A szennyvíztisztítás célja és alapvető technológiái. I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége. A környezetvédelem alapjai

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék A környezetvédelem alapjai A tisztítás célja és alapvető technológiái Dr. Jobbágy Andrea egyetemi docens Témakörök I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége II. A biodegradációt befolyásoló tényezők III. A biodegradáció kinetikája IV. A lebomlása a csatornarendszerben, bűzképződés és -megelőzés V. Szennyvíztisztítási technológiák I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége Mi a? Used water használt víz Wastewater hulladék víz Abwasser kilépő víz Kommunális szennyvizek eredete Fekáliás 1

2 Kommunális szennyvizek eredete A vízfogyasztásban nagy különbségek vannak Telepek száma Vízfogy. l/fő,nap 60 alatt felett Ipari Érzékeny befogadó Balaton Nem érzékeny befogadó Szabad kiömlő a befogadón 2

3 Szabad kiömlő a befogadón A tisztítótelepek vízgyűjtő területei A budai főgyűjtő Biodegradáció jelentősége a környezetben Kommunális Jól biodegradálható Tisztítás Duna 2500 m3/s Tisztítás Ipari Ráckevei-Soroksári Duna-ág 25 m3/s Biodegradáció jelentősége a környezetben Jól vagy rosszul biodegradálható M Befogadó Biodegradálható: mikroorganizmusok által bontható Biodegradáció jelentősége a környezetben Vegyi üzemek a Rajna mentén 50-es évek végén Basel: Sandoz, Ciba, Geigy (jelenleg Novartis), Hoffmann-La Roche (gyógyszer- és vegyszergyárak) Karlsruhe: Németország legnagyobb olajfinomítója Mannheim: Boehringer Mannheim (jelenleg Roche; gyógyszerdiagnosztika), Fuchs Petrolub AG (kenőanyag gyár) Ludwigshafen: BASF (Badische Anilin- und Soda-Fabrik; vegyi gyár) Höchst: Hoechst AG (később Aventis), IG Farben (gyógyszergyárak) Leverkusen: Bayer AG (gyógyszergyár) Rajna habzott az 50-es évek végén 3

4 Biodegradáció jelentősége a környezetben A habzó anyag: Anionaktív detergens: TPBS (tetrapropilén-benzol-szulfonsav) H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- - SO - 3 Na + : 60% para CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 Biodegradáció jelentősége a környezetben Detergens törvény, NSZK. Megtiltja a biológiailag nehezen bontható anionaktív detergensek gyártását. Mérési metodika (szakaszos, folytonos) Analitikai módszer (MBAS) H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 SO - 3 Na + H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 SO - 3 Na + : 8% meta : 32% orto Biológiai bonthatóság: Biodegradation means the biological transformation of an organic chemical to another form, no extent is implied. C. P. Leslie Grady Jr. Biodegradáció jelentősége a környezetben Gyakorlat számára leginkább felhasználható definíciók: Mineralizáció: eredménye CO 2, H 2 O, szervetlen anyagok (pl.: ammónia) és elszaporodott biomassza (oldott szerves szén nem marad) Elsősorban biogén anyagok II. A biodegradációt befolyásoló tényezők Elfogadható bonthatóság: Az anyag elveszíti környezetre káros hatását (pl.: habzás, mérgező tulajdonság) A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők M : mikroorganizmus M(genotípus, fenotípus) egyéb tápanyagok másik S S : környezet Táptalaj komponensek: S : szubsztrát (mikroorganizmusok által hozzáférhető anyag) másik S (kometabolízis) egyéb tápanyagok: N, P, ásványi sók M(genotípus, fenotípus) egyéb tápanyagok másik S S Hagyományos környezeti tényezők: hőfok ph oldott oxigén elérhetősége 4

5 A hőfok és a ph hatása Tolerancia tartomány Mikroorganizmus típusok anyagcseréjének hőfokfüggése Egyedsűrűség (anyagcsere sebesség) OPTIMUM Anyagcsere sebesség Pszichrofil Mezofil Termofil T, ph Ökológiai tényező (hőfok) Környezet oldott oxigén elérhetőség szerint Aerob: oxigén megfelelő mennyiségben elérhető Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok szuszpendálva : iszappehely akár 1000 μm : baktérium 0,5-5 μm Anoxikus: oxigén nincs, de van NO 3- és/vagy NO 2 - Anaerob: oxigén nincs, NO 3- és NO 2- nincs, de lehet SO 4 2- Pl.: Pl.: tisztított víz Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok biofilmben Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Diszperz- biofilm rendszerek (fixen beépített hordozó) hordozó hordozó A kiszűrt lebegőanyagot és az elszaporodott biomasszát el kell távolítani: visszamosás Pl.: Pl.: tisztított víz 5

