Metody biotechnologii w ochronie środowiska
Usuwanie azotu ze ścieków
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Przemiany związków azotu
azot organiczny
amonifikacja
hydroliza
asymilacja
azot organiczny
azot amonowy NH4+
(komórki bakteryjne)
Liza i autooksydacja
zasadowość
O2
nitryfikacja
azotyny NO2Å»
zasadowość
azot gazowy
O2
N2
węgiel organiczny
azotany NO3Å»
denitryfikacja
Metody biotechnologii w ochronie środowiska
Nitrification[1].jpg
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Noce[1].jpg
Nitrosococcus oceani ATCC19707
© 2005 M.G. Klotz, Univ. of Louisville
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
AMONIFIKACJA
+
heterotrof y
çÅ‚
çÅ‚çÅ‚
N NH / NH
org 4 3
C H O N + 12,5O 10CO + 8H O + NH
10 19 3 2 2 2 3
C H O N + 12,5O 9CO + 7H O + NH HCO
10 19 3 2 2 2 4 3
wzrost zasadowości
3,57 g CaCO3/g N
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NITRYFIKACJA
+ nitritatory -
nitratatory -
NH çÅ‚çÅ‚çÅ‚ NO
NO çÅ‚çÅ‚çÅ‚
4 2
O 3
2
O
2
nitritatory nitratatory
(AOB, ang. ammonia-oxidizing (NOB, ang. nitrite-oxidizing
bacteria) bacteria)
I faza nitryfikacji 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
+
-
+
+
NH 1,5O NO + 2H + H O
2
2
4 2
Uwalniana energia ~ 270 kJ/mol NH4+
zużycie zasadowości
II faza
- 7,14 g CaCO3/g N-NH4+
-
+
NO 0,5
2
O NO
2
3
Uwalniana energia ~ 80 kJ/mol NO2Å»
sumarycznie:
NH4+ + 2 O2 NO3Å» + H2O + 2H+ + 350kJ
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
wzrost komórek
+ - -
13NH + 23HCO 10NO + 8H CO + 3C H O N + 19H O
4 3 2 2 3 5 7 2 2
+ - - -
NH + 10NO + 4H CO + HCO 10NO + C H O N + 3H O
4 2 2 3 3 3 5 7 2 2
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NitrificationET[1].jpg
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Kinetyka nitryfikacji
N O
µ = µ Å" Å"
N max
K + N K + O
N O
- maksymalna szybkość wzrostu nitryfikatorów
ź
Nmax
N, O - stężenie azotu amonowego i tlenu rozpuszczonego
KN, KO - 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
KS
NH4+- N, mg/l 0.6
0.2 ÷ 2.0
µm
d-1 0.7
0.3 ÷ 2.0
Nitrobacter
KS
NO2Å»- N, mg/l 1.4
0.2 ÷ 5.0
µm
d-1 1.0
0.4 ÷ 3.0
ogólnie
µm
d-1 1.0
0.3 ÷ 3.0
kd
d-1 0.05
0.03 ÷ 0.06
KS
NH4+- N, mg/l 1.4
0.2 ÷ 5.0
Y
mg smo/g NH4+- N 0.2
0.1 ÷ 0.3
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: Inhibicja
104
104
Nitrosomonas i
strefa 1
mg/L
mg/L
Nitrobacter przez wolny
amoniak NH3 (FA)
FA
150mg/L
strefa 2: inhibicja
103
103
Nitrobacter przez
strefa 2
strefa 4
wolny amoniakNH3
(FA)
FA
FNA
10mg/L
strefa 3: pełna
2.8mg/L
nitryfikacja
FA
102 102
1.0mg/L
strefa 4: inhibicja
strefa 3
Nitrobacter poprzez
FNA
FA wolny kwas azotowy III
0.2mg/L
0.1mg/L
- HNO2 (FNA)
10
10
5 6 7 8 9
4
odczyn
wolny amoniak, mg/l
wolny kwas azotowy III
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
NH4+ + OHÅ» NH3 + H2O
NH4-N (mg/L) ×10pH
17
×
NH3(mg/L) =
14
Kb/Kw + 10pH
Kb/Kw = e(6344/273 + °C)
Kb/Kw  stałe jonizacji odpowiednio dla amoniaku i wody,
zależne od temperatury
NO2Å» + H + HNO2
