Badania nad elektrolitycznym wspomaganiem procesu denitryfikacji w biologicznym złożu tarczowym

• Autorzy: Rodziewicz J. , Filipkowska U. , Sominka K.

Warianty tytułu

EN

Research on the electrolytically-aided denitrification on the four-stage rotating biological contactor

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Złoża tarczowe to jedno z rozwiązań złóż biologicznych, w których błona biologiczna rozwija się na szeregu obracających się współosiowo tarcz, częściowo lub całkowicie zanurzonych w ściekach (ruch obrotowy tarcz zapewnia z jednej strony dostarczenie tlenu z powietrza, z drugiej pobór przez biomasę substratów ze ścieków). Najczęściej urządzenia te wykorzystywane są do utleniania związków węgla i wysoko efektywnej nitryfikacji. Z przeglądu piśmiennictwa wynika, że wciąż jest jeszcze niewiele rozwiązań technologiczno-technicznych umożliwiających skuteczne usuwanie w tych urządzeniach związków azotu. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem są układy, w których na częściowo zanurzonych tarczach zachodzi nitryfikacja, podczas gdy na tarczach zanurzonych całkowicie - denitryfikacja [15, 17]. Innym rozwiązaniem jest wprowadzenie do biomasy błony biologicznej bakterii Paracoccus denitrificans (dawniej Thiosphaera pantotropha) zdolnej do symultanicznej heterotroficznej nitryfikacji i aerobowej denitryfikacji [3, 4]. Organizmy te w procesie oddychania jako ostateczne akceptory elektronów mogą wykorzystywać symultanicznie azotany i tlen, co przyczynia się do zwiększenia szybkości wzrostu tych mikroorganizmów [16]. Inną możliwością jest prowadzenie na biologicznych złożach tarczowych procesów Anammox (anaerobowe utlenianie azotu amonowego) [2, 6, 13] i CANON (całkowite autotroficzne usuwanie związków azotu przez azotyny) w warunkach ograniczonej zawartości związków węgla w oczyszczanych ściekach [2, 14, 20]. Hippen i wsp. [7], Helmer i Kunst [57] oraz Helmer i wsp. [6] udokumentowali występowanie aerobowej deamonifikacji w procesie wstępnego oczyszczania odcieków z wysypiska śmieci w Mechernich (Niemcy) przy wykorzystaniu biologicznych złóż tarczowych. Podejmowane są próby łączenia biologicznych złóż tarczowych z sekwencyjnymi biologicznym reaktorami (SBR) - sekwencyjny biologiczny reaktor z błoną biologiczną (SBBR). Główną korzyścią SBBR jest możliwość prowadzenia tlenowego usuwania związków organicznych, nitryfikacji i denitryfikacji w jednym reaktorze pracującym w 5-fazowym cyklu [10]. Kolejnym korzystnym rozwiązaniem może być zastosowanie zjawiska przepływu prądu elektrycznego na biologicznych złożach tarczowych. W niektórych gałęziach przemysłów takich jak: wytrawianie metali, produkcja nawozów sztucznych czy produkcja materiałów wybuchowych powstają ścieki o dużym stężeniu azotanów V, a małym stężeniu związków organicznych [19]. Do procesu denitryfikacji tego rodzaju ścieków konieczne jest dodawanie zewnętrznego źródła donora elektronów, jakim może być gazowy wodór, którego zaletą jest niska rozpuszczalność i brak konieczności wtórnego usuwania jego nadmiaru. Sakakibara i wsp. [11, 12] zaproponowali bio-elektrochemiczny reaktor, w którym denitryfikacyjna błona biologiczna jest unieruchomiona na katodzie, na powierzchni której, w wyniku elektrolizy wody, powstaje gazowy wodór wykorzystywany do redukcji azotanów. Z przeglądu piśmiennictwa wynika, że wciąż jest niewiele skutecznych rozwiązań technologiczno-technicznych umożliwiających usuwanie związków azotu na biologicznych złożach obrotowych. Dlatego podjęto badania nad połączeniem procesów elektrochemicznych, powstających podczas przepływu prądu elektrycznego w środowisku ściekowym, z procesami biologicznymi, zachodzącymi na biologicznym złożu tarczowym. Krzemieniewski i Rodziewicz [8] prowadzili badania nad połączeniem procesów elektrochemicznych, powstających podczas przepływu prądu elektrycznego w środowisku ściekowym, z procesami biologicznymi, zachodzącymi na biologicznym złożu tarczowym. W założeniach technologicznych przyjęto, że podczas przepływu prądu elektrycznego nastąpi proces usuwania azotu, ponieważ na powierzchni katody w procesie elektrolizy wody powstaje gazowy wodór, który wykorzystywany jest jako źródło donora elektronów przez mikroorganizmy autotroficzne w procesie denitryfikacji. W omawianym układzie zachodził proces symultanicznej nitryfikacji i denitryfikacji dzięki tworzeniu obszarów aerobowych i anoksycznych. Środowisko anoksyczne powstawało w głębszych obszarach aerobowej błony biologicznej z powodu ograniczenia penetracji tlenu. Celem badań było określenie efektywności procesu elektrolitycznie wspomaganej denitryfikacji w czterostopniowym biologicznym złożu tarczowym przy zmiennym stosunku ChZT/Nog.

