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