ODNOWA WODY. Wykład 10 USUWANIE FOSFORU ZE CIEKÓW PRZY UYCIU WYSOKOEFEKTYWNYCH METOD BIOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 ODNOWA WODY Wykład 10 USUWANIE FOSFORU ZE CIEKÓW PRZY UYCIU WYSOKOEFEKTYWNYCH METOD BIOLOGICZNYCH

2 Odnowa Wody - definicja Zespół jednostkowych procesów fizycznochemicznych oczyszczania cieków stosowany w celu wtórnego uycia wody (głównie w przemyle), lub ochrony zbiorników wodnych przed zanieczyszczeniem (głównie eutrofizacj). A. Kowal: Odnowa Wody, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1996.

3 Odnowa Wody - definicja Zespół jednostkowych procesów fizycznochemicznych oczyszczania cieków stosowany w celu przywrócenia wodzie właciwoci spełniajcych normy niezbdne dla jej ponownego uzycia A. Kowal: Odnowa Wody, Politechnika Wrocławska, Wrocław 1996.

4 4. Bardziej szczegółowo 4.1. Kinetyka mikrobiologiczna dx = dt x x stenie biomasy (gs.m.o./m 3 ) µ szybkoprzyrostu mikroorganizmów (1/d; g s.m.o./g s.m.o. doba)

5 dx = - Yds dx = dt x Y wydajno przyrostu mikroorganizmów z substratu (gs.m.o./gsubstratu) s stenie substratu npbzt,chzt,po4,o2 (gsubstratu/m 3 ) ds = dt - Y x µ szybko przyrostu mikroorganizmów x stenie biomasy < 0, s 1 > µ = f(s) s 1 s µ = const

6 1. Normatywne stenia zwizków azotu i fosforu w ciekach odprowadzanych do wód powierzchniowych 1.1. Wg Rozporzdzenia Ministra Ochrony rodowiska N (NH 4+ ) 6 mg/dm 3 N (NO 3- ) 30 mg/dm 3 N og (Σ) 30 mg/dm 3 P og (Σ) 1,5 mg/dm 3

7 2. Metody usuwania substancji biogenicznych 2.1. Metody fizykochemiczne a) zwizki fosforu strcanie chemiczne koagulacja procesy membranowe b) zwizki azotu usuwanie amoniaku / striping wymiana jonowa

8 2.2. Metody biologiczne a) osad czynny zawieszony (KOC) przytwierdzony(złoa) b) metody wyskoefektywne - nitryfikacja/denitryfikacja - defosfatacja

9 2.3. Stenia substancji biogenicznych w ciekach Nog Pog (mg/dm 3 ) cieki miejskie surowe m.s. po II st oczyszczania (o.cz.) po III st. ocz.(str.chem) 40 2(1,5) + filtr 30 0,3 + klinoptylolit 4 0,3.m.s. po wysoko- 12 1,2 efektywnych biologicznych metodach usuwania substancji biogenicznych

10 Efektywnoi koszt procesów jednostkowych w III stopniu oczyszczania cieków miejskich Proces jednostkowy cieki miejskie ciek B.O. Koagulacja CaO Filtracja Klinoptylolit (J) Adsorpcja Dezynfekcja (Cl 2 ) Odwrócona osmoza BZT 5 ChZT mtno P N ,5 1,5 0,5 0,0 0,0 Wskanik zanieczyszczenia(mg/l) ,5 0, ,5 0,1 0,1 0,1 0,1 0, ,5 Index coli Koszt zw.rozp. L/100m 3 gr/m

11

12

13

14

15

16 cieki oczyszczone 2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie ) cieki surowe O O.Cz. O K O F D BZT Nog 80 N NH Pog ,3

17 2.5. Schemat oczyszczania (metody wysokoefektywne) cieki surowe O W B U B O F D cieki oczyszczone BZT 5 Nog N NH 4 + Pog , ,3

