BIM környezetmérnök M.Sc. Biológiai szennyvíztisztítás

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék BIM környezetmérnök M.Sc. Biológiai szennyvíztisztítás Dr. Jobbágy Andrea egyetemi docens Bakos Vince egyetemi tanársegéd

2 Szennyvíztisztítási technológiák

3 A szennyvíz minősítése S szubsztrát szerves anyag Gyűjtő paraméterek: KOI - kémiai oxigén igény : A vízben lévő szerves anyag teljes kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (MSZ 260/16-82 szabvány szerint): kénsavas közegben, katalizátor jelenlétében, a mintát ismert mennyiségű kálium-dikromát (oxidáló ágens) oldattal forraljuk, miközben a szerves anyagok oxidálódnak. A kálium-dikromát felesleget vas(ii)-ammónium-szulfát oldattal titráljuk vissza ferroin-indikátor jelenlétében. BOI biokémiai oxigén igény: A vízben levő szerves anyagok baktériumok által, adott idő alatt, adott hőmérsékleten történő aerob oxidációjához szükséges oldott oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (respirometriás módszerrel): A műszer regisztrálja a mérőedények gázterének a mintában elszaporodott biomassza O 2 fogyasztása miatti nyomás változását. (A keletkező CO 2 -ot NaOH pasztillával nyeletjük el). TOC összes szerves szén [mg/l] Meghatározás: A készülék a mintát 1050C-on CeO 2 katalizátor jelenlétében elégeti és IR detektorral méri a keletkező CO 2 mennyiségét.

4 A szennyvíz minősítése Lebegő anyag: 0,45μm-es pórusátmérőjű szűrőpapíron felfogott szilárd anyag tömege az átszűrt szennyvíztérfogatra vonatkoztatva [mg/l] Egyedi komponensek (speciális analitika) N formák (NH 4+,NO 3-,NO 2-, szerves-n, TN) [mg/l] P formák (PO 4 3-, TP) [mg/l] Egyéb komponensek (pl.: anionok, kationok, stb.) [mg/l]

5 A szennyvízminőség meghatározása eredet szerint tervezési paraméter ter Átlagban a lakosok vízfogyasztása és szennyezőanyag kibocsátása azonos

6 A tisztított szennyvízzel szemben támasztott követelmény Általánosan: a szennyvizet annyira kell megtisztítani, hogy a környezetben károsodást ne okozzon, a természetes tisztító kapacitás a folyamatot befejezze. Specifikusan: eleget kell tenni a megállapított határértékeknek.

7 A szennyvíztisztítás folyamata Nyers szennyvíz A biológiai tisztítás előnye: kisebb képződő iszapmennyiség (szervesanyag részben CO 2 -dá alakul) Előülepítő Biológia Utóülepítő Tisztított tott szennyvíz Rács Homokfogó Nyers iszap Fölös iszap

8 Rács

9 Homokfogó

10 Előülepítő

11 Biológia

12 Utóülepítő

13 Tisztított szennyvíz

14 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás világszerte a leggyakoribb Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap

15 Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: C (iszapkor) 1 1 d d C X kg V m 3 3 m kg Iszapelvétel d Rendszerbeli biomassza mennyisége Fajlagos növekedési sebesség Iszapelvétel szaporulat V dx dt V x

16 A biológiai nitrogéneltávolítás

17 A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáci ció: szerves N Nitrifikáci ció: ammónia-n Denitrifikáci ció: nitrát-n ammónia-n nitrát-n nitrogén gáz

18 Nitrifikáció és denitrifikáció Nitrifikáció Lassan szaporodó NH 4+ + oxigén NO - mikroorganizmusok 3 Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan aerob mikroorganizmusok N 2 gáz

19 A tisztítandó szennyvíz nitrogén tartalma TN = NH 4 -N + szerves N = TKN az oxidált szervetlen N formák (NO 3- és NO 2- ) mennyisége általában elhanyagolható szerves N TN ~ % szennyvízfüggő, csatornafüggő, hőfokfüggő

20 Nitrifikáció NH ,5 O 2 Nitrosomonas NO H + + H 2 O KJ NO ,5 O 2 Nitrobacter NO KJ NH O 2 Lassan szaporodó mikroorganizmusok NO H + + H 2 O KJ Nagy oxigén igény Kis μ érték Nagy rendszerbeli tartózkodási idő igény

21 A nitrifikáció befolyásoló tényezői Iszapkor SRT A biomassza rendszerbe li mennyisége Iszapelvét el d 1 Fajlagos mikroba növekedési sebesség Hőmérséklet Oldott oxigén koncentráció Toxikus vegyületek ph és alkalinitás

22 Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: C (iszapkor) 1 1 d C d X kg V m 3 3 aerob m kg Iszapelvétel d Rendszerbeli biomassza mennyisége Fajlagos szaporodási sebesség nagy reaktortérfogat nagy x (szelektorok, biofilm reaktorok, diszperz-biofilm reaktorok)

