SI9400402A

SI9400402A - Method of waste water treatment in order to reduce nitrogen contents.

Info

Publication number: SI9400402A
Application number: SI9400402A
Authority: SI
Inventors: France Megusar; Ivan Mahne
Original assignee: Megusar France Prof Dr; Doc Dr Mahne Ivan
Priority date: 1994-11-07
Filing date: 1994-11-07
Publication date: 1996-02-29
Also published as: EP0710626A3; EP0710626A2

Description

France MEGUŠAR Ivan MAHNE

Postopek za zmanjšanje vsebnosti dušika v odpadnih vodah

Področje tehnike, v katero spada izum

MKP: C0 2F3/30 C0 2F3/34

Izum je s področja biotehnologije in ekologije in se nanaša na postopek za zmanjšanje vsebnosti dušika v odpadnih vodah. Gre za mikrobno zasnovano biotehnologijo za odstranjevanje dušika in ogljika iz odpadnih vod živalskih farm in drugih podobnih obratov, ki vsebujejo veliko dušika (1000 do 2500 ppm N), brez dodatnega razredčevanja.

Tehnični problem

Problem, ki ga rešuje izum, predstavlja čiščenje odpadnih vod iz objektov živalske proizvodnje in predelave, ki jih označuje zelo visoka vsebnost dušika (1000 do 2000 ppm N). V primerjavi s komunalnimi in tudi industrijskimi odpadnimi vodami vsebnost dušika v teh primerih visoko presega prehranske potrebe mikroorganizmov za nemoteno presnovo nedušičnih organskih ostankov. Biotično neporabljeni dušik se v efluentu pojavlja kot višek, ki kot polutant predstavlja hazard za naravne sisteme, kot so vodotoki in tla.

Stanje tehnike

US patent 5,252,214 in EP 504,019 Al opisujeta biotično zasnovani (nitrifikacija/denitrifikacija) rešitvi odstranjevanja dušika iz komunalne odpadne vode, kjer vsebnost skupnega mineralnega dušika dosega 50 do 60 mg N/l. V EP 383,674 BI je opisana tehnologija čiščenja efluenta, ki vsebuje okrog 100 mg mineralnega dušika na liter, iz čistilnih naprav, ki je zasnovana na nitrifikaciji in denitrifikaciji. Zahteva se uporaba peska za nosilec biomase in dodajanje zunanjega energetskega vira za denitrifikacijo. US patent 4,780,208 rešuje problem odstranjevnja dušika vzporedno z odstranjevanjem fosforja iz efluenta komunalne čistilne naprave. Postopek poteka ob ustreznem recikliranju efluenta med visoko bremenjeno, prekinjano aerirano stopnjo in nizko bremenjeno aerirano stopnjo ter vmesnim usedalnikom. Princip cikličnega aeriranja in premešavanja brez aeracije uporabljajo za odstranjevanje dušika iz odpadne vode perutninskih klavnic z vsebnostjo amonijskega dušika 50 mg/1 (US patent 4,917,805) oz. do 180 mg NH4-N (US patent 5,266,200). Med odpadne vode z visoko vsebnostjo dušika sodijo tudi odcedne odpadne vode iz aktivnega blata klasičnih čistilnih naprav, ki vsebujejo nekaj sto mg NH4-N/ml ter odpadne vode iz objektov plinifikacije premoga, ki vsebujejo visoke vsebnosti dušika v obliki cianidov. Tehnologijo za čiščenje odcednih vod ponuja npr. patent GB 2,259,699 B, ki zahteva redčenje odcedne tekoče faze z vodo in tudi stalno vzdrževanje primemo visoke koncentracije amonijskega dušika (npr. 370 ppm N) z dodajanjem zunanjega vira amonijskega dušika. Kombinacijo kemijskih postopkov za prevedbo cianidnega dušika do amonija ter biotične nitrifikacije v odpadni vodi iz objektov plinifikacije premoga opisuje US patent 4,737,289. Višek dušika se po tem postopku pojavlja v efluentu v nitratni obliki.

