Metody biotechnologii w ochronie środowiska
Usuwanie azotu ze ścieków
Metody biotechnologii w ochronie środowiska
Usuwanie azotu ze ścieków
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Przemiany związków azotu
amonifikacja
azot organiczny
azotany NO
3
¯
azotyny NO
2
¯
azot amonowy NH
4
+
azot gazowy
N
2
azot organiczny
(komórki bakteryjne)
O
2
zasadowość
O
2
węgiel organiczny
zasadowość
hydroliza
asymilacja
Liza i autooksydacja
nitryfikacja
denitryfikacja
Nitrification[1].jpg
Metody biotechnologii w ochronie środowiska
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Noce[1].jpg
Nitrosococcus oceani ATCC19707
© 2005 M.G. Klotz, Univ. of Louisville
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
AMONIFIKACJA
3
4
y
heterotrof
org
NH
/
NH
N
+
→
3
2
2
2
3
19
10
NH
O
H
8
CO
10
O
5
,
12
N
O
H
C
+
+
→
+
3
4
2
2
2
3
19
10
HCO
NH
O
H
7
CO
9
O
5
,
12
N
O
H
C
+
+
→
+
wzrost zasadowości
3,57 g CaCO
3
/g N
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NITRYFIKACJA
2
2
O
3
y
nitratator
2
O
y
nitritator
4
NO
NO
NH
−
−
+
→
→
nitritatory
(AOB, ang. ammonia-oxidizing
bacteria)
I faza nitryfikacji
nitratatory
(NOB, ang. nitrite-oxidizing
bacteria)
II faza nitryfikacji
Nitrosomonas sp.
Nitrobacter sp.
Nitrosococcus sp.
Nitrospira sp.
Nitrosospira sp.
Nitrospina sp.
Nitrosolobulus sp.
Nitrococcus sp.
Nitrosovibrio sp.
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NITRYFIKACJA
I faza
II faza
zużycie zasadowości
7,14 g CaCO
3
/g N-NH
4
+
NO
O
0,5
NO
3
2
2
→
+
−
−
+
→
+
NO
O
5
,
1
NH
+
O
H
H
2
2
2
2
4
−
+
+
Uwalniana energia ~ 270 kJ/mol NH
4
+
Uwalniana energia ~ 80 kJ/mol NO
2
¯
sumarycznie:
NH
4
+
+ 2 O
2
NO
3
¯
+ H
2
O + 2H
+
+ 350kJ
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
wzrost komórek
O
H
19
N
O
H
C
3
CO
H
8
NO
10
HCO
23
NH
13
2
2
7
5
3
2
2
3
4
+
+
+
→
+
−
−
+
O
H
3
N
O
H
C
NO
10
HCO
CO
H
4
NO
10
NH
2
2
7
5
3
3
3
2
2
4
+
+
→
+
+
+
−
−
−
+
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NitrificationET[1].jpg
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Kinetyka nitryfikacji
O
K
O
N
K
N
O
N
max
N
+
⋅
+
⋅
µ
=
µ
-
maksymalna szybkość wzrostu nitryfikatorów
μ
Nmax
N, O
- stężenie azotu amonowego i tlenu rozpuszczonego
K
N
, K
O
- stałe saturacji dla azotu amonowego i tlenu
rozpuszczonego
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Typowe współczynniki kinetyczne dla procesu nitryfikacji
(czyste kultury bakteryjne)
współczynnik
jednostka
wartość
zakres
typowe
Nitrosomonas
K
S
µ
m
NH
4
+
- N, mg/l
0.2
÷
2.0
0.6
d
-1
0.3
÷
2.0
0.7
Nitrobacter
K
S
µ
m
NO
2
¯
- N, mg/l
0.2
÷
5.0
1.4
d
-1
0.4
÷
3.0
1.0
ogólnie
µ
m
k
d
K
S
Y
d
-1
0.3
÷
3.0
1.0
d
-1
0.03
÷
0.06
0.05
NH
4
+
- N, mg/l
0.2
÷
5.0
1.4
mg smo/g NH
4
+
- N
0.1
÷
0.3
0.2
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Czynniki wpływające na przebieg nitryfikacji
stężenie substratu
stężenie tlenu rozpuszczonego
odczyn
temperatura
substancje toksyczne
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Wpływ wolnego amoniaku i wolnego kwasu azotowego III na przebieg i
zakres nitryfikacji
strefa 1
strefa 2
strefa 4
strefa 3
FA
150mg/L
FA
10mg/L
FA
1.0mg/L
FA
0.1mg/L
FNA
0.2mg/L
FNA
2.8mg/L
10
10
2
10
3
10
4
10
4
10
3
10
2
10
w
ol
ny
a
m
on
ia
k
, m
g/
l
w
ol
n
y
kw
as
a
zo
to
w
y
II
I
mg/L
mg/L
4
5
6
7
8
9
odczyn
strefa 1
:
Inhibicja
Nitrosomonas i
Nitrobacter przez wolny
amoniak NH
3
(FA)
strefa 2:
inhibicja
Nitrobacter przez
wolny amoniakNH
3
(FA)
strefa 3:
pełna
nitryfikacja
strefa 4:
inhibicja
Nitrobacter poprzez
wolny kwas azotowy III
