Wysoki Poziom Azotu w Oczyszczalni Ścieków: Przyczyny i Rozwiązania
- Szczegóły
Oczyszczalnia ścieków nie jest elektrownią nuklearną, niemniej jednak można napotkać trudności przy jej obsługiwaniu. Obniżenie ilości substancji biogennych odprowadzanych w ściekach oczyszczonych do środowiska naturalnego jest najważniejszym zadaniem oczyszczalni ścieków. W tym artykule poruszę kilka z nich.
Źródła Azotu w Ściekach
Azot jako związek biogenny jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania żywych organizmów. Podstawowe źródło azotu mineralnego to azot gazowy, stanowiący 80% atmosfery ziemi, który może być przekształcany przez niektóre wyspecjalizowane bakterie w procesie wiązania w amoniak. Znaczne ilości azotu znajdują się w ściekach komunalnych, głównie w postaci mocznika, będącego produktem metabolizmu białka pochodzącego z pokarmu spożywanego przez człowieka, który w sieci kanalizacyjnej ulega przekształceniu w postać amonową.
Azot dopływający w ściekach do oczyszczalni znajduje się w formie związków organicznych lub nieorganicznych. W trakcie transportu siecią kanalizacyjną związki organiczne ulegają często przemianom biochemicznym. Z reguły ilość azotynów i azotanów w ściekach dopływających do oczyszczalni jest niewielka lub nie występuje w ogóle. Azot w ściekach występuje najczęściej w formie amoniaku (ok. 50% azotu w ściekach) oraz jako azot organiczny (ok. 40-50% azotu w ściekach).
Ogólny azot nieutleniony w ściekach oznacza się jako TKN (czyli całkowity azot Kjeldahla), a jego „częściami składowymi” są zarówno azot amonowy, jak i azot występujący w postaci różnych połączeń organicznych. W analityce wody i ścieków wykorzystuje się również pojęcie azotu ogólnego, który stanowi połączenie azotu Kjeldahla oraz azotu azotynowego i azotanowego. Na podstawie obserwacji prowadzonych przez autora w kilku oczyszczalniach o obciążeniu ok. 55000-65000 RLM stwierdzono, iż amoniak stanowił ok. 50-60% azotu w ściekach dopływających.
Wpływ Azotu na Środowisko
Wprowadzanie nadmiernej ilości azotu do wód powierzchniowych ze ściekami w formie związanej lub jako azotu amonowego prowadzi do obniżenia ilości dostępnego w odbiorniku tlenu w wyniku utleniania azotu do azotynów i azotanów w procesie nitryfikacji. Zachodzące wskutek procesów mikrobiologicznych utlenianie azotu powoduje zakłócenie równowagi w środowisku wodnym, wywołuje deficyt tlenowy (utlenianie jest ograniczone dostępnością tlenu w odbiorniku). Zanikają naturalne warunki do samooczyszczania się zbiorników wodnych, szczególnie wód stojących (stawów, jezior), co w skrajnym wypadku prowadzi do śnięcia ryb.
Przeczytaj także: Przydomowe oczyszczalnie ścieków Zawiercie
Innym ważnym problemem jest „przenawożenie” odbiornika, szczególnie jezior, gdzie substancje biogenne powodują gwałtowny wzrost roślin i zarastanie akwenu. Wprowadzenie 1 kg azotu wbudowanego w komórki daje przyrost biomasy o ok. 16 kg, stanowiąc dodatkowy ładunek substancji organicznej, wynoszący 20 kg O21. Dlatego tak ważne jest usunięcie ze ścieków azotu i fosforu (1 kg fosforu powoduje przyrost 100 kg biomasy), będących czynnikami wpływającymi w znacznym stopniu na proces eutrofizacji wód. Ponieważ do wzrostu biomasy jest potrzeby równocześnie azot i fosfor, obniżenie stężenia jednego z nich limituje działanie drugiego1.
