Dr. Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Építőmérnöki Kar Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék. Tanszéki honlap:

Átírás

1 Dr. Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Építőmérnöki Kar Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék Dr. Szabó Anita Kf Letölthető anyagok: Tanszéki honlap: Oktatás menüpont Tantárgyak MSc képzések Víz- és szennyvíztisztítási technológiák 1

2 Mi a szennyvíz? Mi a vízszennyezés? A szennyvíz (wastewater, sewage) olyan emberi használatból származó hulladékvíz, amely szennyezőanyagokat tartalmaz. Szennyezőanyagok (pollutants, contaminants) azok az anyagok, melyek a befogadóba jutva az ott lejátszódó biológiai folyamatokat jelentős mértékben megváltoztatják, illetve a befogadó további emberi célú felhasználhatóságát csökkentik, vagy lehetetlenné teszik. Vízszennyezés (water pollution) minden olyan hatás, amely felszíni és felszínalatti vizeink minőségét úgy változtatja meg, hogy a víz alkalmassága emberi használatra és benne végbemenő természetes életfolyamatok fenntartására csökken, vagy megszűnik. Miért kell a szennyvizeket tisztítani? Befogadó védelme Élővilág (toxikus anyagok szabad ammónia) Oxigénháztartás (szervesanyagok) Eutrofizáció (növényi tápanyagok P (és N)) Esztétika, bűz A víz használhatósága (rekreáció, ipari, ivóvíz célú) Szennyezőanyag mennyiség és minőség? g, mg, µg, ng, vagy még kisebb??? A fejlődés iránya: egyre kisebb mennyiségek eltávolítása, egyre bonyolultabb folyamatokkal és reaktor elrendezéssel Irányítástechnika, szimuláció! 2

3 Szennyvizek típusai Ipari szennyvizek Összetétel változatos (az ipari tevékenység függvénye) Házi/háztartási szennyvizek Az emberi metabolizmus termékei Vizelet, fekália, használati vizek stb. Szennyvíz összetétele az étkezési, kulturális szokásoktól függ Mennyiség: vízhasználati szokások, berendezések vízfogyasztása Fekete és szürke szennyvizek: szétvál. Mo.-n még nem elterjedt Intézményi szennyvíz Mezőgazdasági szennyvíz (Csapadékvíz) Kommunális (kevert városi - házi jellegű) szennyvíz Háztartási, intézményi, ipari, csapadék, infiltráció (5-40%), exfiltráció (5-15%) Házi és intézményi szennyvíz mennyisége A felhasznált ivóvíz százalékából szennyvíz keletkezik A mennyiség a műszaki és kultúráltsági szint függvénye (ivóvízellátás és fogyasztás) Fejlett országok: l/fő/d Magyarország: l/fő/d (országos átlag: 100 l/fő/d) Budapest: 150 l/fő/d Kistelepülések: l/fő/d Vízdíjak emelkedése, víztakarékos berendezések terjedése, fúrt kutak 3

4 Települési vízgazdálkodás Csapadék Forrás Tározó Település Ipar Záporkiömlő Víztisztítás Felszíni víz Beszivárgás Felszíni lefolyás Szennyvíztisztító Mélységi víz Talajvíz, parti szűrésű víz Befogadó Mi van a szennyvízben? Válasz: minden 4

5 Mit kell eltávolítanunk? Szilárd állapotú anyagokat (lebegőanyag) - X Oldott anyagokat - S Szervetlen anyagokat (viszonylag kevés) Szerves anyagokat (sok) Biológiailag jól bontható Biológiailag közepesen bontható Biológiailag nehezen (vagy nem) bontható Hogyan tudjuk eltávolítani? Fázisszétválasztás Gáz-folyadék Stripping Szilárd-folyadék Ülepítés Flotálás Szűrés Adszorpció 5

6 Mérési lehetőségek - Kémiai jellemzők 1. Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom 2. Nitrogén háztartás 3. Foszfor forgalom 4. Szerves oldószer extrakt (SZOE) olaj és zsírtartalom 5. Lebegőanyag tartalom (öla v. TSS) 6. ph érték 7. Lúgosság 8. Elektromos vezetőképesség (sótartalom) 9. Szárazanyag tartalom 10. Izzítási veszteség Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Oldott oxigén (dissolved oxygen: DO) A víz poláros, míg az oxigén apoláros molekula Vízben rosszul oldódik Oxigén a vízbe juthat A levegőből (természetes diffúzió) viszonylag kis mértékű Növényi termelésből (fotoszintézis) természetes vizek (tisztítatlan szennyvízben nem!) Mesterséges levegőztetéssel A szervesanyag bontó (heterotróf) baktériumok az oxigént felhasználják Anaerob körülmények bűz, korrózió stb. Nyers szennyvízben: 0 mg/l Levegőztető medencében: 0,5-3 mg/l Természetes vizekben: 5-15 mg/l 6

