PL187475B1 - Sposób oczyszczania ścieków zawierających amoniak - Google Patents

Abstract

1. Sposób oczyszczania scieków zawiera- -jacych amoniak, w którym w pierwszym eta- pie scieki zawierajace amoniak poddaje sie nitryfikacji przez zastosowanie nitryfikacyj- nego mikroorganizmu i przez dodanie tlenu, z wytworzeniem roztworu zawierajacego produkt utleniania amoniaku, i w drugim etapie produkt utleniania amoniaku razem z amoniakiem przeksztalca sie w azot po- przez dzialanie denitryfikacyjnego mikro- ogranizmu, znamienny tym, ze stosuje sie scieki zawierajace wodoroweglan, które sa zasadniczo pozbawione wodoroweglanu przez . napowietrzanie i w pierwszym etapie utrzy- muje sie pH = 7,2 przez kontrolowanie na- powietrzania, przy czym czesc amoniaku zawartego w sciekach przeksztalca sie w azotyn z wytworzeniem roztworu zawiera- jacego azotyn i w drugim etapie mikroorga- nizm denitryfikacyjny zuzywa tak wytwo- rzony azotyn jako utleniacz dla pozostalego amoniaku. FIG. PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób oczyszczania ścieków zawierających amoniak, w którym w pierwszym etapie ścieki zawierające amoniak poddaje się nitryfikacji z zastosowaniem nitryfikacyjnego mikroorganizmu i dodaniem tlenu, z wytworzeniem roztworu zawierającego produkt utleniania amoniaku i w drugim etapie produkt utleniania amoniaku razem z amoniakiem przekształca się w azot pod wpływem denitryfikacyjnego mikroorganizmu.

Sposób taki jest znany z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5078884. Azotan wytworzony w procesie utleniania amoniaku stosowany jest jako utleniacz do przekształcania, w zasadniczo anaerobowych warunkach i przy pomocy mikroorganizmu, amoniaku, który jeszcze nie uległ rozpadowi i który jest donorem elektronów. Podczas tego procesu wytwarzany jest azot, który jest odprowadzany do atmosfery.

Wadą tego sposobu jest to, że nie ma pewności rozpadu amoniaku, jak można zauważyć na (prawej połowie) fig. 2 tej publikacji. Oznacza to, że może mieć miejsce odprowadzanie do wód powierzchniowych niepożądanych wypływów. Aby temu zapobiec wymagane byłyby

187 475 różnego rodzaju inwestycje, takie jak sprzęt do kontroli i pomiarów. W końcu, sposób ten wymaga dodatku ługu (zob. równanie reakcji 5 wymienionej publikacji), który musi być także kontrolowany.

Celem wynalazku jest ulepszenie sposobu wskazanego we wstępie, a zwłaszcza dostarczenie efektywnego pod względem kosztów i bardziej pewnego sposobu, który nie wymaga dodatków i częściowo z tego względu jest prostszy z punktu widzenia kontroli technologicznej.

Nieoczekiwanie okazało się, że cel ten można osiągnąć poprzez sposób, który charakteryzuje się zastosowaniem ścieków zawierających wodorowęglan, które są zasadniczo pozbawione wodorowęglanu poprzez napowietrzanie i utrzymywanie w pierwszym etapie pH < 7,2 poprzez kontrolowanie napowietrzania, przy czym część amoniaku obecnego w ściekach przekształca się do azotynu z wytworzeniem roztworu zawierającego azotyn, i w drugim etapie denitryfikacyjny mikroorganizm zużywa tak wytworzony azotyn jako utleniacz dla pozostałego amoniaku.