6 Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Reaktor elrendezés tagolt vagy tagolatlan reaktorok Diszperz- biofilm rendszerek (lebegő hordozó) S e Párhuzamos: Befolyó S o S e S e Elfolyó Pl.: Pl.: tisztított víz S e Soros: Befolyó Koncentráció gradiens Elfolyó S o S e S 1 > S 2 > S 3 > S e A biodegradáció kinetikája Szennyezőanyag lebontás: III. A biodegradáció kinetikája Szubsztrát (C,H,O,esetleg N) + szervetlen anyagok többlet biomassza + CO 2 + H 2 O + anyagcsere termékek M Megfelelő környezetben Biodegradáció koncentráció függése A biodegradáció kinetikája ANT Anyagcseresebesség Növelő Tényező levegőztetés oxigén elektród szubsztrát anyagcsere sebessége ANT alapanyagcsere sebessége S (konc.: S 1, S 2,.S n ) M, tápsó (endogén metabolízis) oldott O 2 konc. endogen S ANT 1 ANT Anyagcseresebesség Növelő Tényező Biológiailag nem bontható, toxikus Biológiailag bontható, nem toxikus Biológiailag nem bontható, nem toxikus Biológiailag bontható, toxikus idő Szennyezőanyag koncentráció (S) 6

7 Monod kinetika a nem toxikus anyagokra Monod kinetika a nem toxikus anyagokra dx x dt ahol : x mikroorganizmusok koncentrációja [g/l] ahol : max max S KS S max μ fajlagos szaporodási (növekedési) sebesség [d-1] Fajlagos szaporodási sebesség: Szaporodási sebesség: S KS S max Szimulációs modellek alapja 2 μmax maximális fajlagos szaporodási sebesség [d-1] S szubsztrát koncentráció [mg/l] KS KS féltelítési koefficiens [mg/l] Többlet biomassza keletkezése x Yx S S Szervesanyag koncentráció (S) Iszapstabilizáció (függ a reakciótól) CO2 Ahol: x: keletkező biomassza mennyisége S: eliminált szubsztrát mennyisége Yx/s: hozam (függ: C-forrás, mikroorganizmus, körülmények) Mason, Bryers and Hamer Chem. Eng. Commun. 45, (1986) Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Szubsztrát: 5 ecetsav Keletkező energia (kj/reakció) M1 o 5 CH3COOH + 10 O2 10 CO H2O o 5 CH3COOH + 8NO H+ 4N CO2 + 14H2O o o M1 2- M2 5 CH3COOH + 5 SO4 5 H2S + 10 HCO3M3 5 CH3COOH CH4 + CO2 ~4400 ~4000 ~210 ~140 IV. A lebomlása a csatornarendszerben, bűzképződés és -megelőzés 7

8 A útja Csatornázottság növelésének lehetőségei Tisztítótelep Helyi tisztító telepek építése Regionális rendszerek kialakítása Kistelepülések összekapcsolása Szennyvíz Befogadó Becsatlakozás meglévő hálózatra Szennyvíztisztító telep Bűzképződés Háztartási (Kommunális) Ipari Biodegradáció a csatornában Befolyó biofilm Kilépő A biodegradáció iránya az oxigén elérhetősége szerint Gravitációs csatornák, oxigén elérhető Megtapadt biofilm ill. üledék Hosszú tartózkodási idő Magas hőfok Sík terepen: nyomócső Teljes mértékben kitöltött, oxigén nincs (nitrát sincs) A spontán biodegradáció a rendszer kialakításától, üzemeltetésétől és a körülményektől függő irányban és mértékben folyik Szennyvíztisztító telep Anaerob biodegradáció a csatornarendszerben A kénhidrogén kedvezőtlen hatásai LEBEGŐ SZUSZPENDÁLT ANYAGOK Sejttörmelék Bűzképzés (szagküszöb: 0,1 ppb) Fehérjék Szénhidrátok Zsírok Aminosavak Egyszerű cukrok Hosszú láncú zsírsavak Szerves illósavak (elsősorban ecetsav) Hidrogén METÁN és/vagy KÉNHIDROGÉN Mérgező hatás 8

