Biologiczne usuwanie

azotu mineralnego ze

ścieków

Wydział Energetyki i Paliw

Kraków 27 III 2009r.

Krzysztof Pastuszka

Plan prezentacji:

1. Azot – wiadomości wstępne
2. Hodowla glonów
3. Metoda nitryfikacji i

denitryfikacji

4. Metoda SHARON
5. Metoda ANAMMOX
6. Metoda SHARON-ANAMMOX
7. Metoda CANON

Azot – wiadomości ogólne

•

Pierwiastek V grupy głównej układu

okresowego

•

Niemetal

•

Podstawowy składnik powietrza

•

Czwarty pierwiastek pod względem

występowania w organizmach żywych

•

Jego najważniejsze związki to amoniak,

kwasy azotowe, azotany, aminy i

aminokwasy, kwasy nukleinowe

Wpływ azotu na środowisko:

•

W postaci azotanów łatwo przyswajany
przez rośliny,

•

Wchodzi w skład wielu biocząstek
(aminokwasy, kwasy nukleinowe),

•

Limituje wzrost roślin i mikroorganizmów
heterotroficznych,

•

Nadmiar w wodzie powoduję eutrofizację
zbiorników wodnych, dlatego konieczne
jest oczyszczanie ścieków, szczególnie
pochodzących z przemysłu.

Metody usuwania azotu ze ścieków:

Konwencjonalne:

• z zastosowaniem glonów
• poprzez nitryfikację i denitryfikację

Z zastosowaniem nowoczesnych biotechnologii:

• SHARON
• ANAMMOX
• SHARON – ANAMMOX
• CANON

Metody konwencjonalne – hodowla glonów:

•

Glony wykorzystują azot jako pierwiastek
biogenny

•

Najbardziej rozpowszechnione jest
wykorzystanie zielenic (krótki czas rozwoju,
odporność)

•

Usuwanie azotu przebiega zgodnie z
szeregiem:

azot amonowy, azot

azotynowy, azot azotanowy

•

Hodowlę prowadzi się w postaci zawiesiny
lub w formie błony biologicznej

Zastosowanie, zalety i wady:

•

Proces prowadzi się najczęściej w stawach biologicznych
o różnym nasyceniu tlenem z wykorzystaniem glonów
jedno- i wielokomórkowych,

•

Stosowane głównie do usuwania niewielkich ilości azotu
ze ścieków poddanych wcześniej biologicznej
mineralizacji,

•

Biomasa jest kompostowana, jednak brakuje innych
pomysłów na jej wykorzystanie,

•

Proces jest bardzo kosztowny (duże ilości światła do
procesu fotosyntezy).

Metoda nitryfikacji i denitryfikacji:

Nitryfikacja w obecności

bakterii chemolitoautotroficznych

i

nitrozobakterii

:

NH

4

+

+ 1,5 O

2

= NO

2

-

+ 2H

+

+ 2H

2

O

NO

2

-

+ 0,5 O

2

= NO

3

-

W procesie nitryfikacji bakterie chemolioautotroficzne pobieraja
elektrony, które wykorzystują w procesach syntezy ATP

Denitryfikacja z zastosowaniem

bakterii denitryfikacyjnych

:

2NO

3

-

+ 10H

+

+ 10e

-

= N

2

+ 2OH

-

+ 4H

2

O

2NO

2

-

+ 6H

+

+ 6e

-

= N

2

+ 2OH

-

+2H

2

O

Bakterie te są na ogół beztlenowe, wykorzystują azotany jako
akceptory elektronów. Występują one powszechnie w
środowisku, szczególnie w ściekach organicznych.

Metoda nitryfikacji i denitryfikacji:

Czynniki wpływające na efektywność

procesu:

•

Bakterie nitryfikacyjne mają długi czas generacji

•

Szybkość procesu zależy głównie od ilości biomasy
w reaktorze

•

Przy zastosowaniu osadu czynnego jony amonowe
transformowane są tylko do azotynów (wydajność
kilkanaście mgN/l∙doba

-1

)

•

Przy zastosowaniu błony biologicznej powstają
głównie azotany (wydajność do kilkudziesięciu
mgN/l∙doba

-1

)

źródło węgla

kwas octowy

metanol

czas oczyszczania ścieków

[h]

3

2,4

usunięcie azotu [%]

100

100

wydajność [mgN/l∙h

-1

]

324,7

506,7

•

Źródło węgla organicznego w procesach denitryfikacji:

Czynniki wpływające na efektywność

procesu:

Czynniki wpływające na efektywność

procesu:

Zależność między ilością zdenitryfikowanego azotu a ilością
potrzebnego metanolu:

C

m

= 2,47 N

o

+ 1,53 N

1

+ O,87 D

o

gdzie:

C

m

– ilość potrzebnego metanolu [mg/l]

N

o

– zawartość NO

3

[mg/l]

N

1

– zawartość NO

2

[mg/l]

D

o

– stężenie tlenu w ściekach [mg/l]

Dla kwasu octowego:

C

ko

= 3,30N

3

+ 3,08N

2

gdzie:

C

ko

– ilość potrzebnego kwasu octowego [g/l]

N

3

– stężenie NO3 [g/l]

N

2

– stęzenie NO2 [g/l]

Nowe biotechnologie - SHARON:

SHARON (single reactor system for high ammonia removal over nitrite

process)

•

Polega na biologicznej transformacji azotu amonowego w
pojedynczym reaktorze z napowietrzaniem

•

Proces przebiega bez zwracania biomasy

•

Temperatura 35

o

C

•

pH około 7,0

•

Wykorzystuje różnice szybkości wzrostu między nitrozobakteriami,
które utleniają jony amonowe do azotanów (III), a nitrobakteriami,
utleniającymi azotany (III) do azotanów (V)

