Procesy usuwania związków azotu i fosforu w sekwencyjnym reaktorze porcjowym z błoną biologiczną (SBBR)

Transkrypt

1 Artur Mielcarek 1, Joanna Rodziewicz 2, Karolina Kupczyk 3, Magdalena Rokicka Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie 4 Procesy usuwania związków azotu i fosforu w sekwencyjnym reaktorze porcjowym z błoną biologiczną (SBBR) Wprowadzenie Jednym z głównych celów oczyszczania ścieków komunalnych jest zmniejszenie ładunku azotu i fosforu wprowadzanego wraz z oczyszczonymi ściekami do odbiornika. Często są nim wody powierzchniowe, gdzie niedobór tych związków zazwyczaj ogranicza produkcję pierwotną. Wzrost ich ilości powoduje wzrost trofii, co często jest przyczyną zmniejszenia wartości ekologicznej i gospodarczej wód powierzchniowych. Jednoczesne usuwanie zarówno związków organicznych, azotu i fosforu jest możliwe w sekwencyjnych reaktorach porcjowych (SBR), gdzie mikroorganizmy są poddawane zmiennym warunkom beztlenowo-anoksyczno-tlenowym. W przeciwieństwie do konwencjonalnych układów z osadem czynnym w reaktorach typu SBR możliwe jest wykształcenie struktury mikroorganizmów, w której równocześnie występują nitryfikanty, denitryfikanty oraz bakterie kumulujące polifosforany. Mikroorganizmy zaangażowane w procesy oczyszczania mogą być zorganizowane w różne struktury przestrzenne, takie jak kłaczki osadu czynnego, granule czy błona biologiczna. Różny sposób zorganizowania zbiorowisk mikroorganizmów wpływa na warunki, w jakich przeprowadzane są procesy usuwania zanieczyszczeń. Rozwiązania oparte na błonie biologicznej wykorzystywane są przede wszystkim do usuwania związków organicznych i usuwania azotu amonowego. Jednym z najnowszych kierunków badań jest zastosowanie sekwencyjnych reaktorów porcjowych z błoną biologiczną (SBBR). Podyktowane jest to przewagą w niektórych przypadkach sekwencyjnych reaktorów porcjowych nad układami przepływowymi (elastyczność w odniesieniu do przepływu i obciążenia ładunkiem zanieczyszczeń), a reaktorów z biomasą osiadłą nad układami z osadem czynnym (większa odporność na zmiany dopływających ładunków zanieczyszczeń, odporność na obecność substancji toksycznych, niższe koszty eksploatacji, mniejsze zapotrzebowanie na powierzchnię). Dzięki zastosowaniu różnego rodzaju wypełnień stanowiących nośnik dla mikroorganizmów w reaktorach o okresowym cyklu pracy możliwe jest zintensyfikowanie procesów oczyszczania ścieków. Błona biologiczna jako matryca przemian związków azotu i fosforu Błona biologiczna to siedlisko mikroorganizmów o złożonej budowie przestrzennej, występujące na granicy faz ciało stałe - ciecz lub ciecz - powietrze. W systemach do oczyszczania ścieków wykorzystuje się zdolność osadzania mikroorganizmów na powierzchni ciał stałych w matrycy wytworzonych przez siebie polimerów tworzących sieć kanałów umożliwiających swobodną interakcję pomiędzy komórkami a substancjami zawartymi w ściekach, a także pomiędzy poszczególnymi skupiskami bakterii 1 Mgr inż. A. Mielcarek, doktorant, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. 2 Dr inż. J. Rodziewicz, asystent, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. 3 Mgr inż. K. Kupczyk, doktorant, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. 4 Mgr inż. M. Rokicka, doktorant, Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie, Wydział Nauk o Środowisku, Katedra Inżynierii Środowiska. 4683