18 Denitryfikacja Norg asymilacja asymilacja asymilacja amonifikacja NNH3 utlenianie N2 denitryfikacja NNO3 nitryfikacja NNO2 nitryfikacja(o2,mo ) denitryfikacja (O2, MO )

19 Usuwanie zwizków azotu - amonifikacja/nitryfikacja/denitryfikacja N org amonifik. NH + 4 nitryfikacja denitryfikacja utl. biolog. NO red. biolog. N = 98 % 3 = 85 % 2

20 6. Amonifikacja 7. Nitryfikacja 8. Schematy technologiczne

21 6. Amonifikacja - Przemiana azotu organicznego do amoniaku W warunkach beztlenowych: (C,H,N) NH 4 + lub tlenowych: C 10 H 19 O 3 N / 2 O 2 10 CO H 2 O + NH 3 -Szybko wiksza ni szybko nitryfikacji -Powoduje wzrost zasadowoci o 3,57 g CaCO3/ g N

22 7. Nitryfikacja Jest to utlenianie amoniaku do azotanów Podstawow rol odgrywaj tu bakterie z rodzaju Nitrosomonas (1-utlenianie amoniaku do azotynów),i Nitrobacter (2-utlenianie azotynów do azotanów). Reakcja 2. Jest znacznie szybsza od 1. ródłem wgla jest CO2 Nitrosomonas 1.NH 4 + 1,5O2 NO2 + 2H + H2O + (58-84) kcal Nitrobacter 2.NO2 +0,5O2 NO3 + (15-21)kcal Po przyjciu formuły C5H7NO2 dla biomasy nitryfikatorów, mona napisa nastpujce reakcje 1. 13NH4 + 15CO2 = 10NO2 + 3C5H7NO2 + 23H + H2O 2. NH4 + 5CO2 + 10NO2 + 2H2O = 10NO3 + C5H7NO2 + H Kwane wodory wytwarzane w reakcjach nitryfikacji reaguj z wodorowglanami zasadowoci: HCO3- + H = CO2 + H2O

23 Powysze reakcje zachodz z rón wydajnoci. W optymalnych warunkach powstaje: Nitrosomonas: 0,15 g smo/g NH4 (lub 0,0186mol Nitrosomonas/molNH4) Nitrobacter: 0,02 g smo/g NH4 (lub 0,0025mol Nitrobacter/ molnh4) Sumaryczna reakcja ma posta: NH4 +!,83O2 + 1,98HCO3 = 0,021C5H7NO2 + 1,041H2O + 0,98NO3 + 1,88H2CO3 Naley ponadto pamita o: - zuyciu zasadowoci (7,14 gcaco3/gnh4) - zuyciu tlenu (4,57g O2/gNH4) - wpływie okresowego braku tlenu na aktywno nitryfikatorów (nie stwierdzono) - kinetyce nitryfikacji (zaley od stenia dwóch substratów) N O2 µ = µmax x K1 + N K2 + O2

24 µmax = 0,47(e 0,098(t-15) )(1-0,833(7,2-pH)) t = <8-30> oc ph = <6-8,2> dla ph>7,2 µ nie zaley od ph

25 Denitryfikacja moe zachodzi z wykorzystaniem wewntrznych lub zewntzrnychródeł zwizków organicznych ródła wewntrzne (cieki komunalne) - rezkład zwizków organicznych 10 NO3 + C10H19O3N = 5N2 + 10CO2 + 3H2O + 10OH + NH3 - synteza biomasy heterotroficznej C 10 H 19 O 3 N + 1,5 NH 3 + 2,5 CO 2 = 2 1 / 2 C 5 H 7 NO H 2 O Zakładajc e Ymax = 0,25g smo/g ChZT, oraz m = 0, sumaryczna reakcja ma posta: C 10 H 19 O 3 N + 6,5NO3 = 0,875C 5 H 7 NO 2 + 3,25N2 + 3H2O + 6,5OH- + 5,625CO2 + 0,125NO3 ródła zewntrzne (np. metanol) NO3 + 1,08CH3OH + 0,24H2CO3 = 0,04C5H7NO2 + 0,48N2 + 1,23H2O + HCO3-