9 Műtárgyak esetében erőteljes korrózió Bűzpanaszok a Balaton környezetében VII. VI. H 2 S + 2 O 2 H 2 SO 4 IV. III. V./b V./a II. I. Csatornarendszer Szennyvíztisztító telep Regional limits Napközben Este Bűzmegelőző eljárások Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Tüneti kezelések Pl.: Fedőszag Kénhidrogén termelés elnyomása oxigén vagy nitrát adagolással Szubsztrát: 5 ecetsav o M1 5 CH 3 COOH + 10 O 2 10 CO H 2 O Keletkező energia (kj/reakció) ~4400 H 2 S kiáramlás meggátlása Kiszívás és feloxidálás A biofilmben nem bűztermelő baktériumok szaporodnak el o 5 CH 3 COOH + 8NO H + M1 4N CO H 2 O o 5 CH 3 COOH + 5 SO 2- M2 4 5 H 2 S + 10 HCO - 3 M3 o 5 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 ~4000 ~210 ~140 9

10 A bűzképzés nitrát adagolással való gátlásának alapja A nitrát felhasználás metabolikus előnye Modell csatornarendszer Keletkező energia (kj/reakció) M1 o 5 CH3COOH + 8NO H+ 4N CO2 + 14H2O o 5 CH3COOH + 5 SO42-5 H2S + 10 HCO3- M2 ~4000 Elfolyó ~210 Szennyvíz M1: denitrifikáló 1,2,3- átemelő; 1a,2a,3a-csillapító akna ; 4-előülepítő ; 5-eleveniszapos medence ; 6- utóülepítő M2: szulfát redukáló nyomócső gravitációs csatorna Modell csatornarendszer Átemelő az üledékkel A tanszéki eljárás újdonsága A DRV Zrt.-tanszéki eljárás alkalmazása a Siófok Nyugati Szennyvízelvezető Rendszeren ( ) Rz-I A denitrifikálók túlszaporodásának meggátlása Rs-XIV Rz-III Másodlagos anaerob réteg kialakulása R-I R-IV Rz-V Kezelt Befolyó Rz-VI R-VIII R-VIII R-V NO3- N2 H2S Rz-VII Nitrát túladagolás R-VII A nitrátfogyasztó baktériumok túlszaporodása Átemelő Nyomócső Siófok SzVT R-VI Gravitációs csatorna R-IX 42 Átemelő Nitrát adagolóhely 13 Adagolóhely 26 km 10

11 Az R-VIII. átemelő kritikus helyzete A Tanszéken kifejlesztett eljárás eredménye (R-VIII. átemelő légterében, 1992): Nyaralók H H2S 2 S koncentráció, [ppm] ppm nitrátadagolás nélkül aug. 17-én, nitrátadagolással aug. 16-án. 0 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 Time Idő, h Az R-VIII. átemelőnél szálloda épült További alkalmazások Hotel Balaton körül, Velencei tónál (Dunántúli Regionális Vízmű Zrt.) Budapestre becsatlakozó csatornákon (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) Duna jobb és balpartján (Duna Menti Regionális Vízmű Zrt.) Kistelepüléseken (Bakonykarszt Zrt.) Athéni parti csatorna rendszeren (NATO projekt) A minősítése S szubsztrát szerves anyag V. Szennyvíztisztítási technológiák Gyűjtő paraméterek: KOI - kémiai oxigén igény : A vízben lévő szerves anyag teljes kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l ] 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 ] 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. 11

12 A minősítése Lebegő anyag: 0,45μm-es pórusátmérőjű szűrőpapíron felfogott szilárd anyag tömege az átszűrt térfogatra vonatkoztatva [mg/l] Szennyvízminőség meghatározása eredet szerint 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] tervezési paraméter Átlagban a lakosok vízfogyasztása és szennyezőanyag kibocsátása azonos A vízárak növekedésével a fogyasztás visszaesett A tanszéki felmérés eredménye 350 Szennyvízdíj és kezelt mennyiség (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) 250 Rendkívül nagy eltérések a fogyasztott vízmennyiségben vízhozam [million m3] díj [HUF/m3] millió m3/év Telepek száma év 0 0 Vízfogy. l/fő, nap 60 alatt felett A tanszéki felmérés eredménye Nagy különbségek a befolyó szervesanyag tartalomban A tanszéki felmérés eredménye Nagy eltérések az általában magas ammónia tartalomban Telepek száma Telepek száma Nemzetközi modellezési gyakorlatban tipikus érték: mg/l NH 4-N 0 KOI (mg/l) 500 alatt felett 0 NH 4-N (mg/l) 30 alatt felett 12

13 Az egységes kommunális fogalma tarthatatlan A tisztított zel szemben támasztott követelmény Vízárak növekedése Eltérő lakossági vízfogyasztási szokások Csatornarendszer különböző kialakítása Eltérő minőség Specifikusan: eleget kell tenni a megállapított határértékeknek. Különböző tisztítási technológiák alkalmazásának szükségessége Különböző tisztítási követelmények A tisztítás folyamata Nyers Általánosan: a szennyvizet annyira kell megtisztítani, hogy a környezetben károsodást ne okozzon, a természetes tisztító kapacitás a folyamatot befejezze. Rács A biológiai tisztítás előnye: kisebb képződő iszapmennyiség (szervesanyag részben CO2-dá alakul) Előülepítő Biológia Utóülepítő Tisztított Rács Homokfogó Fölös iszap Nyers iszap Homokfogó Előülepítő 13

