Раздел IV Методи процеси и съоръжения за пречистване

Раздел IV Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот • Физични методи (striping/отдухване) • Химични методи (окисление) • Физико-химични методи (йонообмен) • Биологични методи (нитрификация/денитрификация, SHARON/Anammox, NOx) 1

Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот Форми на азота в отпадъчните води: • Неорганични съединения – около 2/3 от общото количество N – Амониеви йони, NH 4+ – Амоняк, NH 3 – Нитрати, NO 3 -, нитрити NO 2 -, около 0 – 3 % от общото количество N • Органични съединения – около 1/3 от общото количество N – Карбамид, CO(NH 2)2 – около 50 - 90 % от органичните съединения – Белтъци – около 10 - 50 % от органичните съединения • Параметри за количествено определяне на N чрез химичен анализ – – – Общ азот по Kieldal – включва органичния азот, NH 3 и NH 4+ Неорганичен азот – включва NO 2 - и NO 3 Общ азот – сума от общия азот по Kieldal и неорганичния азот - NO 2 - и NO 32

Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот 17. 1. Физични методи (striping/отдухване) Както е известно, между амониевите йони и амоняка във водна среда съществува динамично равновесие, зависещо от р. Н: При р. Н = 12 балансът се установява силно в ляво и продуктите на амонификацията са изцяло във формата на амоняк. При р. Н = 11, 5 - 12 амонякът може да се отстрани чрез десорбцията му от водния разтвор във въздуха чрез т. н. отдухване (striping). Това се осъществява чрез барботаж на въздух през десорбционни колони с отпадъчна вода или чрез разпръскване на водата във въздушна среда в градирни. 3

Раздел IV. Тема 17 17. 1. Физични методи (striping/отдухване) Недостатъци на метода: • Необходимост от големи количества алкализиращи вещества (вар) • Необходимост от последващо използване на голямо количество киселина за неутрализация • Необходимост от използване на голямо количество въздух за отдухване на 1 m 3 (2000 – 3000 m 3 въздух/m 3 вода) или голям обем на градирните • Непълно отстраняване на амоняка (практически не повече от 80 %) 4

Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот 17. 2. Химични методи (окисление) Окисление чрез хлориране Както е известно, във водна среда хлорът хидролизира до хипохлориста киселина: Амоният в отпадъчните води реагира с хипохлористата киселина при което се образуват хлорамини и азотен трихлорид, намиращи се в различно съотношение в зависимост от р. Н на средата и количеството на хипохлористата киселина: монохлорамин дихлорамин азотен трихлорид 5

Раздел IV. Тема 17 17. 2. Химични методи (окисление) При Cl 2 : NH 4+ = 5 и р. Н = 5 преобладават монохлорамините (85 %), при р. Н = 9 преобладават дихлорамините (95%), а при р. Н < 3 се получава само азотен трихлорид (100 %). В присъствието на нереагирала хипохлориста киселина хлорамините се разпадат до молекулярен азот: или общо За да протекат напълно горните реакции, практически е необходимо да се осигури р. Н = 9, както и спазването на следното съотношение: 6

Раздел IV. Тема 17 17. 2. Химични методи (окисление) Недостатъци на метода: • Хлорамините са канцерогенни, поради което хлорирането на отпадъчни води в ЕС е забранено • Необходимост от използване на голямо количество хлор за постигане на желания ефект • Необходимост от непрекъснато следене и поддържане на р. Н = 9 (допълнително реагентно стопанство с киселина и основа) • Необходимост от непрекъснато следене на остатъчния хлор и съответното му елиминиране • При наличие на феноли в отпадъчните води, след хлориране се образуват хлорфеноли, които имат остра неприятна (задушлива) миризма 7

Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот 17. 3. Физико-химични методи (йонообмен) Амониевите йони се отстраняват успешно от сравнително слабо концентрирани водни разтвори (NH 4+ < 30 mg/l ) чрез йонообмен. В случая е много подходящ естествения (природен) анионит клиноптилолит от групата на зеолитите. У нас в Кърджалийски район се намира едно от най-големите световни находища на клиноптилолит с изключително високи сорбционни и йонообменни качества по отношение на NH 4+. Отстраняването на амониевите йони от отпадъчните води се дължи на тяхното вграждане в йонната решетка - R на клиноптилолита, където те изместват натриевите йони: 8