7 Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Kémiai oxigénigény (KOI) (chemical oxygen demand: COD) A szervesanyagok kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége Minden kémiailag oxidálható szervesanyag, még a biológiailag nem lebonthatók is Kálium-permanganátos (KOI ps v. KOI Mn ) - KMnO 4 elsősorban ivóvíz, felszíni és felszínalatti, és csak másodsorban szennyvizek jellemzése Bikromátos (KOI k v. KOI Cr ) - K 2 Cr 2 O 7 elsősorban szennyvizek, és csak másodsorban felszíni vizek jellemzése KOI k Kommunális nyers szennyvízben: mg/l Tisztított szennyvízben: mg/l Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Szerves szén tartalom = szerves vegyületekben megkötött szén mennyisége Összes szerves szén (Total Organic Carbon: TOC) Oldott szerves szén (Dissolved Organic Carbon: DOC) 0,45 µm Meghatározás: égetéssel, UV oxidáció, kémiai oxidáció BOI 5 és TOC között nincs pontos összefüggés KOI k >KOI ps okoi k >okoi ps 7

8 Biológiai bonthatóság Vegyületek biológiai folyamatok révén (egyszerűbb vegyületekké) történő átalakítása Szervesanyagok: Csak egy részük biológiailag bontható A bontás sebessége nagymértékben változhat Oldott és szilárd formában vannak jelen Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Biokémiai oxigénigény (biochemical oxygen demand: BOD) BOI 5 - biológiailag bontható szervesanyag BOI 7 - biológiailag bontható szerve anyag BOI 20 - a biológiailag bontható szervesanyag mellett tartalmazza a nitrifikációhoz szükséges oxigén mennyiségét is A mikroorganizmusok részéről fellépő oxigénigény mérése Standard mérési körülmények: 20 C-on 5, 7, 20 napig Nirifikáció inhibíció: N-Allylthiourea (C 4 H 8 N 2 S) BOI 5 /BOI =0,6-0,7 BOI 7 /BOI 5 =1,15 8

9 Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Biokémiai oxigénigény KOI / BOI 5 : Nyers (kommunális) szennyvízben kb. 1,5 3,0 Tisztított szennyvízben kb. 5 Szervesanyagok a szennyvízben KOI frakciók C KOI =S S +S I +X S +X I S S S I X S X I könnyen bontható (oldott) szervesanyag oldott, biológiailag inert szervesanyag lassan bontható (szuszpendált) szervesanyag biológiailag inert (szuszpendált) szervesanyag KOI>BOI >BOI 7 >BOI 5 9

10 Foszfor háztartás C TP = S PO4 +S p-p +S org.p +X org.p C TP összes foszfor (TP, ÖP) S PO4 oldott szervetlen orto-foszfát (PO 4 3- v. PO 4 -P) 40-70% S p-p oldott szervetlen poli-foszfát S org.p X org.p oldott szerves foszfor szuszpendált szerves foszfor 19 Nitrogén háztartás Szerves nitrogén (oldott, szilárd) Ammónium ion, vagy NH 4 -N (szervetlen) nyers szv: 65-80% Kjeldahl-nitrogén (a szerves nitrogén és az ammónium-nitrogén összege) nyers szv-ben TN Nitrit-ion, vagy NO 2 -N (szervetlen) nyers szv-ben minimális Nitrát-ion, vagy NO 3 -N (szervetlen) nyers szv-ben minimális Összes nitrogén (a szerves nitrogén, az NH 4 -N, a NO 2 -N és a NO 3 -N összege) Fehérjékben található sok N Fő forrás a vizelet Nitrogén mindig kerülhet a vízbe (N-fixálók) nem limitál, de a tengerek eutrofizációjánál fontos szerepet játszik 10