14 Biológia Utóülepítő Tisztított Az eleveniszapos tisztítás világszerte a leggyakoribb Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó Kémiai kezelés Előülepítő Tisztított elfolyó Eleveniszapos bioreaktor Nyersiszap Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: QC akadályozza a nagy biomassza koncentráció fenntartását (iszapkor) 1 1 d SRT = Q C d Hagyományos megoldás: több utóülepítő és reaktor építés Rendszerbeli biomassza mennyisége Fölösiszap Szétválasztási probléma SRT = Solids Residence Time kg X 3 V m 3 m kg Iszapelvétel d Utóülepítő Fajlagos szaporodási sebesség Iszapelvétel szaporodás V dx V x dt Laboratóriumi modellzel Ülepedés vizsgálat 14

15 A szelektor hatásának szemléltetése modell zel Az eleveniszap ülepedés javítása szelektorral Eleveniszap pehely S0 Szelektor nélküli rendszer SS S0 Fajlagos szaporodási sebesség (μ) Szelektor Ss Se Flokkulens Se Fonalas Se Se Tagolatlan reaktor Se Tagolt reaktor Szelektoros rendszer Szelektoros rendszer Szennyezőanyag koncentráció (S) Monod kinetika Laborkísérlet szelektorral és anélkül Szelektor nélküli rendszer Ülepedés a két rendszerben A mikroszkopikus szerkezet és az ülepedés összefüggése Szelektor nélküli rendszer A biológiai nitrogéneltávolítás Szelektoros rendszer Szelektoros rendszer Szelektor nélküli rendszer Ülepedés a két rendszerben A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáció: szerves N ammónia-n Nitrifikáció: ammónia-n nitrát-n Denitrifikáció: nitrát-n A tisztítandó nitrogén tartalma TN = NH4-N + szerves N az oxidált szervetlen N formák (NO3- és NO2-) mennyisége általában elhanyagolható szerves N TN ~ % függő, csatornafüggő, hőfokfüggő nitrogén gáz 15

16 Nitrifikáció NH ,5 O 2 Nitrosomonas NO H + + H 2 O KJ Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: Q (iszapkor) C NO ,5 O 2 NH O 2 Kis μ érték Nitrobacter Lassan szaporodó mikroorganizmusok Nagy oxigén igény NO KJ NO H + + H 2 O KJ Nagy rendszerbeli tartózkodási idő igény 1 1 d Q C nagy reaktortérfogat d X kg V m 3 3 aerob m kg Iszapelvétel d Fajlagos szaporodási sebesség Rendszerbeli biomassza mennyisége nagy x (szelektorok, biofilm reaktorok, diszperz-biofilm reaktorok) Nitrifikálók szaporodási sebességének hőfokfüggése Autotrófok maximális fajlagos szaporodási sebessége (1/nap) Hőfok ( C) Nitrifikációt gátló anyagok Gátló vegyületek, például: 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 Tio-karbamid 75%-os inhibíciót eredményező koncentráció [mg/l] 19,5 1, , , ,8 5,6 0,9 0,08 Denitrifikáció Nagy különbségek a hozzáférhető szervesanyag/eltávolítandó nitrogén arányban 14 Szerves C-forrás + NO 3 - Oxigén távollétében Fakultatívan aerob mikroorganizmusok N 2 gáz Telepek száma Denitrifikálható szénforrás igény BOI/NH4N Súlyos szervesanyag 4 alatt hiány Denitrifikáció korlátozott 4-6 szénforrással Hatékony denitrifikáció megfelelő mennyiségű szénforrással Súlyos nitrogén 20 felett hiány 16

17 Denitrifikáló medencék kialakításának optimálása Annak ellenére, hogy a fakultatívan aerob, denitrifikáló mikroorganizmusok az oxigén-felhasználást részesítik előnyben, a denitrifikációs medencék nyitottak. Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe Úszó fedlap az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen Biológiai nitrogéneltávolítás elődenitrifikációval NO 3- - recirkuláció Tisztítandó N 2 (C-forrás és NO - 3 N NH NO - 3 Utóülepítő Tisztított NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel 17

18 Biológiai nitrogéneltávolítás kombinált elő- utódenitrifikációval NO 3- - recirkuláció pót C Tisztítandó (C-forrás és N 2 NO - 3 N NH NO - 3 N 2 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges Fölösiszap elvétel 18