Opis rešitve tehničnega problema

Postopek za zmanjšanje vsebnosti dušika v odpadnih vodah, ki vsebujejo do 2500 ppm skupnega dušika, je označen s tem, da

a) se organsko vezani dušik anaerobno mineralizira v amonij sko obliko,

b) dobljeno tekočo fazo, ki vsebuje amonijski dušik, šaržno vodimo v bioreaktor, ki se stalno prepihava z zrakom, in dovedemo kot inokulum mešano kulturo nitritacijskih in nitratacijskih bakterij in po potrebi denifitrikacijske bakterije, pri čemer vzdržujemo pH v območju od 7.2 do 8.2 in uravnavamo temperaturo v območju od 12 do 25 °C, in po zaključeni oksidativni presnovi amonija

c) v istem bioreaktorju prekinemo oksigeniranje z zrakom, vzdržujemo pa mešanje vsebine reaktorja ob isti temperaturi kot v fazi b) in vnesemo inokulum adaptiranih denitrifikacijskih bakterij, da poteče presnova oksidiranih oblik mineralnega dušika do plinskih produktov.

Postopek je uporaben pri tekočinski frakciji odpadne vode in zagotavlja ob redukciji dušika tudi oksidacijo organskega ogljika.

Mineralizacija pod a) lahko poteče sama od sebe že med potjo do čistilne naprave ali pa jo izvedemo kot ločeno fazo.

Mešana kultura nitritacijskih in nitratacijskih bakterij (krajše rečeno nitrifikacijskih bakterij) za fazo b) je odbrana in namnožena v primerni količini za odpadne vode, kot so zgoraj definirane, za takojšnjo nitrifikacijsko presnovo. Strokovnjaku na tem področju je na osnovi njegovega znanja taka kultura dostopna bodisi pri pooblaščenem izdelovalcu bodisi si jo lahko sam pripravi.

Ko je postopek v smislu izuma že utečen, kot mešano kulturo nitrifikacijskih bakterij lahko uporabimo kar del šarže v biorektorju iz stopnje b). Ko pa začne kinetika pešati, je potrebno mešano kulturo nitrifikacijskih bakterij spet posebej pripraviti.

Denitrifikacijske bakterije, ki jih dodamo fakultativno v stopnjo b), in inokulum selekcije adaptiranih denitrifikacijskih bakterij za stopnjo c) so kulture, ki so za strokovnjaka na tem področju znane in brez nadaljnjega dostopne.

Postopek poteka šaržno, ker se le na ta način samodejno vzpostavijo pogoji (zlasti v fazi b)) za hkratno nitrifikacijo in denitrifikacijo.

Pri prednostni izvedbi se za denitrifikacijo v stopnji c) izrablja energija organsekga substrata netretirane tekoče frakcije odpadne vode iz prve faze postopka, kar izredno poveča gospodarnost postopka v smislu izuma.

Zlasti je postopek primeren za odpadne vode iz objektov živalske proizvodnje in predelave. Postopek v smislu izuma omogoča znižanje z ravni 2500 ppm, zlasti od 1000 do 2000 ppm dušika na manj kot 100 ppm v prečiščeni odpadni vodi.

Biotično zasnovana presnova poteka v tekoči fazi nerazredčevane odpadne vode. Postopek je zasnovan na aktivnostih različnih selekcij mikroorganizmov in ga, če še enkrat povzamemo, izvajamo v treh zaporednih fazah:

faza a): prevedba organsko vezanega dušika v amonijsko obliko (mineralizacija), biooksidacija amonija (nitrifikacija) do nitratne oblike, sočasno z denitrifikacijsko pretvorbo oksidiranih produktov v plinski dušik in faza b) faza c): bioreduktivna presnova ostanka nitrata do plinskega dušika.

Primer

Izum pojasnjujemo s shemo na sl. 1.

Sl. 1 prikazuje shemo postopka za trifazno biotično zasnovano zmanjšanje visoke vsebnosti dušika v odpadnih vodah živalskih farm. Odpadna voda iz obrata doteka po vodu 1 v zbiralni bazen A, kjer se večinsko opravi faza a) postopka. Odpadno vodo iz zbiralnega bazena A črpamo preko voda 2 v separator B, kjer se izloča material v delcih po vodu 3. Preko voda 4 prehaja tekoča frakcija odpadne vode šaržno v bioreaktor C, kjer se zadržuje do zaključka vseh treh faz bioprocesa (batch sistem). Bioreaktor je opremljen z merilnim sistemom 5 za kisik in sistemom 6 za oksigeniranje z zrakom, ki deluje v fazi b) procesa, ter z mešalom 7 in napravami za vzdrževanje temperature. Inokulum selekcije nitrifikacijskih bakterij namnožujemo ločeno v posodi D in dodajamo v bioreaktor C po vodu 8. Prav tako namnožujemo inokulum selekcije denitrifikatorjev ločeno v posodi E in dodajamo v bioreaktor C po vodu 9. Nevtralizacijsko sredstvo dodajamo v bioreaktor C s pomočjo merilnika pH in avtomatike 10 med fazo b) bioprocesa po vodu 11 iz rezervoarja F. Efluent iz bioreaktorja C se po vodu 12 priključuje na lastni sedimentacijski bazan ali sedimentacijski bazen komunalne čistilne naprave, po vodu 13 pa odvajamo izločeno aktivno blato.

