Biologiczne usuwanie
azotu mineralnego ze
ścieków
Wydział Energetyki i Paliw
Kraków 27 III 2009r.
Krzysztof Pastuszka
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