Usuwanie fosforu

Usuwanie

fosforu

Spływ powierzchniowy,

Rozwój fitoplanktonu,

Ograniczona penetrcja
światła,

Ograniczona wegetacja
w głębszych
warstwach,

Deficyt tlenowy
spowodowany
rozkładem martwej
materii organicznej

Usuwanie fosforu

Usuwanie fosforu ze ścieków:

- biologicznie

* wraz z osadem nadmiernym, w

wyniku

asymilacji fosforu przez

biomasę

* poprzez „nadmierne pobieranie”

- chemicznie

Usuwanie fosforu

Usunięcie fosforu wraz z osadem
nadmiernym

Q

X

P

P

0

e











Dla elementarnego skład biomasy C

60

H

87

O

23

N

12

P

udział fosforu ω wynosi około 0,023.

ΔX/Q jest tym większe im wiek osadu jest
niższy. Wydłużenie wieku osadu skutkuje
wzrostem P

e

.

Strącanie fosforu

Chemiczne strącanie solami glinu i

żelaza (w postaci roztworów)

Al

2

(SO

4

)

3

•18 H

2

O + 2 PO

43-

 2AlPO

4

+

+ 3 SO

42-

+ 18 H

2

O

Optymalne pH 5,5 – 6,5
FeCl

3

+ PO

43-

 FePO

4

+ 3Cl

-

Optymalne pH 4,5 – 5,0
3 FeSO

4

+ 2 PO

43-

 Fe

3

(PO

4

)

2

+ 3 SO

42-

Optymalne pH

~

8

Strącanie wapnem w postaci CaO lub

Ca(OH)

2

(ilość wapna zależy od

zasadowości i pH ścieków)

System „małej dawki” dla pH< 10,
System „dużej dawki” dla pH 11 –

11,5.

Wymagana korekta odczynu odpływu,
Powstaje dużo osadów.

Usuwanie fosforu

Skuteczność metody zależy również

od miejsca dawkowania
reagentów:

Wstępne strącanie 70 – 90%,
Symultaniczne 80 –95%,
Wtórne 90 –95%.

Usuwanie fosforu

Zintegrowane systemy

biologiczno-chemiczne

Zintegrowane systemy

biologiczno-chemiczne

Zintegrowane systemy

biologiczno-chemiczne

KF – komora
flokulacji

Zintegrowane systemy

biologiczno-chemiczne

KM – komora szybkiego
mieszania,

FP – filtr piaskowy

Biologiczne usuwanie fosforu

cz
as

A

B

faza
anaerobow
a

faza
aerobowa

usunięcie

netto

stężenie
rozpuszczon
ych
fosforanów

HO

P

O

O
H

O

P

O

OH

OH

P

O

O

OH

n

Struktura
polifosforanu

Schemat metabolizmu fosforanów w komórce

CH

3

COOH

warunki
beztlenowe

Acetyl-
CoA

Poly-
P

PHB

ATP

PO

4

-

3

+ADP

PO

4

-3

warunki
tlenowe

O

2

PO

4

-3

związki
organicz
ne

Poly-
P

PH
B

łańcuch

oddecho

wy

AT
P

CO

2

+

H

2

O

Usuwanie fosforu

(Polifosforan)

n

+

H

2

O

(Polifosforan)

n-x

+

(Polifosforan)

x

Polifosfohydrolaza polifosforanu (potocznie:
endopolifosfataza)

(Polifosforan)

n

+

H

2

O

(Polifosforan)

n-1

+ PO

4

3-

Fosfohydrolaza polifosforanu (potocznie:
egzopolifosfataza)

Usuwanie fosforu

(Poli-
P)

n

AMP

ADP

(Poli-
P)

n-1

ATP

ADP

PO

4

3-

Mechanizm powstawania ATP z
polifosforanów przy udziale transferaz –

PoliP : AMP fosfotransferazy (1) i kinazy
adenylanowej (2).

