?????????? ? ???????? ??????? Sequencing Batch Reactor SBR

Document Sample
?????????? ? ???????? ??????? Sequencing Batch Reactor SBR Powered By Docstoc
					                  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, NOx)                              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, NH4+
   – Амоняк, NH3
   – Нитрати, NO3-,нитрити NO2-, около 0 – 3 % от общото количество N

• Органични съединения – около 1/3 от общото количество N
   – Карбамид, CO(NH2)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, NH3 и NH4+
   – Неорганичен азот – включва NO2- и NO3-
   – Общ азот – сума от общия азот по Kieldal и неорганичния азот - NO2-
     и NO3-

                                                                        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 2O  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 m3 (2000 – 3000 m3 въздух/m3 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:
Cl2  H 2O  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 2Cl  H 2O  H        монохлорамин

 NH 2Cl  HOCl  NHCl 2  H 2O           дихлорамин

 NHCl 2  HOCl  NCl3  H 2O             азотен трихлорид
                                                             5
               Раздел IV. Тема 17
       17.2. Химични методи (окисление)
При Cl2 : NH4+ = 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             киселина
хлорамините се разпадат до молекулярен азот:
                    
NH 2Cl  NHCl 2  N 2  3H   3Cl 
                    
2 NH 2Cl  HOCl  N 2  3H   3Cl   H 2O
или общо
                 
3Cl2  2 NH 4  N 2  8 H   6Cl 
За да протекат напълно горните реакции, практически е
необходимо да се осигури рН = 9, както и спазването на следното
съотношение: Cl : NH   10 : 1
                  2     4
                                                              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 (NH4+ < 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 NH4+.

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 ) влошават
ефекта на отстраняване на NH4+, тъй като са негови конкуренти в
йонообменния процес.

След насищането на йонита с отстранените от разтвора йони, той
се регенерира с наситен разтвор на CaCl2 или NaCl, чиито общ
обем е около 10 - 30 пъти по-голям от този на филтърния пълнеж
при промивна интензивност 4 l/s.m2.

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 NH4+ се реализира на
практика в напорни йонобменни филтри, които имат
конструкция, подобна на тази на напорните бързи пясъчни
филтри, използвани при пречистване на природни води.
                                                              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.m2
•   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 2O  ( NH 4 ) 2 CO3   ( NH 4 ) 2 CO3  2 NH 3  CO2  H 2O
• Биохимична трансформация на органичния азот (амонификация)
   – Чрез последователни биохимични реакции органичният азот се
     трансформира до амониев азот (полипептиди → амино-киселини → NH4+ )

• Биохимична трансформация на амония (нитрификация)
       
  2 NH 4  3O2  2 NO2  2 H 2O  4 H   E1
                                                     
                                                  2 NO2  O2  2 NO3  E2
• Биохимична трансформация на нитратите (денитрификация)
                
  2NO3  2H   N2  H 2O  2,5O2
                                                                             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 NOx



                                              12
                Раздел IV. Тема 17
             17.4. Биологични методи

        Нитрификация / Денитрификация

                    Нитрификация

I фаза: нитритификация (Nitrosomonas)
                  
2 NH 4  3O2  2 NO2  2 H 2O  4 H   E1
II фаза: нитрификация (Nitrobacter)
        
    2 NO2  O2  2 NO3  E2
Технологични условия за протичане на процесите на
нитрификация:
•    Възраст на биомасата θx > 8 – 12 d
•    Утайково натоварване Rу < 0,12 – 0,20 kg БПК5/kg СВ.d
•    Кислородна необходимост ORL = 4,57 g O2/g [NH4+ - N]
•    Органичните вещества инхибират процесите
                                                             13
                       Раздел IV. Тема 17
                    17.4. Биологични методи
                          Денитрификация:

Дефиниция: Анаеробно окисление на въглеродо-съдържащи
           органични вещества чрез нитрати като акцептори на
           електрони
                                         