EN

Favourable solution may be use of electric current flow phenomenon on rotating biological contactor. In some branches of industry such as: metal etching, production of fertilizers and explosives manufacturing wastewater with high concentrations of nitrates V, and low concentrations of organic compounds is produced [19]. Denitrification process of such type of wastewater requires adding an external source of electron donor, such as hydrogen gas. Its low solubility and no need for secondary removal of its excess are its advantages. Sakakibara et al [11, 12] proposed a bio-electrochemical reactor, in which the denitrifying biological membrane is immobilized on cathode. On its surface, as a result of water electrolysis, the hydrogen gas is formed which is used to reduce nitrates. The review of the literature shows there is little effective technological and technical solutions enabling the removal of nitrogen compounds in rotatingbiological contactors. Therefore, studies were undertaken on a combination of electrochemical processes, occurring during flow of electric current in the wastewater environment with biological processes, occurring in the rotating biological contactor. Subject of this study is research into synthetic wastewater treatment on the four-stage rotating electrobiological contactor (REBC) in two runs. Run I was made with the COD/TN ratio equal to 12, run II - with the COD/TN ratio equal to 6. In both runs were used contactor I, under conventional conditions (lack of current flow), and contactor II which worked in conditions of current flow with density of 14 mA/m 2. In contactor II disks made of stainless steel with immobilized biological film served as a cathode, whereas an electrode made of aluminum- as an anode. Research has shown that process of removal nitrogen compounds was more effective in system with current flow, then efficiency of nitrification process was equal to 92,79% (run I) and 95,4% (run 2), and efficiency of denitrification process was equal to 58,91% (run 1) and 50,95% (run 2). More effective removal of nitrogen compounds in the denitrification process was obtained as a result of the simultaneous use as an energy source, hydrogen gas produced by electrolysis of water and organic matter contained in the treated wastewater.

Słowa kluczowe

PL

badania elektrolityczne; proces denitryfikacji; biologiczne złoże

EN

electrolytic study; denitrification process; biological deposit

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2010
• Tom: Tom 12
• Strony: 835--846
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz.

Twórcy

autor

Rodziewicz J.

autor

Filipkowska U.

autor

Sominka K.

