Nitrogen compounds inhibition in biological wastewater treatment
Inhibiční působení vybraných dusíkatých látek v biologických procesech čištění odpadních vod
Vedoucí/Supervisor
Doc. Ing. Pavel Jeníček, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Tato disertační práce nazvaná „Inhibiční působení vybraných dusíkatých látek v biologických procesech čištění odpadních vod“ se zabývá zejména vyhodnocením inhibičního působení anorganických dusíkatých látek (amoniakální, dusitanový a dusičnanový dusík) na nitrifikaci (proces známý jako substrátová a produktová inhibice nitrifikace). Část pozornosti je také věnována inhibici rozkladu dobře rozložitelného organického substrátu působením těchto látek.
Teoretická část ve svém úvodu podrobně popisuje koloběh dusíku v přírodě, proces nitrifikace a faktory tento proces ovlivňující se zdůrazněním kinetického popisu procesů inhibice. Dále se teoretická část soustředí na literární rešerši týkající se substrátové a produktové inhibice nitrifikace, která je doplněna kapitolou zaměřenou na využití těchto jevů v moderních biologických procesech pro odstranění dusíkatých látek z odpadních vod. Závěrečná část je pak zaměřena na nástroj umožňující hodnocení inhibice nitrifikace – tedy na metodiku měření nitrifikačních aktivit. V rámci literární rešerše jsou porovnávány vsádkové, respirometrické a také méně známé titrační techniky.
Experimentální výsledky prezentované v této práci pochází ze dvou výzkumných pracovišť. Kromě výzkumné půdy ÚTVP VŠCHT Praha, jde také o výsledky z výměnné stáže v rámci programu Erasmus na univerzitě Politecnico di Milano, Itálie. Jedná se jak o poznatky z provozu nitrifikačních semikontinuálních modelů, tak zejména o inhibiční kinetické nitrifikační testy. Výsledky těchto testů jsou přehledně děleny dle zkoumané inhibující formy dusíku a použité techniky měření nitrifikačních aktivit. Podrobněji jsou popisovány zejména titrační testy (pH-stat a DO-stat titrace), které představují v České republice málo používaný nástroj, který však disponuje významnou silou při hodnocení nitrifikačních aktivit a inhibice nitrifikace.
Prezentované výsledky potvrzují a popisují inhibiční působení amoniakálního a dusitanového dusíku nejen na nitrifikaci ale i na aktivitu heterotrofních organismů. Jako inhibiční forma byl ve všech případech shledán volný amoniakální dusík (NH3). V případě dusitanového dusíku situace tak jednoznačná není – jisté inhibiční působení lze na základě výsledků této práce připsat oběma popisovaným formám (NO2- i HNO2). Inhibiční působení dusičnanového dusíku pak bylo shledáno jako méně výrazné a významné pouze v případě velmi vysokých koncentrací, např. v průmyslových odpadních vodách.
Prezentované inhibiční závislosti byly následně srovnávány s literárně získanými kinetickými inhibičními rovnicemi. V každém případě byla vyhodnocena nejvhodnější rovnice použitelná pro případné matematické modelování zkoumaného procesu.
Abstract
The thesis deals in particular with the assessment of inhibitory effects of inorganic nitrogen compounds (ammonia nitrogen, nitrite nitrogen and nitrate nitrogen) on the nitrification (a process known as substrate and product inhibition of nitrification). Attention is also paid to the inhibition of decomposition of well-decomposable organic substrate by these compounds.
The theoretical part starts with detailed description of the nitrogen cycle in the nature, of the process of nitrification and factors which influence this process, emphasizing the kinetic description of the inhibition processes. Furthermore, the theoretical part deals with literature search related to substrate and product inhibition of nitrification, completed with a chapter focused on the use of these phenomena in modern biological processes of removal of nitrogen compounds from waste waters. The final part is aimed at the tool allowing the evaluation of the nitrification inhibition – i.e. the methodology of nitrification activity measurement. The literature search compares the batch tests, respirometry, but also less known titration technologies.
Experimental results presented in this thesis come form two research institutes. Apart from the home institute - the Institute of Chemical Technology, Prague (ICT Prague) - the results come from an Erasmus internship at Politecnico di Milano, Italy. These are findings based on the operation of nitrification semi-continuous models and, in particular, inhibition kinetic nitrification tests. The test results are arranged according to the examined inhibiting form of nitrogen and the nitrification activity measurement technology used. Titration tests (pH-stat and DO-stat titration) are described in detail as they are not common in the Czech Republic, yet they are a strong tool for the assessment of nitrification activities and the nitrification inhibition.
The presented results prove and describe the inhibitory effects of ammonia nitrogen and nitrite nitrogen not only on the nitrification, but also on the activity of heterotrophic organisms. The following conclusions are based on these results:
- The inhibitory effects of inorganic nitrogen compounds (especially the forms of NH3 and HNO2) cannot be omitted as they may have considerable influence on most biological processes of waste water treatment.
- When assessing the inhibitory effects, it is necessary to take into consideration that adaptation of organisms plays a very important part.
- The determination of forms of incidence responsible for the inhibition is distorted by effects of other factors.
Apart from the above, all inhibitory dependences presented herein were subsequently compared with kinetic inhibition equations acquired from literature. In each case, the most suitable equation applicable for eventual mathematical modeling of the researched process was determined.