11 Ammónium-ionion Emberi eredet (fehérje, vizelet) A szerves vegyületekben kötött nitrogén részben már a csatornahálózatban ammónium-ionná alakul Az ammóniagáz molekulája vízben hidrolizál: NH 3 +H 2 O OH - + NH 4 + NH 4+ +H 2 O = H 3 O + + NH 3 Az oldat ph-jától függő arányban két forma: Ammónium-ion Disszociálatlan, ún. szabad ammónia (NH 3 ) sejtmembránon áthatol (sejtméreg) Semleges ph értéken döntő hányadban (99,5-99,88%) NH 4 + Nyers szennyvíz: mg/l Tisztított szennyvíz: 5 10 mg/l Ammónium Ammónia 11

12 Nyers szennyvíz minősége Tág határok között változhat étkezési szokások detergensek mennyisége, minősége beépítettség csatornarendszer kialakítása, hossza ipari vállalatok (előtisztítás) infiltrációs víz települési folyékony hulladék (TFH) Szezonális és napszakos változások (mennyiség, minőség) Nyers szennyvíz minősége 30 város, jellemző tartomány Hidraulikai terhelés ph TSS KOI BOI 5 KOI/BOI 5 okoi m3/d mg/l mg/l mg/l mg/l okoi/koi 8 nagyváros , , % Város , , % Város , ,3 Város , ,9 Falu 40 7, ,7 12

13 Nyers szennyvíz minősége 30 város, jellemző tartomány TP PO 4 -P PO4 -P TN NH 4 -N NH4 -N/ KOI/ BOI 5 / lúg /TP TN TN NH 4 -N mg/l mg/l mg/l mg/l mmol/l , nagyváros % 70 9 Város % % Város % 9 8 Város % 6 12 Falu % % 5 2,8 Lakosegyenérték (population equivalent) 60 g/fő/d BOI 5 -nek megfelelő szervesanyag Mérések és számítások alapján egy felnőtt egy nap alatt 60 g BOI 5 -ben kifejezhető szervesanyagot juttat a szennyvízbe A lakosegyenérték fogalmának bevezetését az tette szükségessé, hogy az ipari szennyvizek szennyezőanyag tartalma összehasonlítható legyen a házi szennyvizekével (g/fő/d BOI 5 -nek megfelelő szervesanyag) 13

14 Átlagos szennyezőanyag kibocsátás 60 g/fő/d BOI g/fő/d KOI 70 g/fő/d TSS 11 g/fő/d TN 2,5 g/fő/d TP Alkalmazása: ha nincs más információ! A különböző szennyvíztisztító telepekre érkező kommunális szennyvízben nagy különbségek! (lásd később) Szennyvíztisztítási technológiák Cél: szennyezőanyagok mennyiségének csökkentése Fizikai/kémiai/biológiai módszerekkel Változatos technológiai alternatívák Jellemzők: Gazdaságos legyen (építés és üzemelés) Átalakítás (bővítés) lehetősége Rugalmas üzemelés (a folyamatos változásoknak való megfelelés lehetősége) Üzemirányítás, szimuláció! 14

15 Mit tudunk eltávolítani? Amit ma el tudunk távolítani (nem a teljes mennyiséget) Szervesanyagok (C) Nitrogénformák (N) Foszforformák (P) Egyéb beépülő anyagok A szennyvíztisztítás célja: Első szennyvíztisztítók: Lebegőanyagok, szervesanyagok eltávolítása A biológia művi (irányított) környezetben történő működtetése Kis térfogatban sok mikroorganizmus Eljárások: Mechanikai Kémiai Biológiai Csepegtetőtestek, 1800-as évek végétől Eleveniszapos rendszerek, 1900-as évektől 15

16 A mechanikai szennyvíztisztítás Ülepíthető/felúsztatható szilárd szennyezők eltávolítása (sűrűség-különbség) Gépek, berendezések védelme Biológiai egységek tehermentesítése Rács, kőfogó, homokfogó, előülepítő Eltávolított anyagok kezelése (rácsszemét hulladéklerakó, homok tisztítás után felhasználható, nyersiszap stabilizáció) A kémiai szennyvíztisztítás Lebegőanyag, szervesanyag eltávolítás (koaguláció, flokkuláció, fázis-szétválasztás) Foszfor eltávolítás (kicsapás, koaguláció, flokkuláció, fázis-szétválasztás) Fémsók Mechanikai vagy mechanikai és biológiai eljárásokkal kombinálva 16

