Vliv koncentrace kyslíku na zastoupení nitritačních a nitratačních bakterií v aktivovaném kalu

Vojtěch Mráz

Master's thesis

The Infleuence of Dissolved Oxygen Concentration on the Occurrence of Ammonia and Nitrite Oxidising Bacteria in Activated Sludge

Abstract:

Tato diplomová práce je zaměřena na posouzení průběhu nitrifikace v čištěné kalové vodě s vysokou koncentrací amoniakálního dusíku v závislosti na koncentraci rozpuštěného kyslíku. Koncentrace rozpuštěného kyslíku je jeden z hlavních činitelů ovlivňujících zastoupení nitritačních a nitratačních bakterií při biologickém čištění odpadní vody. Nitritace je prvním stupněm nitrifikace, kdy dochází k produkci dusitanů. Za určitých podmínek se nitrifikace může v této fázi zastavit, což je výhodné k následné denitrifikaci. S tím je spojeno možné uspoření kyslíku k oxidaci amoniakálního dusíku a organického substrátu potřebného pro denitrifikační proces. Využití těchto skutečností je ekonomicky výhodné. V rámci této práce bylo cílem simulovat oddělené čištění kalové vody. Kalová voda dosahovala koncentrace N-amon cca 1330 mg/l a byla dávkována do reaktoru provozovaného na principu směšovací aktivace. Hodnota pH byla regulována na 7. Pro zjištění vlivu kyslíku na nitrifikaci byla použita metoda, při které se měnila koncentrace rozpuštěného kyslíku v nitrifikačním reaktoru. Experiment byl rozdělen do pěti fází. V první fázi byla koncentrace kyslíku nastavena na 3 mg/l. Nitrifikace probíhala až na dusičnany. Účinnost odstranění N-amon se pohybovala v této etapě okolo 98,3 %. Objemové zatížení systému amoniakálním dusíkem v první etapě bylo v rozmezí 0,36 kg/(m3.d) až 0,64 kg/(m3.d), kdy se zvyšoval průtok z 360 ml/d na 504 ml/d. Ve druhé fázi se koncentrace rozpuštěného kyslíku nastavila na 0,5 mg/l a poté zvýšila na 0,8 mg/l. Projevilo se to hromaděním dusitanů. Limitace koncentrace O2 ovlivnila účinnost odstranění N-amon na cca 42,8 %. V druhé a dalších fázích objemové zatížení amoniakálním dusíkem činilo v průměru 0,57 kg/(m3.d), kdy byl průtok nastaven na hodnotu od 552 ml/d do 576 ml/d. Ve třetí fázi se nastavila koncentrace rozpuštěného kyslíku na 4 mg/l a účinnost odstranění N-amon se pohybovala v této etapě okolo 80,1 %. Ve čtvrté fázi při nastavené koncentraci rozpuštěného kyslíku na 1 mg/l došlo k limitaci aktivity nitratačních bakterií a tím k nárůstu koncentrace dusitanů, aniž by došlo k výraznému snížení celkové účinnosti odstranění N-amon, které činilo 66,9 %. V poslední etapě byla nastavena koncentrace rozpuštěného kyslíku na 4 mg/l a účinnost odstranění N-amon se pohybovala průměrně okolo 89,1 %. Procentní zastoupení N-NO2- mezi oxidovanými formami dusíku lze charakterizovat tak, že při koncentraci O2 vyšší než 3 mg/l je zastoupení N-NO2- mezi oxidovanými formami jen 0,1 %. Při limitaci koncentrace O2 pod 1 mg/l zastoupení N-NO2- vzrostlo ve druhé fázi na 29 % a ve čtvrté fázi na změřených 70 %. Což potvrzovalo vliv koncentrace rozpuštěného kyslíku na aktivitu nitritačních a nitratačních bakterií. Lze tedy předpokládat, že dané podmínky jsou vhodné pro dlouhodobou akumulaci dusitanů v kontinuálním systému na principu směšovací aktivace.

Abstract:

This masters thesis is focused on the assessment of nitrification progress in the treated reject water with high total ammonia nitrogen (TAN) concentration depending on the concentration of dissolved oxygen. The concentration of dissolved oxygen is one of the main factors influencing the presence of nitrifying bacteria during the biological wastewater treatment. The first stage of nitrification is the nitritation during which the nitrite is produced. Under certain conditions the nitrification process can stop at this stage which is convenient for the subsequent denitrification. This can be combined with possible savings of the oxygen for further oxidation of total ammonia nitrogen and organic substrate needed for the denitrification process. Utilization of these facts is economical. The goal within this thesis was to simulate split reject water treatment. Reject water was reaching TAN concentration of approx. 1330 mg/l and it was added into the reactor working in regime of completely stirring tank reactor (CSTR). Value of pH was set to 7. The method used for the determination of the oxygen effect on the nitrification process was such that the concentration of dissolved oxygen in the nitrification reactor was changing. Experiment was divided into five stages. During the first stage the oxygen concentration was set to 3 mg/l. Nitrification was left to go all the way to the nitrate. Efficiency of TAN removal during this stage was around 98.3 %. The capacity load of the system with the TAN in the first stage was between 0.36 kg/(m3.d) and 0.64 kg/(m3.d) while the flow rate was increasing from 360 ml/d to 504 ml/d. During the second stage the concentration of dissolved oxygen was set to 0.5 mg/l and then increased to 0.8 mg/l. The effect was the accumulation of nitrite. The limitation of the concentration of O2 influenced efficiency of TAN removal to approx. 42.8 %. During the second and subsequent stages the capacity load with the TAN was on average 0.57 kg/(m3.d) while the flow rate was set between 552 ml/d and 576 ml/d. During the third stage the concentration of dissolved oxygen was set to 4 mg/l and the efficiency of TAN removal was around 80.1 %. During the fourth stage, when the dissolved oxygen concentration was set to 1 mg/l, the limitation of the activity of the nitrite-oxidizing bacteria took place which resulted in the increase of the nitrite concentration without considerable decrease of the overall efficiency of the TAN removal which was 66.9 %. In the final stage of the experiment the concentration of dissolved oxygen was set to 4 mg/l and the efficiency of the TAN removal was on average 89.1 %. The proportional presence of the N-NO2- among oxidized forms of nitrogen can be characterized as such that when the O2 concentration is higher than the 3 mg/l the N-NO2-presence among the oxidized forms of nitrogen is only 0.1 %. When the O2 concentration was limited under 1 mg/l the presence of the N-NO2- increased to 29 % during the second stage and to 70 % during the fourth stage of the experiment. That proves the effect of the dissolved oxygen concentration on the ammonia-oxidizing and nitrite-oxidizing bacteria activity. Therefore, it can be presumed that given conditions are suitable for the long-term accumulation of nitrite in the CSTR principle.

Keywords

čištění odpadních vod, nitrifikace, nitritační bakterie, nitratační bakterie, kyslík, kalová voda

Keywords

nitrite-oxidizing bacteria, wastewater treatment, nitrification, ammonia-oxidizing bacteria, oxygen, reject water

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2016

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Pavel Švehla, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Care of Biosphere / Waste Use and Management