20. Procesy i układy technologiczne oczyszczania ścieków stosowane w oczyszczalniach komunalnych w celu efektywnego usunięcia C,N i P.

Procesy stosowane w celu usunięcia

• związków organicznych: mineralizacja na drodze biologicznego utleniania

• azotu ogólnego: nitryfikacja i denitryfikacja

• fosforu ogólnego: biologiczna defosfatacja lub chemiczne strącanie solami żelaza lub glinu.

Mineralizacja na drodze biologicznego utleniania

Zanieczyszczenia organiczne podczas przemian biochemicznych wykorzystywane są przez mikroorganizmy jako pokarm - część związków organicznych ulega syntezie na nowe komórki bakteryjne, które z kolei ulegają rozkładowi tlenowemu. Ostatecznym produktem tej przemiany jest głównie CO₂ i woda. Proces biochemicznego utleniania przebiega w dwóch stadiach. Pierwsze obejmuje rozkład związków węgla, nie zawierających azotu, w drugim zaś utleniane są związki azotowe do azotynów i azotanów

W przypadku procesów beztlenowych produktami gazowymi rozkładu materii organicznej jest dwutlenek węgla oraz metan).

Ważne pojęcia powiązane:

Pięciodniowe biochemiczne zapotrzebowanie tlenu - BZT5 , jest to ilość tlenu wyrażona w mgO₂/l, która zużywana jest w danym okresie obserwacji, na utlenienie związków organicznych na drodze biochemicznej w warunkach aerobowych, w temp. 20C bez udziału światła. Zwykle pięciodniowe BZT równa się około siedemdziesięciu procentom całego BZT.

Chemiczne zapotrzebowanie tlenu - ChZT, jest to ilość utleniacza potrzebna na utlenienie składników zawartych w ściekach (organicznych i nieorganicznych) w ściśle określonych warunkach – przeliczona na równoważną ilość tlenu wyrażona w mgO2/l. Utleniaczami do oznaczania ChZT są: nadmanganian potasu (utlenialność), dichromian potasu i jodan potasu.

BZT jest częścią ChZT, a ich proporcja jest istotną wskazówką odnośnie biodegradowalności ścieków. Przykładowo , hipotetycznie jeśli wszystkie substancje rozłożyłyby się w zwyczajowo przyjęte 5 dni, czyli BZT/ChZT=1 to mamy do czynienia z idealnie biodegradowalnymi ściekami.

Ogólny węgiel organiczny OWO jest najważniejszym wskaźnikiem zawartości składników organicznych w ściekach.

Usuwanie azotu ogólnego – nitryfikacja i denitryfikacja.

Do biologicznych metod usuwania związków zawierających azot zalicza się nitryfikację i denitryfikację. Procesy te stanowią główne ogniwa w łańcuchu przemian azotu zachodzących podczas biologicznego oczyszczania ścieków, które dokonuje się za pomocą osadu czynnego.

Nitryfikacja – proces tlenowy

Za nitryfikację, która przebiega w dwóch etapach, odpowiedzialne są chemosyntetyczne bakterie autotroficzne (samożywne). W pierwszym etapie nitryfikacji, którego syntetyczną postać ilustruje równanie 2, uczestniczą m.in. bakterie z rodzaju Nitrosomonas i Nitrosococcus.

NH₄⁺ + ³/₂ O₂ → NO₂^- + 2 H⁺ + H₂O

2 NH₄ + 3 O₂ —Nitrosomonas→ 4H⁺ 2H₂ O + 2 NO₂^-

Natomiast bakterie biorące udział w drugim etapie nitryfikacji, wyrażonym za pomocą równania 3, reprezentują np. rodzaje Nitrobacter czy Nitrosocystis,

NO₂- + ¹/₂ O₂ → NO₃^-

NO₂ + O₂ —Nitrobacter→ 2 NO₃^-

Utlenianie azotanów(III) do azotanów(V) (drugi etap nitryfikacji) przebiega szybciej niż utlenianie azotu amonowego do azotanów(III) (pierwszy etap nitryfikacji). Z tego powodu azotany(III) nie powinny występować w ściekach oczyszczonych.

Denitryfikacja (zwana także oddychaniem azotanowym) - proces anoksyczny

Denitryfikacją nazywa się proces dysymilacji azotu azotanowego i azotynowego w wyniku działania bakterii fakultatywnych, heterotroficznych (Achromobacter, Aerobacter, Bacillus). W procesie tym substancje organiczne służą jako donor elektronów, a azotany i azotyny pełnią taką funkcję jak tlen, tzn. są akceptorami elektronów. Do denitryfikacji konieczne są: obecność azotanów w mieszaninie ścieków i osadu, warunki beztlenowe, odpowiednia masa bakteryjna i źródło energii w postaci substancji organicznych. Redukcja azotanów do azotu gazowego przebiega następująco:

NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

W procesie denitryfikacji oprócz redukcji związków azotu ulegają rozkładowi również związki węgla. Wyraża się to obniżeniem wartości ChZT o 4,76 g 0₂/ g N_NO3us

Ważne pojęcia powiązane:

Azot ogólny - suma związków azotu znajdujących się w ściekach (azotyny, azotany, azot amonowy, azot organiczny).