Tego rodzaju sposób dostarcza poważnych korzyści, z których jedna polega na tym, że jest to sposób o zasadniczo bardziej samoregulującym się charakterze. Ponadto unika się stosowania dodatków;

Ze stanu techniki znany jest sposób obejmujący etap nitryfikacji, w którym amoniak przekształca się do azotynu. W etapie denitryfikacji azotyn przekształca się do azotu podczas dodawania źródła węgla organicznego jako substratu dla organizmu denitryfikacyjnego. Jako źródło węgla organicznego stosuje się metanol. Podczas rozkładu metanolu, kwas, który powstaje podczas etapu nitryfikacji zużywa się, zapewniając kontrolę pH procesu denitryfikacji. Wadą tego nieciągłego sposobu jest to, że wymagany jest dodatek oraz kontrolowanie czasu i kontrolowanie wsadu substratu. Nie w każdych warunkach łączna konwersja amoniaku jest satysfakcjonująca i wynosi najwyżej 90%, z tego powodu często wymagana jest często kolejna obróbka.

Pierwsza korzystna odmiana sposobu charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie ścieki zawierające amoniak ładuje się do reaktora nitryfikacyjnego w takiej ilości, że reaktor nitryfikacji działa bez retencji osadu, temperatura roztworu poddawanego nitryfikacji utrzymywana jest pomiędzy 25 a 60°C oraz pH pomiędzy 6 a 7,2.

W ten sposób stwarzane są korzystne warunki do przekształcania amoniaku w azotyn, a nie w azotan.

W drugim etapie, temperatura roztworu w reaktorze denitryfikacyjnym, poddawanego denitryfikacji utrzymywana jest korzystnie pomiędzy 25 a 60°C oraz pH pomiędzy 6 a 9.

W ten sposób stwarzane są korzystne warunki dla przekształcenia azotynu i amoniaku w azot.

Zgodnie z drugą korzystną postacią sposobu według wynalazku, pierwszy etap i drugi etap prowadzi się jednocześnie w jednym bioreaktorze, w którym to bioreaktorze znajdują się w fazie stałej mikroorganizmy nitryfikacyjny i denitryfikacyjny, przy czym nitryfikacyjny mikroorganizm znajduje się zasadniczo w zewnętrznej aerobowej części fazy stałej, a denitryfikacyjny mikroorganizm znajduje się zasadniczo w wewnętrznej anaerobowej części fazy stałej a tlen, w zależności od stężenia amoniaku w bioreaktorze, jest dostarczany w ilości limitującej pierwszy etap.

Korzyścią tego sposobu jest to, że wymaga on tylko jednego reaktora. Korzystnie nieco chropowaty nośnik zawiera biofilm, to jest warstwę zawierającą nitryfikacyjny mikroorganizm i denitryfikacyjny mikroorganizm i pierwszy etap ma miejsce w zewnętrznej aerobowej części biofilmu. Z powodu ograniczenia ilości tlenu, ta zewnętrzna aerobowa część biofilmu nie jest w stanie przekształcić więcej niż 50% dostarczonego amoniaku i amoniak razem z azotynem wytworzonym w zewnętrznej, aerobowej części biofilmu, będzie przekształcony w wewnętrznej aerobowej części biofilmu w azot. Faza stała może składać się z samorzutnie wytworzonych agregatów.

Korzystnie jako fazę stałą stosuje się fazę wybraną z biofilmu z zawieszonym rozdrobnionym cząstkowym nośnikiem i biofilmu z unieruchomionym nośnikiem.

Jeśli nośnik jest rozdrobniony, wielkość nośnika wynosi korzystnie od 0,1 do 1 mm. W ten sposób dostarcza się biomasy o wysokiej gęstości i można ograniczać rozmiar

187 475 bioreaktora. W typowym przypadku obciążenie amoniakiem powierzchni biofilmu jest większe niż 2-3 N/m² · dzień. Korzystna jest pewna chropowatość powierzchni nośnika.

W drugim etapie temperatura roztworu poddawanego reakcji denitryfikacji-nitryfikacji w reaktorze korzystnie utrzymywana jest pomiędzy 5 a 60°C, a pH pomiędzy 6 a 9.

To stwarza korzystne warunki do przekształcenia amoniaku w azot.

Wynalazek zostanie dalej wyjaśniony poprzez szczegółowy poniższy opis odnoszący się do przykładu sposobu według wynalazku, którego parametry podano na załączonej figurze.

