Dlaczego musimy usuwać azot ze ścieków?
" Eutrofizacja wód, zakwity glonów
" Deficyt tlenowy [zwiększenie zapotrzebowania tlenu na
Technologia oczyszczania ścieków
utlenienie NH4(+) przy ograniczonej dyfuzji tlenu z
atmosfery wskutek zakwitu glonów]
" Wolny amoniak (NH3)  skutek wysokiego stężenia NH4(+) ,
wysokiego pH oraz podwyższonej temperatury toksyczny
dla ryb, utrudnia utlenianie NH4(+) wysokie stężenia
Usuwanie azotu
azotynów
" ZwiÄ…zki azotu w wodach stanowiÄ…cych z
ródło wody pitnej
problemy z dezynfekcjÄ… (powstawanie kancerogennych
pochodnych związków aminowych)
Przemiany związków azotu w ściekach
Amonifikacja
N org N-NH4
" Mikroorganizmy heterotroficzne
" Warunki: tlenowe, beztlenowe, anoksyczne
W warunkach tlenowych
C10H19O3N + 12,5 O2 10 CO2 + 8 H2O + NH3
równanie to można przekształcić do postaci:
C10H19O3N + 12,5 O2 9 CO2 + 7 H2O + NH4HCO3
Wzrost zasadowości w wyniku amonifikacji wynosi 50/14 =
3,57 g Ca CO3/g N
Nitryfikacja
Zużycie zasadowości wskutek utleniania NH4(-) wynosi
2·50/14 = 7,14g CaCO3/g N-NH4(+)
N-NH4 N-NO2 N-NO3
 wartości wyznaczone doświadczalnie 6 -7,4
Nitrosomonas Nitrobacter
Nitrospira
Gdy zasadowość ścieków zbyt niska obniżenie pH
" Mikroorganizmy autotroficzne
" Warunki: tlenowe
“!
stechiometria
jeśli pH < 5,5 konieczność korekty za pomocą NaOH
NH4 + 1,5 O2 + 2 HCO3(-) NO2 + 2 H2CO3 + H2O + (58-84) kcal
NO2 + 0,5 O2 NO3 (-) + (15,4 -20,9) kcal
Uwaga: nie należy stosować Ca(OH)2 wytrącanie CaCO3
sumarycznie
ograniczenie stężenia rozpuszczonego CO2 (z
ródło węgla dla
NH4 + 2 O2 + 2 HCO3(-) NO3 (-) + 2 H2CO3 + H2O + (73,4 - 104,9) kcal
nitryfikatorów)
NH4 + 2 O2 NO3 (-) + 2H(+) + H2O + (73,4 - 104,9) kcal “!
wykorzystywane na przyrost
nitryfikatorów
1
Nitryfikacja  zapotrzebowanie na tlen
" Z reakcji sumarycznej
Reakcje opisujÄ…ce nitryfikacjÄ™
NH4(+) + 2 O2 + 2 HCO3(-) NO3 (-) + 2 H2CO3 + H2O + (73,4 -
wraz ze wzrostem nitryfikatorów 104,9) kcal
wynika, że zapotrzebowanie na tlen w trakcie obu faz nitryfikacji
wynosi 4·16/14 = 4,57 g O2/g N-NH4(+)
" Dla bakterii Nitrosomonas
13 NH4(+) + 23 HCO3 (-) 10 NO2(-) + 8 H2CO3 + 3 C5H7O2N +
UWAGA: w praktyce wartość ta jest nieco niższa, bo:
+19 H2O
" Część azotu nie jest utleniana do azotanów, ale wykorzystywana
na przyrost biomasy
" Dla bakterii Nitrobacter
" Część azotu jest utleniana jedynie do azotynów i ulega redukcji
NH4(+) + 10NO2(-) + 4 H2CO3 + HCO3(-) 10 NO3(-) + C5H7O2N +
do N2 w komorze napowietrzania (denitryfikacja symultaniczna)
3H20
" Stężenie O2 w tlenowej komorze osadu czynnego nie powinno być
niższe od 1,5-2,0 mg O2/l (ostatnie badania wskazują 1,0-1,5 mg
O2/l )
Kinetyka nitryfikacji
Bakterie nitryfikacyjne mają niższą szybkość wzrostu
Poza stężeniem N-NH4 i O2 w mieszanej kulturze
niż heterotrofy !!!
nitryfikatorów i heterotrofów na szybkośc wzrostu
nitryfikatorów będą miały wpływ jeszcze inne czynniki:
Szybkość wzrostu nitryfikatorów:
µnitr = µnitrmax · [N/KN + N] · [O/KO + O] ·[Alk/KAlk+Alk)
" BZT5 : NTK
" Wiek osadu
gdzie:
µnitrmax  maksymalna szybkość wzrostu nitryfikatorów
" Temperatura (>10ÚC; poniżej 8 ÚC- hamowanie wzrostu
N, O, Alk  odpowiednio stężenie N-NH4 i tlenu rozpuszczonego,
nitryfikatorów II fazy procesu)
HCO3(-)
" pH (Wartości optymalne : 7,2  9,0)
KN, KO, KAlk odpowiednio stałe substratowe w równaniu Monoda dla
N-NH4 , O2 i wodorowęglanów
nitryfikacja - czynniki wpływajace na szybkość wzrostu
nitryfikatorów cd.