Procesy
wewnątrzkomór
kowe zużywające
energię

(1)

(2)

Usuwanie fosforu

Modele uwalniania i wiązania fosforanów

Model Comeau – Wentzel
Warunki beztlenowe:
Kwas octowy jest pobierany do wnętrza komórki,
ulega aktywacji do acetylo-CoA
kondensacja 2 cząsteczek acetylo-CoA
redukcja acetoacetylo-CoA do hydroksybutyrylo-
CoA
i dalej polimeryzacja do poli(3-hydroksymaślanu)

9n Ac + 9nATP + CoASH → (C

4

H

6

O

2

)4

n

+ 9nADP +

9nPi + 9nCO

2

(PHB)

Usuwanie fosforu

Modele uwalniania i wiązania

fosforanów

Model Mino i wsp.
Warunki beztlenowe:
NADH

2

z rozkładu polisacharydów do kwasu

pirogronowego w szlaku Embdena – Meyerhofa –
Parnasa (EMP)

(C

6

H

10

O

5

)

n

+ 6nAc + 3nATP → (C

4

H

6

O

2

)4

n

+ 3nADP +

3nPi + 2nCO

2

Glikogen

(PHB)

Warunki tlenowe:
Kwas poli(3-hydromasłowy) jest rozkładany do
acetylo-CoA
Acetylo-CoA wchodzi w cykl kwasów
trikarboksylowych sprzężony z glikolizą
NADH

2

→ łańcuch oddechowy → fosforylacja

oksydacyjna ATP i synteza polifosforanów → stężenie
fosforanów maleje.

Usuwanie fosforu

Modele uwalniania i wiązania

fosforanów

Usuwanie fosforu

Modele uwalniania i wiązania

fosforanów

Zmodyfikowany model Mino
przez Wentzela dla Acinetobacter
nie wykorzystują szlaku Embdena-Meyerhofa-
Parnasa
Zaproponowano rozkład polisacharydów w cyklu
Entnera-Doudoroffa (ED)
(C

6

H

10

O

5

)

n

+ 6nAc + 4nATP → (C

4

H

6

O

2

)

n

+ 4nADP +

4nPi + 2nCO

2

Glikogen

(PHB)

Dalej wykazano, że polisacharydem (źródło
równoważników wodorowych) jest glikogen.
Octan transportowany biernie przy kwaśnym pH,
Przy pH 8,5 pobór 1mola octanu wymaga 1 mola
ATP

Usuwanie fosforu

Modele uwalniania i wiązania

fosforanów

Aktualnie przyjmuje się dla syntezy P(3HB)
1 mol C octanu + 0,5 mol C glikogenu → 1,33
molC P(3HB)

Dla PAO akumulacja 1 mola PHA wymaga
0,75 molaC octanu i 0,38 molaC glikogenu
Dalej spór o szlak rozkładu glikogenu EMP
czy ED

PHA mogą być gromadzone też na kwasie
propionowym

Usuwanie fosforu

Potencjał redukcyjny do syntezy PHA
(poly – β – hydroksykwasów; poly- β –
hydroxyalkanoates
poly - β – hydroksymaślanu PHB i poly β –
hydroksywalerianu PHV) pochodzi z glikolizy
glikogenu wewnątrzkomórkowego.
Bakterie zdolne do kumulacji fosforu PAOs
(polyphosphate accumulating organisms)
mogą oddychać tlenowo i/lub azotanowo (V) i
(III) – denitrifying PAOs – DPAOs.

Usuwanie fosforu

Biochemia procesu

Glikogen może być anaerobowo

utleniany różnymi ścieżkami:

Embden-Meyerhoff-Parnasa (EMP),
lub Entner-Doudoroffa (ED),
lub jako kombinacja ścieżki Entner-

Doudoroffa (ED) i ścieżki pentozowej.

Glikoliza jest źródłem potencjału

redukującego.

