Martin Pivokonský
8. přednáška, kurz Znečišťování a ochrana vod
Ústav pro životní prostředí PřF UK Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i. Tel.: 221 951 909 E-mail: [email protected]
Biologické odstraňování nutrientů
Nutrienty v odpadních vodách
Dusík (N) specifická produkce 12 g N na 1 obyvatele za 1 den
antropogenními zdroji jsou hlavně splašky, odpady ze zemědělství a splachy z půdy obdělávané pomocí dusíkatých hnojiv, některé průmyslové odpadní vody (potravinářství, tepelné zpracování uhlí…)
Fosfor (P) specifická produkce 2-3 g P na 1 obyvatele za 1 den
antropogenními zdroji jsou prací a čistící prostředky, živočišné odpady a některá hnojiva
Eutrofizace růst obsahu minerálních živin (nutrientů), zejména sloučenin N a P,
důsledkem je zvýšený rozvoj fotosyntetizujících organismů ovlivňujících jakost vody
Pivokonský, PřF UK, 2016/17 8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Odstraňování N v aktivačních systémech
z anorganických forem se ve splaškových vodách vyskytuje zejména dusík amoniakální, organický dusík pak zpravidla v redukovaném stavu N-III
dusičnanový a dusitanový dusík se zpravidla nevyskytují ve významných koncentracích (vzhledem k mikrobiální redukci ve stokové síti)
princip biologického odstraňování N:
oxidace na dusičnany a následné snižování jejich koncentrace na požadovanou hodnotu
podstatná část N je také využívána mikroorganismy pro syntézu biomasy (může obsahovat až 6-8 % N)
Pivokonský, PřF UK, 2016/17 8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Amonifikace
dusík vázaný v aminoskupině (-NH2) organických látek bílkovinné povahy je hydrolýzou konvertován na amoniakální dusík
prvním krokem je depolymerizace makromolekul bílkovin pomocí extracelulárních enzymů produkovaných mikroorganismy, vzniklé aminokyseliny jsou následně transportovány do buněk a dále degradovány
kromě amoniakálního dusíku vznikají při amonifikaci různé typy uhlíkatých sloučenin (alkoholy, mastné kyseliny…)
vznikající amoniakální dusík je následně dostupný pro nitrifikaci
Pivokonský, PřF UK, 2016/17 8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Nitrifikace
oxidace amoniakálního dusíku probíhající ve dvou stupních
1)
2)
při nitrifikaci mikroorganismy (chemolitotrofní nitrifikační bakterie) využívají energii produkovanou oxidací anorganických sloučenin
nitrifikace probíhá při oxických podmínkách (kyslík jako akceptor elektronu)
na 1. stupni se podílejí např. rody Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus na 2. stupni pak např. rody Nitrobacter, Nitrocystis
nitrifikační bakterie jsou pomalu rostoucí (řádově menší rychlost než ostatní mikroorganismy aktivovaného kalu) a v aktivovaném kalu mívají nízké zastoupení (do 3 %)
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
2 NH3 + 3 O2 2 NO2- + 2 H2O + 2 H+
2 NO2- + O2 2 NO3
-
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Nitrifikace Faktory: zpravidla nutná vyšší doba zdržení biomasy (stáří aktivovaného kalu)
– obvykle nad 10-13 dní koncentrace rozpuštěného kyslíku by neměla klesnout pod 1,5-2 mg.l-1
během nitrifikace hrozí nadměrný pokles pH (během první fáze jsou uvolňovány H+ ionty) při pH pod 7,0-7,2 dochází ke zpomalení nitrifikace při pH pod 6,0-6,4 nitrifikace ustává
optimální teplota pro čisté kultury je 28-32 °C (s klesající teplotou se snižuje rychlost nitrifikace)
nitrifikační bakterie jsou citlivé na řadu anorganických i organických látek z anorganických např. těžké kovy, kyanidy, kyanatany, neiontové
formy amoniaku z organických látek zejména ty, které obsahují v molekule síru a dusík
(např. allylthiomočovina) škodlivé látky mohou vznikat i během vlastní nitrifikace - autoinhibice
Pivokonský, PřF UK, 2016/17 8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Denitrifikace oxidované formy dusíku mohou být organismy využity asimilačně nebo
disimilačně
nitrátová asimilace – redukce dusičnanového dusíku na amoniakální, který může být využit v anabolických procesech, a tak být inkorporován do nově vznikající biomasy
nitrátová disimilace – dusičnanový a dusitanový dusík je využíván jako konečný akceptor elektronů místo kyslíku, konečný produkt je určován druhem mikroorganismu a podmínkami reakce
jako denitrifikace je označován proces, kdy je dusík redukován na N0, který uniká z vodního prostředí jako plynný dusík N2
denitrifikace probíhá za anoxických podmínek
procesu denitrifikace je schopna většina organotrofních bakterií (např. rody Pseudomonas, Micrococcus, Denitrobacillus)
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