23 Nitrifikáló mikroorganizmusok szaporodásának leírása A Amax K snh 4 NH4 N NH N K N 4 so2 DO DO μ A μ Amax = nitrifikáló mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebessége (1/d) = nitrifikáló mikroorganizmusok maximális fajlagos növekedési sebessége (1/d) NH 4 -N = ammónia-n koncentráció (mg/l) K snh4-n K so2 = ammónia-n-re vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l) = oldott oxigénre vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l)

24 Nitrifikálók szaporodási sebességének hőfokfüggése

25 A nitrifikációs hatékonyság ph függése

26 Oldott oxigén koncentráció függés

27 Nitrifikációt gátló anyagok Gátló vegyületek (pl.) Allil-alkohol Allil-izotiocianát Benztiazol-diszulfid Szén-diszulfid Kloroform o-krezol 2,4 Dinitrofenol Ditio-oxamid Etanol Metil-izotio-cianát Fenol Na-metil-ditio-karbamát 75%-os inhibíciót eredményező koncentráció [mg/l] 19,5 1, , , ,8 5,6 0,9

28 Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan anaerob mikroorganizmusok N 2 gáz Oxigén távollétében Denitrifikálható szénforrás igény

29 Denitrifikációt befolyásoló tényezők A denitrifikáció az eleveniszapos tisztításnál az alábbi feltételek mellett történhet meg: A nitrogén nitrát, vagy nitrit formában legyen jelen Az oldott oxigén koncentráció értéke gyakorlatilag nulla legyen } Anoxikus tér Legyen biológiailag könnyen bontható szerves szénforrás

30 Denitrifikáció: megfelelő C-forrás igény Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz Hozzáférhető, denitrifikálható szénforrás: Oldott, vagy az adott tartózkodási idő alatt oldatba kerülő szervesanyag frakció. Minél több van belőle, annál jobb a szennyvíz denitrifikációs kapacitása

31 Nagy különbségek a hozzáférhető szervesanyag/eltávolítandó nitrogén arányban Telepek száma BOI/NH 4 N 4 alatt felett Súlyos szervesanyag hiány Denitrifikáció korlátozott szénforrással Hatékony denitrifikáció megfelelő mennyiségű szénforrással Súlyos nitrogén hiány

32 Denitrifikáló medencék kialakításának optimálása Annak ellenére, hogy a fakultatívan aerob, denitrifikáló mikroorganizmusok az oxigén-felhasználást részesítik előnyben, a denitrifikációs medencék nyitottak.

33 Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe

34 Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe

35 Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe

36 A felületen beoldódó oxigén hatása a denitrifikáció sebességére C-forrás felesleg C-forrás hiány Nitrát-ion koncentráció, mg l Nulla-gázterű Fedett reaktor Nyitott reaktor Kísérletindítástól eltelt idő, min 180 Nulla-gázterű Fedett reaktor 160 Nyitott reaktor Nitrát-ion koncentráció, mg l Nyitott és zero head-space reaktor Kísérletindítástól eltelt idő, min

37 Az oldott oxigén szint hatása a denitrifikációs sebességre Denitrifikálók anoxikus növekedése (NO 3- NO 2- ) Fajlagos növekedési sebesség [T -1 ]: DEN max,h g K S S S S S K S NO3 NO3 S NO3 K K I NO2,2 I NO2,2 S NO2 K K I O2,2 I O2,2 S O2 Oxigén inhibíciós koefficiens: = 0,2 mg l -1

38 A C-forrás eltávolítási sebesség és az oldott oxigén szint összefüggése C-forrás felesleg C-forrás hiány NO 3,2 koncentráció, mg l -1 N NO N - 3 zárt NO N 3 - nyitott Old. oxigén - nyitott Oldott oxigén-koncentráció, mg l -1 NO 3,2 koncentráció, mg l -1 N NO N 3 - zárt NO N 3 - nyitott Old. oxigén - nyitott Oldott oxigén-koncentráció, mg l Kísérletindítástól eltelt idő, perc Kísérletindítástól eltelt idő, perc ,2 mg/l oxigénnél a denitrifikációs sebesség felére esik le

39 Az oxigénfogyasztásnak előnye van, metabolikus és kinetikai gátlást is okoz a denitrifikációban O 2 S 0 o M Szerves szénforrás (S) + O 2 CO 2 + H 2 O S e S e o M Szerves szénforrás (S) + NO 3- N 2 + CO 2 + H 2 O S 0 S 1 O 2 Az oxigén kinetikai gátlása a nyitott reaktor tagolásával csökkenthető (ds/dt) S1 > (ds/dt) Se S e S e (dc O2 /dt) S1 > (dc O2 /dt) Se S 1 > S e (c O2 ) S1 < (c O2 ) S2 Szubsztrát (oldott szervesanyag) koncentráció profil

40 Biológiai nitrogéneltávolítás elődenitrifikációval NO recirkuláció Tisztítandó N 2 szennyvíz (C-forrás és - NO N 2 NH 4 NO 3 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel

41 Biológiai nitrogéneltávolítás kombinált elő- utódenitrifikációval NO recirkuláció pót C Tisztítandó N 2 N 2 szennyvíz (C-forrás és - NO N 2 NH 4 NO 3 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges

42 Iszapfelúszás az előülepítőben

43 Iszapelúszás az előülepített szennyvízben Előülepített szennyvíz Denitrifikáló medence