Szennyvíztisztítás (szakmérnöki kurzus)

Átírás

1 Szennyvíztisztítás (szakmérnöki kurzus) Melicz Zoltán EJF Vízellátási és Környezetmérnöki Intézet Tel.:

2 Vizsgakérdések 1. A csatornahálózat-szennyvíztisztítás-befogadó kapcsolata. A szükséges tisztítási hatásfok, jogszabályok. A csatornahálózat kialakításából eredő hatások a szennyvíz összetételére (kémiai, biológiai, fizikai folyamatok csatornarendszerekben). 2. A mechanikai tisztítás gépei. Finomrácsok, makrosziták, kotró szerkezetek. 3. Légbefúvásos homokfogók áramlástani-konstrukciós kialakítási szempontjai. Légbefúvásos homokfogók üzemének technológiai hatásai 4. Az eleveniszapos szennyvíztisztítás működésének alapjai. Fogalmak, definíciók, alap-összefüggések. A nitrifikáció/denitrifikáció folyamata, a sebességet befolyásoló tényezők. Nitrogéneltávolítás, a reaktorelrendezések, elő-, utó-, szimultán denitrifikáció: feltételek, előnyök, hátrányok. Az iszapkezelés főbb lépései.

3 Vizsgakérdések 1. Növényi tápanyag (N+P) eltávolításra alkalmas eleveniszapos rendszerek. A kémiai és biológiai foszforeltávolítás lehetőségei. Kinetika: a szaporodás jellemzői, Monod-görbe, hőmérsékleti hatások, a reaktorelrendezés hatása, szubsztrát gátlás. 2. Az immobilizált biomassza (biofilm) működési mechanizmusa, alkalmazási módszerei. A biofilmes szennyvíztisztítás (a csepegtetőtestektől a bioszűrőkig). 3. Kombinált eleveniszapos-biofilmes (hibrid) rendszerek kialakítása. Műanyag töltőtestes (lebegőtestes) rendszerek alkalmazása. IFAS, egyéb szubmerz alkalmazások eleveniszapos hibrid rendszerekben. A hibrid rendszerek előnyei és hátrányai. Eleveniszapos rendszer hibrid rendszerré történő átalakításának műszaki megoldásai. 4. Hasonlítsa össze az extenzív és intenzív szennyvízkezelési eljárásokat! Milyen esetekben lehetnek az extenzív szennyvízkezelési eljárások versenyképes alternatívái az intenzív eljárásoknak?

4 Tematika Rövid ismétlés Technológiai alapfogalmak Nitrogén és foszforeltávolítás a szennyvíztisztításban Kinetikai ismeretek Tisztítástechnológia intenzifikálási lehetőségek Új szennyvíztisztítási technológiák

5 Néhány tudnivaló... Az anyagok az intézeti honlapról letölthető lesznek ( a Szennyvíztisztítás szakmérnöki fül alatt Előadás ppt-k, Szakirodalom, néhány irodalom letölthetően Vizsgaidőpontok A félév végi vizsga szóbeli! 5

6 Eleveniszapos szennyvíztisztítás alapfogalmak 6

7 Szennyvíztisztítás alapfogalmak 7

8 Szennyvíztisztítás alapfogalmak Tisztítási hatásfok: E=(C 1 -C 3 )/C 1 Recirkulációs arány: R = Q 4 /Q 1 Térfogati terhelés: B V = Q 1 C 1 /V 2 Iszapkoncentráció: X X: szervetlen és szerves lebegőanyagok X B,H a heterotróf biomassza koncentráció, X B,A az autotróf biomassza (nitrifikáló baktériumok) koncentráció. 8

9 A biomassza főbb komponensei: (Eleveniszapban) szén (50%) oxigén (20%) nitrogén (10-15%) hidrogén (8-10%) foszfor (1-3%) kén (0,5-1,5%) kálium, kalcium, magnézium, nátrium, vas, + egyéb nyomelemek

10 Szennyvíztisztítás alapfogalmak Iszaptömeg: M X = V X Iszapterhelés: B X = Q 1 C 1 /(V 2 X 2 ) Nagyterhelésű: 0,8-1,5 kg BOI 7 /kg SS/nap Normál terhelésű.: 0,3-0,7 kg BOI 7 /kg SS/nap Kisterhelésű: 0,05-0,2 kg BOI 7 /kg SS/nap Iszapprodukció: F SP = Q 3 X 3 + Q 5 X 5 -(Q 1 X 1 ) F SP = Y obs (C 1 - C 3 ) Q 1 10

