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