Im stosunek BZT5 : NTK jest większy , tym udział
nitryfikatorów w mieszanej populacji osadu czynnego jest
" Minimalny wiek osadu (WO) wymagany dla pełnej nitryfikacji
mniejszy.
8-10 d
BZT5 : NTK Udział BZT5 : NTK Udział
nitryfikatorów nitryfikatorów WO < 8d zahamowanie nitryfikacji
“!
nagromadzenie azotynów
0,5 0,35 5 0,054
“!
1 0,21 6 0,043
toksyczność dla bakterii nitryfikacyjnych i organizmów
2 0,12 7 0,037
wyższych
3 0,083 8 0,033
4 0,064 9 0,029
2
" bezpośredni wpływ na wiek osadu ma szybkość
wzrostu bakterii nitryfikacyjnych µnitr
" Temperatura
WO = 1/µ
Szybkość nitryfikacji maleje wraz ze spadkiem temperatury
inaczej WO można scharakteryzować:
Od zmian temperatury zależy wartość µnitrmax oraz KN:
1/WO = Y·U - kd
gdzie:
µnitrmax = µnitr · eÄ™! [0,098 (T-15)]
Y  maksymalny wsp. przyrostu biomasy na jednostkę zużytego
KN = 10Ä™![0,051T-1,158]
substratu, mg s.m./mg NH4(+)
U  szybkość zużycia substratu, mg NH4(+)/ g s.m.· d
gdzie T- temperatura w zakresie 8-30 ÚC
kd  współczynnik rozkładu endogennego biomasy , dę!(-1)
Inhibicja nitryfikacji
Czynniki powodujÄ…ce inhibicjÄ™ nitryfikacji:
" pH " Spadek temperatury (poniżej 8°C zahamowanie II fazy i
nagromadzenie azotynów)
" Za niskie stężenie tlenu w komorach napowietrzania
Wartości optymalne : 7,2  9,0
" Za niski wiek osadu
" Niestabilny dopływ ścieków (skokowe zmiany ładunku N-NH4 i
BZT5
" Wysokie stężenie amoniaku NH3 lub/i wolnego kwasu azotawego
HNO2 ( jako efekt ekstremalnych wartości pH, temperatury i wysokich stężeń
N-NH4(+) itp....)- NH3 > 1 mg/lhamowanie II fazy
NH3 > 10 mg/l hamowanie obu faz
HNO2 0,2-2,8 mg/l dolne granice przedziału
ujemny wpływ na Nitrobacter.; górne hamowanie początkowo II
fazy, potem I fazy.
Zapotrzebowanie węgla organicznego do całkowitej
Denitryfikacja
denitryfikacji
ChZT:N
NO3(-) NO2(-) NO NOH N2
" Wartość stechiometryczna 3-4 g ChZT/g N-NOx (Jank, 1979)
N(5+) N(3+) N(2+) N(1+) N(0)
dla ścieków miejskich 9 g ChZT/g N-NOx
" 5-10 g ChZT/g N-NOx (Henze, 1991)
Wymogi technologiczne: " 8 g ChZT/g N-NOx (Wanner, 1994)
" 7,1-20 g ChZT/g N-NOx (ATV-A 131P)
" Obecność NOx
" Stężenie tlenu rozpuszczonego < 0,5 mg O2/l
" Obecność odpowiedniej flory bakteryjnej (heterotrofy
" Najczęściej podaje się dla ścieków komunalnych
fakultaywne)
ChZT:N=8 BZT5:N=4,0
" Obecność biodegradowalnych związków organicznych
ChZT: N dla ścieków komunalnych około 8
3
" Denitryfikacja z wykorzystaniem metanolu, jako z
ródła węgla
Wzrost zasadowości o 3,0 g CaCO3/g N-NO3(-) redukowanego
odbudowanie części zasadowości zużytej podczas nitryfikacji
ZwiÄ…zki organiczne
“! “!
" Denitryfikacja endogenna (denitryfikacja z wykorzystaniem
pochodzenia zewnętrznego pochodzenia wewnętrznego
wewnÄ…trzkomorkowych substancji organicznych)
dodawane do oczyszczanych ścieków zawarte w ściekach lub pochodzące
Metanol, etanol, glukoza, glikol, LKT etc..... z rozkładu biomasy
Wzrost zasadowości o ok. 4,9 g CaCO3/g N-NO3(-) redukowanego, z
równoczesnym wzrostem stężenia N-NH4 o 0,25 g N-NH4/g N-NO3
zjawisko niekorzystne (zmniejszenie efektywności usuwania azotu ze ścieków !!!!)