11 Szennyvíztisztítás alapfogalmak Fölösiszap produkció: Q 5 X 5 Iszapkor: X = M X /F SP nagyterhelésű: < 2-3 nap normál: kisterhelésű: 3-6 nap > 7 nap Aerob iszapkor: X,aerob = M X,aerob /F SP 11

12 Szennyvíztisztítás alapfogalmak Iszapindex: SVI=1/X 0.5 (ml/g) Iszapsűrűségi index: iszap fázis iszapkoncentrációja: SDI= X 0.5 Hidraulikai tartózkodási idő (valós): Nagyterhelés: Normál: Kis: Hosszúidejű levegőztetés: 0,6-1,5 óra 1,5-3,5 óra 3,5-8 óra 8-24 óra 12

13 Növényi tápanyageltávolítás N+P 1970-es évek, Dél-Afrika, USA Nitrogén: nitrifikáció-denitrifikáció Foszfor: biológiai és kémiai módszerek Bonyolult reaktorelrendezések 13

14 Nitrifikáció Több lépéses mikrobiológiai oxidáció NH + O NO + H O H NO2 + O2 NO

15 Nitrifikáció az ammónium ion oxidálódik nitritté egy baktériumcsoport, a Nitrosomonas által, a nitrit nitráttá oxidálódik a Nitrobacter baktériumok segítségével., az ammónium oxidációja nitritté több lépcsőben játszódik le, míg a nitrit egy lépésben válik nitráttá. Az átmenet a hidroxilamin és a nitrit között nem ismert. NH + 4 a b - - NH 2OH? NO2 NO3 15

16 Nitrifikáció A nitrifikáció reakciói lassú és érzékeny folyamat a sebessége erősen hőmérsékletfüggő (min 6-8 C) toxikus anyagok aerob (oldott oxigént tartalmazó) közegben 16

17 Nitrifikáció A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők C:N arány eltérő szaporodási sebességek (heterotróf kontra autotróf) oldott oxigén (DO) konc. pehely (biofilm) anyagtranszport, pehelyméret, diffúziós tulajdonságok, iszapkor kis DO nagy iszapkor sokk-szerű C terhelés növeli a limitáló DO szintet DO mennyiség és várható nitrif. közötti összefüggés? Dugattyús áramú kontra tökéletesen kevert reaktor? 17

18 Nitrifikáció A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők szubsztrát (NH4-N) mennyisége néhány 100 mg/l-ig maximális szap. seb, néhány 1000 mg/l szubsztrát gátlás lehetséges nitrifikálók túlélése (anoxikus, aerob körülmények változása) szelektorok (általában perc) 5h anoxikus, 4h anaerob (EPA) 18

19 Nitrifikáció A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ph a nitrif. csökkenti a ph-t a folyamat lemérgezheti magát optimális ph? - rendszerfüggő, de biztosan az enyhén lúgos tartományban (ph 7-9) 8,5-nél nagyobb ph-n ammónia (NH 3 ) gátlás biofilmes rendszerekben ph gradiens a biol. hártyában 19

20 Nitrifikáció A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők hőmérséklet általában +10 Celsius növekedés szap. seb duplázódását eredményezi Arrhenius-szabály 20

21 Nitrifikáció A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők toxikus anyagok inhibitor mennyisége expozíciós idő Sokféle anyag cink, réz, cianid, higany, arzén III, egyes kromátok, cianátok aceton, anilin, fenol, szén-diszulfid olajszármazékok, növényvédő szerek, háztartási vegyipari termékek szabad ammónia 21

22 Denitrifikáció anoxikus közegben NO2-N, NO3-N redukció, végtermék N 2 heterotróf mikroorg: (szerves szénforrás, elektron donor) 22

23 Denitrifikáció Sebességet befolyásoló tényezők oldott oxigén gátol pehelystruktúra (baktérium mikrokörnyezet) fontos szénforrás minősége külső, vagy belső, jelentősen eltérő denitr. Sebességek szennyvíz hőmérséklet csökkenő hőmérséklet, növekvő C igény különböző C forrás, különböző hőm. függőség 23

24 C, N és P eltávolítás bonyolult rendszerek eltérő makro- és mikrokörnyezetek N eltávolítás: elő- utó és szimultán denitrifikáció (kombinációk) P eltávolítás kémiai (kicsapásos) és biológiai módszerek manapság: bonyolult biológiájú eljárások (Anammox, Sharon, Innitro) 24

25 Reaktor konfigurációk aerob anoxikus anaerob 25

26 Reaktor konfigurációk Egyszerű eleveniszapos aerob A/O eljárás anoxikus anaerob A2/O eljárás 26

27 Reaktor konfigurációk 4 fokozatú Bardenpho aerob anoxikus 5 fokozatú Bardenpho anaerob 27

28 Reaktor konfigurációk UCT eljárás aerob MUCT eljárás anoxikus anaerob 28

29 Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás aerob Johannesburg Északi telep anoxikus anaerob 29