17 A biológiai szennyvíztisztítás A mechanikailag eltávolítható szennyezés után a még magas szerves- és lebegőanyag tartalmú szennyvizet mesterséges vagy természetes biológiai folyamatok révén tisztítják tovább. A biológiai szennyvíztisztítás a mikroorganizmusokban lejátszódó biokémiai reakciókon alapul. A biológiai tisztítás lényegében az élővizekben, illetve a talajban lejátszódó tisztításhoz hasonlít. Elsődleges cél a szervesanyag eltávolítás Technológiailag elfogadható időn belül nem ülepíthető (szilárd, kolloid és oldott) szervesanyagok eltávolítása Mikroorganizmusok (baktériumok) segítségével a szervesanyag ülepíthető formába hozása, majd fázis-szétválasztás Általában aerob lebontás, melynek során a fő végtermék biomassza és CO 2 További cél a növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása Nitrifikáció, denitrifikáció, foszfor akkumuláció A biológiai szennyvíztisztítás céljai Oldott és nem ülepíthető kolloid szervesanyagok eltávolítása (második fokozatú szennyvíztisztítás) TSS, KOI, BOI 5, TOC Ammónium-eltávolítás (átalakítás) NH 4 + A növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása (harmadik fokozatú szennyvíztisztítás) TN, TP, NO 3 - Természetes és mesterséges körülmények között Élő szervezetek működésén alapul A természetben is megtalálható mikroorganizmusok mesterséges elszaporítása Kedvező életfeltételek biztosítása 17

18 A biológiai szennyvíztisztítás Eleveniszapos reaktor (Activated Sludge) Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények Fix filmes reaktor (biofilm) Felülethez kötött mikroorganizmusok Gradiensek a biofilmen belül Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők) Természetes szennyvíztisztítás Alacsony költségű (BK, ÜK), nagy területigényű, a levegőztetést természeti folyamatok révén biztosító rendszerek Kistelepüléseken vagy utótisztításként Szennyvizek tisztítása Nincs 100%-os szennyvíztisztítás! A tisztítás mértéke akkora, hogy az adott befogadó öntisztító képessége segítségével saját állapotát ne károsítsa Jogszabályi követelmények: EU szabályozás: 91/271EEC Direktíva (1991. május 21.) Minden 2000 lakosegyenértéknél nagyobb szennyvízkibocsátással rendelkező településen meg kell oldani a szennyvizek tisztítását (2015-ig) 18

19 91/271/EEC Direktíva Komponens Kibocsátási koncentráció Eltávolítási hatásfok [%] BOI 5 25 mg/l KOI 125 mg/l öla mg/l TP TN 10e-100e Leé: 2 mg/l >100e Leé: 1 mg/l 10e-100e Leé: 15 mg/l >100e Leé: 10 mg/l /2004 KvVM rendelet Ez a jelenleg érvényes szabályozás, öt határérték kategória a nyers szennyvíz lakosegyenértékben (Leé) kifejezett szennyezőanyag tartalma függvényében Leé< <Leé< <Leé< <Leé< Leé> Technológiai, területi határértékek, egyedi határértékek megengedhető tartománya, közcsatornába bocsáthatóság kritériumai 19

20 Technológiai határérték Területi határérték 20

21 Egyedi határérték 21

22 Nyers szv. Szennyvíztisztítás technológiai egységei Rácsszem. Csurgalékvíz Elszállítás Homok Rács Homokfogó Mechanikai tisztítás Zsírfogó Előülepítő Zsír Nyersiszap Biológiai tisztítás Eleveniszapos Utóülepítő medence Iszap recirkuláció Fölösiszap Tisztított szv. Sűrítő Biogáz Gáztartály Iszap Higienizálás Rothasztó 35 C Iszapkezelés Iszaptároló Használat (mezőgazdaság víztelenítés, szárítás, égetés, depónia) Néhány alapfogalom Mechanikai tisztítás (fizikai folyamatok) Elő-mechanikai tisztítás Durva fázisszétválasztás, többnyire a szilárd és a folyadék fázisok Még az előülepítés előtt található 22

23 Elő-mechanikai kezelés célja A nagyméretű, durva szennyezőanyagok eltávolítása Tipikus anyagok: Háztartási eredetű (rongyok, műanyag zsákok, intim betétek, óvszerek stb.) Tetőhéjalásról és útburkolatról a csatornába kerülő szilárd anyagok Homok (szilárd burkolatról) Elő-mechanikai berendezések Rácsok, szűrők (screens) Kőfogók és kavicsfogók (grit tank, grit separator, degritting unit) Homokfogók (sand removal devices) 23

