) Denitryfikacja azotynów z azotem amonowym jako donorem elektronów Do procesu potrzebna jest mieszanina azotu amonowego i azotynów (uzyskanie takiej mieszaniny jest moŝliwe w procesie SHARON) Nowe metody usuwania azotu (cd.) 2. ANAMMOX Proces moŝe przebiegać przy wysokich obciąŝeniach objętości reaktora (>15 kg N/(m 3 *d)), jednak proces nie moŝe być przeciąŝony, poniewaŝ następuje jego zahamowanie przy wysokich stęŝeniach azotynów (70180 g N/m 3 ) Proces zachodzi skutecznie w róŝnego rodzaju reaktorach (złoŝa biologiczne, złoŝa fluidalne, SBR) Podstawową wadą procesu jest długi czas rozruchu ( d) z uwagi na bardzo niską szybkość przyrostu bakterii Anammox odpowiedzialnych za proces. Rozruch przyspiesza zaszczepianie nowych reaktorów bakteriami z istniejących instalacji. 11

12 Nowe metody usuwania azotu (cd.) 3. CANON/OLAND/DEAMONIFIKACJA NH4 N2/NO 3 CANON (100%) (90/10%) Canon ( Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite ) Proces stanowi połączenie częściowej nitryfikacji i Anammox (azot amonowy jest utleniany do azotynów. ZuŜycie tlenu powoduje powstanie warunków anoksycznych, których wymaga proces Anammox. Nowe metody usuwania azotu (cd.) 3. CANON/OLAND/DEAMONIFIKACJA ObciąŜenie objętości reaktora: 23 kg N/(m3*d) PoniewaŜ proces wymaga tylko jednego zbiornika, jest uzasadniony ekonomicznie przy niskich ładunkach azotu amonowego Podstawową wadą procesu jest brak doświadczeń w skali pilotowej i technicznej. Jednak zaobserwowano, Ŝe proces ten zachodził samoistnie w komorach nitryfikacji w skali technicznej SBR do usuwania azotu z wód poosadowych (częściowa nitryfikacja Anammox) Zurich 12

13 Macierz decyzyjna wspomagająca wybór procesu oczyszczania wód poosadowych Aspekt SHARON SHARON/ ANAMMOX CANON Koszty inwestycyjne 0 Koszty eksploatacyjne MoŜliwość zwiększenia obciąŝenia Wpływ na jakość odpływu ZrównowaŜenie ( sustainability ) 0 Łatwość rozbudowy = 5, = 4, 0 = 3, = 2, = 1 (Max. 5 punktów) BABE 0 0 Źródło: van Loosdrecht i Salem (2005) 13