30 Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás aerob PhoStrip eljárás anoxikus anaerob Kémiai iszap Szóda adagolás 30

31 Biokinetika

32 Fajlagos szaporodási sebesség ( µ) Biológiai növekedés... Monod kinetika = m S Ks + S µ m Max. sebesség µ m /2 k s Szubsztrát koncentráció (S)

33 Biológiai növekedés... Haldane kinetika (toxikus hatások) = m S K + S + S. i / K s i Fajlagos szeporodási sebesség( µ) Szubsztrát koncentráció (S) i

34

35 A nitrifikálók szaporodási sebessége - hőmérsékletfüggés

36

37 Az iszapkor és a nitrifikáció mértéke (a reaktorelrendezés hatása) Az elfolyó ammónium koncentrációja a sorba kötött reaktorokszámától függően (modellszámítások)

38 A nitrifikáció feltételei Hőmérséklet Arrhenius-egyenlet µ nmt = µ nm T-20 K nt = K n T-20 b nt = b n T-20 Minden 6 C hőmérsékletcsökkenésnél, a µ érték kb. feleződik. A nitrifikáció tervezése a minimális hőmérsékleti értékre történjen.

39 A nitrifikáció feltételei ph Optimális ph: 7,2 < ph < 8,5 Ha 7,2 < ph < 8,5 µ nmph = µ nm7.2 ; K nph = K n7.2 Ha 5 < ph < 7.2 µ nmph = µ nm ph-7.2 ; K nph = K n pH

40

41 A nitrifikáció feltételei Lúgosság (CaCO3) Ha a lúgosság < 40 mg/l (CaCO3); fennáll a nitrifikáció gátlás lehetősége. Ha a kezdeti lúgosság = 200 mg/l as CaCO3; és a nitrát termelés = 24 mg N/L. A lúgosság a nitrifikáció végén = 200 7,14 24 = 29 mg/l (CaCO3.)

42 A nitrifikáció feltételei Oldott oxigén koncentráció nagysága O = oxigén koncentráció a víztestben (mg O/L) Ko = Ox. féltelítési állandó (mg O/L) µnmo = max. szaporodási sebesség (1/d) µno = szaporodási sebesség (1/d) Ko: 0,3 ~ 2 mg O/L µ no = µ nmo O K o + O Minimum oxigén konc.: 1-2 mg O/L

43 A nitrifikáció feltételei 8. Nitrifikáció inhibíció és toxicitás A szennyvíztisztító telepre érkező szennyvizek esetén Teljes gátlás (Nitrosomonas) Nikkel 0,25 ~ 3,0 mg/l Króm 0,25 mg/l Réz 0,1 ~ 0,5 mg/l Cink 3,0 mg/l Néhány szervesanyag is lehet toxikus. NH 4+ és NO 2- gátló szennyezőanyag koncentráció ph NH 4+ -N, mg/l NO 2- -N, mg/l 6,0 210 ~ ~ 330 6,5 70 ~ ~ ,0 20 ~ ~ ,5 7 ~ 70 8,0 2 ~ 20

44 A nitrifikáció feltételei Változó hidraulikai és szennyezőanyag terhelés Nitrosomonas kinetikai állandók Konstans Szimb. érték Hőm.. Fajlagos hozam. Yn 0,01 1,000 Endogén légzés sebesség bn 0,04 1,029 Féltelítési állandó. Kn 1,00 1,123

45 Fajlagos szaporodási sebesség EPA nmt = nm20 e (T-15) O (7.2 - ph) K o + O Dél-afrikai módszer nmt = nm T ph-7.2 O K o + O ha ph < 7,2 nmt = nmt7.2 ha 7,2 ph < 8.5 Az EPA nagyobb µ nmt nagyobb értéket ad, ami rövidebb iszapkort igényel.

46 Nitrát fogyási görbe A könnyen bontható szervesanyagok a kezdeti (1 st, a meredek egyenes) szakaszban fogynak Ezt követően a lassan bontható anyagok bontásával folyik a denitrifikáció

47 Lúgosság változás A denitrifikáció lúgosság növekedést okoz. 3,57 mg/l (CaCO3) lúgosság növekedés következik be 1 mg NO3-N denitrifikációja során (A nitrifikáció során, 7,14 mg/l CaCO3 lúgosság fogyás valósul meg 1 mg NH3-N átalakításánál).

48 N+P eltávolítás