Раздел IV Методи, процеси и съоръжения за пречистване на битови отпадъчни води

1. Раздел IVМетоди, процеси и съоръжения за пречистване набитови 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)

2. Раздел IV. Тема 17Методи, 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, NH4+ • Амоняк, NH3 • Нитрати, NO3-,нитритиNO2-, около 0 – 3 % от общото количество N • Органични съединения – около 1/3 от общото количество N • Карбамид, CO(NH2)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, NH3иNH4+ • Неорганичен азот – включва NO2- и NO3- • Общ азот – сума от общия азот по Kieldal и неорганичния азот - NO2- и NO3-

3. Раздел IV. Тема 17Методи, 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 рН: При рН = 12 балансът се установява силно в ляво и продуктите на амонификацията са изцяло във формата на амоняк. При рН = 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.

4. Раздел IV. Тема 1717. 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 m3(2000 – 3000 m3 въздух/m3вода) или голям обем на градирните • Непълно отстраняване на амоняка (практически не повече от 80 %)

5. Раздел IV. Тема 17Методи, 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 рН на средата и количеството на хипохлористата киселина: монохлорамин дихлорамин азотен трихлорид

6. Раздел IV. Тема 1717.2. Химични методи (окисление) При Cl2 : NH4+ = 5 и рН = 5 преобладават монохлорамините (85 %), при рН = 9 преобладават дихлорамините (95%), а при рН < 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 рН = 9, както и спазването на следното съотношение:

7. Раздел IV. Тема 1717.2. Химични методи (окисление) Недостатъци на метода: • Хлорамините са канцерогенни, поради което хлорирането на отпадъчни води в ЕС не се поощрява • Необходимост от използване на голямо количество хлор за постигане на желания ефект • Необходимост от непрекъснато следене и поддържане на рН = 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

8. Раздел IV. Тема 17Методи, 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 (NH4+ < 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 NH4+. Отстраняването на амониевите йони от отпадъчните води се дължи на тяхното вграждане в йонната решетка - R на клиноптилолита, където те изместват натриевите йони:

9. Раздел IV. Тема 1717.3. Физико-химични методи (йонообмен) Присъствието на други йони в разтвора (напр. – Са+2 ) влошават ефекта на отстраняване на NH4+, тъй като са негови конкуренти в йонообменния процес. След насищането на йонита с отстранените от разтвора йони, той се регенерира с наситен разтвор на CaCl2илиNaCl, чиито общ обем е около 10 - 30 пъти по-голям от този на филтърния пълнеж при промивна интензивност 4 l/s.m2. 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 NH4+се реализира на практика в напорни йонобменни филтри, които имат конструкция, подобна на тази на напорните бързи пясъчни филтри, използвани при пречистване на природни води.

10. Раздел IV. Тема 1717.3. 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 – 1,5 m • Повърхностно хидравлично натоварване – 2 – 6 l/s.m2 • 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 рН, 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

11. Раздел IV. Тема 17Методи, 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 → NH4+) • Биохимична трансформация на амония (нитрификация) • Биохимична трансформация на нитратите (денитрификация)

12. Раздел IV. Тема 17Методи, процеси и съоръжения за пречистване набитови отпадъчни води 17.4. Биологични методи • Нитрификация / Денитрификация • Нови методи • Метод SHARON/Anammox • Метод NOx

13. Раздел IV. Тема 1717.4. 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 БПК5/kg СВ.d • Кислородна необходимост ORL = 4,57g O2/g [NH4+ -N] • Органичните вещества инхибират процесите

14. 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 : [NО3- -N]D ≥ 8,6 • Специфично количество на отделения кислород – 2,85 g O2/g [NО3- -N] • Процесът е анаеробен (безкислороден) • Участвуващите бактерии са хетеротрофи (Pseudomonas) • Разтвореният кислород над 0,1 mg/l инхибира процеса (при О2 = 0,2 mg/lскоростта му намалява 2 пъти а при О2 = 2 mg/lнамалява 10 пъти)

15. Раздел IV. Тема 1717.4. Биологични методи Основни технологични схеми: • Биостъпало с последващо включена (по отношение на аеробния реактор) денитрификация (пост-денитрификация) • Биостъпало с предварително включена денитрификация (пред-денитрификация) • 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)

16. Раздел IV. Тема 1717.4. 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

17. Раздел IV. Тема 1717.4. Биологични методи Технологична схема с едновременна (симултанна) нитрификация/денитрификация, реализирана чрез биореактор тип Carousel

18. Q ANOX QNО3 AER QРУ ВУ QИАУ Q Раздел IV. Тема 1717.4. Биологични методиОсновни технологични схеми Биостъпало с предварително включена денитрификация Основни технологични зависимости: • Рециркулационноотношение за акт. утайки – nу • Рециркулационноотношение за нитратния поток – nN • Степен на денитрификация – ηD Ninc = pN .XРУ .QИАУ ; pN = 0,08 – 0,12 • Действително рециркулационно отношение – nN,д

19. Раздел IV. Тема 1717.4. 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 – NO2 или NO в аеробни или анаеробни условия)

20. Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Нитритификация (частична нитрификация) нитрификация денитрификация N2 NH4 75% O2 нитритификация 40% метанол Nitrosomonas Nitrosomonas NO2 NO2 инхибиране 25% O2 Nitrobacter 60% метанол NO3

21. Нитритификация – основен процес във всички нови технологии за биологично отстраняване на азот Условия за инхибиране на Nitrobacter: • Висока температура – t0 = (30÷ 35)0 C • и кратък времепрестой – HRT = 1d 2. Ниско съдържание на О2 < 0.78 mg/l. 3. По-високи рН стойности: рН = 7.8 ÷ 8 (NH3 > 1mg/l) 4. При концентрация на нитрити: NO-2 > 20mg/l 5. В присъствието на газообразни азотни окиси - NO и NO2.

22. 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 N2 NH4 пълна нитритификация 75% O2 NO2 инхибиране 25% O2 Nitrobacter NO3 частична нитритификация

23. 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 - 1.5d; • проточен реактор без рециркулация на утайката; • високи температури – 350С;

24. Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води Метод Sharon/Anammox 50%NH4+ 50%NO2 = 95%N2+ 5% NO3 Денитрификация

25. 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.

26. Метод NOx нитрификационна зона 60%N2 денитрификационна зона 75% O2 aerobic Nitrosomonas нитритификация 40%NO2- NH4+ NO2- Nitrosomonas NOгаз 2NO2=газ N2O4газ NOгаз Метод NOx NO2газ NOx: NH4+ = 1:1000 50% O2 NO2газ

27. Метод NOx 75% O2 anoxic нитритификация NH4+ NO2- Nitrosomonas NOгаз 2NO2=газ N2O4газ NOгаз Метод NOx NO2газ 50% O2 NO2газ непрекъснато подаване на NOx

28. 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

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