26 cieki oczyszczone 2.4. Schemat oczyszczania (II + III stopie ) cieki surowe O O.Cz. O K O F D BZT Nog 80 N NH Pog ,3

27 8. Schematy technologiczne

28 5.1. Nitryfikacja (N) Kn O Kn Komora napowietrzania O Osadnik

29 5.2. Wydzielona nitryfikacja (N) Kn O Kni O Kni Komora nitryfikacji

30 Denitryfikacja polega na desymilacyjnej redukcji azotu (+5) do azotu czsteczkowego (0) - jest uwarunkowana steniem tlenu rozpuszczonego - wikszo bakterii osadu czynnego jest zdolna do denitryfikacji(fakultatywne) ze wzgldu na wydzielanie enzymu- reduktaza azotanowa - celem denitryfikacji jest usunicie azotanów ( oraz materii organicznej ) - zachodzi w warunkach beztlenowych (reduktaza azotanowa jest inhibowana, przez tlen), ale nie redukcyjnych (zachodzi w warunkach anoksycznych)

31 Schemat osadu czynnego-denitryfikacja Roztwór Strefa tlenowa Strefa beztlenowa N 2 NO 2 NO 3 CO 2 NH 4 + O 2

32 5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)/denitryfikacja(D) W Kn O Kni O O A D NO3-N2 Z

33 Warunki konieczne dla denitryfikacji - w ciekach musz by obecne zwizki wgla i amoniak - ph winno mieci si w przedziale 6,5-7,5 - stenie tlenu rozpuszczonegpo w komorze denitryfikacji musi by mniejsze ni 0,5 mg/l - optymalna temperatura wynosi 20 oc Wydajno procesu zaley od stenia tlenu (%) D N 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 O2(mg/l)

34 5.2. Wydzielona nitryfikacja (N)/denitryfikacja(D) W Kn O Kni O Amonifikacja i nitryfikacja Denitryfikacja O A D NO3-N2 Z

35 3. Biologiczne usuwanie P og 3.1. Klasyczny osad czynny ω p = 2 % (s.m.o.) Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT 5

36 Biologiczne usuwanie fosforu Problem Do oczyszczalni dopływa 500 m3/d cieków o steniu BZT5 równym 300mgO2/l i seniu P równym 12mg/l. Z kadego kilograma BZT5 dopływajcego do oczyszczalni przyrasta 0,5 kg osadu nadmernego o steniu P równym 2,0%. Naley obliczy stenie P w ciekach po oczyszczeniu. Koncepcja: -okrelamy przyrost osadu nadmiernego/jed.obj.cieków -okrelamy zawartop w osadzie nadmiernym/jed.obj.ieków -obliczamy stenie kocowe Rozwizanie BZT5 = 300g/m3 Zawarto P w osadzie nadmiernym/jed.obj.cieków = 400gosadu nadmiernego/1000gbzt5 x 2gP/100g osadu nad. x 300gBZT5/m3 stenie kocowe P = 12g/m3-2,4g/m3 = 9,6g/m3

37 3. Biologiczne usuwanie P og 3.1. Klasyczny osad czynny ω p = 2 % (s.m.o.) Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT Bakterie akumulujce fosforany (BAP, Acinetobacter) ω p = 8 % (s.m.o.) Y = 0,4 kg s.m.o./kg BZT 5