46 NO2-N (mg/L)
×
HNO2(mg/L) =
14 Ka + 10pH
Ka = e(-2300/273 + °C)
Ka  stała jonizacji kwasu azotowego III, zależna od temperatury
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
ASYMILACJA ZWI
ZKÓW AZOTU
W warunkach tlenowych, w obecności amoniaku:
+
+ +
substrat organiczny NH O
4 2
+
+ + +
nowe organizmy CO H O H
2 2
W warunkach tlenowych, pod nieobecność amoniaku:
+5
+3 -1 -3
+2
+1
NO3Å»
NO2Å» NH2OH NH4+
NO
NOH
-
+ +
substrat organiczny NO O
3 2
-
+ + +
nowe organizmy CO H O OH
2 2
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
200
Wpływ wieku
osadu na
150
efektywność
nitryfikacji
NO3Å»
NH4+ NO2Å»
100
50
0
0 1 4 5 6 7
2 3
Wiek osadu, dni
Stężenie azotu, mg/L
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
BOD5/TKN ratio Nitrifier BOD5/TKN ratio Nitrifier
fraction 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
+1 0
+5 +3 +2
N2O N2
NO3Å» NO2Å» NO
- -
NO + 0,33CH OH NO + 0,67H O + 0,33CO
3 3 2 2 2
- -
NO + 0,5CH OH 0,5N + 0,5H O + 0,5CO + OH
2 3 2 2 2
Najczęściej wykorzystywanym organicznym substratem
zewnętrznym są: ścieki browarnicze, octan, etanol,
metanol, ścieki.
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Kinetyka denitryfikacji
S
µm SNO3
· · X
rS =
·
Y SNO3+KS,NO3 S+KS
Bakterie biorące udział w
denitryfikacji:
Pseudomonas
Arthrobacter
Rhodopseudomonas
Bacillus
Spirillum
Clostridium
Thiobacillus
Flavobacterium
Vibrio
Nocardia
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
StaÅ‚e szybkoÅ›ci reakcji podczas denitryfikacji w 20 °C
jednostka
Parametr symbol wartość
Maksymalna szybkość µmax d-1
3 ÷ 6
wzrostu
Maksymalna szybkość µmax d-1
5 ÷ 10
wzrostu na metanolu
Stała saturacji dla azotanów KS,NO3 g N/m3
0.2 ÷ 0.5
Stała saturacji dla metanolu KS,MeOH g ChZT/m3
5 ÷ 10
Stała saturacji dla zw. KS,ChZT g ChZT/m3
10 ÷ 20
organicznych
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Szybkość denitryfikacji w zależności od wykorzystywanego przez
bakterie z
ródła węgla
metanol lub
Szybkość denitryfikacji, (g NO3-N/kg smo · h)
100
octan
rS(NO3)
ścieki
endogenne
10
z
ródło węgla
1
0.1
20
10 15 25 30
0 5
temperatura, °C
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Zależność denitryfikacji od odczynu środowiska
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
7.0 9.0 10.0
6.0 8.0
pH
względna aktywność
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
Schematy technologiczne systemów usuwania azotu
Zewnętrzne z
ródło węgla org
C Ä…ð CO2
N Ä…ð NO3 NO3 Ä…ð N2 A
Zewnętrzne z
ródło węgla org
C Ä…ð CO2
NO3 Ä…ð N2 A
N Ä…ð NO3
C Ä…ð CO2 zatapiane zÅ‚oże
Zewnętrzne z
ródło
biologiczne
N Ä…ð NO3
węgla org
2
N
Ä…ð
3
NO
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
C Ä…ð CO2
N Ä…ð NO3 NO3 Ä…ð N2 A
C Ä…ð CO2
NO3 Ä…ð N2 A
N Ä…ð NO3
C Ä…ð CO2 zatapiane zÅ‚oże
biologiczne
N Ä…ð NO3
2
N
Ä…ð
3
NO
Metody biotechnologii w ochronie
środowiska
C Ä…ð CO2
NO3 Ä…ð N2 A
N Ä…ð NO3
Corg
C Ä…ð CO2
NO3 Ä…ð N2 A
N Ä…ð NO3
C Ä…ð CO2
NO3 Ä…ð N2
N Ä…ð NO3