- HNO
2
(FNA)
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NH
4
+
+ OH¯
NH
3
+ H
2
O
NH
3
(mg/L) =
17
14
×
NH
4
-N (mg/L)
×
10
pH
K
b
/K
w
+ 10
pH
K
b
/K
w
= e
(6344/273 + °C)
K
b
/K
w
– stałe jonizacji odpowiednio dla amoniaku i wody,
zależne od temperatury
NO
2
¯ + H
+
HNO
2
NO
2
-N (mg/L)
HNO
2
(mg/L) =
46
14
×
K
a
+ 10
pH
K
a
= e
(-2300/273 + °C)
K
a
– stała jonizacji kwasu azotowego III, zależna od temperatury
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
ASYMILACJA ZWIĄZKÓW AZOTU
W warunkach tlenowych, w obecności amoniaku:
→
+
+
+
2
4
O
NH
organiczny
substrat
+
+
+
+
→
H
O
H
CO
organizmy
nowe
2
2
W warunkach tlenowych, pod nieobecność amoniaku:
NO
3
¯
+5
NO
2
¯
+3
NO
+2
NOH
+1
NH
2
OH
-1
NH
4
+
-3
→
+
+
−
2
3
O
NO
organiczny
substrat
+
+
+
→
−
OH
O
H
CO
organizmy
nowe
2
2
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NH
4
+
NO
2
¯
NO
3
¯
0
1
2
3
4
5
6
7
0
50
100
150
200
Wiek osadu, dni
S
tę
że
n
ie
a
zo
tu
, m
g/
L
Wpływ wieku
osadu na
efektywność
nitryfikacji
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
BOD
5
/TKN ratio
Nitrifier
fraction
BOD
5
/TKN ratio
Nitrifier
fraction
0.5
0.35
5
0.054
1
0.21
6
0.043
2
0.12
7
0.037
3
0.083
8
0.033
4
0.064
9
0.029
Udział nitryfikatorów w osadzie czynnym w
zależności od składu ścieków surowych
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
DENITRYFIKACJA
NO
3
¯
+5
NO
2
¯
+3
NO
+2
N
2
O
+1
N
2
0
2
2
2
3
3
CO
33
,
0
O
H
67
,
0
NO
OH
CH
33
,
0
NO
+
+
→
+
−
−
−
−
+
+
+
→
+
OH
CO
5
,
0
O
H
5
,
0
N
5
,
0
OH
CH
5
,
0
NO
2
2
2
3
2
Najczęściej wykorzystywanym organicznym substratem
zewnętrznym są: ścieki browarnicze, octan, etanol,
metanol, ścieki.
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Kinetyka denitryfikacji
r
S
=
µ
m
Y
·
S
NO3
S
NO3
+K
S,NO3
·
S
S+K
S
· X
Bakterie biorące udział w
denitryfikacji:
Arthrobacter
Bacillus
Clostridium
Flavobacterium
Nocardia
Pseudomonas
Rhodopseudomonas
Spirillum
Thiobacillus
Vibrio
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Stałe szybkości reakcji podczas denitryfikacji w 20 °C
Parametr
symbol
jednostka
wartość
Maksymalna szybkość
wzrostu
µ
max
d
-1
3
÷
6
Maksymalna szybkość
wzrostu na metanolu
µ
max
d
-1
5
÷
10
Stała saturacji dla azotanów
K
S,NO3
g N/m
3
0.2
÷
0.5
Stała saturacji dla metanolu
K
S,MeOH
g ChZT/m
3
5
÷
10
Stała saturacji dla zw.
organicznych
K
S,ChZT
g ChZT/m
3
10
÷
20
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Szybkość denitryfikacji w zależności od wykorzystywanego przez
bakterie źródła węgla
0
5
10
15
20
25
30
0.1
temperatura, °C
1
10
100
Szybkość denitryfikacji, (g NO3-N/kg smo · h)
r
S(NO3)
metanol lub
octan
ścieki
endogenne
źródło węgla
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Zależność denitryfikacji od odczynu środowiska
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
pH
w
zg
lę
d
n
a
ak
ty
w
n
oś
ć
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Schematy technologiczne systemów usuwania azotu
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
A
Zewnętrzne źródło węgla org
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
Zewnętrzne źródło węgla org
A
C CO
2
N NO
3
N
O
3
N
2
zatapiane złoże
biologiczne
Zewnętrzne źródło
węgla org
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
A
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
A
C CO
2
N NO
3
N
O
3
N
2
zatapiane złoże
biologiczne
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
A
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2
A
C
org
C CO
2
N NO
3
NO
3
N
2