BE1010432A5

BE1010432A5 - Een automatisch meetinstrument voor het bepalen van de koolstofstikstof stoichiometrie en de reactiesnelheid van het denitrificatieproces en dat gebaseerd is op een ph-regelaar.

Info

Publication number: BE1010432A5
Application number: BE9600226A
Authority: BE
Inventors: Aseerd
Original assignee: Aquafin N V; Sev Trent Walter Ltd
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1998-08-04

Abstract

Een nieuw meetinstrument voor het biologische denitrificatieproces wordt beschreven. Het kan de nitraatconcentratie, de denitrificatie-stoichiometrie en de denitrificatie kinetiek meten op een robuuste manier zonder monstervoorbereiding. Een pH regelaar, toegepast op een monster dat denitrificerende bacteriën bevat, laat toe om de biologische denitrificatie reactie te volgen bij constante pH door de snelheid van zuurtoevoeging te registreren. De pH wordt constant gehouden om interferentie van bufferende bestanddelen tegen te gaan. De snelheid van zuurtoevoeging van de regelaar wordt gebruikt om - biodegradeerbare organische koolstof toe te voegen aan een monster dat nitraat bevat op dusdanige wijze dat de toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle nitraat om te zetten;- nitraat toe te voegen aan een monster dat biodegradeerbare organische koolstof bevat op dusdanige wijze dat de toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle biodegradeerbare organische koolstof om te zetten. Dit nieuwe meetinstrument is een antwoord op de nadelen van bestaande meetinstrumenten : - het centrale element is een pH...

Description

Een automatisch meetinstrument voor het bepalen van de koolstof-stikstof stoichiometrie en de reactiesnelheid van het denitrificatieproces gebaseerd op een pH-regelaar.

Dit nieuwe meetinstrument meet, met behulp van een pH regelaar, de hoeveelheid van een bepaalde koolstofbron nodig om het nitraat in een monster te verwijderen door biologische denitrificatie, of vice versa, de hoeveelheid nitraat nodig om de organische koolstof in een monster te verwijderen. Ook de denitrificatie-snelheid wordt bepaald.

Stikstofverwijdering gebeurt in het actief-slib afvalwaterzuiveringsproces in twee stappen : de nitrificerende bacteriën zetten de stikstof om in nitraat. Dit nitraat wordt daarna omgezet in stikstofgas door denitrificatie.

Omwille van de steeds strenger wordende normen waaraan behandeld afvalwater moet voldoen ontstaat er een vraag naar on-line meetinstrumenten om, in combinatie met de juiste regeltechnieken, het stikstofverwijderingsproces te optimaliseren.

Bestaande meetinstrumenten voor de denitrificatiereactie kunnen onderverdeeld worden in twee categorieën: i. Meetinstrumenten die de nitraatconcentratie bepalen op een manier die afgeleid werd van de instrumentele analyse (bijv. UV absorptie, nitraat electrode en colorimetrie) ; ii. Gebruik van standaard electrodes (pH, Redox potentiaal) ondergedompeld in de gemengde vioeistof gecombineerd met vergaande gegevensverwerking.

Meetinstrumenten van de eerste categorie zijn ingewikkelde en delicate toestellen.

Ze zijn duur en eisen veel onderhoud. De werkingskosten zijn hoog omwille van de noodzaak voor monstervoorbereiding (bijv. filtratie) en het verbruik van dure chemicaliën. De enige informatie die ze verschaffen is de nitraatconcentratie in het monster.

De tweede categorie kan alleen worden gebruikt in altemerende systemen. Ze duiden het tijdstip aan waarop alle nitraat werd omgezet. Metingen van het pH verloop ondervinden hinder van het feit dat het pH profiel niet alleen door de denitrificatiereactie wordt beïnvloed, maar ook door de verschillende bufferende componenten die in het afvalwater aanwezig zijn.

Het nieuwe meetinstrument werkt als volgt : Een pH regelaar, toegepast op een monster dat denitrificerende bacteriën bevat, laat toe om de biologische denitrificatiereactie te volgen bij constante pH door de snelheid van zuurtoevoeging te registreren. De pH wordt constant gehouden om interferentie van bufferende bestanddelen tegen te gaan.

De snelheid van zuurtoevoeging van de regelaar wordt gebruikt om - biodegradeerbare organische koolstof toe te voegen aan een monster dat nitraat bevat op dusdanige wijze dat de toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle nitraat om te zetten ; - nitraat toe te voegen aan een monster dat biodegradeerbare organische koolstof bevat op dusdanige wijze dat de toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle biodegradeerbare organische koolstof om te zetten De manier waarop dit gebeurt wordt uitgelegd aan de hand van de beschrijving van een prototype :

Afbeelding 1 toont een schema van het prototype.