Szybkość denitryfikacji w temp. 20°C
Kinetyka denitryfikacji
przy różnym z
ródle węgla organicznego
Opisując kinetykę denitryfikacji przyjmuje się, że zarówno w
Szybkość denitryfikacji
ściekach surowych jak i podczas denitryfikacji stężenie N-NO2
y
ródÅ‚o wÄ™gla g N-NO3/g s.m.org.·h)
jest minimalne pomijalny jest stopień redukcji azotynów
metanol
10,0
µden = µdenmax · [N/KN + N] · [S/KS + S]
gdzie:
ścieki surowe
3,0
µdenmax  maksymalna szybkość wzrostu denitryfikatorów
N, S  odpowiednio stężenie N-NO3 i substratu
organicznego
endogenne
0,4
KN, KS  odpowiednio stałe substratowe w równaniu
Monoda dla N-NO3 i substratu organicznego
Asymilacja
Kolejność wykorzystywania związków azotu przez biomasę: " W warunkach tlenowych asymilacja amoniaku na przyrost
" azot organiczny i azot amonowy
biomasy:
" azotany
C6H12O6 + NH4(+) + 2,7886 O2 0,4908 C5H7NO2 + 0,1263
Przy przyjętej formule stechiometrycznej dla biomasy
C6H12O6 + 0,5092NH4(+) + 2,7886 CO2 + 4,2609 H2O +
0,4908 H(+)
C5H7O2N
azot stanowi około 12,4%
Reakcji asymilacji amoniaku towarzyszy spadek zasadowości
(pojawiające się jony H+spadek pH) w wysokości 3,57 g CaCO3/g N-
NH4 asymilowanego na przyrost biomasy
5·12 + 7 ·1 + 2 · 16 + 14 = 113 -100%
14  12,4 %
4
Tabela: Zmiany zasadowości w przemianach azotu
UWAGA: Gdy w środowisku brakuje azotu amonowego mikroorganizmy
proces Wzrost Spadek
zmuszone sÄ… do wykorzystywania azotu azotanowego na potrzeby
zasadowości zasadowości
metabolizmu
g Ca CO3/g N g Ca CO3/g N
Proces może przebiegać w warunkach tlenowych i beztlenowych
amonifikacja 3,57
NO3(-) NO2(-) NO NOH NH2OH NH4(+)
“!
wbudowany w biomasÄ™ nitryfikacja 7,14
C6H12O6 + NO3(-) + 2,5862 O2 0,3216 C5H7NO2 + 0,1937 C6H12O6 + 0,6784
denitryfikacja 3,0 - 4,9
NO3(-) + 3,2294 CO2 + 3,5510 H2O + 0,3216 OH(-)
Reakcji asymilacji azotanów towarzyszy wzrost zasadowości (z reakcji OH(-) z CO2
asymilacja 3,57
powstają jony HCO3(-)) w wysokości 3,57 g CaCO3/g N-NO3) asymilowanego na
przyrost biomasy
Bilans azotu - przykład
Jeśli założyć elementarny skład biomasy
wskaz
nik dopływ odpływ C60H87O23N12P C5H7O2N
Norg
20 1 “! “!
udziaÅ‚ azotu wynosi É=0,122 É=0,14
N-NH4
60 5
“!
N-NO2
0 10
Stężenie N usuniętego wyłącznie na drodze przyrostu
N-NO3
biomasy (asymilacja)
0 30
N-NH4(e) =N-NH4(0) - (É·"G/Q)
Amonifikacja: W amon= "(-) Norg= 19mg Norg/l
Gdzie: N-NH4(e) , N-NH4(0) -stężenie azotu amonowego w ściekach
Nitryfikacja:
oczyszczonych i przed biol.ocz. gN-NH4/m3
"G- przyrost biomasy, g s.m.o./d
" "(-) N-NH4 = 55 mg N-NH4/l
Q- natężenie dopływu ścieków, m3/d
" "(-)NTK= "(-) N-NH4 + "(-) Norg = 55+19 =74 mg N-NH4 /l
“!
" "(+)N-NOx = 40 mgN-NOx/l
Należy przeliczyć jeszcze raz bilans azotu pomniejszając początkowe
Wnitr = 74 mg N-NH4 /l
stężenie N-NH4 o wydajność asymilacji
Denitryfikacja:
" Wden = "(-)Nog= 80-46 = 34mg N/l
" Wden = Wnitr - "(+)N-NOx =74-40 = 34mgN-NOx/l
Koniec wykładu
Temat kolejnego wykładu:
Biologiczne usuwanie fosforu
5