Zatrucie wód związkami azotu wpływa również na problemy z wodą ujmowaną i uzdatnianą do celów spożywczych, ponieważ woda wodociągowa skażona związkami azotu stanowi problem dezynfekcyjny. Związki azotu reagują z chlorem używanym do dezynfekcji, powstają wówczas związki pochodne amin, które mają właściwości rakotwórcze. Podobnie azotany w wodzie przeznaczonej do spożycia są bardzo niebezpieczne dla zdrowia, w szczególności dla zdrowia dzieci. Wprowadzenie większej ilości azotanów do organizmu człowieka może być przyczyną methemoglobinemii, czyli choroby której skutkiem jest utrata zdolności hemoglobiny do transportu tlenu, szczególnie u dzieci i niemowląt.
Procesy Usuwania Azotu
Najczęściej do usuwania azotu metodami biologicznymi wykorzystuje się hodowle glonów oraz osad czynny w reaktorach biologicznych oczyszczalni ścieków. Niestety, hodowla glonów nie jest procesem, który umożliwia wysokoefektywną redukcję azotu. Dlatego hodowle wykorzystuje się rzadko, i to jako sposób doczyszczania ścieków poddawanych najpierw oczyszczaniu biologicznemu z wykorzystaniem osadu czynnego. Należy również podkreślić, że wykorzystanie związków azotowych w procesach wzrostu mikroorganizmów osadu czynnego w reaktorach oczyszczalni ścieków nie jest pełne. Nadwyżkę azotu usuwa się ze ścieków w postaci gazowej.
Proces biologicznego usuwania azotu przebiega w etapach. Na początku organiczne związki azotu są przekształcane do amoniaku i soli amonowych (często już w sieci kanalizacyjnej). Następnie w warunkach tlenowych zachodzą procesy utleniania organicznych związków węgla (BZT5) do substratów mineralnych, a związki amonowe (NH4+-N) są utleniane do azotynów (NO2--N) i azotanów (NO3--N) w procesie nitryfikacji. Często podkreśla się, że nitryfikacja pozwala na przejście szkodliwych związków amonowych w azotany, czyli produkt, który jest „lepiej tolerowany” przez środowisko.
Nitryfikacja
Proces nitryfikacji przebiega dwustopniowo, z wykorzystaniem dwóch grup bakterii autotroficznych (samożywnych). Pierwszy typ bakterii w warunkach tlenowych utlenia azot amonowy do azotu azotanowego (bakterie określane w literaturze jako AOB - ammonia oxidizing bacteria lub nitrozobakterie), drugi typ bakterii utlenia azotyny do azotanów (bakterie określane w literaturze jako NOB - ammonia oxidizing bacteria lub nitrobakterie). Przedstawiciele AOB to bakterie, które ze względu na budowę są przedstawicielami pięciu grup: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosovibrio oraz Nitrosolobus4-5. Do drugiej grupy NOB należą: Nitrobacter, Nitrospina oraz Nitrococcus. Proces amonifikacji nie wymaga tlenu i może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych.
Przeczytaj także: Oczyszczalnia oksydacyjna: zasady działania
Ten proces nitryfikacji jest egzotermiczny, a więc w trakcie reakcji wydziela się energia. Szybkość wzrostu Nitrobacter jest większa od szybkości wzrostu Nitrosomonas, dlatego też w reaktorze nie występuje akumulacja azotynów (NO2--N). Proces nitryfikacji jest więc regulowany i limitowany szybkością bakterii AOB (pierwszego etapu). W procesie nitryfikacji biorą również udział bakterie heterotroficzne oraz niektóre gatunki grzybów. Z sumarycznej reakcji nitryfikacji wynika, że zapotrzebowanie na tlen w procesie wynosi 4,57g O2 na 1 gram azotu amonowego (NH4+-N)6. Należy pamiętać, że część azotu może być usuwana na drodze asymilacji w formie azotu amonowego, a w związku z tym faktyczne zużycie tlenu jest niższe i wynosi 4,2g O2 1 gram azotu amonowego (NH4+-N)7.
