Biologiczne usuwanie azotu amonowego z wód podziemnych na filtrach suchych

W wodach podziemnych azot występuje w różnych formach podlegających przemianom. Z uwagi na dużą rozpuszczalność w wodzie i możliwość migracji dominującą formą azotu w wodach podziemnych są azotany. W głębokich i czystych wodach podziemnych czasami stwierdza się obecność azotu amonowego pochodzenia geologicznego, w ilościach typowych dla danej warstwy wodonośnej [1].

Azot amonowy w zależności od odczynu wody występuje w postaci jonu amonowego NH₄⁺ oraz rozpuszczonego gazu NH₃, którego udział maleje wraz z obniżeniem odczynu. Przy odczynie wody 8,0 pH udział amoniaku NH₃ wynosi kilka procent. Dopuszczalne stężenie azotu amonowego w wodzie wodociągowej zgodnie z rozporządzeniem Ministra Zdrowia [5, 6] wynosi 0,5 mgNH₄/dm³.

Obecność azotu amonowego niekorzystnie wpływa na przebieg procesu odmanganiania. Jeżeli jest on zawarty w uzdatnianej wodzie, należy go najpierw utlenić bądź całkowicie usunąć. Usunięcie jonów amonowych z wody determinuje zastosowanie niekonwencjonalnych procesów jednostkowych w technologii uzdatniania wody. Tradycyjne metody oczyszczania wody podziemnej obniżają stężenie azotu amonowego jedynie o 0,1–0,3 g N/m³ [2].

Azot amonowy może być usuwany z wody za pomocą metod fizycznych (desorpcja i wymiana jonowa), chemicznych (utlenianie chlorem) oraz biologicznych (nitryfikacja). Usuwanie amoniaku z wody metodą desorpcji wymaga alkalizacji wody, a wymiana jonowa z zastosowaniem klinoptylolitu wymaga usunięcia związków organicznych na węglu aktywnym [7].

Wysoką efektywność usuwania amoniaku uzyskuje się metodą chemiczną w wyniku chlorowania do punktu przełamania, ale z uwagi na konieczność pojawienia się wolnego chloru wymagane są jego duże dawki i redukcja przed wprowadzeniem wody do sieci wodociągowej, możliwe jest też tworzenie się produktów ubocznych chlorowania, np. chloroformu. Użycie mniejszej dawki chloru prowadzi do powstawania chloramin w wodzie, co nie zapewnia odpowiedniej dezynfekcji wody.

Coraz częściej do uzdatniania wód podziemnych z usuwaniem azotu amonowego stosowana jest metoda biologiczna. Polega ona na wykorzystaniu procesu nitryfikacji, czyli utleniania jonów amonowych do azotynów i azotanów z udziałem bakterii nitryfikacyjnych Nitrosomonas i Nitrobacter.

Metoda biologicznej nitryfikacji powoduje zmianę formy występowania azotu i nie usuwa go z wody. Jej przydatność jest więc uzależniona od stężenia azotu azotanowego, metoda ta może być stosowana przy niskich jego stężeniach w uzdatnianej wodzie.

Efektywność biologicznej nitryfikacji zależy od temperatury wody i znacznie obniża się poniżej 10°C. Proces utleniania azotu amonowego może być realizowany na filtrach pospiesznych z węglem aktywnym, filtrach suchych oraz filtrach fluidalnych [2, 3]. Istotnym problemem eksploatacyjnym metody biologicznego usuwania azotu amonowego jest wymywanie bakterii ze złóż filtracyjnych.

Charakterystyka technologiczna analizowanej stacji uzdatniania wody podziemnej

Ujęcie wody o wydajności 420 m³/h składa się z siedmiu studni wierconych o głębokości ok. 80–150 m, rozmieszczonych w odległości ok. 500 m. Pod względem geologicznym teren ujęcia wody położony jest w obrębie tektonicznego Zapadliska Przedkarpackiego wypełnionego osadami trzeciorzędu. Są to głównie pyły i iły, rzadziej iłołupki mioceńskie, przewarstwione na różnych głębokościach warstwami piasków (warstwy bogucickie).

Omawiana warstwa utworów pylasto-piaszczystych zawodnionych zalega na głębokościach rzędu 63–1150 m. Na utworach trzeciorzędowych zalegają osady czwartorzędowe, rzeczne i rzeczno-lodowcowe o miąższości rzędu od 3 do 8 metrów, wykształcone głównie jako mady.

Pod względem hydrogeologicznym teren badań położony jest w Subregionie Podkarpackim, rejonie bogucickim na obszarze GZWP nr 451, tj. Subzbiornika Bogucice. Jest to obszar o izolowanych poziomach wodonośnych, o dobrej i trwałej jakości wody, lecz ograniczonych jej zasobach.

Schemat technologiczny stacji uzdatniania wody przedstawiono na rys. 1, a urządzenia stacji uzdatniania na fot. 1 i 2.

Woda surowa tłoczona jest pompami głębinowymi na dwie wieże desorpcyjne strippingowe o średnicy 1,6 m i wysokości 4,5 m znajdujące się w budynku stacji uzdatniania, powyżej zbiornika reakcji. Napowietrzanie wody ma na celu jej odgazowanie oraz utlenienie związków żelaza.

W celu zwiększenia efektywności reakcji wody z powietrzem zaprojektowano jej zatrzymanie w zbiorniku reakcji o pojemności 130 m³ i 18-minutowym czasie kontaktu. Następnie woda tłoczona jest na pierwszy stopień filtracji. Jest to specjalny rodzaj filtrów pospiesznych, w których woda przesącza się przez suche (niezalane wodą) złoże filtracyjne zasiedlone bakteriami nitryfikacyjnymi (Nitrobacter i Nitrosomonas), o ciśnieniu roboczym 0,6 MPa.