24 Kőfogók Cél: a rács védelme (egyesített rendszernél) Egyszerű, általában gúla alakú műtárgy, a befolyó csatorna medenceszerű lemélyülése, ahol a görgetett anyagok (kövek, más nagysűrűségű durva anyagok) kiülepednek Az összegyűlt szilárdanyagokat markológéppel távolítják el Rácsok Cél: dugulások elleni védelem, rácsszemét kiszűrése Durvarács: 6-60 mm Finomrács: 4-6 mm (egyre kisebb pálcaközű rácsokat alkalmaznak) Rácsszemét: 10 mm pálcaköznél dm 3 /leé/év vagy 3-5 g TS/leé/d A rácsok által visszatartott BOI 5 : 6 7% 24

25 Síkrács (bar screen) Homokfogó Cél: kiülepedések, lerakódások elleni védelem, gépészeti berendezések kopásának megakadályozása Ülepedési sebesség > 0,01 m/s Szemcse-átmérő: 0,1 0,2 mm Áramlási sebesség: v h = 0,3 m/s 25

26 Hosszanti átfolyású homokfogó Levegőztetett homokfogó 26

27 Levegőztetett homokfogó Cél: a homokot szinte teljesen, de a kisebb fajsúlyú ülepedő anyagokat nem leülepíteni Pozitív mellékhatás: az érkező szennyvíz felfrissítése a beoldódó oxigén által Merülőfal mögött áramlási holttér itt a felúszó anyagok (zsírok, olajok, hab) felúsznak és összegyűjthetők iszapkezelés Ülepítés A legnagyobb méretű reaktorok Cél: szilárd anyagok eltávolítása ülepítéssel Nyersiszap, eleveniszap, kémiai iszap Ülepítőből távozik az iszap és ülepített víz 27

28 Ülepítő medencék Alak: Kör, vagy négyszög alaprajzú műtárgyak Horizontális vagy vertikális átfolyás Anyag: vasbeton, acél Üzem: Gravitációs üzem (néhányszor tíz cm nyomáseséssel) Előülepítők célja általában biológiai fokozat tehermentesítése, de önálló egységként is működhet - nyersiszap (ülepedő szerves anyagok) leválasztása kevert iszapok (nyers és eleveniszap) együttes ülepítésére (javítja az ülepítés hatásfokát) kismértékben tározóként is, de a késleltetés csupán néhány*10 perc Ülepedési sebesség tartomány: v S > 2-4 m/h Méretezés alapja a hidraulikai tartózkodási idő (t = 0,5 1,5 h) és a felületi terhelés (q A ) 28

29 Előülepítő Leválasztási hatásfok% Előülepítők leválasztási hatásfoka Sierp diagramm LA BOI Hidraulikai tartózkodási idő h Négyszög alaprajzú előülepítő Befolyó szv. Elfolyás Iszapzsomp láncos kotró pajzsos kotró kotróhíddal 29

30 Kör alaprajzú előülepítő Bevezetés Elvezetés Elvezetés Bevezetés Nyersiszap Előülepítő 30

31 Előülepítő Előülepítő 31

32 Nyers szv. Szennyvíztisztítás technológiai egységei Rácsszem. Elszállítás Csurgalékvíz Homok Rács Homokfogó Mechanikai tisztítás Zsírfogó Előülepítő Zsír Nyersiszap Biológiai tisztítás Eleveniszapos Utóülepítő medence Iszap recirkuláció Fölösiszap Tisztított szv. Sűrítő Biogáz Gáztartály Iszap Higienizálás Rothasztó 35 C Iszapkezelés Iszaptároló Használat (mezőgazdaság víztelenítés, szárítás, égetés, depónia) 32

33 A biológiai szennyvíztisztítás céljai Oldott és nem ülepíthető kolloid szervesanyagok eltávolítása (második fokozatú szennyvíztisztítás) TSS, KOI, BOI 5, TOC Ammónium-eltávolítás NH 4 + A növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása (harmadik fokozatú szennyvíztisztítás) TN, TP, NO 3 - Természetes és mesterséges körülmények között Élő szervezetek működésén alapul A természetben is megtalálható mikroorganizmusok mesterséges elszaporítása Kedvező életfeltételek biztosítása A biológiai szennyvíztisztítás Eleveniszapos reaktor (Activated Sludge) Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények Fix filmes reaktor (biofilm) Felülethez kötött mikroorganizmusok Gradiensek a biofilmen belül Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők) Természetes szennyvíztisztítás Alacsony költségű (BK, ÜK), nagy területigényű, a levegőztetést természeti folyamatok révén biztosító rendszerek Kistelepüléseken vagy utótisztításként 33