Denitryfikacja
Po procesie nitryfikacji ostatnim etapem usuwania azotu ze ścieków jest denitryfikacja. W wyniku denitryfikacji azotany i azotyny redukowane są do azotu cząsteczkowego i w postaci gazu usuwane z układu do atmosfery. Reakcja jest prowadzona w warunkach beztlenowych. Proces denitryfikacji jest prowadzony z udziałem bakterii heterotroficznych (cudzożywnych) z rodzaju: Achrombacter, Aerobacter, Bacillus, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas celsis8.
Proces metabolizmu wewnątrzkomórkowego denitryfikacji i zachodzących przemian z wykorzystaniem enzymów nie jest jeszcze dobrze poznany. Tlen z azotanów i azotynów w trakcie prowadzonej denitryfikacji jest wykorzystywany w procesach, obniżając zawartość związków organicznych w ściekach. Istnieją badania potwierdzające, że niektóre bakterie prowadzą denitryfikację wyłącznie do etapu powstania podtlenku azotu (N2O). Usunięcie ze ścieków 1 grama azotu azotanowego (NO3--N) powoduje rozkład związków węgla od 2,3 do 2,9gO2 BZT58 lub wg innych badań 4,6 gO2 ChZT9.
Na proces nitryfikacji i denitryfikacji ma wpływ bardzo wiele czynników. Usuwanie azotu jest uzależnione od ilości dostępnych w ściekach związków organicznych w ściekach, a także temperatury prowadzenia procesu, pH czy zasadowości. W ramach biologicznego usuwania azotu w reaktorach biologicznych z osadem czynnym efektywność procesu eksploatator reguluje stężeniem tlenu w strefie nitryfikacji, wiekiem osadu i recyrkulacją wewnętrzną (z nitryfikacji do denitryfikacji). Odrębnym problemem prowadzenia procesu są substancje hamujące i toksyczne dla nitryfikacji i denitryfikacji, w tym sole nieorganiczne czy używany w celach dezynfekcyjnych chlor.
Problemy Eksploatacyjne i Rozwiązania
Słaba skuteczność usuwania azotu może być również związana z pH poza optymalnym zakresem dla mikroorganizmów (pH = 6,5-8,0). Warunkiem wstępnym tego procesu jest obecność węgla organicznego. Właśnie ten fakt jest najczęstszym wskaźnikiem, czy tak się stanie, czy nie. Jeśli do denitryfikacji nie "dochodzi", prawdopodobnie tlen znajduje się w strefie denitryfikacji.
Przeczytaj także: Jak ustawić napowietrzanie?
Wzrost świadomości ekologicznej powoduje coraz większe zainteresowanie wysoko efektywnym usuwaniem azotu ze ścieków, sprzyja również innowacjom w zakresie stosowanych technologii, a także w zakresie wykorzystania nowych procesów mikrobiologicznych.
Typowe Problemy w Oczyszczalniach
- Długotrwały niski poziom tlenu w zbiornikach (<1,0 mg / l): Przyczyn może być kilka, np. większe stężenia zanieczyszczeń niż zakładano w projekcie, co powoduje nadmierne obciążenie oczyszczalni. Zatkane elementy napowietrzania powodują dodatkowy opór, co sprawia, że dmuchawy pobierają więcej mocy.
- Przekroczenie norm na wskaźniku ChZT: Może mieć kilka przyczyn. Jeśli wyciek substancji nierozpuszczalnych jest niewielki, możliwe jest zmniejszenie ich koncentracji poprzez dodanie oczyszczenia trzeciorzędowego (filtry piasku, mikrosito, itd.).
- Niewystarczające usuwanie szlamu z układu: W takim przypadku dobrym pomysłem jest zoptymalizowanie parametru "współczynnik recyrkulacji", który wpływa na czas przebywania szlamu w układzie.
Przydomowe Oczyszczalnie Ścieków
Przydomowa oczyszczalnia ścieków to fundament komfortu życia w domu bez dostępu do kanalizacji miejskiej. Jednak jej niezawodne działanie zależy nie tylko od jakości urządzenia, ale przede wszystkim od tego, co do niej trafia. Wiele właścicieli domów, posiadaczy działek rekreacyjnych i gospodarstw nieświadomie przeciąża swoje systemy oczyszczające, powodując ich awarię, nieprzyjemne zapachy i konieczność drogich napraw.
