Document 7607390

Download Report

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