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

1. Раздел IVМетоди, процеси и съоръжения за пречистване набитови отпадъчни води Тема 18 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на фосфор • Химични методи за отстраняване на фосфор • Биологични методи за отстраняване на фосфор • Едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало

2. Раздел IV. Тема 18Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на фосфор Форми на фосфора в битовите отпадъчни води: • Неорганични съединения – около 90 % от общото количествоР • Полифосфати –P2O7-4 , P3O10-5, P3O9-3 • Ортофосфати – H2PO4- , HPO4-2 , PO4-3 (съотношението между формите зависи от рН) • Органични съединения - около 10 % от общото количествоР Произход на фосфора в битовите отпадъчни води: • От фекалните отпадъчни води – около 50 % от общото количествоР • От перилни препарати - около 50 % от общото количествоР

3. Раздел IV. Тема 18Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на фосфор 18.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Третиране с Al+3 и Fe+3или Fe+2 соли cтехиометрично тегловно отношениеAl : P = 0,87 : 1 специфично количество на утайката – 4,5 kg CB / kg Al или 3,9 kg CB / kg Р cтехиометрично тегловно отношениеFe : P = 1,8 : 1 специфично количество на утайката – 2,7 kg CB / kg Fe или 4,9 kg CB / kg Р cтехиометрично тегловно отношениеFe : P = 2,7 : 1 специфично количество на утайката – 2,1 kg CB / kg Fe или 5,7 kg CB / kg Р

4. Третиране с Ca+2 соли (вар) калциев хидрофосфат апатит cтехиометрично тегловно отношениеCa : P = 5,2 : 1 специфично количество на утайката – 2,1 kg CB / kg Ca или 10,9 kg CB / kg Р Забележки: Химичното третиране на отпадъчните води за отстраняване на фосфора изисква спазването на оптималните граници на изменение на рН, които за Al+3са 5,5 – 6, а за Fe+3 и Fe+2 са 4,5 – 5,5 Най-голямо количество утайки се образуват при третиране с вар, а най-малко – при третиране с Al+3 соли Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора

5. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Технологична схема с химично отстраняване на фосфор чрез дозиране на Al+3, Fe+3 или Fe+2 соли пред пъврвичния утаител 1 – първичен утаител; 2 – биобасейн; 3 – вторичен утаител

6. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Технологична схема с химично отстраняване на фосфор чрез дозиране на Al+3, Fe+3 или Fe+2 соли след вторичния утаител 1 – първичен утаител; 2 – биобасейн; 3 – вторичен утаител; 4 – смесител; 5 – камера за реакция; 6 – третичен утаител

7. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Технологична схема с химично отстраняване на фосфор чрез дозиране на Al+3, Fe+3 или Fe+2 соли в биобасейна (“симултанна коагулация”) 1 – първичен утаител; 2 – биобасейн; 3 – вторичен утаител

8. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Отстраняване на фосфора чрез кристализация В преситен воден разтвор на едновременно присъстващи магнезиеви, амониеви и ортофосфатни йони (какъвто може да бъде отпадъчната вода) в моларно съотношение Mg+2 : NH4+ : PO4-3 = 1 : 1 : 1 и при определена (значителна) турбуленция се образуват кристали на минерала струвит (съдържащ фосфор, ангажиран от разтвора), които лесно се утаяват: струвит Забележки: • Процесът протича при рН> 7,6 като оптималната му стойност е 8,6 • Размерът на струвитните кристали в утайката е 0,2 – 0,6 mm • В битовите отпадъчни води на входа на ПСОВ присъстват PO4-3 иNH4+йонив необходимото съотношение, но липсват достатъчно Mg+2 йони. Те се набавят чрез внасяне на разтвор на Mg(OH)2в третираните отпадъчни води • Процесът се реализира в реактори с псевдокипящ слой • Струвитът се използва като минерален фосфорен тор вместо минерала апатит, чийто ресурси са ограничени в природата

9. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора В ляво: схема на реактор-кристализатор за добиване на струвит от отпадъчни води Горе: микроскопска снимка на кристали струвит

10. Раздел IV. Тема 1818.1. Химични методи за отстраняване на фосфора Общ вид на реактори-кристализатори за добиване на струвит от отпадъчни води

11. Раздел IV. Тема 18Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на фосфор 18.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Както е известно, фосфорът е един от най-важните биогенни елементи (свързан с процесите на енергиен трансфер в живите клетки), поради което отстраняването му чрез биологични методи от отпадъчните води е естествено и най-икономично. Биологичното отстраняване на фосфора е свързано с последователното протичане на редица сложни биохимични процеси, всеки от които изисква определени оптимални условия (качества на отпадъчните води), които не винаги са налице в конвенционалните ПСОВ. Тези условия бяха изяснени достатъчно пълно едва в последното десетилетие, което откри пътя за по-широкото практическо приложение на биологичните методи за отстраняване на фосфора.

12. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор “Механизъм” на биологичното отстраняване на фосфора Установено е, че някои бактерии, присъстващи в активните утайки (принадлежащи към видовете Acinetobacer, Aeromonas, Pseudomonas и др.), при определени условия са способни да натрупват в своите клетки 3 – 4 пъти по-голямо количество фосфор (като полифосфати) в сравнение с микроорганизмите, ползващи директно в биобасейните органичния въглеродо-съдържащ субстрат (БПК) в постъпващите отпадъчни води. Тези бактерии са наречени условно “poly-P”(т.е., акумулиращи в по-големи количества полифосфати), а процеса на акумулиране е нареченусловно “luxury phosphorus uptake” (т.е., свръх натрупване на фосфор). Бактериите poly-P са факултативни микроорганизми, които при циклична смяна на аеробни с анаеробни условия на средата са се приспособили към съответна циклична смяна на метаболизма, субстрата и начина на дишане.

13. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор “Механизъм” на биологичното отстраняване на фосфора Процесите на биологично отстраняване на фосфора протичат последователно в две основни фази – анаеробна и аеробна. Процеси, протичащи в анаеробната фаза: • В строго анаеробни условия (липса на О2 и NO3-) и при наличието в разтвора на висши мастни киселини с къси вериги – ВМККВ (оцетна, маслена, пропионова, мравчена)като субстрат за бактериите poly-P, последните го трансформират в поли-β-хидроксибутират (poly-β-hydroxybutirate – PHB), който акумулират. • Горният процес се реализира чрез използване на част от наличната вътрешно-клетъчна енергия, която се освобождава за целта (т.е., разкъсват се макроергичните връзки в клетъчната субстанция, като аденозинтрифосфатът – АТФ преминава в аденозиндифосфат – АДФ) • В резултат на това в разтвора се освобождават допълнителни количества ортофосфати (т.е., той се замърсява допълнително с Р).

14. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Процеси, протичащи в аеробната фаза: • В аеробни условия и при отсъствието в разтвора на въглеродо-съдържащ субстрат (БПК), бактериите poly-P използват за енергийните си нужди вътрешно-клетъчния си С-субстрат (акумулирания РНВ). • При окислението на акумулирания РНВ се освобождава енергия, част от която се акумулира в бактериалните клетки (т.е., възстановяват се макроергичните връзки, като АДФ преминава отново в АТФ). • За реализирането на горния енергиен трансфер, бактериите poly-P ангажират наличния фосфор (ортофосфати) от разтвора в количества, превишаващи неговата наличност в постъпващите за пречистване отпадъчни води (luxury phosphorus uptake). • Така акумулираният фосфор се отстранява окончателно от системата с излишните активни утайки в които присъстват и бактериите poly-P. Последните съдържат фосфор в количество 6 – 8 % от сухото вещество (СВ), докато останалите бактерии (non-poly-P) го съдържат в количество 1 – 3 % от СВ. • При проточните системи цикълът се затваря чрез рециркулация на активните утайки към анаеробната зона (реактор).

15. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор За успешното реализиране на процесите на биологично отстраняване на фосфора е необходимо стриктното спазване на следните условия: • Наличие на достатъчно количество лесно биоразградим (разтворен) въглеродо-съдържащ субстрат (висши мастни киселини с къси вериги) в аеробното стъпало при съотношение ХПК : Р ≥ 50 : 1. • Пълно отсъствие на разтворен кислород и нитрати в анаеробния реактор, които биха осигурили конкурентно предимство на бактериите non-poly-P по отношение усвояването на въглеродо-съдържащия субстрат. • Избягване на дълъг хидравличен времепрстой в анаеробния реактор (HRT ≤ 0,5 – 1 h) с оглед предотвратяване освобождаването в разтвора на т.н. “лош фосфор” (ортофосфати, който се освобождават в резултат на дейността на бактериите non-poly-P при разграждането от тях на С-съдържащите органични вещества до висши мастни киселини с къси вериги). Тъй като бактериите non-poly-P не натрупват РНВ, то те не могат да ангажират наново в аеробния реактор допълнително освободения от тях фосфор (който поради това се нарича “лош Р”).

16. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Условия за биологично отстраняване на фосфора (продължение): • Поради ограничения хидравличен времепрестой в анаеробния реактор, там не може да се разчита на разграждането на С-съдържащите органични вещества до висши мастни киселини с къси вериги. Тяхното получаване може да се организира в отделен анаеробен реактор (наречен “пред-ферментатор” или само “ферментатор”) с по-дълъг хидравличен времепрестой (HRT = 18 – 30 h), където гниенето се реализира само в киселата си фаза. • Ферментатор, захранван с допълнителен С-субстрат (първични утайки, твърди битови отпадъци, промишлени течни отпадъци и др.) може да се предвиди и при силно разредени (т.н. “тънки”) отпадъчни води на входа на ПСОВ, при които съотношението ХПК : Р е под необходимото за пълното отстраняване на Р. В противен случай останалият биологически неразграден фосфор се налага да бъде отстранен с химично третиране.

17. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Технологичните схеми за биологично отстраняване на фосфор се класифицират в следните два основни вида: • Технологични схеми с отстраняване на фосфора в основния поток на отпадъчните води (схема на основния поток) • Биологично стъпало с последователно включени анаеробен и аеробен реактори тип смесители • Биологично стъпало с последователно включени анаеробен и аеробен реактори тип каскадни (схема тип А/О) • Биологично стъпало с цикличен биореактор – SBR • Биологично стъпало с последователно включени анаеробен и аеробен реактори и едновременно добавяне на метални соли (симултанна “коагулация”) за химично доотстраняване на фосфора • Технологични схеми с отстраняване на фосфора в утайковия рециркулационен поток (схема на страничния поток) • Схема Phostrip(с ферментатор и последващо третиране на утайковите води с метални соли или вар за ангажиране на фосфора) • Схема с пред-ферментатор за получаване на ВМККВ ипоследователно включени анаеробен и аеробен реактори тип смесители

18. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Схема с биологично стъпало с последователно включени анаеробен и аеробен реактори тип смесители Q Q Анаеробен реактор Аеробен реактор ВУ QРУ QИАУ

19. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Технологична схема тип А/О за биологично отстраняване на фосфор

20. Раздел IV. Тема 1818.2. Биологични методи за отстраняване на фосфор Схема Phostrip 1 – биореактор; 2 – вторичен утаител; 3 – камера за реакция/утаител; 4 - ферментатор

21. Раздел IV. Тема 18Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на фосфор 18.3. Едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало Едновременното отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало е съвременния подход за отстраняван на биогенните елементи в ПСОВ. За целта биологичното стъпало задължително включва последователно свързани анаеробен, безкислороден (anoxy, anoxic) и аеробен реактори следвани от вторичен утаител. Прилаганите в съвременната практика (последните две десетилетия) разнообразни технологични модификации с едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало претърпяват непрекъснато развитие и усъвършенстване, насочено към създаване на оптимални условия за съвместимо протичане на съответните биологични процеси и по-специално – за ограничаване достъпа на кислород до анаеробната и безкислородната зони.

22. Раздел IV. Тема 1818.3. Едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало Основни технологични схеми: • Модифицирана схема Bardenpho • Схема Phoredox • Схема Йоханесбург • Схема на Университета в Кейп Таун - UCT • Модифицирана схема UCT (MUCT) • Схема Rotanox • Комбинирана схема Phoredox/Phostrip • Схема Biodenipho • Схема EASC • Схема с цикличен биореактор – SBR • Схема с комбиниран безкислороден/аеробен реактор Carousel (симултанен метод) • Схема А2/О (анаеробен каскаден реактор пред схемата А/О)

23. Раздел IV. Тема 1818.3. Едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало Технологични схеми за едновременно биологично отстраняване на N и Р АН – анаеробен реактор БК – безкислороден реактор А – аеробен реактор У – вторичен утаител ПУ – първичен утаител

24. Раздел IV. Тема 1818.3. Едновременно отстраняване на азот и фосфор в биологичното стъпало Технологична схема Rotanox за едновременно отстраняване на азот и фосфор