SLIDE 1
Natural ¡Nitrogen ¡Cycle ¡
A". ¡Paginagroot ¡N-‑cycle ¡
Dr.ir. ¡Merle ¡de ¡Kreuk ¡ ¡
Nitrogen ¡Removal ¡
CTB3365x ¡Introduc1on ¡to ¡water ¡treatment ¡
Natural Nitrogen Cycle A". Paginagroot N-cycle - - PowerPoint PPT Presentation
Natural Nitrogen Cycle A". Paginagroot N-cycle - - PowerPoint PPT Presentation
Natural Nitrogen Cycle A". Paginagroot N-cycle Nitrogen Removal CTB3365x Introduc1on to water treatment Dr.ir. Merle de Kreuk Nitrogen in nature
SLIDE 2
SLIDE 3
SLIDE 4
Nitrogen ¡in ¡nature ¡
¡
C18H19O9N ¡+ ¡0.74 ¡NH4
+ ¡+ ¡8.8 ¡O2 ¡→ ¡1.74 ¡C5H7O2N ¡+ ¡9.3 ¡CO2 ¡+ ¡0.74 ¡H+ ¡+ ¡4.52 ¡H2O ¡
¡
Biomass ¡(C5H7O2N) ¡
SLIDE 5
Nitrogen ¡in ¡nature ¡
Biomass ¡(C5H7O2N) ¡
SLIDE 6
Biological ¡N-‑removal: ¡N ¡uptake ¡by ¡biomass ¡
Influent ¡in ¡the ¡Netherlands: ¡BOD ¡= ¡180 ¡g ¡/ ¡L; ¡TN ¡= ¡40 ¡mg ¡/ ¡L ¡ Growth ¡Yield ¡of ¡ac1vated ¡sludge: ¡0.6 ¡g ¡VSS ¡/ ¡g ¡BOD ¡
¡ ¡Per ¡liter ¡influent ¡0.6 ¡* ¡180 ¡= ¡108 ¡g ¡VSS ¡produced, ¡containing ¡13.4 ¡g ¡N ¡/ ¡L ¡
Is ¡this ¡enough ¡to ¡reach ¡effluent ¡standard ¡(10 ¡g ¡N ¡/ ¡L)? ¡
SLIDE 7
Biological ¡N-‑removal ¡
NitrificaGon ¡ DenitrificaGon ¡
SLIDE 8
Biological ¡N-‑removal: ¡NitrificaGon ¡
¡1st step: NH4
+ + 1.5 O2 → NO2
- + 2 H+ + H2O
2nd step: NO2
- + 0.5 O2 → NO3
- Aerobic ¡Chemo-‑Litho-‑Autotrophs ¡
CO2 NH4
+ or NO2
- O2
SLIDE 9
Biological ¡N-‑removal: ¡NitrificaGon ¡
¡1st step: NH4
+ + 1.5 O2 → NO2
- + 2 H+ + H2O
2nd step: NO2
- + 0.5 O2 → NO3
- ¡Overall: ¡ ¡
¡NH4
+ + 2 O2 NO3
- + 2 H+ + H2O
Including ¡biomass ¡producGon: ¡4.2 ¡g ¡O2/g ¡NH4-‑N ¡
SLIDE 10
Heterotrophic ¡bacteria ¡vs. ¡Autotrophic ¡Nitrifiers ¡
¡ ¡Heterotrophic ¡bacteria ¡
- Need ¡O2 ¡
- Carbon ¡source: ¡organic ¡C ¡
- Electron ¡Donor: ¡organic ¡C ¡
- Fast ¡growth: ¡~6 ¡d-‑1 ¡(Td ¡= ¡2.8 ¡h) ¡
¡ ¡Heterotrophic ¡act. ¡in ¡bioreactor ¡
- BX ¡< ¡3 ¡kg ¡BOD ¡. ¡kg ¡MLSS-‑1d-‑1 ¡
- ΘX ¡ ¡> ¡1 ¡day ¡
- O2 ¡> ¡0.5 ¡g ¡m-‑3 ¡
¡ ¡Autotrophic ¡nitrifying ¡bacteria ¡
- Need ¡lots ¡of ¡O2 ¡
- Carbon ¡source: ¡CO2 ¡
- Electron ¡Donor: ¡NH4 ¡
- Slow ¡growth: ¡~0.8 ¡d-‑1 ¡(Td ¡= ¡21 ¡h) ¡
¡ ¡Nitrifica:on ¡in ¡bioreactor ¡
- BX ¡< ¡0.15 ¡kg ¡BOD ¡. ¡kg ¡MLSS-‑1d-‑1 ¡
- ΘX ¡> ¡2.5 ¡days ¡
- O2 ¡> ¡2 ¡g ¡m-‑3 ¡
SLIDE 11
Biological ¡N-‑removal ¡
NitrificaGon ¡ DenitrificaGon ¡
SLIDE 12
Biological ¡N-‑removal: ¡DenitrificaGon ¡
¡Use ¡NO2
- ‑ ¡or ¡NO3
- ‑ ¡as ¡electron ¡acceptor ¡
¡Preformed ¡by ¡heterotrophic ¡organisms ¡ ¡Need ¡organic ¡carbon ¡source ¡
SLIDE 13
Biological ¡N-‑removal: ¡DenitrificaGon ¡