Раздел IV. Тема 17 17. 3. Физико-химични методи (йонообмен) Присъствието на други йони в разтвора (напр. – Са+2 ) влошават ефекта на отстраняване на NH 4+, тъй като са негови конкуренти в йонообменния процес. След насищането на йонита с отстранените от разтвора йони, той се регенерира с наситен разтвор на Ca. Cl 2 или Na. Cl, чиито общ обем е около 10 - 30 пъти по-голям от този на филтърния пълнеж при промивна интензивност 4 l/s. m 2. Отработеният промивен разтвор е с обем около 2, 5 - 5 % от този на пречистената отпадъчна вода, но с 20 – 50 пъти по-голяма от нея концентрация на амониевите йони. Той подлежи на следващо третиране. Йонобменният процес за отстраняване на NH 4+ се реализира на практика в напорни йонобменни филтри, които имат конструкция, подобна на тази на напорните бързи пясъчни филтри, използвани пречистване на природни води. 9

Раздел IV. Тема 17 17. 3. Физико-химични методи (йонообмен) • • Основни технологични параметри на йонообменните филтри: Зърнометричен състав на зеолитния филтърен пълнеж – 0, 25 – 0, 60 mm Височина на филтърния слой – 1, 5 m Повърхностно хидравлично натоварване – 2 – 6 l/s. m 2 Работен (защитен) капацитет на филтърния пълнеж – обемът на пречистената вода за един цикъл е от 50 до 300 пъти по-голям от този на филтърния пълнеж в зависимост от р. Н, началната и крайната концентрация на амониевите йони Недостатъци на метода: • Необходимост от скъпо третиране на промивния разтвор • Възможно е механично задръстване на филтърния пълнеж със • • суспендирани вещества, ако те не са отстранени предварително Йонообменният пълнеж се задръства с калциеви йони, които го компроментират Къс защитен (работен) период и усложнено управление 10

Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот Биохимични трансформации на азотните съединения: • Биохимична трансформация на карбамида (амонификация) • Биохимична трансформация на органичния азот (амонификация) – Чрез последователни биохимични реакции органичният азот се трансформира до амониев азот (полипептиди → амино-киселини → NH 4+ ) • Биохимична трансформация на амония (нитрификация) • Биохимична трансформация на нитратите (денитрификация) 11

Раздел IV. Тема 17 Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води 17. 4. Биологични методи • Нитрификация / Денитрификация • Нови методи – Метод SHARON/Anammox – Метод NOx 12

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Нитрификация / Денитрификация Нитрификация I фаза: нитритификация (Nitrosomonas) II фаза: нитрификация (Nitrobacter) Технологични условия за протичане на процесите на нитрификация: • • Възраст на биомасата θx > 8 – 12 d Утайково натоварване Rу < 0, 12 – 0, 20 kg БПК 5/kg СВ. d Кислородна необходимост ORL = 4, 57 g O 2/g [NH 4+ - N] Органичните вещества инхибират процесите 13

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Денитрификация: Дефиниция: Анаеробно окисление на въглеродо-съдържащи органични вещества чрез нитрати като акцептори на електрони глюкоза Технологични условия за протичане на процеса денитрификация: • • • Теоретически необходимо съотношение ХПК : [NО 3 - - N]D ≥ 8, 6 Специфично количество на отделения кислород – 2, 85 g O 2/g [NО 3 - - N] Процесът е анаеробен (безкислороден) Участвуващите бактерии са хетеротрофи (Pseudomonas) Разтвореният кислород над 0, 1 mg/l инхибира процеса (при О 2 = 0, 2 mg/l 14 скоростта му намалява 2 пъти а при О 2 = 2 mg/l намалява 10 пъти)

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Основни технологични схеми: • Биостъпало с последващо включена (по отношение на аеробния реактор) денитрификация (пост-денитрификация) • Биостъпало с предварително включена денитрификация (предденитрификация) • Каскаден реактор с предварително включена денитрификация • Реактор с едновремена (симултанна) нитрификация/денитрификация • Биостъпало с алтернативна нитрификация/денитрификация • Биостъпало с цикличен реактор (Sequencing Batch Reactor - SBR) 15

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Основни технологични схеми: Н – нитрификатор (аеробен реактор) ДН – денитрификатор (анокси реактор) ВУ – вторичен утаител АН – анаеробен реактор а. , е. Биостъпало с последващо включена денитрификация б. Биостъпало с предварително включена денитрификация в. Реактор с едновременна (симултанна) нитрификация / денитрификация (в реактор тип “Carousel”) г. Биостъпало с алтернативна нитрификация / денитрификация д. Биостъпало с цикличен реактор (SBR) ж. Каскаден реактор с предварително включена денитрификация (Bardenpho) з. Биостъпало с едновременно отстраняване на азота и фосфора 16 и. Биостъпало с реактори по схема А/О