2 zasiedlającymi błonę. Transport substancji w sieci kanałów odbywa się poprzez dyfuzję oraz konwekcję, natomiast w skupiskach mikroorganizmów jest zdeterminowany dyfuzją. Cała struktura przestrzenna błony biologicznej jest wynikiem oddziaływania czynników wewnętrznych i zewnętrznych, takich jak obciążenie ładunkiem zanieczyszczeń, obciążenie hydrauliczne, skład gatunkowy, intensywność mieszania i napowietrzania, skład dopływających ścieków [9]. Ponadto błona biologiczna wykazuje strukturę heterogeniczną, co oznacza występowanie różnic w gęstości biomasy [6]. Wewnętrzna sieć kanałów umożliwia wymianę produktów przemiany materii pomiędzy grupami bakterii, które są odpowiedzialne za różne procesy cząstkowe podczas przemian związków azotu i fosforu. Pozwala to na zachodzenie skróconych szlaków przemian tych związków, a także równoczesne przeprowadzanie procesów utleniania i redukcji w zależności od rozmieszczenia przestrzennego bakterii w profilu błony biologicznej. Budowa morfologiczna błony biologicznej umożliwia występowanie warunków tlenowo-beztlenowych w jej powierzchniowych warstwach, a także warunków anoksyczno-beztlenowych (ale nigdy tlenowych) w głębszych warstwach. Jest to podyktowane różną głębokością wnikania tlenu oraz jego zużywaniem przez mikroorganizmy. Gdy zapotrzebowanie na tlen jest wysokie, tylko frakcja komórek na powierzchni ma warunki tlenowe. Bakterie heterotroficzne z uwagi na wyższą szybkość wzrostu, stanowią zewnętrzną warstwę unieruchomionej biomasy, a bakterie autotroficzne wewnętrzne warstwy. Z tego powodu procesy utleniające w głębszych warstwach mogą mieć miejsce, gdy tlen nie jest zużywany w całości w warstwach heterotroficznych [10]. Pozwala to, przy odpowiedniej strategii pracy reaktora, na równoczesne zachodzenie wszystkich klasycznych procesów przemian azotu i fosforu tj. amonifikacji, autotroficznej nitryfikacji, hetreotroficznej denitryfikacji, defosfatacji biologicznej opartej na zmiennych warunkach tlenowo-beztlenowych i organizmach o zwiększonej wewnątrzkomórkowej kumulacji polifosforanów. Poza wymienionymi procesami warunki tlenowo-anoksyczno-beztlenowe występujące w profilu błony sprzyjają wykształceniu grup bakterii przeprowadzających procesy specyficzne jak denitryfikacja defosfatacyjna. Aktywność denitryfikacyjna bakterii o zwiększonym wewnątrzkomórkowym magazynowaniu fosforanów przejawia się wykorzystywaniem jako akceptorów elektronów oprócz tlenu również azotu azotanowego (III) i (V) [4]. Różna budowa błony biologicznej w stosunku do kłaczków osadu czynnego i występowanie specyficznych szlaków przemian azotu i fosforu może przyczynić się do zmniejszenia kosztów oczyszczania ścieków związanych m.in. z napowietrzaniem czy wprowadzaniem zewnętrznego źródła węgla organicznego w celu zapewnienia odpowiedniego stosunku C:N:P. Ponadto matryca zewnątrzkomórkowych polimerów stanowi dobry czynnik buforujący w odpowiedzi na zmieniające się warunki środowiska takie jak odczyn, obecność substancji toksycznych, różnice w ładunkach dopływających zanieczyszczeń [12]. Stanowi to istotną zaletę tego typu rozwiązań, które mogą obsługiwać obszary o znacznej nierównomierności dopływających ścieków m.in. na terenach wiejskich, czy oczyszczać ścieki przemysłowe zapewniając jednocześnie zintegrowane usuwanie związków węgla, azotu i fosforu. Sekwencyjny reaktor porcjowy z błoną biologiczną Sekwencyjne reaktory porcjowe z błoną biologiczną łączą zalety sekwencyjnych reaktorów porcjowych i biomasy w formie błony biologicznej. Jednym z kluczowych czynników wpływających na efekty oczyszczania ścieków jest zastosowane wypełnienie, zapewniające odpowiedni rozwój błony biologicznej i kontakt mikroorganizmów z dopływającymi zanieczyszczeniami. Powierzchnię dla wzrostu mikroorganizmów w sekwencyjnych reaktorach porcjowych z błoną biologiczną stanowią różne wypełnienia. W zależności od rodzaju i formy podłoża wprowadzonego do reaktora można wyróżnić reaktory ze złożem stałym, ruchomym lub okresowo zanurzonym. 4684

