Денитрификация сточных вод: Нитрификация и денитрификация сточных вод

Нитрификация и денитрификация сточных вод

Статьи

Нитрификация и денитрификация сточных вод

Если в сточных водах содержится кислород, температура среды нагрета более +4 градусов С и других условиях начинают действовать аэробные организмы, нитрифицирующих среду. Выполняется соединение азота аммониевых солей с кислородом. На первом этапе окисления формируются азотистые соли, на втором – азотные соли. Так осуществляется процесс нитрификации.

Эта реакция была определена во второй половине 19 века, а к концу столетия микробиолог С.Н. Виноградский сумел выделить культуру бактерий, формирующих реакцию. Эти микроорганизмы подразделяются на 2 группы. Одна – превращает аммиак на первом этапе в азотистую кислоту, другая – полученное вещество на втором этапе трансформирует в азотную кислоту.

Эти реакции нужно учитывать в процедуре очистки стоков, поскольку соединение с кислородом может стать обширным, и затронет органику, не содержащую азот. Эта реакция начнется, когда будет исчерпан растворенный в воде кислород.

От нитратов и нитритов отделяется кислород, связанный в них, и начинает соединяться с органикой. В этом процессе участвуют бактерии, открытые микробиологом С.Н. Виноградским. Реакция определена, как процесс денитрификации. В нем выделяется азот в формате газа и отправляется в окружающую среду.

Объемы нитратов и нитритов можно устанавливать по таким формулам:

• для нитритов – (NH₄)₂CO₃ + 3O₂ = 2HNO₂ + CO₂ + 3H₂O;
• для нитратов – 2HNO₂ + O₂ = 2HNO₃.

По первой формуле образование нитритов на 2 массовых части азота нужно 6 – кислорода. По второму уравнению на 2 части нитритов нужно 8 – кислорода. Азотная атомная масса составляет 14 единиц, кислородная – 16. Так для превращения азота в нитрат потребуется 28 массовых частей азота и 128 – кислорода. Или иначе на 1 миллиграмм азота нужно 4,57 миллиграмм кислорода.

В обратном процессе – денитрификации нитритов N₂O₃ высвобождается меньший объем кислорода, в сравнении с тем, который нужен для нитрификации. Остальная часть используется в процессе формирования воды и углекислоты. Так на 2 массовых части азота выделяется только 3 – кислорода. Или иначе, на 1 миллиграмм азота – 1,71 миллиграмм кислорода. В обратной реакции денитрификации нитратов N₂O₅ на 2 массовых частей азота высвобождается 5 – кислорода. Или иначе, на 1 миллиграмм азота – 2,85 миллиграмм O₂.

Нитрификация – это финальная стадия минерализации органики, содержащей азот. Если в очищенных стоках присутствуют нитраты, это одним из важных показателей успешной очистки от загрязнений. Поэтому на объектах, где необходимы такие технологические процессы, нужно использовать очистные сооружения, обеспечивающие хорошие условия для жизни аэробных бактерий, выделенных микробиологом С.Н. Виноградским.

Российская Федерация,
460041, г. Оренбург,
Микрорайон имени Куйбышева, ул. Ветеранов труда, 16/5

+7 (3532) 43-20-19
+7 (3532) 43-20-21
+7 (3532) 96-95-97

+79128469597
+79128469597
ecovod

+7 (3532)

 43-20-19  43-20-21

• Главная
• О компании
• Новости

• Объекты
• Фотогалерея
• Контакты

• Каталог продукции

Нитрификация, денитрификация в биологической очистке воды

Опубликовано: 11. 05.2019

Обновлено: 08.12.2019

 3018

Для интенсификации процессов окисления органических веществ и выведения из сточной воды соединений азота и фосфора наибольшее распространение получила технология нитрификации, денитрификации и биологического удаления фосфора

Биогенные вещества (азот и фосфор) являются одними из основных составляющих компонентов сточной воды, присутствие которых в коммунальных или близких к ним по составу хозяйственно-бытовых водах фиксируется постоянно. Азот в сточной воде может быть представлен несколькими соединениями: азот аммонийный (NH₄¯), азот нитритов (NO₂¯), азот нитратов (NO₃¯), азот органический (в составе органических соединений). Фосфор в сточных водах находится в составе органических соединений (органический фосфор), полифосфатов (P₂O₅) и ортофосфатов (PO₄). Для совместного биологического удаления азота и фосфора из бытовых сточных вод в основном используется метод очистки свободно плавающим активным илом. Основная сложность совместного, или одновременного, удаления соединений азота и фосфора из сточных вод состоит в том, что для их изъятия требуются разные условия. Так, основным условием проведения процессов нитрификации и денитрификации является наличие активного ила, возраст которого составляет не менее 20 суток. Удаление же соединений фосфора оптимально при небольшом возрасте активного ила.