Usuwanie fosforu

Dodatkowe źródło potencjału redukującego

i prekursorów syntezy PHA (propozycje):

-

pełny cykl kwasów trójkarboksylowych,

- okrojony cykl kwasów trójkarboksylowych

plus cykl glioksalanowy,

- podzielony cykl kwasów

trójkarboksylowych – działa prawa lub
lewa strona cyklu.
Pobór kwasów tłuszczowych realizowany
jako transport aktywny przez błonę
komórkową.

Usuwanie fosforu

Bakterie kumulujące polifosforany

Acinetobacter – pierwsza zidentyfikowana bakteria,
Inne grupy filogenetyczne:
Betaproteobacteria np. bakterie typu Rhodocyclus –

Candidatus Accumulibacter phosphatis,

Actinobacteria, Alphaproteobacteria,

Gammaproteobacteria.

Grupa Actinobacteria – pobierają tlenowo fosforany

(ale nie anoksycznie), po beztlenowym poborze
aminokwasów. Nie pobierają krótko łańcuchowych
kwasów tłuszczowych, nie syntezują PHA tylko
inny niezidentyfikowany polimer.

Usuwanie fosforu

Denitryfikacyjne usuwanie fosforu

Część PAOs może oddychać korzystając z

azotanów (V) i/lub (III).

Produkcja energii przy denitryfikacji 40%

mniejsza niż przy oddychaniu tlenowym –

szybkość poboru fosforu przy denitryfikacji

niższa niż w warunkach tlenowych.

Mniej ChZT potrzeba niż w przypadku

oddzielnego usuwania N i P, mniej energii na

napowietrzanie, mniejszy przyrost biomasy w

przypadku denitryfikacji.

Usuwanie fosforu

Accumulibacter może kumulować
fosforany w warunkach tlenowych
i anoksycznych. (prawdopodobnie
sa to rozne podgrupy).

Nie ma reduktazy azotanowej i

wymaga innych denitryfikatorów
dla redukcji azotanów (V) do
azotanów (III).

Usuwanie fosforu

GAOs – organizmy kumulujące glikogen

glycogen (non-polyphosphate) accumulating

organisms

Warunki anaerobowe – kumulacja PHB

i/lub PHV z zewnętrznego źródła węgla

organicznego np. octanu. Brak

uwalniania fosforanów. Glikogen jest

źródłem energii w tym przypadku.

Warunki aerobowe – PHB i PHV utleniane –

wzrost biomasy i ponowne syntezowanie

glikogenu. Brak poboru fosforanów.

Usuwanie fosforu

Metabolizm węgla u
organizmów kumulujących
glikogen jest podobny do
metabolizmu PAOs.

Różnica - glikogen jest uważany

za źródło energii.

Wśród GAOs są też DGAOs.

Usuwanie fosforu

Przykłady proponowanych bakterii
jako kumulujących glikogen

Alphaproteobacteria (typu

Sphingomonas potencjalnie, typu
Defluviicoccus);

Gammaproteobacteria (Candidatus

Competibacter phosphatis –
potwierdzony fenotyp).

Usuwanie fosforu

Konkurencja pomiędzy GAOs i PAOs

ChZT/P w ściekach surowych
ChZT/P > 50 mgChZT/mg P faworyzuje

GAOs.

Niższe wartości ChZT/P np. 10 – 20 mg

ChZT/mg P faworyzują wzrost PAOs, ale

jednocześnie odpowiednia ilość lotnych

kwasów tłuszczowych musi być

dostarczona.

Źródło węgla, odczyn, temperatura

najprawdopodobniej też mają wpływ na

konkurencję.

Usuwanie fosforu

Kiedy można stosować biologiczną defosfatację?

BZT

5

: P (w ściekach surowych) minimum 20 – 25.

Niskie obciążenie i wysoki wiek osadu wymagają

BZT

5

: P powyżej 25 lub

ChZT:P> 50 (dla ścieków bytowo- gospodarczych).
Efekt nawet < 2 g P/m

3

w odpływie. Ale uwaga na

GAOs!