3 Rys. 1. Schemat reaktora SBBR z wypełnieniem w postaci tarcz Źródło: opracowanie własne Sprawność systemów SBBR zależy także od strategii pracy reaktora tj. częstotliwości występowania i czasu trwania faz beztlenowych, tlenowych, czasu zatrzymania ścieków, stopnia recyrkulacji ścieków, ilości biomasy. Jednym z rozwiązań reaktora z wypełnieniem ruchomym, jest zastosowanie pakietu całkowicie zanurzonych tarcz. Reaktor (SBBR) eksploatowany w skali laboratoryjnej w Katedrze Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie umożliwia całkowite zachodzenie procesu denitryfikacji, a także wykształcenie zbiorowisk mikroorganizmów o zwiększonej wewnątrzkomórkowej kumulacji polifosforanów. W skład reaktora wchodzi pakiet całkowicie zanurzonych 8 tarcz ze stali kwasoodpornej o średnicy 0,1 m i grubości m. Tarcze są zamontowane współosiowo, pod kątem 300 w stosunku do pionowej osi reaktora i obracane za pomocą silnika elektrycznego z prędkością 60 obr. min - 1. Odległość pomiędzy tarczami wynosi 20 mm (Rys. 1). Średnica wewnętrzna reaktora wynosi 0,14 m, wysokość 0,5 m. Komora reaktora wykonana jest z pleksiglasu (szkła akrylowego). Pojemność czynna wynosi 5 L. Stosunek powierzchni tarcz do objętości czynnej reaktora wynosi 25 m 2 m -3. Budowa reaktora umożliwia odprowadzanie całej objętości ścieków wraz ze złuszczoną błoną biologiczną po zakończonym cyklu oraz okresowe napowietrzanie i mieszanie ścieków. Brak fazy sedymentacji podyktowany jest odprowadzaniem całej biomasy nadmiernej wraz z oczyszczonymi ściekami. W reaktorze pozostaje jedynie biomasa w formie błony biologicznej przytwierdzonej do tarcz. SBBR umożliwia zastosowanie zewnętrznego źródła węgla organicznego, różnego stosunku powierzchni wypełnienia do objętości reaktora, zastosowanie różnych strategii mieszania i napowietrzania, a także prędkości obrotu tarcz. Rys. 2. Błona biologiczna na wypełnieniu w postaci tarcz w SBBR Źródło: opracowanie własne Błona biologiczna rozwijająca się na wypełnieniu charakteryzuje się grubością od 0,5 mm na krawędziach tarcz do 20 mm przy osi obrotu (Rys. 2). Ponadto wykazuje wyraźną warstwowość (jaśniejsza warstwa na powierzchni o grubości do 5 mm oraz ciemniejsza w głębszych warstwach Rys. 3). 4685

4 Budowa morfologiczna błony umożliwia występowanie gradientu stężenia tlenu (w powierzchniowych warstwach wyższe stężenie tlenu w porównaniu go głębszych warstw), a także zapewnia różny wiek mikroorganizmów (zewnętrzne warstwy najmłodsza błona ). Wiek biomasy uniezależniony jest od hydraulicznego czasu zatrzymania ścieków. Takie zróżnicowanie przestrzenne błony biologicznej może indukować występowanie symultanicznej nitryfikacji/denitryfikacji (SND) oraz biologicznej defosfatacji [2, 3, 5]. Możliwa jest również eliminacja azotu poprzez częściową nitryfikację do azotanów (III) (nitrytację) połączoną z beztlenowym utlenianiem amoniaku (proces Anammox) [1, 7, 8]. Ponadto różne warunki beztlenowo-tlenowe mogą wpływać na występowanie różnych poziomów indukcji aktywności denitryfikacyjnej u bakterii o zwiększonej wewnątrzkomórkowej kumulacji fosforanów i przyczyniać się do występowania denitryfikacji defosfatacyjnej [11]. Rys. 3. Profil błony biologicznej Źródło: opracowanie własne Dzięki buforującym właściwością polimerów zewnątrzkomórkowych możliwe jest zastosowanie zewnętrznego źródła węgla organicznego w postaci kwasów organicznych, czy ścieków przemysłowych o kwaśnym lub alkaicznym odczynie. Zmniejszenie lub wzrost odczynu podczas dozowania nie powoduje zniszczenia przestrzennej struktury zbiorowisk mikroorganizmów, a biologiczne procesy oczyszczania mogą być przeprowadzane przez mikroorganizmy. Podsumowanie Specyfika budowy morfologicznej błony biologicznej umożliwia zintensyfikowanie biologicznego oczyszczania ścieków poprzez zachodzenie zarówno klasycznych przemian azotu i fosforu, jak i zachodzenie skróconych szlaków przemian tych pierwiastków. Pozwala na równoczesne występowanie nitryfikantów, denitryfikantów i bakterii zaangażowanych w biologiczną defosfatację. Może również u tych ostatnich indukować aktywność denitryfikacyjną, co pozwala na zmniejszenie kosztów oczyszczania ścieków. Systemy SBBR zapewniają mniejszą objętość rektorów i zintegrowane usuwanie związków węgla, azotu i fosforu. Streszczenie W pracy przedstawiono zagadnienia związane z wykorzystaniem biomasy w postaci błony biologicznej w procesach denitryfikacji i biologicznej defosfatacji a także budowę i funkcjonowanie sekwencyjnego reaktora porcjowego z błoną biologiczną (SBBR). Specyfika budowy błony biologicznej daje możliwość występowania stref tlenowych, anoksycznych i beztlenowych w tym samym czasie i w tym samym reaktorze w zależności od profilu błony biologicznej. Stwarza to warunki do zachodzenia specyficznych procesów usuwania azotu i fosforu takich jak denitryfikacja defosfatacyjna. Słowa kluczowe: reaktor porcjowy z błoną biologiczną, denitryfikacja defosfatacyjna, biomasa, denitryfikacji, biologicznej defosfatacji 4686

