Transcript Document 7607390
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, NO x )
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 NO 3 -
и
2
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 рН:
NH
3
H
2
O
NH
4
OH
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.
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:
Cl
2
H
2
O
HOCl
H
Cl
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:
NH
4
HOCl
NH
2
Cl
H
2
O
H
NH
2
Cl
HOCl NHCl
2
HOCl
NHCl
2
H
NCl
3
H
2
O
2
O
монохлорамин дихлорамин азотен трихлорид
5
Раздел IV. Тема 17 17.2. Химични методи (окисление)
При Cl
2
: NH
4 +
= 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 хлорамините се разпадат до молекулярен азот:
NH
2
Cl
2
NH
2
Cl NHCl
2
HOCl
N
2
N
2 3
H
3
H
3
Cl
3
Cl
H
2
O
или общо
3
Cl
2 2
NH
4
N
2 8
H
6
Cl
киселина За да протекат напълно горните реакции, практически е необходимо да се осигури рН = 9, както и спазването на следното съотношение:
Cl
2 :
NH
4 10 : 1 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 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
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:
(
Na
)
R
NH
4 (
NH
4 )
R
Na
8
Раздел IV. Тема 17 17.3. Физико-химични методи (йонообмен)
Присъствието на други йони в разтвора (напр. – Са +2 ефекта на отстраняване на NH
4 +
йонообменния процес.
,
) влошават тъй като са негови конкуренти в След насищането на йонита с отстранените от разтвора йони, той се регенерира с наситен разтвор на CaCl при промивна интензивност 4 l/s.m
2
.
2
или NaCl, чиито общ обем е около 10 - 30 пъти по-голям от този на филтърния пълнеж 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 практика в напорни йонобменни
4 +
филтри, се реализира на които филтри, използвани при пречистване на природни води.
имат конструкция, подобна на тази на напорните бързи пясъчни
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 – 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 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
10
Раздел IV. Тема 17 Методи, съоръжения и технологични схеми за отстраняване на азот
Биохимични трансформации на азотните съединения:
• •
Биохимична трансформация на карбамида (амонификация)
CO
(
NH
2 ) 2 2
H
2
O
(
NH
4 ) 2
CO
3 (
NH
4 ) 2
CO
3 2
NH
3
CO
2
H
2
O
Биохимична трансформация на органичния азот (амонификация)
–
Чрез последователни биохимични реакции органичният азот трансформира до амониев азот (полипептиди → амино-киселини → NH
4 +
) се
• •
Биохимична трансформация на амония (нитрификация)
2
NH
4 3
O
2 2
NO
2 2
H
2
O
4
H
E
1 2
NO
2
O
2 2
NO
3
E
2
Биохимична трансформация на нитратите (денитрификация)
2
NO
3 2
H
N
2
H
2
O
2 , 5
O
2 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 NO x
12
Раздел IV. Тема 17
17.4.
Биологични методи
Нитрификация / Денитрификация
Нитрификация
I фаза: нитритификация (Nitrosomonas)
2
NH
4 3
O
2 2
NO
2 2
H
2
O
4
H
E
1
II фаза: нитрификация (Nitrobacter)
2
NO
2
O
2 2
NO
3
E
2 • • • •
Технологични условия за протичане на процесите на нитрификация: Възраст на биомасата θ
x
Утайково натоварване R
у
> 8 – 12 d < 0,12 – 0,20 kg БПК
5 /kg СВ.d
Кислородна необходимост O
RL
= 4,57 g O
2 /g [NH
Органичните вещества инхибират процесите
4 + - N]
13
Раздел IV. Тема 17 17.4. Биологични методи
Денитрификация:
Дефиниция: Анаеробно окисление на въглеродо-съдържащи органични вещества чрез нитрати като акцептори на електрони
5
C
6
H
12
O
глюкоза
6 24
KNO
3 24
KHCO
3 6
CO
2 12
N
2 18
H
2
O
2
NO
3 2
H
N
2
H
2
O
2 , 5
O
2 • • • • •
Технологични условия за протичане на процеса денитрификация: Теоретически необходимо съотношение ХПК : [NО 3 - N] D Специфично количество на отделения кислород – 2,85 ≥ 8,6
g O 2 /g [NО 3 -
Процесът е анаеробен (безкислороден)
- N]
Участвуващите бактерии са хетеротрофи (Pseudomonas) Разтвореният кислород над 0,1 mg/l инхибира процеса (при О 2 скоростта му намалява 2 пъти а при О 2 = 0,2 mg/l = 2 mg/l намалява 10 пъти)
14
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 (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)
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 и. Биостъпало с реактори по схема А/О
16
Раздел IV. Тема 17 17.4. Биологични методи
Технологична схема с едновременна (симултанна) нитрификация/денитрификация, реализирана чрез биореактор тип Carousel
17
Q РУ Q ИАУ Q ANOX AER ВУ Q
Раздел IV. Тема 17 17.4. Биологични методи
Основни технологични схеми Биостъпало с предварително включена денитрификация
Основни технологични зависимости:
Q NО3 • • • •
Рециркулационно отношение за акт. утайки – n
у
n РУ
Q РУ Q
X РУ X
X
Рециркулационно отношение за нитратния поток – n
N
n N
Q NO
3
Q
1
D
D
Степен на денитрификация – η
D
D
N
0
N e
N inc N
0
N inc = p N .X
РУ .Q
ИАУ ; p N
= 0,08 – 0,12 Действително рециркулационно отношение – n
N,д
n N
,
д
n N
n ру
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
•
NO x (с добавяне на газ – NO 2 условия) или NO в аеробни или анаеробни
19
Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води
Нитритификация
(частична нитрификация) нитрификация NH 4 75% O 2 нитритификация денитрификация N 2 40% метанол NO 2 инхибиране 25% O 2 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 и кратък времепрестой – HRT = 1d C 2. Ниско съдържание на О 2 < 0.78 mg/l.
3. По-високи рН стойности: рН = 7.8 ÷ 8 (NH 3 > 1mg/l) 4. При концентрация на нитрити: NO 2 > 20mg/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 NH 4 75% O 2 пълна нитритификация N 2 NO 2 инхибиране 25% O 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 - 1.5d;
•
проточен реактор без рециркулация на утайката;
•
високи температури – 35 0 С;
23
Нови методи за отстраняване на азот от отпадъчни води
Метод Sharon/Anammox
Денитрификация
50%NH 4 + 50%NO 2 = 95% N 2 + 5% NO 3 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
75% O 2 NH 4 + Метод NO x
aerobic
нитритификация Nitrosomonas
60%
NO
Nitrosomonas
2
2NO 2 газ = N 2 O 4 газ Метод NO x NO газ NO газ
N 2 -
40%
NO 2 -
NO x : NH 4 + = 1:1000 NO 2 газ NO 2 газ нитрификационна зона 50% O 2
75% O 2 NH 4 + Метод NO x
anoxic
нитритификация Nitrosomonas
2NO 2 газ = N 2 O 4 газ
NO 2
Метод NO x NO газ NO газ
-
NO 2 газ NO 2 газ 50% O 2 непрекъснато подаване на NO x 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