Suma Kjeldahla - azot organiczny oraz azot amonowy

Usuwanie fosforu ogólnego – defosfatacja oraz chemiczne strącanie.

Defosfatacja

Zwiększone usuwanie fosforu metodą biologiczną można osiągnąć utrzymując w układzie oczyszczania przemiennie warunki beztlenowe i tlenowe.

Pewne grupy bakterii (Acinetobacter, Arthrobacter globiformis) są zdolne do gromadzenia znacznych ilości polifosforanów, nawet do 25% suchej masy komórkowej. Zdolność ta stanowi mechanizm zwiększonego usuwania fosforu pod warunkiem zachowania odpowiedniego stosunku ilości substancji węglowych do fosforu w ściekach poddawanych oczyszczaniu. Usuwanie fosforu zachodzi w dwóch strefach: beztlenowej i tlenowej.

W strefie beztlenowej bakterie kumulujące fosfor pobierają odpowiednie substraty wykorzystując energię pochodzącą z hydrolizy łańcucha polifosforanowego, w wyniku której uwalniane są ortofosforany. Substratami pobieranymi przez bakterie są produkty fermentacji. Mogą one pochodzić z rozpuszczalnych części ładunku zanieczyszczeń węglowych, wyrażanych BZT₅, lub gotowych produktów fermentacji. Często jednak zbyt krótki czas zatrzymania ścieków w strefie beztlenowej nie pozwala na przemianę związków organicznych, dlatego też obecność w ściekach takich produktów fermentacji jak octany lub bursztyniany stymuluje rozwój odpowiednich grup bakterii. Tak więc proces usuwania fosforu przebiega szybciej, gdy ścieki dopływające do układu są zagnite, znajdują się bowiem w nich gotowe produkty fermentacji.

W strefie tlenowej procesu bakterie kumulujące fosfor zużywają zabsorbowane substraty do wzrostu i rozwoju komórek. Następuje pobieranie rozpuszczonego fosforu i magazynowanie go w formie polifosforanów. Na efektywność biologicznego usuwania fosforu wpływa wiele czynników, zależnych zarówno od składu ścieków, jak i parametrów procesu.

Chemiczne strącanie

Strącanie solami metali. Sole żelaza i glinu dodawane do ścieków wchodzą w reakcje z fosforanami, tworząc nierozpuszczalne, wytrącalne związki. Najczęściej stosowanymi reagentami są: siarczan żelazawy i żelazowy, chlorek żelazowy oraz siarczan glinu. Rzadziej używany jest glinian sodowy (Na₂Al₂O₄). Jest on stosowany głównie przy niskiej alkaliczności ścieków. Reakcje między siarczanem glinu i fosforanami przebiegają zgodnie z równaniem:

Al₂(SO₄)3*18 H₂O + 2 PO₄^3- → 2AlPO₄ + 3 SO₄^2- + 18 H₂O

Jak wynika z równania, 1 mol siarczanu glinu (666 g) reaguje z 2 molami fosforanu (190 g), zawierającymi 62 g fosforu. Stąd stosunek wagowy siarczanu glinu do fosforu wynosi 10,7:1, czyli Al:P = 0,87:1. W praktyce przyjmuje się wyższy stosunek molowy Al:P niż to wynika z równania stechiometrycznego. Wartość jego wynosi zwykle od 1,5 do 3.

Reakcję między solami żelazowymi a fosforanami wyraża równanie:

FeCl₃ + PO₄^3- → FePO₄ + 3Cl^-

Stosunek molowy Fe:P wynosi 1:1, a stechiometryczny stosunek wagowy 1,8:1. Jeżeli do strącania fosforu stosujemy sole żelazawe, reakcja ma następujący przebieg:

3FeSO₄ + 2PO₄^3- → Fe₃(PO₄)₂ + 3SO₄^2-

Stosunek molowy wynosi w tym wypadku Fe:P = 3:2, a wagowy — 2,7:1. W rzeczywistości przebieg opisanych reakcji jest bardziej złożony, a oprócz nich występują także reakcje towarzyszące. Z tego powodu wartość stosunku molowego Fe:P wynosi w praktyce na ogół od 1,5 do 2,5 w zależności od rodzaju reagenta i zasadowości ścieków.