5 CH3OH + 6 NO3- 3 N2 + 7 H2O + 5 CO2 + 6 OH-
3 CH3OH + 6 NO2- 3 N2 + 3 H2O + 3 CO2 + 6 OH-
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Faktory: denitrifikace může částečně nebo zcela kompenzovat pokles pH
způsobený nitrifikací
může probíhat v širokém rozmezí pH od 6 do 9
není výrazně ovlivňována teplotou
denitrifikační bakterie jsou oproti nitrifikačním obecně méně citlivé na podmínky okolního prostředí
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
Denitrifikace
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Aktivační systémy s predenitrifikací
mísení aktivovaného kalu s odpadní vodou za anoxických podmínek
umožňuje využít organické látky z odpadní vody jako substrát pro denitrifikaci
dusičnany vzniklé nitrifikací se vrací do denitrifikační zóny pomocí recirkulace
někdy se využívají systémy s opakovaným zařazením anoxických a oxických zón
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
přítok anoxická
zóna oxická zóna
dosazovací nádrž
odtok
interní recirkulace aktivační směsi
přebytečný aktivovaný kal
vratný aktivovaný kal
aktivační směs
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
Aktivace s předřazenou denitrifikací
a regenerací vratného aktivovaného kalu
regenerační zóna zvyšuje metabolickou aktivitu mikroorganismů aktivovaného kalu – zvyšování rychlosti
je umožněno dosahovat potřebného stáří kalu pro úplnou nitrifikaci
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
Aktivační systémy
se simultánní nitrifikací a denitrifikací
uspořádání aktivační nádrže umožňuje vznik anoxických zón (vyčerpáním kyslíku respirační aktivitou mikroorganismů) v oxickém reaktoru
Bioaugmentace
obohacování biocenózy nitrifikačními mikroorganismy kultivovanými v rámci ČOV
kultivátor je součástí aktivačního systému, umístění např. v proudu vratného kalu nebo v regenerační nádrži
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
v odpadních vodách se vyskytují zejména orthofosforečnany, polyfosforečnany a organicky vázaný fosfor
hydrolýzou polyfosforečnanů a degradací organických látek se však téměř veškerý fosfor transformuje na formu orthofosforečnanů
část fosforu je při biologickém čištění vždy odstraněna inkorporací do nově syntetizované biomasy (obsah P v sušině kalu cca 2 %)
bakterie schopné zvýšené akumulace fosforu do buněk ve formě polyfosfátů se nazývají poly-P bakterie (polyfosfátkumulující) – např. rody Acinetobacter, Klebsiella, Moraxella
pro navození zvýšené akumulace fosforu je nutné opakované střídání anaerobních a oxických kultivačních podmínek a přenos energie mezi těmito systémy (obsah P v sušině kalu pak může dosahovat až 9-10 %)
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
Odstraňování P v aktivačních systémech
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
fermentativními procesy vznikají v anaerobních podmínkách nižší alkoholy nebo nižší mastné kyseliny, důležitá je přítomnost kyseliny octové
poly-P bakterie si z těchto látek za anaerobních podmínek vytvářejí zásobní látku poly-β-hydroxymáselnou kyselinu – PHB (potřebná energie je uvolňována depolymerizací buněčných polyfosforečnanů)
po přechodu do oxických podmínek jsou zásobní látky oxidovány a přebytečná uvolněná energie je ukládána do buněčných polyfosforečnanů
za oxických podmínek kumulují poly-P bakterie jak fosfor uvolněný za anaerobních podmínek, tak fosfor dodaný odpadní vodou
fosfor je pak vázaný v přebytečném aktivovaném kalu, který je odebírán za oxických podmínek
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
Odstraňování P v aktivačních systémech
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
v aktivačních systémech může být odstraňování fosforu zařazeno jak v hlavní lince, tak mimo ni
samostatně nebo v kombinaci s biologických odstraňováním lze také aplikovat chemické srážení fosforu za využití anorganických solí (železnatých, železitých nebo hlinitých, zpravidla se jedná o sírany nebo chloridy)
chemické srážení fosforu lze provozovat jako:
předřazené – srážecí činidlo je dávkováno před usazovací nádrží, přičemž ale musí být vyloučena limitace fosforem při následném biologickém čištění
simultánní – srážecí činidlo je dávkováno do aktivační směsí před aktivační nádrží
po precipitaci – k chemickému srážení dochází za dosazovací nádrží, tedy po dokončení biologického čištění
lze dosáhnout téměř nulových odtokových koncentrací P
je nutný další separační stupeň – investiční náklady
Pivokonský, PřF UK, 2016/17
Odstraňování P
8. přednáška – Biologické odstraňováni nutrientů