• Uniwersytet Warmińsko-Mazurski, Olsztyn

Bibliografia

• 1. Cortez S., Teixeira P., Oliveira R., Mota M.: Rotating biological contactors : a review on main factors affecting performance. Rev. Env. Sci. Biotech. 7. 2: 155-172, 2008.
• 2. Egli K., Fanger U., Alvarez P.J.J., Siegrist H., Van der Meer J.R., Zehnder A.J.B.: Enrichment and characterization of an anammox bacterium from rotating biological contactor treating ammonium-rich leachate. Arch. Microbiol. 175: 198-207, 2001.
• 3. Gupta A.B., Gupta S.K.: Simultaneous carbon and nitrogen removal in a mixed culture aerobic RBC biofilm. Wat. Res. 33: 555-561, 1999.
• 4. Gupta A.B., Gupta S.K.: Simultaneous carbon and nitrogen removal from high strength domestic wastewater in an aerobic RBC biofilm. Wat.Res. 35: 1714-1722, 2001.
• 5. Helmer C., Kunst S.: Simultaneous nitrification/denitrification in an aerobic biofilm system. Wat. Sci. Tech. 37: 183-187, 1998.
• 6. Helmer C., Kunst S., Juretschko S., Schmid M.C., Schleifer C.F.: Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system. Wat. Sci. Tech. 39: 13-21, 1999.
• 7. Hippen A., Rosenwinkel K.-H., Baumgarten G., Seyfried C.F.: Aerobic deammonification: a new experience in the treatment of wastewaters. 35: 111-120, 1997.
• 8. Krzemieniewski M, Rodziewicz J.: Nitrogen compounds removal in a rotating electrobiological contactor. Environmental Engineering Science 22. 6: 816-822, 2005.
• 9. Kuroda M., Watanabe T., Umedu Y.: Simultaneous oxidation and reduction treatments of polluted water by a bioelectro reactor. Wat. Sci. Tech. 34. 9: 101-108, 1996.
• 10. Lindemann J., Wiesmann U.: Single-disc investigations on nitrogen removal of higher loads in sequencing batch and continuously operated RDR systems. Wat. Sci. Tech. 41: 77-84, 2000.
• 11. Sakakibara Y., Araki K., Tanaka T., Watanabe T., Kuroda M.: Denitrification and neutralizatiom with an electrochemical and biological reactor. Wat. Sci. Tech. 30: 151-155, 1994.
• 12. Sakakibara Y., Flora J.R.V., Suidan M.T. I Kuroda M.: Modeling of electrochemically-activated denitrifying biofilms. Wat. Res. 28: 1077-1086, 1994.
• 13. Siegrist H., Reithaar S., Lais P.: Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium rich leachate without organic carbon. Wat. Sci. Tech. 37: 589-591, 1998.
• 14. Sliekers A.O., Derwort N., Campos Gomez J.L., Strous M., Kuenen J.G., Jetten M.S.M.: Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite. Wat. Res. 36: 2475-2482, 2002.
• 15. Teixeira P., Oliveira R.: Denitrification in closed rotating biological contactor: effect of disk submergence. Process Biochemistry. 37: 345-349, 2001.
• 16. Van Loosdrecht M.C.M., Jetten M.S.M.: Microbiological conversions in nitrogen removal. Wat. Sci. Tech. 38: 1-7, 1998.
• 17. Watanabe Y., Bang D.Y., Itoh K., Matsui K.: Nitrogen removal from wastewaters by a bio-reactor with partially and fully submerged rotating biofilms. Wat. Sci. Tech. 29: 431-438, 1994.
• 18. Watanabe T., Hashimoto S., Kuroda M.: Simultaneous nitrification and denitrification in a single reactor using bio-electrochemical process. Wat. Sci. Tech. 46: 163-169, 2002.
• 19. Watanabe T., Motoyama H., Kuroda M.: Denitrification and neutralization treatment by direct feeding of an acidic wastewater containing copper ion and high-strength nitrate to a bio-electrochemical reactor process.Wat. Res. 35: 4102-4110, 2001.
• 20. Wyffels S., Pynaert K., Boeckx P., Verstraete W.: Identification and quantification of nitrogen removal in a rotating biological contactor by 15 Ntracer techniques. Wat. Res. 37: 1252-1259, 2003.
• 21. Zhanga L., Jiaa J., Zhub Y., Zhua N., Wanga Y., Yanga J.: Electrochemically improved biodegradation of municipal sewage. Biochemical Engineering. 22. 3: 239-244, 2005.