Vier Dessen bevatten respectievelijk koolstofbron (C), nitraat (N), zoutzuur (H+, 0. 05 M) en natriumhydroxide (OH-, 0. 05 M). De toevoeging van deze oplossingen wordt geregeld door de computer (a) via vier doseerkleppen (b). Voor koolstof- en nitraattoevoeging worden doseerpompen (c) gebruikt.

Het meetvat (g) met de pH electrode (d) wordt gevuld door een monsternamepomp (e) en gravitair geledigd via een leegloopklep (f). De monsternamepomp en de leegloopklep zijn ook computergestuurd.

Monstername De leegloopklep wordt geopend en de monsternamepomp wordt ingeschakeld. Als het vat leeggelopen is, en de inhoud van de monstemame leiding volledig ververst, wordt de leegloopklep gesloten. De pomp blijft draaien tot het meetvat volledig gevuld is met de gemengde vloeistof van de reaktor die bemonsterd wordt.

Daarna is er een pauze van een minuut zodat de pH-electrode in evenwicht kan komen met het monster.

De pH regelaar De denitrificatie reactie beïnvloedt de pH zoals blijkt uit vergelijking (1) die de denitrificatiereactie voorstelt met azijnzuur als koolstofbron bij een pH van 7. 5.
EMI2.1
8NvÖ3'+5CH3COO'+3. -0. COg+9. +40 (1)
7De consumptie van protonen zal de pH doen toenemen. De pH is dus een indicator van het doorgaan van de denitrificatie reactie. Het feit dat dit pH verloop afhangt van de samenstelling van het afvalwater maakt dat dit verloop op zich niet bruikbaar om de voortgang van de reactie te volgen. Dit euvel wordt verholpen door de pH constant te houden d. m. v. een pH regelaar die zuur toevoegt met een gepaste snelheid. Deze snelheid van zuurtoediening reflecteert dan denitrificatiesnelheid.

De instelwaarde voor de pH regelaar is gelijk aan de initiële pH van het monster.

Het betreft een proportionele regelaar : de snelheid van zuurtoevoeging is proportioneel met het verschil tussen de actuele pH en de instelwaarde. Om de ruisgevoeligheid te verminderen blijft de regelaar inactief zo lang een bepaalde minimum afwijking tussen de pH en de instelwaarde niet overschreden wordt (deadband). De pH wordt elke seconde opgeslagen in de computer. Elke 10 seconden, wordt de mediaan van de drie laatst opgeslagen waarden berekend en vergeleken met de instelwaarde. Dit verschil bepaalt dan de tijd dat de zuurklep zal geopend worden gedurende het volgende 10 seconden interval. Deze tijd van klepopening wordt dan gebruikt door het meetalgoritme als maat voor de denitrifikatiesnelheid op dat moment.

Een deadband van 0. 01 pH eenheden en een proportionaliteitsfactor van 1 seconde klepopening per 0. 01 pH eenheid bleken optimaal.

Koolstof en nitraat doseercycli Een doseercyclus start door toediening van een dosis koolstof of nitraat en eindigt als de respons van de pH regelaar terug op nul val, hetgeen betekent dat de denitrificatiereactie, gestart door de dosis, gestopt is. Een betrouwbare manier om het einde van de cyclus automatisch te detecteren is een teller, geïnitialiseerd op nul, verhogen met een telkens er geen zuur werd toegediend gedurende een 10 seconden interval. De teller wordt met één verminderd als er wel zuur werd toegediend tijdens zo'n interval, op voorwaarde dat dat de teller nooit kleiner wordt dan nul. Eens de teller de waarde 8 bereikt wordt besloten dat de denitrifikatiereaktie afgelopen is.

Deze eindpuntsdetektie wordt slechts gestart 90 seconden na het begin van de doseercyclus omdat het enige tijd kan duren voordat de bacteriën reageren op een toevoeging.

De eerste dosis koolstof wordt toegevoegd direct na de monstername. De grootte van deze dosis is gelijk aan wat nodig is om de nitraatconcentratie die men in het monster aanwezig acht te denitrificeren.

Na de eerste cyclus wordt een dosis nitraat (1 mg N per liter monster) toegevoegd.

Aan de hand van de respons van de regelaar op deze eerste nitraatdosis worden twee types van meting onderscheidden : (i) Als deze nitraatdosis resulteert in een respons van de pH regelaar, dan was het einde van de eerste cyclus veroorzaakt door een tekort aan nitraat. De overmaat koolstof wordt dan bepaald door in de volgende cycli nitraatdosissen toe te dienen tot de pH regelaar aanduidt dat alle koolstof werd omgezet. Afbeelding 2 toont de respons van de regelaar (I) en het pH profiel (-) voor een dergelijke meting. In de figuur zijn de dossisen van nitraat (N) en koolstof (C) aangeduid met pijlen. Het uitblijven van een respons na de derde nitraatdosis duidt aan dat op dat moment alle koolstof is omgezet.