Intensyfikacja

usuwania fosforu

Zapobieganie pojawianiu się
azotanów w strefie beztlenowej.
Zwiększenie dopływu
łatworozkładalnych związków
organicznych(LKT) w dopływie do
komory anaerobowej – np. poprzez
wstępną fermentację osadów
wstępnych lub surowych ścieków.

OWS - osadnik wstępny, FER - fermenter, FZ - fermenter-
zagęszczacz, ZAG - zagęszczacz, ZP - zbiornik mieszania

Usuwanie fosforu

An – warunki
anaerobowe

dopływ

An

Aerobo
we

osad
recyrkulowany

odpływ

OW

osad
nadmierny

System
PHOREDOX

Usuwanie fosforu

System A2/O

System A2/O

OW

OW

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Osad

Osad

nadmiern

nadmiern

y

y

Osad

Osad

recyrkulowan

recyrkulowan

y

y

An Ano

x

Aerobo
we

Usuwanie fosforu

System A2/O

System A2/O

Osad

Osad

nadmiern

nadmiern

y

y

OW

OW

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Osad

Osad

recyrkulowan

recyrkulowan

y

y

An Ano

x

Aerobo
we

Anox

ISAH process (Institute of Sewage and
Waste Management Technology of the
University of Hanover)

Usuwanie fosforu

Pięciostopniowy system Bardenpho

Pięciostopniowy system Bardenpho

S

S

Osad

Osad

recyrkulow

recyrkulow

any

any

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Osad

Osad

nadmiern

nadmiern

y

y

Recyrkulacja

Recyrkulacja

wewnętrzna

wewnętrzna

A
n

Ano
x

Ano
x

Aer
o

Aer
o

Usuwanie fosforu

MUCT

MUCT

system

system

Osad

Osad

recyrkulowany

recyrkulowany

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Osad

Osad

nadmier

nadmier

ny

ny

Recyrkulac

Recyrkulac

ja wewn.

ja wewn.

Recyrkulacja wewn.

Recyrkulacja wewn.

Usuwane fosforu

JHB system

DR – komora denitryfikacji

Usuwane fosforu

MJHB system

max. 10%
strumienia
ścieków
surowych

Usuwanie fosforu

DEPHANOX system

Osad

Osad

nadmiern

nadmiern

y

y

S

S

Osad

Osad

recyrkulow

recyrkulow

any

any

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Złoże

Złoże

biologiczne

biologiczne

A
n

Osa
dnik

Ano
x

Aer
o

Aer
o

Eliminacja osadników przez
zastosowanie 2 SBRów lub 1
SBRu i nitryfikacyjnego złoża
biologicznego.

Biodenitro system

Usuwanie fosforu

Biodenipho system

Biodenipho system

Osad

Osad

recyrkulowany

recyrkulowany

dopły

dopły

w

w

odpły

odpły

w

w

Osad

Osad

nadmiern

nadmiern

y

y

ANOX

ANOX

(AEROB

(AEROB

)

)

AEROB

AEROB

(ANOX)

(ANOX)

Usuwanie fosforu

EASC system (Extended Anaerobic
Sludge Contact

Strumień osadu
zagęszczonego stanowi 5%
ilości ścieków surowych

Technologia SBR (sequencing batch
reactor)

