Usuwanie substancji biogennych - azot i fosfor

Źródło: www.oczyszczanie-sciekow.pl

FOSFOR

Procesy biologicznej redukcji fosforu, pomimo coraz większej wiedzy o technologii oczyszczania ścieków, są skomplikowanymi i mało stabilnymi procesami, a ich mechanizmy nie są jeszcze dokładnie poznane. Jeszcze nie dawno klasycznym sposobem usuwania fosforu ze ścieków było chemiczne strącanie. Metody biologiczne, z uwagi na złożoność procesów, stanowiły obiecującą ciekawostkę. Odkrycie bakterii kumulujących fosfor oraz poznanie warunków koniecznych do ich przeżycia umożliwiło opracowanie metody biologicznego usuwania fosforu.

Klasyczny osad czynny zawiera 1-2% fosforu i pozwala na usunięcie z osadem nadmiernym jedynie 20-30% ładunku fosforu zawartego w ściekach surowych [Błażejewski 2003]. Wyniki uzyskiwane w klasycznych metodach biologicznego oczyszczani ścieków, nie zawsze pozwalają na wystarczającą redukcję fosforu. Jak wykazały badania, naprzemienne poddanie osadu czynnego warunkom beztlenowym i tlenowym pozwala na rozwój bakterii mających zdolność gromadzenia w organizmie zwiększonych ilości fosforu (popularnie zwanych bakteriami fosforowymi).

W warunkach beztlenowych mikroorganizmy zużywają energię, którą wcześniej zgromadziły w formie bogatych w energię związków fosforowych. W tym czasie uwolniony z komórek fosfor trafia w formie ortofosforanów do ścieków.

Po przejściu z fazy beztlenowej do fazy tlenowej oczyszczania ścieków, z uwagi na wysoką konkurencję mikroorganizmów, bakterie korzystają z wcześniej zgromadzonych zapasów związków węgla. W strefie tlenowej następuje rozwój nowych komórek oraz pobór rozpuszczonego w ściekach fosforu w postaci ortofosforanów. Pobór fosforu ze środowiska przewyższa ilość fosforu uwolnionego w fazie beztlenowej oczyszczania. Stężenie fosforu w suchej masie osadu wzrasta do 2,5-5%, a stężenie fosforanów w ściekach oczyszczonych spada do 1-3 gP/m³. Osad oddzielany jest od ścieków w odsadnikach wtórnych. Fosfor zgromadzony w komórkach osadu odprowadzany jest z osadnika do dalszej przeróbki, a oczyszczone ścieki odprowadzane są do odbiornika.

Skuteczność biologicznego usuwania fosforu może dochodzić do 90%. Dla uzyskania tak wysokiej sprawności należy zapewnić w komorze beztlenowej dostatecznie wysokie stężenie lotnych kawasów tłuszczowych (LKT/P_og>6/9), BZT₅/P_og>25 oraz ChZT/P_og>30. [Błażejewski, 2003]. Trudności z utrzymaniem stabilności procesu wynikają stąd , że fosfor natychmiast przechodzi do roztworu, jeśli osad znajduje się w warunkach beztlenowych w komorze osadu czynnego lub podczas procesów unieszkodliwiania osadu.

Wrażliwym punktem biologicznego usuwania fosforu ze ścieków jest osadnik wtórny. Niewłaściwa praca lub eksploatacja osadnika może doprowadzić do znacznego podniesienia stężenia fosforu w ściekach oczyszczonych. Przy biologicznym usuwaniu fosforu należy zwrócić szczególną uwagę na dwa aspekty pracy osadnika:

• zbyt długie przetrzymanie osadu w osadniku może spowodować wytworzenie w leju osadowym warunków beztlenowych, a co za tym idzie praktycznie natychmiastowe uwolnienie związków fosforu z organizmów osadu,

• przeciążenie lub zła praca hydrauliczna osadnika może spowodować pogorszenie procesu sedymentacji zawiesin co skutkuje zwiększeniem ilości odprowadzanego osadu, wraz ze skumulowanym fosforem, do odbiornika.