Для интенсификации процессов окисления органических веществ и выведения из сточной воды соединений азота и фосфора наибольшее распространение получила технология нитрификации, денитрификации и биологического удаления фосфора. Для её реализации необходимо организовать анаэробные и аноксидные (безкислородные) зоны. Организация таких зон позволяет повысить эффективность удаления органических веществ, соединений азота и фосфора, а также жиров, металлов, нефтепродуктов.

Использование технологии нитрификации, денитрификации и биологического удаления фосфора является наилучшим приёмом борьбы с нитчатым вспуханием активного ила, так как микроорганизмы – денитрофикаторы являются естественными антагонистами нитчатых бактерий.

Основным технологическим приёмом денитрификации является создание в части сооружений биологической очистки условий, при которых бактерии активного ила используют в качестве окислителя кислород нитратов (NO₃¯). В результате, инертный газообразный азот высвобождается в атмосферу. Эффективность нитрификации зависит от обеспечения процесса кислородом. Эффективность денитрификации зависит от обеспеченности процесса быстроразлагаемым органическим веществом.

Организация денитрификатора сводится, как правило, к выделению в аэротенке анаэробной и аноксидной зон. В анаэробной и аноксидной зонах, для предотвращения осаждения активного ила, устанавливаются погружные механические мешалки. Принципиальное отличие указанных зон в том, что в аноксидной зоне концентрация растворенного кислорода близка к нулю, а в анаэробной зоне близка к нулю концентрация нитритов и нитратов, которые являются источником кислорода для многих гетеротрофных бактерий. В аэробную зону помещается мелкопузырчатая аэрационная система.

Кроме существенного улучшения качества очистки по азоту и фосфору, при реализации схем нитрификации и денитрификации, удаётся достичь снижения энергопотребления на аэрацию и снижение объёма удаляемого из системы ила за счет повышения его седиментационных свойств. Это позволяет легче реагировать системе на залповые сбросы сточных вод с высоким содержанием загрязняющих веществ.

Согласно современным воззрениям, бактерии, участвующие в процессе удаления фосфора, способны запасать внутри своих клеток до 50% от массы сухого вещества — фосфора в виде полифосфатов. Эти полифосфаты используются в анаэробных условиях для поддержания жизнедеятельности бактерий. В качестве источника углерода в этих условиях используются запасные вещества, например, поли-β-оксимасляную кислоту или гликоген. В свою очередь, запасные вещества образуются из легкоразлагаемых веществ, например, ацетата. Эффективность процесса проведения удаления фосфора в виде полифосфатов с приростом ила зависит от обеспеченности CH₃COOH или другими летучими жирными кислотами.

Что такое денитрификация? | Fluence

В технологии мембранного аэрируемого биопленочного реактора (MABR) Fluence одновременная биологическая нитрификация-денитрификация происходит в одном резервуаре благодаря бактериальной биопленке, которая образуется на его аэрационной мембране.

Нитраты, жизненно важные для роста растений, должны быть удалены в процессе очистки сточных вод

Азот, наиболее распространенный элемент в земной атмосфере (78%), может быть обнаружен в живых организмах и разлагающихся веществах, таких как гумус в почве, а также в воздухе, которым мы сейчас дышим.

Азот считается жизненно важным ограничивающим питательным веществом, а это означает, что в природе его обычно не хватает, поэтому его запасы регулируют рост. С отрицательной стороны, переизбыток азота в воде, называемый эвтрофикацией, может вызвать цветение токсичных водорослей, которые засоряют водотоки и мешают операциям по очистке и опреснению воды, а также представляют угрозу для здоровья человека. Эвтрофикация может быть вызвана, среди прочего, стоком удобрений и сбросом сточных вод.

Избыток азота в питьевой воде даже сам по себе токсичен для человека, особенно для младенцев и беременных женщин. Это фактор риска метгемоглобинемии, рака и диабета.

Из-за опасностей для здоровья и окружающей среды денитрификация является важной очисткой сточных вод, поскольку она превращает опасные загрязняющие вещества в безопасный газ, который можно сбрасывать без воздействия на окружающую среду.

Азот и качество воды

Многие источники вносят вклад в содержание азота в воде, включая отходы пищевой промышленности и химических процессов, но большая часть азота, содержащегося в сточных водах, поступает из мочевины, продукта мочи. Биологическая денитрификация часто используется для обработки жидких отходов промышленного сельского хозяйства, например птицефабрик.