5 Abstract NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL PROCESSES IN SEQUENCING BATCH BIOFILM REACTOR (SBBR) This manuscript describes issues linked with the use of biomass in the form of a biofilm in processes of denitrification and biological dephosphatation as well as presents the design and functioning of a sequencing batch reactor with biofilm. The specific structure of biofilm makes the occurrence of aerobic, anoxic and anaerobic zones possible in the same time in the same reactor depending on biofilm layer. It facilitates specific processes aimed at nitrogen and phosphorus removal, like denitrifying dephosphatation. Keywords: sequencing batch biofilm reactor, external carbon source, denitryfication, dephosphatation, denitrifying dephosphatation Literatura [1] Antileo C., Werner A., Ciudad G., Muñoz C., Bornhardt C., Jeison D., Urrutia H.: Novel operational strategy for partial nitrification to nitrite in a sequencing batch rotating disk reactor, Biochem. Eng. Journal., 2006, 32: [2] Arnz P., Arnold E., Wilderer P. A.: Enhanced biological phosphorus removal in semi full-scale SBBR, Wat. Sci. Tech., 2001, 43(3), [3] Gieseke A., Purkhold U., Wagner M., Amann R., Schramm A.: Community structure and activity dynamics of nitrifying bacteria in a phosphate-removing biofilm, Appl. Environ. Microbiol., 2001, 67: [4] Hu J., Ong S., Ng W., Lu F., Fan X.: A new method for characterizing denitrifying phosphorus removal bacteria by using three different types of electron acceptors, Water Research, 2003, 37 (14): [5] Li J., Peng Y., Gu G., Wei S.: Factors affecting simultaneous nitrification and denitryfication in an SBBR treating domestic wastewater, Front. Environ. Sci. Engin., 2007, 1(2): [6] Masuda S., Watanabe Y., Ishiguro I.: Biofilm properties and simultaneous nitrification and denitrification in aerobic rotating biological contactors, Water Sci. Technol, : [7] Pambrun V., Paul E., Sperandio M.: Treatment of nitrogen and phosphorus in highly concentrated effluent in SBR and SBBR processes, Water Sci Tech.,2004, 50(6): [8] Pastorelli G., Canziani R., Pedrazzi L., Rozzi A.: Phosphorus and nitrogen removal in moving-bed seguencing batch biofilm reactors, Wat. Sci. Tech., 1999, 40(4 5): [9] van Loosdrecht M. C. M., Eikelboom D., Gjaltema A., Mulder A., Tijhuis L., Heijnen J. J.: Biofilm structures, Water Sci. Technol., 1995, 32: [10] van Loosdrecht M. C. M., van Benthum W. A. J., Heijnen J. J.: Integration of nitrification and denitryfication in biofilm airlift suspension reactors, Water Sci. Technol., 2000, 41: [11] Wachtmeister A., Kuba T., Loosdrecht M., Heijnen J.: A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge, Water Research, 1997, 31 (3), [12] Wimpenny J.: An overview of biofilms as functional communitie, [w:] Allison D. G. i in., Community structure and co-operation in biofilms, Cambridge Univesity Press, Cambridge 2000,

6 Podziękowania Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/N/ST8/