¡Use ¡NO3
- ‑ ¡as ¡electron ¡acceptor ¡
¡Preformed ¡by ¡heterotrophic ¡organisms ¡ ¡Need ¡organic ¡carbon ¡source ¡
¡ ¡ ¡C10H19O3N ¡+ ¡10 ¡NO3
- ‑ ¡ ¡5 ¡N2 ¡+ ¡10 ¡CO2 ¡+ ¡3 ¡H2O ¡+ ¡NH3 ¡+ ¡10 ¡OH-‑ ¡+ ¡Energy ¡
¡
¡5 ¡CH3OH ¡+ ¡6 ¡NO3
- ‑ ¡ ¡3 ¡N2 ¡+ ¡5 ¡CO2 ¡+ ¡7 ¡H2O ¡+ ¡6 ¡OH-‑ ¡+ ¡Energy ¡
10 ¡OH-‑ ¡ ¡ 6 ¡OH-‑ ¡ ¡
SLIDE 14
Post-‑denitrificaGon ¡
BOD ¡+ ¡O2 ¡ ¡CO2 ¡ Extra ¡C-‑source ¡
Aerobic tank Anoxic tank
/ ¡Pre-‑denitrificaGon ¡
NH4
+ ¡+ ¡O2 ¡ ¡NO3
- ‑ ¡
BOD ¡+ ¡NO3
- ‑
¡ ¡N2 ¡+ ¡CO2 ¡
SLIDE 15
Post-‑denitrificaGon ¡
BOD ¡+ ¡O2 ¡ ¡CO2 ¡
Aerobic tank Anoxic tank
/ ¡Pre-‑denitrificaGon ¡
NH4
+ ¡+ ¡O2 ¡ ¡NO3
- ‑ ¡
BOD ¡+ ¡NO3
- ‑
¡ ¡N2 ¡+ ¡CO2 ¡
SLIDE 16
Post-‑denitrificaGon ¡/ ¡Pre-‑denitrificaGon ¡
Internal ¡Recycle ¡Ra:on ¡(fIR) ¡ ¡ ¡ Mass-‑balance ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
¡
Q ¡NOx ¡= ¡NOx,e ¡( ¡Q ¡+ ¡fIR ¡Q ¡+ ¡fR ¡Q) ¡
Kg/d ¡of ¡nitrate ¡ produced ¡in ¡aerobic ¡ zone ¡
fIR ¡= ¡NOx ¡/ ¡NOx,e ¡ ¡ ¡-‑ ¡1.0 ¡-‑ ¡fR ¡
= ¡
Nitrate ¡in ¡ effluent ¡ + ¡ Nitrate ¡in ¡ internal ¡ recycle ¡ Nitrate ¡in ¡return ¡ acevated ¡sludge ¡ (RAS) ¡
+ ¡
SLIDE 17
A. Aeraeon ¡circuit ¡ B. Denitrificaeon ¡zone ¡ C. Measurement ¡DO ¡ D. Surface ¡aerators ¡ E. Effluent ¡ F. Measurement ¡NO3
- ‑ ¡
concentraeon ¡ G. Return ¡sludge ¡ H. Influent ¡
E ¡ ¡C ¡ D ¡
¡A ¡
¡B ¡ ¡B ¡ ¡B ¡ DenitrificaGon ¡in ¡plug-‑flow ¡system ¡
SLIDE 18
Novel ¡opportunity: ¡anaerobic ¡nutrient ¡removal ¡
Anammox ¡(Anaerobic ¡Ammonium ¡Oxida1on) ¡ ¡ ¡ Conveneonal ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡
¡
NH4
+ ¡
nitrificaeon ¡
NO2
- ‑ ¡
NO3
- ‑ ¡
denitrificaeon ¡
N2 ¡ NH4
+ ¡+ ¡NO2
- ‑ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡N2 ¡+ ¡2H2O ¡
O2 ¡ O2 ¡
electron-‑donor ¡
SLIDE 19
¡No ¡need ¡for ¡addieonal ¡carbon ¡source ¡(e-‑donor) ¡
Anammox: ¡advantages ¡
¡Huge ¡savings ¡in ¡energy ¡requirements ¡ ¡ ¡To ¡combine ¡with ¡sludge ¡digeseon ¡ ¡
SLIDE 20
Anammox: ¡Two ¡step ¡reactor ¡
SHARON ¡ ANAMMOX ¡
NH4
+ ¡
100% ¡NH4
+ ¡
50% ¡NH4
+ ¡
50% ¡NO2
- ‑ ¡
95% ¡N2 ¡ ¡O2 ¡ 5% ¡NO3
- ‑ ¡
SLIDE 21
Anammox: ¡One ¡step ¡reactor ¡
Anammox ¡
SLIDE 22
Current ¡removal: ¡ ¡
5 ¡kg ¡N/(m3.d) ¡ ¡
¡ ¡
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Anammox ¡Pilot ¡Plant ¡
low ¡temperature ¡N-‑removal ¡by ¡Anammox ¡in ¡B-‑stage ¡of ¡an ¡A/B ¡system ¡
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Dr.ir. ¡Merle ¡de ¡Kreuk ¡ ¡
Nitrogen ¡Removal ¡
CTB3365x ¡Introduc1on ¡to ¡water ¡treatment ¡