Kluczem do długoterminowego bezawaryjnego działania przydomowej biologicznej oczyszczalni ścieków jest zrozumienie obciążenia organicznego - czyli ilości i rodzaju zanieczyszczeń trafiających do zbiornika. Obciążenie organiczne w ściekach bytowych to zawartość organicznych substancji pochodzenia biologicznego, które ulegają biodegradacji. Zwyczajowo wyrażane jest dwoma kluczowymi parametrami: BZT₅ (Biochemiczne Zapotrzebowanie Tlenu na 5 dni) oraz ChZT (Chemiczne Zapotrzebowanie Tlenu).
Źródła Zwiększonego Obciążenia Organicznego
- Resztki organiczne z kuchni (zupy, sosy, tłuszcze, resztki mięsa)
- Tłuszcze i oleje (roślinne i zwierzęce)
- Środki czystości i higieny (surfaktanty, alkoksylowane alkohole)
- Niezalecane odpady (przeterminowana żywność, kosmetyki, leki)
- Mocz i kał (naturalne, ale wymagające odpowiedniego rozcieńczenia)
- Odpady z działalności gospodarczej (gastronomia, przetwórstwo)
Wpływ na System
Kiedy do systemu trafiają substancje, które nie zostały uwzględnione podczas projektowania urządzenia - takie jak tłuszcze, detergenty, leki czy chemikalia - mikroorganizmy nie potrafią ich prawidłowo rozkładać. Prowadzi to do:
- Przechodzenia zanieczyszczeń do gruntu bez odpowiedniego oczyszczenia
- Powstania nieprzyjemnych zapachów
- Zaburzenia pracy osadu czynnego
- Zagrożenia dla otaczającego środowiska i wód gruntowych
Monitoring i Kontrola
W przypadku oczyszczania ścieków przemysłowych i komunalnych obowiązują ścisłe limity zawartości azotu amonowego w oczyszczonych ściekach. Te wartości graniczne różnią się w zależności od regionu i dyrektywy w sprawie ochrony wód, na przykład są regulowane przez Ramową Dyrektywę Wodną UE i niemieckie rozporządzenie w sprawie ścieków (AbwV). Ciągłe monitorowanie azotu amonowego w ściekach jest konieczne, aby zapewnić zgodność z tymi limitami i zapobiec szkodom dla środowiska.
Badania i Analizy
Poprzez analizę redukcji związków azotu oceniono efektywność funkcjonowania komunalnej Oczyszczalni Ścieków w Tarnobrzegu w porównaniu z obowiązującymi normami. Podstawowym problemem procesu oczyszczania ścieków komunalnych jest eliminacja związków biogennych, głównie azotu i fosforu. Podstawowymi formami azotu występującymi w ściekach komunalnych jest amoniak (NH4 -N) oraz związki organiczne.
| Parametr | Ścieki surowe | Ścieki oczyszczone | Wymagania prawne |
|---|---|---|---|
| Azot ogólny (Nog) | Przykładowa wartość | Przykładowa wartość | ≤ 15 mg N/dm3 |
Na podstawie przeprowadzonych badań stężeń azotu w ściekach surowych i oczyszczonych, pochodzących z Miejskiej Oczyszczalni Ścieków w Tarnobrzegu, w okresie od 8.11.2017 do 18.04.2018, stwierdzono, że ścieki oczyszczone odpływające do odbiornika, jakim jest rzeka Wisła, spełniają wymagania, zarówno w stosunku do pozwolenia wodnoprawnego (15,0 mg N/dm3 i poniżej), jak i rozporządzenia (15 mg N/ dm3) (Dz. U. 2014 poz. 1800). Stopień redukcji azotu ogólnego wyniósł średnio 83%, co spełnia wymagania poziomu redukcji uregulowanego przez obowiązujące w Polsce prawo - 70-80% redukcji (rozporządzenie Dz. U. 2014 poz. 1800).
tags: #oczyszczalnia #sciekow #wysoki #poziom #azotu #przyczyny