5C6 H12O6  24KNO3  24KHCO3  6CO2  12N2 18H 2O
    глюкоза

              
2NO3  2H   N2  H 2O  2,5O2
Технологични условия за протичане на процеса денитрификация:
•    Теоретически необходимо съотношение ХПК : [NО3- - N]D ≥ 8,6
•    Специфично количество на отделения кислород – 2,85 g O2/g [NО3- - N]
•    Процесът е анаеробен (безкислороден)
•    Участвуващите бактерии са хетеротрофи (Pseudomonas)
•    Разтвореният кислород над 0,1 mg/l инхибира процеса (при О2 = 0,2 mg/l
     скоростта му намалява 2 пъти а при О2 = 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
                         Раздел IV. Тема 17
                      17.4. Биологични методи
                      Основни технологични схеми

                     Биостъпало с предварително включена денитрификация
         Q                   Основни технологични зависимости:

       ANOX          • Рециркулационно отношение за акт. утайки – nу
                                QРУ       X
                        nРУ        
              QNО3
                                 Q    X РУ  X
                     • Рециркулационно отношение за нитратния поток – nN
                                      
 QРУ   AER                   QNO    
                        nN        D
                                    3

                              Q     1  D
                     • Степен на денитрификация – ηD
        ВУ                      N 0  N e  N inc
                        D                         Ninc = pN .XРУ .QИАУ ; pN = 0,08 – 0,12
                                      N0
QИАУ     Q
                     • Действително рециркулационно отношение – nN,д
                         nN ,д  nN  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

• NOx (с добавяне на газ – NO2 или NO в аеробни или анаеробни
  условия)




                                                               19
     Нови методи за отстраняване на азот
              от отпадъчни води
                  Нитритификация
                  (частична нитрификация)

   нитрификация                       денитрификация
         NH4                                N2
                     нитритификация
75% O2                                      40% метанол


               NO2                    NO2
инхибиране

         25% O2                        60% метанол


                           NO3

                                                       20
     Нитритификация – основен процес във всички нови
      технологии за биологично отстраняване на азот
            Условия за инхибиране на Nitrobacter :

1.   Висока температура – t0 = (30 ÷ 35)0 C
     и кратък времепрестой – HRT = 1d

2. Ниско съдържание на О2 < 0.78 mg/l.

3. По-високи рН стойности: рН = 7.8 ÷ 8 (NH3 > 1mg/l)

4. При концентрация на нитрити: NO-2 > 20mg/l


5. В присъствието на газообразни азотни окиси - NO и NO2.




                                                            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                             N2
           NH4         пълна
   75% O2         нитритификация


                   NO2
    инхибиране

             25% O2



                          NO3              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 – 350С;


                                                             23
Нови методи за отстраняване на азот
         от отпадъчни води



     Метод Sharon/Anammox




                                 50%NH4 + 50%NO2
                                  = 95% N2 + 5%
                                       NO3


                Денитрификация
                                                  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
                               Метод NOx

                                  aerobic         60%N2
    75% O2
                                                    Nitrosomonas
                           нитритификация

           NH4+                                   NO2-               40%NO2-

                            Nitrosomonas


                                            NO     NO
        2NO2 = N2O4          Метод NOx      газ    газ
          газ        газ




                                 NO2
NOx: NH4+ = 1:1000                газ
                                                          50% O2
                                 NO2
                                  газ




                нитрификационна зона                      денитрификационна зона
                                                                          26
                     Метод NOx

75% O2                   anoxic


                 нитритификация

    NH4+                                NO2-
                  Nitrosomonas


                                  NO     NO
  2NO2 = N2O4        Метод NOx    газ    газ
   газ     газ




                        NO2
                        газ
                                               50% O2
                        NO2
                        газ        непрекъснато
                                  подаване на NOx

                                                        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

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:89
posted:6/13/2012
language:Bulgarian
pages:29