Dla małych oczyszczalni ścieków bardzo dobrym rozwiązaniem biologicznego oczyszczania ścieków przy wymaganej redukcji fosforu jest zastosowanie reaktorów typu SBR, gdzie wszystkie procesy tlenowe i beztlenowe prowadzone są w jednym wielofunkcyjnym reaktorze. Niestety oczyszczalnie typu SBR to bardzo wysoki wydatek inwestycyjny a także stosunkowo wysoki koszt eksploatacji.

AZOT

Azot w ściekach występuje w formie białka, amoniaku i mocznika. W ściekach surowych raczej nie obserwuje się azotanów i azotynów.

Najkorzystniejszym sposobem eliminacji azotu ze ścieków jest wbudowanie go w masę bakteryjną (asymilacja). Niestety procesy biologicznego wiązania związków azotu w komórkach bakteryjnych mają ograniczone możliwości. Przyjmując, że stosunek C:N w bakteriach wynosi 4:1 i określając, że 50% związków węgla zostaje utlenionych w celu uzyskania energii, aby pozostałe 50% zostało zasymilowane, dochodzimy do wniosku, że idealny stosunek C:N w roztworze pożywki - w ściekach wynosiłby wówczas C:N = 8:1. Ponieważ część związków węgla jest nierozkładalna, stosunek ten wzrasta do 10:1 - 12:1 [Hartman, 1999].
Porównując ten stosunek z rzeczywiście występującymi w ściekach wartościami, można zauważyć zdecydowany nadmiar zawartości azotu. W praktyce można w ten sposób wyeliminować do 20% azotu w postaci masy bakteryjnej.

Redukcja azotu w ściekach na drodze biologicznej opiera się najczęściej na zasadzie dysymilacji tj. redukcji azotu z azotynów i azotanów do formy gazowej.
Proces ten wymaga, aby azot był najpierw przekształcony do postaci azotynów w wyniku nitryfikacji. Po nitryfikacji azot może być zredukowany (dysymilacja) na drodze denitryfikacji.

Przemiany azotu w ściekach poddawanych biologicznemu oczyszczaniu są następujące [Magrel, 2000]:

1. Rozkład azotu organicznego do postaci amonowej (proces amonifikacji).

2. Przemiana azotu amonowego w azotyny, a następnie w azotany (proces nitryfikacji).

3. Przemiana azotanów w azot gazowy i utlenianie do atmosfery (denitryfikacja).

Amonifikacja

To proces przemiany azotu zawartego w związkach organicznych do soli amonowych lub amoniaku, nie wymagający tlenu. Proces ten nie jest prowadzony na terenie oczyszczalni. Prowadzony jest on przy udziale organizmów żywych w ściekach surowych.

Nitryfikacja

W tym procesie azot w formie amonowej utleniany jest za pomocą dwóch typów bakterii Nitrosomonas i Nitrobacter. Nitryfikacja przebiega w dwóch etpach [Łomotowski i Szpindor, 2002].
W pierwszym następuje utlenianie azotu amonowego przy udziale bakterii Nitrosomonas. Proces ten można opisać następującym równaniem stechiometrycznym [Łomotowski i Szpindor, 2002]:

W drugim etapie następuje utlenienie azotynów do azotanów przy udziale Nitrobacter z zachowaniem stosunków stechiometrycznych opisanych równaniem [Łomotowski i Szpindor, 2002]:

Denitryfikacja

Proces ten zachodzi pod wpływem mikroorganizmów redukujących azotany lub azotyny do azotu gazowego przy nieobecności tlenu w postaci gazowej. Tak wytworzony azot może być uwalniany do atmosfery. Denitryfikacja przebiega według ogólnego równania [Kemipol S.A., 1997]:

Organizmy, biorące udział w procesach denitryfikacji mogą używać tlenu lub azotanów do utleniania. Dlatego też procesy denitryfikacji powinny przebiegać w warunkach anoksycznych gdzie tlen występuje w formie związanej w azotanach [Kemipol S.A., 1997].

---