Sposób według wynalazku obejmuje reakcję nitryfikacji i reakcję denitryfikacji. Jak można zobaczyć na ogólnym równaniu reakcji I pokazanym na Arkuszu Równań i jak wynika z poniższego, nie są potrzebne środki korygujące pH. Nitryfikacja zgodnie z równaniem reakcji II daje dwa równoważniki protonów na przekształcany równoważnik amoniaku. W ściekach, które mogą być obrabiane sposobem według wynalazku, HCO3'jest przeciwjonem jonu amonowego. Przykłady takich ścieków obejmują ścieki perkolacyjne z wysypisk odpadów i odciek z aerobowego oczyszczania. Zasilanie powietrzem potrzebnym do utleniania amoniaku podczas reakcji nitryfikacji, zapewnia także, że usuwany jest CO2 zgodnie z równaniem reakcji III.

Odpowiednio reakcja nityfikacji ma wydajność netto jednego równoważnika kwasu na przekształcony równoważnik amoniaku. Reakcja denitryfikacji odpowiednio do równania reakcji IV wymaga jednego równoważnika kwasu na przekształcony równoważnik amoniaku. Oznacza to, że zastosowanie odcieku pozbawionego CO2 z reaktora nitryfikacji nie wymaga korygowania pH.

Poprzez usunięcie CO2 roztwór poddany nitryfikacji jest pozbawiony HCO3·, co obniża zdolność buforującą roztworu.

To oznacza, że jego pH może się wahać, w szczególności może spadać odpowiednio do wytwarzania kwasu w tym etapie. Parametr pK dla HCO3', to znaczy pH, przy którym HCO3' buforuje optymalnie wynosi 6,37. Spadek pH wywołuje proces nitryfikacji i amoniak jest przekształcany tylko częściowo, ale zgodnie z wynalazkiem, do wymaganego zakresu (mianowicie do 50%). W rezultacie dostępna jest odpowiednia ilość amoniaku do następującego potem procesu denitryfikacji, który zużywa kwas i w związku z tym korzysta z niskiego pH.

Bez odniesienia do jakiejkolwiek teorii, zgłaszający stwierdził, że dobra jakość kontrolowania osiągana jest w związku z tym, ze organizm nitryfikacyjny dostrzega tylko NH3 i HNO2 a nie NH4 i NCO2’. Kiedy pH spada, stężenie NH3 (substratu) zmniejsza się, a stężenie HNO2, które hamuje reakcję nitryfikacji, zwiększa się.

Przykład.

Uruchomiono reaktor okresowy z mieszaniem (2,4 l) bez retencji osadu i napełniono ściekami bogatymi w amoniak (41 mM; pH = 8,0). W ciągu dnia napełniono raktor do 80% objętości. Utrzymywano temperaturę 33°C i stężenie rozpuszczonego tlenu 20%. W tych warunkach stężenie biomasy wynosiło 140 mg suchej masy na litr. Odciek z reaktora wynosił około 6,7. Uwaga : nie korygowano pH przez dodatek związku substratu takiego jak metanol. Przekształcono 40-50% amoniaku w ściekach.

Odciek w ilości 1,2 ml/min załadowano do reaktora ze złożem fluidalnym (o pojemności 2 l). Wartość pH w reaktorze ze złożem fluidalnym była stabilna i wynosiła około 7,9.

Azot KjeldahTa przekształcono w reaktorze ze złożem fluidalnym z szybkością 0,6 kg N/m3 · dzień. Łączne usunięcie azotu wynosiło 83%. Odpowiednie parametry przedstawiono na figurze. Procent ten można zwiększyć przez zawrócenie części odcieku z reaktora ze złożem fluidalnym do reaktora okresowego. Z uwagi na stabilność pH w reaktorze ze złożem fluidalnym, ilość odcieku zawracana nie jest bardzo krytyczna i może być ustawiona jako stała wielkość.

Zbyt duże zawracanie powoduje zwiększenie rozpadu amoniaku w reaktorze okresowym. To powoduje spadek zużycia kwasu w reaktorze ze złożem fluidalnym, w wyniku czego rozpad amoniaku znowu się zmniejsza.