napełnia

napełnia

nie

nie





V

V

f

f

V

V

0

0





V

V

f

f

– objętość wprowadzanych ścieków

– objętość wprowadzanych ścieków

V

V

0

0

– objętość ścieków i osadu czynnego, pozostająca w reaktorze

– objętość ścieków i osadu czynnego, pozostająca w reaktorze

Vmax = V

Vmax = V

0

0

+

+





V

V

f

f

reakcj

reakcj

a

a

sedymenta

sedymenta

cja

cja

osad

osad

nadmiern

nadmiern

y

y





V

V

d

d

odpły

odpły

w

w

odprowadzani

odprowadzani

e

e

oczyszczonyc

oczyszczonyc

h ścieków

h ścieków

faza

faza

jałowa

jałowa

cykl

Usuwanie fosforu

Paremeters

BARDENPH

O

A2/O

UCT

Biodenip

ho

SBR

Zawartość

biomasy, g/m

3

2000-

4000

3000-

5000

3000-

5000

-

2000-

4000

Obciążenie
substratowe,
kgBOD/kgMLSS
*d

0.1 – 0.2

0.15-

0.25

0.1-

0.2

-

0.1-0.5

Wiek osadu

10 - 30

4 - 8

10 -

30

-

10 – 30

Usuwanie fosforu

Czas
zatrzymania w

strefach:

BARDENPH

O

A2/O

UCT

Biodenip

ho

SBR

Anaerobic, h

1 - 2

0.5 –

1.5

1 – 2

1 - 2

1 – 1.5

Anoxic, h

2 - 4

0.5 – 1

2 – 4

6-13, 1

cycle

1 – 1.5

Aerobic I, h

2 - 13

3.5 – 6

4 – 6

6-13, 1

cycle

2 – 4

Anoxic II, h

2 - 4

n.e.

n.e.

n.e.

1 – 1.5

Aerobic II,h

0.5 – 1

n.e.

n.e.

n.e.

Sludge

recirculation,
%

100

20 - 50

100

50 - 100

n.e.

Internal
recycle I, %

400

100 -

300

100

n.e.

n.e.

Internal
recycle II, %

n.e.

n.e.

300

n.e.

n.e.

Phostrip system

Czas zatrzymania w KB
kilkanaście godzin,

ST – reaktor chemiczny z
osadnikiem

Usuwanie fosforu

Wpływ cyklicznego wystawienia

Wpływ cyklicznego wystawienia

mikroorganizmów na różne warunki na

mikroorganizmów na różne warunki na

pracę bioreaktora

pracę bioreaktora

Czynnik zmieniany

cyklicznie

Osiągane efekty

Wysokie i niskie
stężenie łatwo
biodegradowalnych

substratów

Ograniczony wzrost bakterii nitkowatych
Mniejsza wrażliwość na przeciążenia

ładunkiem zanieczyszczeń i inne zmienne

parametry, w tym zmiany składu ścieków

surowych

Wysokie stężenie
substratu

przemiennie z
okresami głodzenia

Akumulacja zewnętrznych polimerów

komórkowych oraz ograniczony wzrost

bakterii nitkowatych
Wzbogacenie biocenozy o bakterie

formujące kłaczki, niezbędne do

osiągnięcia wymaganego stopnia

oczyszczenia

Warunki aerobowe i

anoksyczne

Wzbogacenie biocenozy o nitryfikatory i

denitryfikatory niezbędne do usuwania

azotu

Warunki anaerobowe

i aerobowe

Wzbogacenie biocenozy o bakterie

akumulujące fosfor niezbędne do

nadmiernego biologicznego pobierania

fosforu

Usuwanie fosforu

Elapsed time, (h)

Elapsed time, (h)

T

O

C

,

(m

g

/L

)

T

O

C

,

(m

g

/L

)

Fami

Fami

ne

ne





TOC

TOC

0

0

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

0

0

100

100

200

200

300

300

400

400

fil

fil

l

l

reac

reac

t

t

settl

settl

e

e

dra

dra

w

w

0

0

10

10

0

0

20

20

0

0

30

30

0

0

40

40

0

0

0

0

5

5

0

0

10

10

0

0

15

15

0

0

20

20

0

0





TOC (mg.L)

TOC (mg.L)

S

V

I,

(

c

m

S

V

I,

(

c

m

3

3

/g

)

/g

)

Cycle

Cycle

time =

time =

6 h

6 h

Cycle

Cycle

time =

time =

8 h

8 h