Strącanie wapnem. Usuwanie fosforu wapnem jest w zasadzie elementem procesu zmiękczania wody. Ilość potrzebnego wapna zależy bardziej od zasadowości i pH ścieków niż od zawartości w nich fosforu. Stosowany jest tzw. system „małej dawki", w którym pH reakcji wynosi poniżej 10 i system „dużej dawki", w którym pH wzrasta do 11-11,5. W tym wypadku dawka dodawanego wapna może wynosić 500 g/m³ i więcej. Przy małej dawce wapna można doprowadzić do stężenia fosforu w odpływie do około 1 g P/m³, a przy dużej dawce — do stężenia mniejszego. Strącanie fosforu dużą dawką wapna powoduje jednak konieczność korekty pH ścieków na odpływie z oczyszczalni, a ilość powstającego osadu jest wielokrotnie większa niż przy strącaniu fosforu solami metali.

Przykładem prostego układu do biologicznego usuwania fosforu jest opracowana przez firmę Air Products and Chemicals, Inc., metoda nosząca nazwę A/O (Rys. 4).

Rys. 4. Schemat systemu A/O

Do komory beztlenowej doprowadzane są świeże ścieki zawierające łatwo przyswajalne przez bakterie fosforowe substraty organiczne, a względnie wolny przyrost biomasy w warunkach beztlenowych rekompensowany jest zawracanym osadem zagęszczanym. Następnie ścieki trafiają do komory tlenowej, gdzie szybko rosnące bakterie fosforowe pobierają ze ścieków fosfor gromadząc go w komórkach. Fosfor opuszcza układ oczyszczania w biomasie osadu nadmiernego.

Układy do biologicznego usuwania azotu i fosforu

Jedną z najwcześniej opracowanych metod kompleksowego usuwania ze ścieków związków zawierających azot i fosfor jest zmodyfikowana wersja metody A/O, znana jako A2/O. Modyfikacja polega na wprowadzeniu pomiędzy komorę beztlenową i tlenową komory anoksycznej (stężenie tlenu rozpuszczonego jest w niej mniejsze od 0,5 mg/l), która zapewnia denitryfikację (rys. 5). Deficyt tlenu w komorze anoksycznej sprawia, że obecne w niej bakterie denitryfikacyjne wykorzystują do budowy biomasy tlen zawarty w azotanach(V) dopływających w zawracanych ściekach z komory tlenowej, w której zachodzi nitryfikacja. Obecność komory anoksycznej minimalizuje także ilość zawracanego z osadem czynnym azotu do komory beztlenowej. Eliminację fosforu zapewnia zachowanie sekwencji: komora beztlenowa – komora anoksyczana - komora tlenowa.

Rys. 5. Schemat systemu A2/O

Do usuwania związków zawierających azot i fosfor służy także metoda zwana UCT, którą opracowano w RPA w University of Cape Town. Dziś bardziej znana jest jej wersja zmodyfikowana, którą zilustrowano na rys. 7. Powracający osad czynny (recyrkulowany osad zagęszczony) kierowany jest w tej metodzie do tej części komory anoksycznej, do której nie recyrkuluje się azotanów(V) z komory tlenowej. Azotany(V) zawarte w powracającym osadzie czynnym są redukowane w tej komorze do azotu gazowego, a ścieki zawracane do komory beztlenowej. Do drugiej części komory anoksycznej trafia główny strumień azotanów(V) z komory tlenowej i są one konwertowane do azotu gazowego. Sekwencja: komora beztlenowa- komora anoksyczna, zapewnia eliminację fosforu.

Rys. 7. Schemat zmodyfikowanego systemu UCT

Również sekwencyjne reaktory biologiczne (SBR-y) można wykorzystać do usuwania azotu jak i fosforu, co pokazano na rys. 8. Zachowanie sekwencji: warunki beztlenowe – warunki tlenowe, zmierza do usuwania fosforu, natomiast sekwencja: faza tlenowa – faza atoksyczna, zapewnia warunki dla wytwarzania azotanów(V) podczas nitryfikacji w warunkach tlenowych oraz ich redukcję do azotu gazowego podczas denitryfikacji w warunkach anoksycznych.

Rys. 8. Czasowy profil stężenia fosforu w cyklu pracy reaktora SBR (sekwencyjnego reaktora biologicznego)

Jeśli ta podstawowa wiedza nie wystarcza to polecam strony:

http://www.zwikolesno.cba.pl/wskazniki.html

Podstawowe pojęcia oraz szczegółowe opisy procesów.

http://www.wiedzainfo.pl/wyklady/134/biologiczne_metody_usuwania_zwiazkow_biogennych_ze_sciekow.html

opisy procesów wraz z rysunkami i schematami