Chociaż sposób według wynalazku ma charakter zasadniczo samoregulujący się i automatycznie skutkuje łącznym rozpadem amoniaku, w co najmniej 80%, to pH zawartości

187 475 reaktora nitryfikacji może być ewentualnie dostosowane przez dostarczenie odcieku z reaktora denitryfikacji. Nie dodaje się wiec jakiegokolwiek dodatku z zewnątrz.

Zgodnie z inną postacią sposobu według wynalazku, ścieki ładuje się do etapu nitryfikacji. W czasie denitryfikacji stosuje się amoniak ze strumienia odpadowego i część z reaktora denitryfikacyjnego ładuje się do reaktora nitryfikacyjnego. Tutaj wytwarza się azotyn, który jest ładowany do reaktora denitryfikacyjnego.

W przypadku, kiedy odciek z etapu denitryfikacji jest wyładowywany, odciek ten może być najpierw poddany etapowi nitryfikacji w celu uniknięcia wyładowywania azotynu.

Odpowiednie mikroorganizmy można otrzymać bez większego trudu z istniejących instalacji oczyszczania ścieków, w których rozkłada się amoniak, w sposób opisany w literaturze. Alternatywnie, kultury do denitryfikacji można otrzymać z Centraal Bureau voor Schimmelcultures, Baam, Holandia, zarejestrowane pod numerem 949.87.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oczyszczania ścieków zawierających amoniak, w którym w pierwszym etapie ścieki zawierające amoniak poddaje się nitryfikacji przez zastosowanie nitryfikacyjnego mikroorganizmu i przez dodanie tlenu, z wytworzeniem roztworu zawierającego produkt utleniania amoniaku, i w drugim etapie produkt utleniania amoniaku razem z amoniakiem przekształca się w azot poprzez działanie denitryfikacyjnego mikroogranizmu, znamienny tym, że stosuje się ścieki zawierające wodorowęglan, które są zasadniczo pozbawione wodorowęglanu przez napowietrzanie i w pierwszym etapie utrzymuje się pH < 7,2 przez kontrolowanie napowietrzania, przy czym część amoniaku zawartego w ściekach przekształca się w azotyn z wytworzeniem roztworu zawierającego azotyn i w drugim etapie mikroorganizm denitryfikacyjny zużywa tak wytworzony azotyn jako utleniacz dla pozostałego amoniaku.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w pierwszym etapie ścieki zawierające amoniak ładuje się do reaktora nitryfikacji w ilości takiej, żeby reaktor nitryfikacji pracował bez retencji osadu, a temperaturę roztworu poddawanego nitryfikacji utrzymuje się pomiędzy 25 a 60°C a pH pomiędzy 6 a 7,2.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w drugim etapie temperaturę roztworu poddawanego denitryfikacji w reaktorze denitryfikacyjnym korzystnie utrzymuje się pomiędzy 25 a 60°C, a pH pomiędzy 6 a 9.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pierwszy etap i drugi etap przeprowadza się jednocześnie w jednym bioreaktorze, w którym to bioreaktorze mikroorganizm nitryfikacyjny i mikroorganizm denitryfikacyjny znajdują się w fazie stałej, przy czym nitryfikacyjny mikroorganizm jest zasadniczo obecny w zewnętrznej aerobowej części fazy stałej, mikroorganizm denitryfikacyjny jest zasadniczo obecny w anaerobowej wewnętrznej części fazy stałej, a tlen w zależności od stężenia amoniaku w bioreaktorze dostarcza się w ilości limitującej pierwszy etap.
5. 5. Sposób według zastrzeżenia 4, znamienny tym, że jako fazę stałą stosuję się fazę wybraną spośród biofilmu z zawieszonymi rozdrobnionymi cząstkami nośnika i biowarstwy z naniesionym nieruchomym nośnikiem.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że temperaturę roztworu w reaktorze poddawanego denitryfikacji-nitryfikacji utrzymuje się pomiędzy 5 a 60°C a pH pomiędzy 6 a 9.