В некоторых районах Соединенных Штатов загрязнение, связанное с питательными веществами, отрицательно сказалось на качестве воды, что сделало необходимость денитрификации. Например, в штате Айова нитраты представляют собой такую ​​постоянную угрозу качеству воды, что для полного решения этой проблемы необходима новая инфраструктура очистки сточных вод. Кроме того, в 2015 году город Де-Мойн потратил на денитрификацию дополнительно 1,5 миллиона долларов.WaterOnline , что он ожидает, что еще 80 миллионов долларов будут потрачены на модернизацию инфраструктуры, в том числе на денитрификацию.

Как удаляются нитраты?

Существует три основных подхода к удалению нитратов: наиболее широко используемые ионный обмен и биологическая денитрификация, а также химическое восстановление. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), ионный обмен обычно используется для очистки подземных вод, в то время как поверхностные воды обычно обрабатываются с помощью биологической денитрификации.

• Ионный обмен: В этом химическом процессе нежелательные растворенные в воде ионы, такие как нитраты из удобрений, заменяются ионами с аналогичным зарядом, когда они проходят над слоем шариков смолы.
• Процесс биологической денитрификации (активный ил): Микробы выполняют большую часть работы по биологической денитрификации. Обычно используемые бактерии, которые могут использовать окисленный азот — денитрификаторы — включают Pseudomonas, Alcaligenes и Paracoccus. Когда они ломаются NO ₃ для метаболизма кислорода выделяется газообразный азот.
• Химическое восстановление: В этих процессах химические вещества, такие как кислоты, используются в качестве восстановителей для образования аммиака или элементарного азота. Эти процессы часто требуют особых условий, таких как использование катализаторов или высокая температура и давление.

Биологическая денитрификация происходит после нитрификации, другого процесса, осуществляемого бактериями. Это последний этап азотного цикла, естественного биологического процесса, в ходе которого азот переходит из одной формы в другую.

Как нитрификация, так и денитрификация важны для биологической очистки сточных вод. На стадии нитрификации цикла аммиак окисляется до нитритов (NO ₂ ) и нитратов (NO ₃ ). NO ₂ и/или NO ₃ затем превращаются в окись азота (NO) и закись азота (N ₂ O), которые в конечном итоге превращаются в газообразный азот (N ₂ ), пригодный для безопасного выброса. в атмосферу. В контексте очистки сточных вод Программа ООН по окружающей среде пояснила:

Денитрификация – это процесс удаления азота из воды. При использовании в технологиях улучшения качества воды денитрификация очищает воду, чтобы снизить содержание нитратов и азота до уровня, пригодного для питья.

Например, город Тампа, штат Флорида, использует традиционный процесс с активным илом в качестве одного из семи в своих собственных водохозяйственных сооружениях:

Денитрификация […] процесс нитрификации активного ила в газообразный азот. Денитрификация происходит в фильтрах глубокой засыпки, монофильтрах для денитрификации. Дополнительный источник углерода (метанол) добавляется к потоку денитрифицирующего фильтра, чтобы обеспечить источник питания для денитрифицирующей культуры в фильтрах.

Как только вода попадает в фильтры, она проходит через насыщенный бактериями фильтрующий материал. Как только бактерии потребляют кислород в нитрате, остается азот. По мере выпуска газ задерживается в фильтрующем материале, удаляя при этом большую часть азота из сточных вод.

Поскольку после денитрификации практически не остается кислорода, следующим этапом очистки сточных вод является добавление кислорода в воду посредством аэрации, что является энергоемким этапом.

Мембранный аэрируемый биопленочный реактор (MABR)

Недавно освоенная технология — мембранный аэрируемый биопленочный реактор (MABR) — также представляет собой процесс биологической очистки, который улучшил традиционный процесс по нескольким параметрам.

Традиционная биологическая очистка требует отдельных камер для проведения нитрификации и денитрификации. Модуль MABR проводит их в одном резервуаре в процессе, называемом одновременной нитрификацией и денитрификацией (SND). MABR сокращает площадь, необходимую для проведения высококачественной очистки сточных вод. Небольшая занимаемая площадь также позволяет упаковывать в стандартные транспортные контейнеры и модули, предназначенные для модернизации старых заводов. И этот процесс снижает потребность в дополнительном источнике углерода.

В Fluence MABR SND выполнен со спирально закрученной мембраной, воздухопроницаемой на микроскопическом уровне. Когда воздух проходит через мембрану при давлении, близком к атмосферному, аэробные бактерии цепляются за богатую кислородом поверхность, образуя нитрифицирующую биопленку, которая превращает аммиак в нитраты. Как и в традиционном процессе, по-прежнему требуется денитрификация анаэробными бактериями.