•

Szybkość wzrostu nitrozobakterii jest dwukrotnie większa niż
nitrobakterii, które przy odpowiednio krótkim czasie zatrzymania
ścieków są wymywane i w bioreaktorze możliwe jest utlenianie
azotu amonowego do azotanów (III)

Przebieg procesu SHARON:

•

Nitryfikacja amonu zachodzi w warunkach kontrolowanych
wartości temperatury, pH, czasu zatrzymania ścieków,
stężenia substratu i ilości rozpuszczonego tlenu

•

Utlenianie amonu do kwasu azotowego powoduje
zakwaszenie środowiska, aby temu zapobiec dodaje się
węglan do ścieków (stosunek 1,1:1)

•

Rozwojowi nitrozobakterii sprzyja niskie stężenie tlenu

•

Proces SHARON czterokrotnie zmniejsza nakłady na
napowietrzanie i nie wymaga dodawania węgla
organicznego w porównaniu z metodą nitryfikacji i
denitryfikacji

Nowe biotechnologie - ANAMMOX:

ANAMMOX (anaerobic ammonia oxidation)

•

Polega na beztlenowym utlenianiu amonu w
denitryfikacyjnym złożu fluidalnym w obecności
nitrozobakterii

•

Proces przebiega zgodnie z równaniami reakcji:

5NH

4

+

+ 3NO

3

-

= 4N

2

+ 9H

2

O + 2H

+

NH

4

-

+ NO

2

-

= N

2

+ 2H

2

O

•

Obie reakcje przebiegają z wydzieleniem energii

•

Głównym źródłem węgla dla bakterii prowadzących proces
jest CO

2

Przebieg procesu ANAMMOX:

•

Mikroorganizmy potrzebne do procesu rosną w podłożach
zawierających amon o stężeniu 5 – 30 mM, azotyny 5 – 35 mM,
węglany 10 mM, fosforany < 0,5 mM, tlen < 1 mM

•

Bakterie są aktywne w warunkach pH 6,4 – 8,3; temperatura
20 – 43

o

C

•

Aktywność tych bakterii jest 25 razy większa niż w procesie
denitryfikacji ale 7 razy mniejsza niż gdyby proces ten
zachodził w warunkach tlenowych

•

Produktami pośrednimi utleniania amonu są hydroksyamina
i hydrazyna

•

Azotyny są redukowane do hydroksyaminy, która reaguje z
amonem będącym donorem elektronów

•

Enzym oksydoreduktaza hydroksyaminy utlenia ją do
hydrazyny a następnie do amonu. Procesowi temu
towarzyszy synteza ATP

•

W procesie nie trzeba dostarczać węgla organicznego

•

Wadą procesu jest niewielki przyrost biomasy

Przebieg procesu ANAMMOX:

Nowe biotechnologie – SHARON-ANAMMOX:

•

Jest ona połączeniem technologii SHARON i ANAMMOX

•

Amon jest w połowie utleniany w warunkach tlenowych
przez nitrozobakterie:

NH

4

+

+ HCO

3

+ 0,75O

2

= 0,5NH

4

+

+ 0,5NO

2

+ CO

2

+1,5H

2

O

•

Następnie całość kierowana jest do reaktora ANAMMOX
gdzie w warunkach beztlenowych następuje konwersja do
azotu cząsteczkowego

Wady i zalety metody SHARON-ANAMMOX:

•

Metoda stosowana jest głównie dla ścieków z
usuniętym ładunkiem organicznym

•

Proces jest ok. 90% tańszy niż metoda nitryfikacji i
denitryfikacji

•

Wymaga on dużo mniejszych ilości tlenu i produkuje
małą ilość biomasy

Nowe biotechnologie - CANON:

CANON (completely autotrophic nitrogen removal process over

nitrite)

•

Polega na jednoczesnym prowadzeniu utleniania amonu i
częściowej jego nitryfikacji do azotynów i w warunkach
niewielkiego dostępu tlenu

•

Proces przebiega w obecności mikroorganizmów
chemolitoautotroficznych

•

W reaktorze namnażają się dwie kultury mikroorganizmów
mogące utleniać amon w warunkach tlenowych i
beztlenowych zgodnie z równaniami reakcji:

NH

4

+

+ 1,5O

2

= NO

2

-

+ 2H+ + H

2

O

NH

4

+

+ 1,3NO

2

-

= 1,02N

2

+ 0,26NO

3

-

+ 2H

2

O

Przebieg procesu CANON:

•

Przy ilości azotu w ściekach > 1gN/l∙doba-1 wydajność
wynosi 92%

•

Przy mniejszych ilościach azotu wydajność znacząco
maleje

•

Proces nie wymaga dodatkowego wzbogacania w związki
organiczne

•

Jedynym wymogiem jest dostarczenie niewielkiej ilości
tlenu

Porównanie biotechnologicznych

procesów usuwania azotu:

metoda

konwencjonaln

a

SHARON

ANAMMOX

CANON

ilość

reaktorów

2

1

1

1

podłoże

ścieki

ścieki

NH

4

+

+ NO

2

-

ścieki

usuwanie

azotu

NO

2

-

, NO

3

-

, N

2

NH

4

+

, NO

2

-

NO

3

-

, N

2

NO

3

-

, N

2

waruki

hodowli

tlenowe i

beztlenowe

tlenowe

beztlenowe

mała ilość

tlenu

kontrola pH

tak

nie

nie

nie

prdukcja

osadu

duża

mała

mała

mała

Dziękuję za uwagę