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Технологична схема с едновременна (симултанна) нитрификация/денитрификация, реализирана чрез биореактор тип Carousel 17

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Основни технологични схеми Биостъпало с предварително включена денитрификация Основни технологични зависимости: Q ANOX QNО 3 QРУ AER ВУ QИАУ Q • Рециркулационно отношение за акт. утайки – nу • Рециркулационно отношение за нитратния поток – n. N • Степен на денитрификация – ηD Ninc = p. N. XРУ. QИАУ ; p. N = 0, 08 – 0, 12 • Действително рециркулационно отношение – n. N, д 18

Раздел IV. Тема 17 17. 4. Биологични методи Нови технологии за биологично отстраняване на азот от отпадъчни води • SHARON (Single reactor for High Ammonium Removal Over Nitrite) • ANAMMOX (ANaerobic AMMonium OXidation) • Комбинирана система SHARON / ANAMMOX • NOx (с добавяне на газ – NO 2 или NO в аеробни или анаеробни условия) 19

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Нитритификация (частична нитрификация) нитрификация s as na on mo om so ros tro Ni t Ni 75% O 2 денитрификация NH 4 нитритификация NO 2 25% O 2 s ona m oso r Nit r r cte ba ba tro Nii N инхибиране N 2 40% метанол NO 2 60% метанол NO 3 20

Нитритификация – основен процес във всички нови технологии за биологично отстраняване на азот Условия за инхибиране на Nitrobacter : 1. Висока температура – t 0 = (30 ÷ 35)0 C и кратък времепрестой – HRT = 1 d 2. Ниско съдържание на О 2 < 0. 78 mg/l. 3. По-високи р. Н стойности: р. Н = 7. 8 ÷ 8 (NH 3 > 1 mg/l) 4. При концентрация на нитрити: NO-2 > 20 mg/l 5. В присъствието на газообразни азотни окиси - NO и NO 2. 21

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Процеси в реактора Sharon • 75% по-малко въглерод за евентуална пост-денитрификация • 40% по-малко кислород необходим за окисление на азота нитрификация пълна NH 4 нитритификация 75% O 2 NO 2 25% O 2 r r cte ba ba tro Nii N инхибиране N 2 NO 3 частична нитритификация 22

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Технологични особености при реактора Sharon • 75% по-малко въглерод за евентуална пост-денитрификация • 40% по-малко кислород необходим за окисление на азота • Окисление на азота до нитрити от Nitrosomonas; • отмиване на Nitrobacter от системата; • кратък хидравличен времепрестой: 1 - 1. 5 d; • проточен реактор без рециркулация на утайката; • високи температури – 350 С; 23

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Метод Sharon/Anammox 50%NH 4 + 50%NO 2 = 95% N 2 + 5% NO 3 Денитрификация 24

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Технологични особености при реактора Anammox • 100% спестяване на кислород за окислителните процеси; • 100% спестяване на външен въглерод за денитрификация; • 25 пъти по-висока скорост на окисление в сравнение с конвенционалната денитрификация; • подходящ за високо концентрирани отпадъчни води със съдържание на азот над 450 mg/l; • незначителна продукция на излишна утайка; • дълъг стартов период. 25

Метод NOx 60%N 2 aerobic 75% O 2 Nitrosomonas нитритификация NH 4+ Nitrosomonas 2 NO 2 = N O 2 4 газ NOx: NH 4+ = 1: 1000 Метод NOx 40%NO 2 - NO NO газ NO 2 50% O 2 газ нитрификационна зона 26 денитрификационна зона

Метод NOx anoxic 75% O 2 нитритификация NH 4+ Nitrosomonas 2 NO 2 = N O 2 4 газ NO 2 - газ Метод NOx NO NO газ NO 2 газ 50% O 2 непрекъснато подаване на NOx 27

Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Общ вид на реактор Anammox за третиране на утайкови води в ПСОВ “Dockhaven” – гр. Ротердам, Холандия 28

Университет по архитектура, строителство и геодезия катедра“Водоснабдяване, канализация и пречистване на водите” Автоматизирани лабораторни биореактори 29