Кислород проходит через мембрану без пузырьков, питая микробы на поверхности, в то время как остальная часть резервуара остается достаточно бескислородной, чтобы поддерживать анаэробные денитрифицирующие бактерии. Исключение фазы сжатой аэрации, создающей пузырьки, также приводит к гораздо более высокой энергоэффективности. В конечном итоге нитрат разбивается на газообразный азот, который выбрасывается, и кислород, который способствует дальнейшему перевариванию органических загрязнителей.

Решения для денитрификации

Как Fluence может помочь вам с вашими потребностями в денитрификации? Свяжитесь с нашими экспертами, чтобы узнать больше о наших устойчивых решениях, от стандартных заводов по производству активного ила до наших новейших установок для очистки сточных вод Aspiral™ Smart Packaged.

Система денитрификации – очистка сточных вод – обратный осмос

Денитрификация – это удаление нитратов из воды или сточных вод. Существует два основных подхода к денитрификации.

• Денитрификация потока сточных вод
• Денитрификация питьевой воды

Нитрат представляет собой стабильный и хорошо растворимый ион с низким потенциалом осаждения или адсорбции. Эти свойства затрудняют удаление из воды с помощью таких процессов очистки, как фильтрация или адсорбция активированным углем. В результате необходимо рассматривать более сложные процессы обработки.

Для потоков сточных вод подходит биологическая очистка, которая сочетается с удалением БПК.

Для систем питьевого водоснабжения используются такие процессы, как ионный обмен, обратный осмос и электродиализ или инженерные системы биологической очистки, в зависимости от содержания нитратов и потока системы. Эти процессы физически/химически или биологически удаляют нитраты из питьевой воды.

Биологическая денитрификация:

Неочищенные бытовые сточные воды содержат аммиак. Нитрификация — это биологический процесс, при котором аммиак превращается в нитрит, а затем в нитрат. Если стандарты требуют удаления образующихся нитратов, одной из альтернатив обработки является процесс денитрификации, при котором нитраты восстанавливаются до газообразного азота.

Нитрификация/денитрификация:

Нитрификация – это микробный процесс, при котором аммиак последовательно окисляется до нитрита, а затем до нитрата. Процесс нитрификации осуществляется главным образом двумя группами автотрофных нитрифицирующих бактерий, которые могут строить органические молекулы, используя энергию, полученную из неорганических источников, в данном случае аммиака или нитритов.

На первом этапе нитрификации бактерии, окисляющие аммиак, окисляют аммиак до нитрита в соответствии с приведенным ниже уравнением:

Nh4 + O2 → NO2– + 3H++ 2e– родов, включая Nitrosococcus и Nitrosospira. Подроды Nitrosolobus и Nitrosovibrio также могут автотрофно окислять аммиак.

На втором этапе процесса бактерии, окисляющие нитрит, окисляют нитрит до нитрата в соответствии с приведенным ниже уравнением:

NO2– + h3O → NO3– + 2H+ +2e–

Род Nitrobacter чаще всего ассоциируется с этой второй стадией, хотя другие роды, такие как Nitrospina, Nitrococcus и Nitrospira, также могут автотрофно окислять нитрит.

Денитрификация – это процесс восстановления нитратов до газообразного азота факультативными анаэробами. Факультативные анаэробы, такие как грибы, могут процветать в бескислородных условиях, поскольку они расщепляют кислородсодержащие соединения (например, NO3-) для получения кислорода. Попадая в водную среду, азот может существовать в нескольких формах: растворенный газообразный азот (N2), аммиак (Nh5+ и Nh4), нитрит (NO2-), нитрат (NO3-) и органический азот в виде белкового вещества или в растворенном или фазы частиц. Энергетические реакции можно изобразить следующим образом:

6 NO3- + 2 Ch4OH → 6 NO2- + 2 CO2 + 4 h3O (этап 1)

6 NO2- + 3 Ch4OH → 3 N2 + 3 CO2 + 3 h3O +6 OH- (этап 2)

Всего ,

6 NO3- + 5 Ch4OH → 5 CO2 + 3 N2 + 7 h3O + 6 OH-

Организмы, осуществляющие этот процесс, называются денитрификаторами. В целом, это гетеротрофные бактерии, которые метаболизируют легко биоразлагаемый субстрат в бескислородных условиях, используя нитраты в качестве акцепторов электронов. Если кислород доступен, эти бактерии используют его для метаболизма, прежде чем использовать нитраты. Следовательно, концентрация растворенного кислорода должна быть сведена к минимуму, чтобы процесс денитрификации функционировал должным образом. Кислород обычно минимизируется за счет предотвращения аэрации сточных вод и наличия высокой концентрации БПК, так что микроорганизмы используют весь кислород.