38 Biologiczne usuwanie fosforu - metody wysokoefektywne Problem Do oczyszczalni dopływa 500 m3/d cieków o steniu BZT5 równum 300mgO2/l i seniu P równym 12mg/l. Z kadego kilograma BZT5 dopływajcego do oczyszczalni przyrasta 0,4 kg osadu nadmernego o steniu P równym 8,0 %. Naley obliczy stenie P w ciekach po oczyszczeniu. Koncepcja: -okrelamy przyrost osadu nadmiernego/jed.obj.cieków -okrelamy zawartop w osadzie nadmiernym/jed.obj.ieków -obliczamy stenie kocowe Rozwizanie BZT5 = 300g/m3 Zawarto P w osadzie nadmiernym/jed.obj.cieków = 300gosadu nadmiernego/1000gbzt5 x 8gP/100g osadu nad. x 300gBZT5/m3 stenie kocowe P = 12g/m3-9,6g/m3 = 2,4g/m3

39 3.3. Mechanizm biochemiczny BAP faza beztlenowa (uwalnianie fosforanów, obecnolabilnej substancji organicznej (LSO) faza tlenowa (kumulacja fosforanów)

40 Faza beztlenowa procesu Octan Octan CoA Acylo-CoA Oznaczenia (Pi)n=6-12 Ac-Acylo Pi ATP npi ADP +Pi (Pi)n I O = P = O I O I O = P = O I O CH3 - C=O Faza tlenowa procesu Octan ATP Acylo-CoA ADP ADP CH3 O OH I HO - P - OH I O I HO - P - OH I O Pi npi (Pi)n

41 4. Najprostszy schemat układu technologicznego do usuwania P K.b. K.t. O O.z. O.n.

42 4. Schemat układu technologicznego do usuwania P - polega na modyfikacji układu podstawowego K.b. O.z. K.t. O O.n.

43 CP PO4(Pr) CP = f(t) P z BZT5 5 t Schemat technologiczny K.b. O.z. ChS K.t. O 3 O F 1 2 O.n. Proces PhoStrip Usprawn.

44 4.2. Po usprawnieniach LSO Ow Kb Kt O F Oc R Oz Od On osadnik wstpny (Ow) filtr (F) odstojnik/uwalniacz (Od) reaktor (R) odstojnik chemiczny (Oc) LSO (lotne kwasy organiczne)

45 5. Typowe układy technologiczne nitryfikacja (N) wydzielona nitryfikacja (W) nitryfikacja / denitryfikacja (N,D) -II- jednoosadowa (N,D) symultaniczna (D,N) system A/O (P) system A2/O (P,N,D) SBR proces Phoredox (P,N,D) proces UCT (P,N,D)

46 5.1. Nitryfikacja (N) Kn O Kn Komora napowietrzania O Osadnik

47 V,Ce,Xa,N1e Qo,Co,N4o N2e,Zp N2o,Zo,Zio Kn Ce,Xa,N1e Ce,Xe,N1e,N2e N2e,(1+α)Qo,Zp Zp,Qo-Qn O Ce,Xr,N1e,N2e,Zp Ce,Xr,N1e,N2e,Zp Qr=αQo Qn Kn Komora napowietrzania O Osadnik

48 5.2. Wydzielona nitryfikacja (N) Ο Kn O Kni O Kni Komora nitryfikacji

49 5.3. Nitryfikacja / Denitryfikacja (N,D) w z Kn O Kni O Kd K O Kd komora denitryfikacji w wewntrzne z zewntrze

50 5.4. Denitryfikacja / Nitryfikacja (jednoosadowa D,N) Kd Kn O

51 5.5. Symultaniczna (D,N) Kt/b O Ktb komora tlenowa/beztlenowa

52

53 5.6. System A/O (P) Kb Kt O

54 5.7. System A2/O (N,P) Kb Kd Kt O

55 5.8 System UCT (N,P) Recyrkul.φ Recyrkul.β Kb Kd Kt O Recyrkulacja α

56

57

58 Zagadnienia - WMB; definicja i charakteystyka - denitryfikacja; reakcja, warunki, technologia - defosfatacja; mechanizm, technologia - Phostrip(?) - schematy technologiczne