Use of sulphur and nitrogen cycle bacteria for alternative methods of wastewater treatment
Využití baktérií sirného a dusíkového cyklu pro alternativní metody čištění odpadních vod
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Jana Zábranská, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Předložená dizertační práce se věnuje především studiu denitrifikace v různých uspořádáních. Pozornost je věnována heterotrofní denitrifikaci se suspenzní a imobilizovanou biomasou, ale také autotrofní denitrifikaci s využitím sulfidů jako donoru elektronů. V části práce se autor věnuje také možnosti chemické a biologické oxidace sulfidů.
V teoretické části je podrobně popsán koloběh dusíku v přírodě a základní procesy jeho odstraňování. Uveden je také přehled klasických i alternativních uspořádání aktivačních linek čistíren odpadních vod využívaných pro odstraňování dusíku. Ve stejném duchu je popsán i přirozený koloběh síry, základní procesy její eliminace a technologické aplikace zabývající se transformací či úplným odstraněním síry z vodního prostředí. V poslední kapitole teoretické části je popsána možnost spojení biogeochemických cyklů dusíku a síry a proces simultánního odstraňování dusíku a síry.
Při testech s aktivovaným kalem prokázáno, že zásadní vliv na rychlost i průběh denitrifikace má především adaptace na reálné zatížení a organický substrát. Denitrifikační rychlost byla nezávislá na počáteční koncentraci dusičnanů, avšak pouze v oblasti koncentrací a zatížení, ve které biomasa běžně pracuje. Bylo ověřeno, že kal adaptovaný na ethanol dosahuje vyšších denitrifikačních rychlostí i s jinými alkoholy.
V další kapitole byla potvrzena spolehlivost imobilizačních technik a jejich možné využití k biologické denitrifikaci. V důsledku zachycení bakterií v nosiči je denitrifikační rychlost závislá na rychlosti difúze a počáteční koncentraci dusičnanového dusíku. Naopak, uzavření bakterií v nosiči nezajistí vyšší odolnost bakterií vůči nízkým teplotám odpadní vody.
V další části práce bylo ověřeno, že účinnost biologické oxidace sulfidů i distribuce konečných produktů oxidace sulfidů jsou závislé na dávce vzduchu. S přebytkem vzduchu je oxidace úplná a vznikají sírany, při snížení dávky vzduchu byly přítomné thiosírany. Jejich přítomnost je též důkazem probíhající chemické oxidace sulfidů. Bylo prokázáno, že chemická oxidace je nedílnou součástí přirozeného biologického procesu.
V poslední kapitole se při studiu autotrofní denitrifikace jako klíčový faktor určující účinnost denitrifikace a konečný produkt oxidace sulfidů prokázal poměr S/N. Jako optimální byl určen poměr S/N = 1,2, při kterém bylo sledováno kompletní odstranění dusičnanového dusíku a účinnost odstranění sulfidů 90 %. Při výrazném zvyšování poměru S/N došlo až k nastartování procesu DNRA.
Abstract
Presented dissertation thesis mainly deals with the study of denitrification in different forms. Attention is dedicated to heterotrophic denitrification with both suspension and immobilised biomass, as well as autotrophic denitrification with use of sulphides as electron donors. In one part of thesis author deals with possibility of chemical and biological oxidation of sulphides.
In the theoretical part nitrogen cycle in nature and basic processes of its removal are described in detail. Summary of classic and alternative configurations of activation basins of wastewater treatment plants used for nitrogen removal is there also stated. Natural sulphur cycle, basic processes of its elimination and technological applications dealing with transformation or complete removal of sulphur from water is there described in the same way. There is described in the last chapter of theoretical part the possibility of connection of biogeochemical cycles of nitrogen and sulphur and process of simultaneous nitrogen and sulphur removal.
It was approved in the tests with activated sludge that major influence on rate and course of denitrification has mainly adaptation on real loading rate and organic substrate. Denitrification rate was independent on initial concentration of nitrates, but only in the range of concentrations and loading rates, at which biomass normally works. It was proved, that sludge adapted on ethanol achieves higher denitrification rates also with other alcohols.
In the next chapter there was acknowledged reliability of immobilisation techniques and their possible use for biological denitrification. As a result of entrapment of bacteria in carrier, denitrification rate is dependent on the diffusion rate and initial concentration of nitrate nitrogen. On the other hand, entrapment of bacteria in carrier does not secure higher resistance of bacteria against low temperatures of wastewater.
In the following part of the thesis it was proved, that efficiency of biological oxidation of sulphides as well as distribution of final products of sulphides oxidation is dependent on air dose. Oxidation is complete with the air surplus and sulphates arise. With decrease of air dose thiosulphates were present. Their presence is also evidence of proceeding of chemical sulphides oxidation. It was approved, that chemical oxidation is integral part of natural biological process.
When studying autotrophic denitrification in the last chapter, ratio S/N was approved as a key factor determining denitrification efficiency and final product of sulphides oxidation. Ratio S/N = 1.2, at which complete nitrogen removal and 90 % efficiency of sulphides removal was observed, was determined as an optimal one. When notably increasing the ratio S/N, start-up of DNRA process occurred.