На очистных сооружениях БПК сточных вод снижается в аэротенках и производится нитрификация аммиака до нитратов. Доступно достаточное количество кислорода, чтобы весь аммиачный азот превратился в нитраты. Затем сточные воды рециркулируют обратно в бескислородную зону (для создания условий высокой доступности БПК) перед зоной аэрации. Бескислородная зона не аэрируется, чтобы ограничить поступление кислорода.

Ионный обмен для удаления нитратов:

В ионообменной системе ионы нитрата связываются с ионообменной смолой и при этом вытесняют ионы хлорида. Смола содержится в сосуде высокого давления и периодически регенерируется концентрированным раствором соли. Функция аналогична смягчителям воды, которые удаляют из воды жесткость в обмен на натрий.

Частота регенерации зависит от качества сырой воды. Для очистки воды используются специальные нитратселективные ионообменные смолы. Смолы, используемые для обработки воды, одобрены стандартами Американского национального института стандартов/Национального санитарного фонда (ANSI/NSF) для контакта с питьевой водой. Если ионообменная колонка не регенерируется достаточно часто, концентрация нитратов может резко подняться до уровней, значительно превышающих 10 мг/л, что представляет опасность для общественного здравоохранения.

Преимущества:

1. Простота в эксплуатации; относительно надежный
2. Меньшая начальная стоимость
3. Эффективный; Используется более широко, чем другие формы обработки
4. Подходит для небольших установок

Недостатки:

1. Требуется частый контроль удаления нитратов
2. Требуется хранение больших объемов соли «сброс» нитрата из колонки, приводящий к периодическим высоким концентрациям нитрата в готовой воде.
3. Изменения pH готовой воды, поэтому требуется коррекция pH
4. Утилизация отработанного солевого раствора может быть затруднена.

Обратный осмос для удаления нитратов:

Обратный осмос (RO) — это физический процесс, при котором загрязняющие вещества удаляются путем прямого давления на сырую воду через полупроницаемую мембрану, пропускающую воду, сохраняя при этом большую часть растворенные минералы. Преимущество обратного осмоса в том, что он удаляет излишки TDS вместе с нитратами, делая даже морскую воду пригодной для питья.

Преимущества:

1. Производит воду высокого качества со значительным удалением нитратов
2. Проверенная технология с рассчитанными рисками
3. Меньшее потребление химикатов по сравнению с ионным обменом.

Недостатки:

1. Высокая стоимость установки и обслуживания
2. Для работы может потребоваться квалифицированный персонал0030
3. Требуется частый мониторинг и техническое обслуживание мембраны

Электродиализ для удаления нитратов:

В процессе электродиализа (ЭД) ионы мигрируют через ионоселективную полупроницаемую мембрану в результате наличия электрически заряженных поверхностей мембран. Положительный электрод (катод) и отрицательный электрод (анод) используются для зарядки поверхности мембраны и притягивания противоположно заряженных ионов. В результате этого процесса из сырой воды удаляются ионы, такие как нитраты. При реверсировании электродиализа (EDR) заряд мембран периодически реверсируется, чтобы свести к минимуму образование накипи. Установка реверсивного электродиализа изображена ниже.

Advantages:

• Can operate without fouling, scaling, or chemical addition
• Low pressure requirements
• Typically quieter than RO
• Higher membrane life expectancy

Disadvantages:

• Pretreatment required for high уровни Fe, Mn, h3S, хлора или жесткости
• Концентрат может потребовать специальной утилизации
• Очень высокие капитальные затраты
• Требуется квалифицированный персонал
• Требуется высокий уровень автоматизации.
• Подходит только для приложений с низким расходом.

Биологическая очистка (разработанная) для удаления нитратов:

Биологическая денитрификация — это процесс, посредством которого бактерии превращают нитраты в газообразный азот в бескислородных (бескислородных) условиях. Затем газообразный азот и бактерии удаляются из воды перед поступлением в распределительную систему. Метанол обычно используется в качестве источника углерода для облегчения процесса биологической денитрификации. Основным преимуществом этой системы является то, что она не изменяет состав воды, за исключением удаления нитратов.

Преимущества:

• Нет концентрированных солевых растворов или нитратов для утилизации
• Нет изменений в составе очищенной воды.

Недостатки:

• Может потребоваться длительное пилотирование.
• Требуется несколько недель от запуска до стабильной работы новых систем.