Filtry pracują z prędkością filtracji 7,7 m/h i wypełnione są materiałem filtracyjnym składającym się z następujących warstw: złoże antracytowe o uziarnieniu 1,5–3,0 mm i grubości 0,6 m, złoże żwirowo-piaskowe o uziarnieniu 2,0–4,0 mm i grubości 0,5 m. Warstwa podtrzymująca składa się z warstwy o uziarnieniu 4,0–8,0 mm i grubości 0,5 m oraz warstwy o uziarnieniu 8,0–16,0 mm i grubości 0,17 m.

Do sześciu filtrów o średnicy 3,4 m doprowadzane jest przeciwprądowo powietrze wentylatorami boczno-kanałowymi, a poziom zwierciadła wody poniżej złoża filtracyjnego utrzymują pompy sterowane falownikiem. Po pierwszym stopniu filtracji uzdatniana woda tłoczona jest na drugi stopień filtracji składający się z sześciu filtrów wypełnionych złożem żwirowo-piaskowym, gdzie podczas filtracji mają być usuwane związki żelaza i manganu.

Filtry te wypełnione są materiałem filtracyjnym o uziarnieniu 0,8–2,0 mm i grubości 1,3 m. Warstwa podtrzymująca składa się z warstwy o uziarnieniu 2,0–4,0 mm i grubości 0,05 m, warstwy o uziarnieniu 4,0–8,0 mm i grubości 0,1 m oraz warstwy o uziarnieniu 8,0–16,0 mm i grubości 0,2 m. Filtry płukane są wodą oraz powietrzem.

Woda po filtrach poddawana jest ciągłej dezynfekcji podchlorynem sodu, a następnie magazynowana w zbiornikach wody czystej i podawana do sieci wodociągowej.

Materiały i metodyka badań

Celem przeprowadzonych analiz i badań było określenie efektywności usuwania azotu amonowego z wody podziemnej przy stosunkowo niskich stężeniach innych wskaźników zanieczyszczeń. Badania prowadzono w warunkach pracującej stacji uzdatniania wody przy rzeczywistym obciążeniu hydraulicznym zbliżonym do obciążenia projektowego. Badania technologiczne prowadzone były w latach 2010–2013.

Przeanalizowano jakość wody surowej oraz wody uzdatnionej dla następujących wskaźników fizyczno-chemicznych: barwa, mętność, azot amonowy, azotany i azotyny, żelazo, mangan.

Badania analityczne próbek ścieków wykonywane były przez akredytowane laboratorium.

Wyniki badań

W tabeli przedstawiono zakres oraz wartości średnie stężenia zanieczyszczeń w wodzie dopływającej do stacji uzdatniania oraz w wodzie uzdatnionej wykonane przez akredytowane laboratorium.

Analizy jakości wody podziemnej wskazują na podwyższone stężenie mętności, azotu amonowego oraz żelaza. W ujmowanej wodzie stwierdzono stosunkowo niskie stężenie manganu.

Analizy potwierdzają wysoki stopień usuwania mętności, azotu amonowego i żelaza. Stwierdzono stosunkowo niską efektywność usuwania manganu, co potwierdzają także badania innych autorów dotyczące konkurencyjności procesów jednoczesnego usuwania azotu amonowego i manganu z wody [4].

Podsumowanie

Zastosowany układ technologiczny z biologicznym usuwaniem azotu amonowego i żelaza w procesie dwustopniowej filtracji był możliwy do realizacji z uwagi na niskie stężenie azotanów i manganu w wodzie poddawanej uzdatnianiu.

Jak wskazują dotychczasowe doświadczenia eksploatacyjne, stacja uzdatniania wody podziemnej z biologicznym usuwaniem azotu amonowego na filtrach suchych pracuje poprawnie i uzyskuje wysoką niezawodność działania gwarantującą dostarczanie odbiorcom wody o odpowiedniej jakości zgodnie z wymaganiami zawartymi w rozporządzeniu Ministra Zdrowia [5, 6].

Proces eksploatacji układu uzdatniania wody z zastosowaniem desorpcji dwutlenku węgla wymaga szczególnej kontroli eksploatacyjnej z uwagi na możliwość wytrącania się osadów węglanu wapnia.

W przypadku uzdatniania wody o niskiej twardości może dochodzić do nadmiernego jej obniżenia i w konsekwencji niespełnienia wymagań zawartych w rozporządzeniu [5,6].

Literatura

1. Dziubek A.M., Maćkiewicz J., Usuwanie azotu amonowego na filtrach braunsztynowych, „Ochrona Środowiska” nr 2/1996.
2. Kowal A.L., Świderska-Bróż M., Oczyszczanie wody. Podstawy teoretyczne i technologiczne, procesy i urządzenia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007.
3. Łomotowski J., Haliniak J., Usuwanie azotu amonowego z wód podziemnych na filtrach biologicznie aktywnych, „Ochrona Środowiska” nr 3/1997.
4. Papciak D., Kaleta J., Puszkarewicz A., Usuwanie azotu amonowego z wód podziemnych w procesie dwustopniowej biofiltracji na złożach chalcedonitowych, „Rocznik Ochrona Środowiska” nr 15, 2013.
5. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 29 marca 2007 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 61/2007, poz. 417).
6. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 20 kwietnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU nr 72/2010, poz. 466).
7. Zymon W., Usuwanie niskich stężeń azotu amonowego z wody, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/2007.