(ii) Het uitblijven van respons na de eerste nitraattoevoeging duidt aan dat er onvoldoende koolstof werd toegediend in de eerste cyclus en het overblijvende nitraat wordt verwijderd met koolstofdosissen van 3 mg CZV (Chemische zuurstofvraag) per liter monster tot de pH regelaar aanduidt dat alle nitraat werd omgezet. Afbeelding 3 toont de respons van de regelaar (e en het pH profiel (-) voor een dergelijke meting. In de figuur zijn de dossisen van nitraat (N) en koolstof (C) aangeduid met pijlen. Na drie extra koolstofdosissen is alle nitraat omgezet.

Op deze manier weet men dus welke hoeveelheid koolstofbron equivalent is aan het nitraat dat aanwezig was in het monster.

Daaruit kan volgende informatie worden afgeleid : - de nitraatconcentratie als een koolstofbron met gekende samenstelling wordt gebruikt, eens de stoichiometrie voor die koolstofbron gekend is ; - de denitrificatiesnelheid met de gebruikte koolstofbron, uitgedrukt in massa eenheden stikstof per volume eenheid gemengde vioeistof per tijdseenheid ; - het volume van een bepaalde koolstof bron per volume eenheid gemengde vioeistof die nodig is om het nitraat in de gemengde vloeistof te verwijderen.

Deze informatie is vooral bruikbaar als een externe koolstofbron wordt toegediend aan een waterzuiveringsinstallatie om de denitrificatie te bevorderen. Het meetinstrument bepaalt rechtstreeks het benodigde volume van de koolstofbron. De samenstelling van de koolstofbron hoeft niet gekend

te zijn.

Dit nieuwe meetinstrument is een antwoord op de nadelen van bestaande meetinstrumenten : - het centrale element is een pH-electrode : relatief goedkoop, robuust en eenvoudig in onderhoud ; - de potentiele invloed van bufferende componenten in het monster wordt geëlimineerd door een pH regelaar te gebruiken in plaats van pH profielen ; - er is geen monstervoorbereiding nodig - niet alleen kan de nitraatconcentratie worden bepaald, maar ook de denitrificatie kinetiek en de denitrificatie stoichiometrie worden gemeten in eenheden die rechtstreeks bruikbaar zijn voor de processturing.

Claims

Conclusies 1. Een meetinstrument, gekenmerkt door een pH regelaar toegepast op een monster dat denitrificerende bacteriën bevat die toelaat om de biologische denitrificatie reactie te volgen bij constante pH door de snelheid van zuurtoevoeging te registreren. Dit laat toe om, zonder dat de exacte proton stoichiometrie van de reactie gekend moet zijn, - biodegradeerbare organische koolstof toe te voegen aan een monster dat nitraat bevat, op dusdanige wijze dat de totale toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle nitraat om te zetten ;

- nitraat toe te voegen aan een monster dat biodegradeerbare organische koolstof bevat op dusdanige wijze dat de toegevoegde hoeveelheid overeenstemt met de hoeveelheid die nodig is om alle biodegradeerbare organische koolstof om te zetten Dit wordt bereikt door koolstof resp. nitraat toe te voegen in discrete dosissen.

Hierbij geeft de snelheid van zuurtoevoeging aan - wanneer een toegevoegde dosis volledig is omgezet en dus wanneer een volgende dosis kan toegevoegd worden ; - wanneer een toegevoegde dosis niet meer reageert omdat alle nitraat resp. koolstof die oorspronkelijk in het monster aanwezig was is omgezet.
2. Volgens dit principe werd een meetinstrument gebouwd dat het volume van een bepaalde organische koolstofbron bepaalt dat nodig is om het nitraat in een monster te verwijderen. Als een organische koolstofbron van gekende samenstelling gebruikt wordt, dan kan de nitraatconcentratie in het monster worden berekend.

Op dezelfde manier kan het volume van een nitraatoplossing bepaald worden dat nodig is om de organische koolstof in een monster te verwijderen. Als een nitraatoplossing van gekende samenstelling gebruikt wordt, dan kan de concentratie van de organische koolstof in het monster worden berekend.
3. Het meetinstrument beschreven in conclusie 2 registreert ook de tijd die nodig is om een gegeven hoeveelheid nitraat of koolstof te verwijderen. Dus ook de denitrificatiesnelheid wordt gemeten.