4001

4,2. Metody konwencjonalne

Istnieją dwa główne typy konwencjonalnych metod biologicznego usuwania azot mineralnego ze ścieków. Azot usuwany jest głównie z zastosowaniem: ł) hodowli glo-now oraz 2) hodowli bakterii nitryfikacyjnych i denitryfikacyjnych.

4.2.1. Hodowle glonów. Azot mineralny obecny w ściekach może być wykorzys wany przez glony jako pierwiastek biogenny, wbudowywany w struktury komórki. Do usuwania azotu ze ścieków zwykle wykorzystuje się różne gatunki zielenic (z rodzajów™ Chlorella. Stichococcus. Scenedesmus, a dla ścieków silnie zasolonych gatunki z rodzaju Spirulina), ze względu na krótki czas generacji (duży przyrost biomasy w jednostce czasu) i ich stosunkowo wysoką oporność na różne czynniki fizykochemiczne. Jeśli w ściekach znajduje się kilka form azotu mineralnego, forma najbardziej zredukowani jest asymilowana preferencyjnie, a po jej wyczerpaniu następna w kolejności (azot am nowy -» azot azotynowy —> azot azotanowy). Hodowle glonów można prowadzi w postaci zawiesiny (zwykle glony jednokomórkowe) lub w formie błony biologicznej na fazie stałej (zwykle glony nitkowate). W ciągu doby, zarówno w hodowlach stacjonarnych, jak i z ciągłym przepływem, glony pobierają niewielkie ilości azotu (od kilku I do kilkudziesięciu mg N/g-doba"¹). Zwykle hodowle glonów są wykorzystywane do usuwania niewielkich ilości azotu ze ścieków poddawanych uprzednio procesowi biologicznej mineralizacji (ładunek organiczny degradowany metodą osadu czynnego lub poddawany beztlenowemu rozkładowi - zwanemu w technologii fermentacją metanową). Usuwanie azotu z zastosowaniem intensywnych hodowli glonów jest bardzo kosztowne, gdyż wymagają one światła do procesu fotosyntezy, która jest siłą napędową innych procesów dla tej grupy autotrofów. Jak do tej pory', nie było ekonomicznie uzasadnionego pomysłu z zagospodarowaniem biomasy wytworzonej w hodowlach glonów prowadzonych na ściekach, poza jej kompostowaniem. W praktyce usuwanie azotu i fosforu ze ścieków odbywa się w stawach biologicznych o różnym stopniu nasycenia tlenem, w których występują wielogatunkowe zespoły glonów jedno- i wielokomórkowych.

4.2.2. Usuwanie azotu metodą nitryfikacji i denitryfikacji. Usuwanie azotu ze ścieków metodą nitryiikacji i denitryfikacji jest oparte na autotroficznej nitryfikacji i heterotroficznej denitryfikacji. W procesie nitryfikacji bakterie chemolitoautotro-ficzne prowadzą transformację amonu do azotynów z udziałem nitrozobakterii, a obecne w podłożu azotyny są utleniane do azotanów z udziałem nitrobakterii. zgodnie z reakcjami:

NH₄⁺ + 1,5 O; -> N0₂- + 2H⁺ + 2 H₂0 NO_:- + 0,5 O: NO_?

Jony amonowe i azotynowe są źródłem elektronów dla tej grupy chcmolitoautotrofów. .j Elektrony oderwane od amonu i azotynów zostają przekazane na łańcuch oddechowy, w którym zachodzi synteza energii w postaci ATP. w procesie zwanym chemolitotro-| liczną oksydatywną fosforylacją.

Znitryfikowane ścieki zawierające skumulowane azotany są następnie kierowane do biorcaktora, w którym bakterie denitryfikacyjne w czasie oddychania beztlenowego!

wykorzystują azotany i azotyny jako akceptory elektronów. Końcowym produktem redukcji azotanów jest azot cząsteczkowy, zgodnie z zapisem reakcji (ryc. 4.1):

2 NOy + 10 H⁺ + 10c~ -* N₂ + 2 OH" + 4 H_:0 2 NO,^- + 6 H⁺ + 6e^- -> N₂ + 2 OH + 2 H,0

Istnieje liczna grupa bakterii, które są zdolne do wzrostu w warunkach beztlenowych w obecności azotanów. Bakterie te zwane denitryfikacyjnymi należą, z nielicznymi wyjątkami, do fakultatywnych beztlenowców, preferencyjnie wykorzystujących tlen jako akceptor elektronów, a w warunkach beztlenowych - azotany. Bakterie denitryfikacyjne są grupa fizjologiczną, która powszechnie występuje w środowisku, dość licznie we wszelkiego typu ściekach organicznych.

n₂

Ryc. 4.1. Schemat utleniania amonu I redukcji azotanów, odpowiednio w procesie nitryfikacji i denitryfikacji, Podczas nitryfikacji amon jest utleniany do hydroksylaminy (reakcja 1). a hydroksylamina do azofanó%(etap 2 4) W czasie denitryfikacji zachodzi redukcja azotanów kolejno do N2 (etapy b 8) (z Khin T Annachhatre Ajit P. 2004; Novel microbial nitroaen romoval processes Biotechnology Advances 22(7) 519-532. dzięki uprzejmości 1 za zgodą Elscvior)

Efektywność usuwania azotu metodą nitryfikacji i denitryfikacji jest warunkowana wieloma czynnikami. W procesie transformacji azotu amonowego do azotu azotanowego biorą udział bakterie nitryfikacyjne, o stosunkowo długim czasie generacji. Tempo nitryfikacji w warunkach optymalnych zależy głównie od ilości biomasy mikroorganizmów w bioreaktorzc. Z zastosowaniem konwencjonalnego osadu czynnego w systemie kaskadowym reaktorów jony amonowe są transformowane tylko do azotynów, z wydajnością kilkunastu mg N/fdoba ’. Jeśli mikroorganizmy są hodowane w postaci błony biologicznej w tlenowym złożu zatopionym, głównym produktem nitryfikacji ^s4 azotany. Wydajność utleniania jonów amonowych do azotanów waha się od kilkunastu do kilkudziesięciu mg N/l-doba^-1.

W ostatnich latach doniesiono o możliwości nitryfikacji jonów amonowych przez granulowany osad w bioreaktorzc typu AIJFB (aerobic upflow fluidized bed reactor) fryc. 4.2). Wyniki wskazują, że możliwa jest transformacja amonu do azotanów z wydajnością 15 g Ń/fdoba^-1, co w przeliczeniu daje 625 mg N/l-h^-1.

Wydajność procesu denitryfikacji zależy od wielu czynników, w tym głównie od: źródła węgla organicznego, typu urządzenia hodowlanego, formy azotu podlegającego redukcji w procesie denitryfikacji. Błona biologiczna uformowana na fazie stałej w bio-reaktorze beztlenowym najefektywniej prowadzi proces redukcji azotanów i/lub azoty-

60

61