faza a): Mineralizacija organsko vezanega dušika poteka anaerobno pri temperaturi okolja. Posebni ukrepi za vzpostavljanje anaerobioze niso potrebni. Naravnava in vzdrževanje ostalih neposrednih parametrov okolja ni potrebno kot tudi ni potrebno dodajanje specifičnih mikroorganizmov. Anaerobni proces omogoča, da nastala biomasa, ki ni zaželena, količinsko ne predstavlja več kot 2 do 3% glede na mineraliziran dušik.

Mikrobna razgradnja organsko vezanega dušika, ki večinsko poteka v zbiralnem bazenu A odpadnih vod proizvodnih objektov, se dokončuje v bioreaktorju C v fazi b). Združba mikroorganizmov, ki razgrajujejo organske ostanke v odpadni vodi, se v danostih takega mikrookolja vzpostavlja samodejno. Nadaljnja presnova dušika poteka v odpadni vodi, ki smo ji odstranili material v delcih.

faza b): Bioreaktor C, ki se polni šaržno, se stalno oksigenira z vpihovanjem 6 zraka. Aeracija omogoča tudi sočasno premešavanje vsebine. Biooksidativni proces sproži dodatek selekcije mikroorganizmov, ki so prilagojeni stanju snovi v bioreaktoiju in so ločeno namnoževani (D). Ta skupina mikroorganizmov omogoči v aeriranem sistemu pretvarjanje amonija do nitrata (nitrifikacijo). Sočasno z nitrifikacijo poteka tudi delna redukcija oksidiranih oblik mineralnega dušika do plinskega dušika (denitrifikacija). Čeprav je osnovna kontrola redukcijekega dogajanja v bioreaktorju s kisikom, ki je mikrobom dostopen/nedostopen, se proces lahko intenzivira z inokulacijo s populacijo ločeno namnoževanih denitrifikacijskih bakterij E. Sočasno se mineralizira tudi preostanek organsko vezanega ogljika in dušika. Sistem je potrebno stalno prepihovati z zrakom, pH je treba vzdrževati v zahtevanih mejah (7.2 do 8.2) z dodajanjem vodotopne alkalije (F, 11) in temperaturo uravnavati v mejah od 12 do 25 °C. Iz reaktorja izstopajoči zrak očistimo od volatiliziranega amoniaka, katerega delež v opisanih razmerah ne presega 10% skupne zaloge dušika. Aerirana faza postopka sočasno omogoča dokončanje mineralizacije organsko vezanega dušika, kvantitativno prevedbo amonija v oksidirane ionske oblike in zaradi insuficience fiziološko dostopnega kisika delno redukcijo oksidiranih oblik do plinskega dušika. Skupna založenost odpadne vode z dušikom se v tej fazi zmanjša za 50 do 60%. Selekcijo nitrifikacijskih bakterij, ki služi kot inokulum za iniciacijo nitrifikacije, posebej pripravljajo in namnožijo v predpostopku D.

faza c): Prekine se prezračevanje; dodatek inokuluma selekcije adaptiranih denitrifikacijskih bakterij in energetska obogatitev z ustrezno količino tekočine iz faze a) omogočita dokončanje denitrifikacijske presnove nitrata in drugih oksidiranih oblik mineralnega dušika do plinskih produktov pri temperaturah od 12 do 25 °C.

Opisani trifazni postopek, ki je namenjen odstranjevanju viška dušika v prezaloženih odpadnih vodah, je izvedljiv pri izvirnih koncentracijah snovi (to je pri nerazredčenih tekočinah).

Odpadna voda, presnovljena v fazah a), b) in c), omogoča tudi sprotno mineralizacijo organskega ogljika. Učinkovitost, dosežena v tej smeri, dopušča, da se presnovljena odpadna voda živalskih farm nadalje tretira kot presnovek iz sekundarne stopnje tradicionalne komunalne biološke čistilne naprave ter se v tem smislu priključuje na sedimentacijsko stopnjo rednih čistilnih naprav ali pa se po presnovi pod 1, 2 in 3 končuje z lastnim sedimentacijskim bazenom, zatem pa je efluent primeren za vstop v odprt vodni sistem.

Na osnovi dinamike presnove dušika v poskusih z izvirno odpadno vodo na laboratorijski ravni omogoča predlagana biotehnologija prečiščenje tekoče frakcije odpadne vode iz objekta živalske proizvodnje z izpustom 300 do 400 m³/dan, kar ustreza 900 do 1200 kg dušika. Trajanje enega cikla opisanega trifaznega postopka je 4 do 6 dni, potrebni volumen bioreaktoija pa 1200 do 2400 m³.

Za

France MEGUŠAR

Ivan MAHNE: FATEMIKA HSARS^i , Ljubljana t

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Postopek za zmanjšanje vsebnosti dušika v odpadnih vodah, ki vsebujejo do 2500 ppm skupnega dušika, označen s tem, da

a) se organsko vezani dušik anaerobno mineralizira v amonijsko obliko,

b) dobljeno tekočo fazo, ki vsebuje amonijski dušik, šaržno vodimo v bioreaktor, ki se stalno prepihava z zrakom, in dovedemo kot inokulum mešano kulturo nitritacijskih in nitratacijskih bakterij in po potrebi denifitrikacijske bakterije, pri čemer vzdržujemo pH v območju od 7.2 do 8.2 in uravnavamo temperaturo v območju od 12 do 25 °C, in po zaključeni oksidativni presnovi amonija

c) v istem bioreaktorju prekinemo oksigeniranje z zrakom, vzdržujemo pa mešanje vsebine reaktorja ob isti temperaturi kot v fazi b) in vnesemo inokulum adaptiranih denitrifikacijskih bakterij, da poteče presnova oksidiranih oblik mineralnega dušika do plinskih produktov.
2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da mešano kulturo nitritacijskih in nitratacijskih bakterij posebej pripravimo ali pa uporabimo del šarže iz stopnje b).
3. Postopek po zahtevku 1 in 2, označen s tem, da se za denitrifikacijo v stopnji c) izrablja energija organskega substrata netretirane tekoče frakcije odpadne vode iz faze a) postopka.

Za

France MEGUŠAR Ivan MAHNE:

24471-PR-XI-94

JtgJBLJANA

POVZETEK

Postopek za zmanjšanje vsebnosti dušika v odpadnih vodah

Čiščenje odpadnih vod z visoko vsebnostjo dušika je postopek, zasnovan na aktivnostih treh skupin mikroorganizmov in omogoča, da se iz nerazredčevanih odpadnih vod, zlasti iz objektov živalske proizvodnje in predelave, eliminira dušik z nivoja do 2500 ppm N, zlasti od 1000 do 2000 ppm N, na manj kot 100 ppm N v prečiščeni odpadni vodi. Postopek je uporaben pri tekočinski frakciji odpadne vode in zagotavlja ob redukciji dušika tudi oksidacijo organskega ogljika. Postopek izvajamo v treh zaporednih fazah:

faza a): anaerobna mineralizacija organsko vezanega dušika, kar pretežno poteče v zbiralnem bazenu;

faza b): omogoča dokončanje mineralizacije organsko vezanega dušika kot biooksidativno prevedbo amonija do oksidiranih oblik in sočasno bioredukcijo dela produkta do plinskega dušika s pomočjo inokuluma selekcije nitrifikacijskih bakterij. Enegijo za redoks biopretvorbe nudijo sestavine odpadne vode. Potrebno je prezračevanje z zrakom, kontrola vrednosti pH v območju od 7.2 do 8.2, vzdrževanje temperature v območju 12 do 25 °C in mešanje vsebine bioreaktorja..

faza c): dokončanje denitrifikacijske presnove oksidiranih oblik mineralnega dušika do plinskega dušika poteče v istem bioreaktorju po vnosu adaptiranih denitrifikacijskih bakterij, prekinitvi prezračevanja in energetski obogatitvi s tekočo frakcijo iz faze a) procesa.

Presnovljena vsebina iz bioreaktorja je primerna za separacijo aktivnega blata in efluenta, ki se izteka v odprti vodotok.