34 Baktériumok csoportosítása szénforrás szempontjából Heterotrófok: A környezetükben található szerves szénvegyületeket használják szén- és energiaforrásként (szubsztrát) - szervesanyag bontók, denitrifikálók) Autotrófok: Szénforrásként a környezet szén-dioxidját (HCO 3- ) használják Autotróf sok kemolitotróf faj is, mint például a nitrifikáló és a kénoxidáló baktériumok A magasabb rendű organizmusokkal szemben a baktériumok anyagcseréje nagyon változatos képet mutat! Baktériumok csoportosítása energiaforrás szempontjából Fotoszintetizálók (fotoszintézis útján a fényből nyerik az energiát) Kemoszintetizálók (kémiai vegyületekből nyerik az energiát) Kemolitotrófok (a légzéshez szervetlen elektron-donort használnak) a leggyakoribb energiaforrás a hidrogén, szén-monoxid, ammónia/ammónium (ennek eredménye a nitrifikáció), esetleg vas-ion, vagy más redukált fém-ion, és számos kénvegyület Kemoorganotrófok (a légzéshez szerves elektron-donort használnak) szervesanyag bontók A legtöbb kemolitotróf szervezet autotróf, míg a kemoorganotróf szervezetek heterotrófok. 34

35 Baktériumok csoportosítása az elektron- akceptorok (elektron-felvevők) szempontjából A kémiai vegyületek energiaforrásként történő felhasználása során az oxidálódó anyagból az elektronok a végső elektronfelvevőnek kerülnek átadásra, redukciós folyamat során. Ebben a reakcióban energia szabadul fel, mely az anyagcsere során felhasználható. Az aerob élőlények esetében az oxigén az elektronfelvevő. Anaerob élőlények esetében más szervetlen vegyület, például nitrát, szulfát, vagy CO 2 az elektronfelvevő (pl. denitrifikáció, kéntelenítés és acetogenezis). Fakultatív anaerob baktériumok: ha nem áll rendelkezésre végső elektronfelvevő, erjedéssel biztosítják életműködésüket. Szervesanyag eltávolítása Aerob (kommunális szennyvíztisztítás EI, fix filmes) Aerob légzés O 2 (DO) jelenléte (levegőztetés) Elektron akceptor: O 2 H 2 O Anaerob (pl. élelmiszeripar v. kommunális szennyvíziszap kezelés - rothasztás) Fermentáció Nincs O 2, NO 3-, NO 2-, vagy SO 4 2- Elektron akceptor: endogén - a mikroorganizmusok termelik Anoxikus (denitrifikáció során történő szervesanyagbontás) Anaerob (nincs O 2 ), de van nitrát, nitrit Elektron akceptor: NO 3 - és NO 2- N 2 Ismétlésként lásd Vízkémia oxidáció/redukció 35

36 Biológiai szervesanyag konverzió Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás Nehezen bontható szervesanyag Hidrolízis Könnyen bontható szervesanyag Biológiai növekedés Biomassza Pusztulás Inert anyag 36

37 Aerob szervesanyag eltávolítás Mikroorganizmusok koncentrálása (megfelelő körülmények ph, tápanyag, hőmérséklet stb., iszap recirkuláció: aktív biomassza visszavezetése) Aerob szervesanyag eltávolításhoz szükséges oldott oxigén biztosítása levegőztetés mesterséges módon (gépészeti berendezések) - energia! A szennyvíz kontaktusba kerül a biomasszával (mikroorganizmusokkal) - bioreaktor Mikroorganizmusok elválasztása a víz fázistól (ülepítés/flotálás) Biológiai tisztítóegységek tehermentesítése (előülepítő TSS, nehezen bontható szervesanyagok eltávolítása) Nitrifikáció NH ,5 O 2 NO 2- + H 2 O + 2H + + energia Nitrosomonas NO ,5 O 2 NO 3- + energia Nitrobacter kétlépcsős folyamat szükséges: ammónium-n aerob környezet (DO ~ 2 mg/l) aerob autotróf mikroorganizmusok (ph, T, toxikus anyagok, üzemeltetés iszapkor, szaporodási előny kis szervesanyag-terhelés) 1 mól N (14 g) oxidálásához 2 mól O 2 (64 g) kell: 4,6 g O 2 / NH 4 -N 37

38 Denitrifikáció 2 NO 3- + org C + 2H + CO 2 + H 2 O + N 2 + energia NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 többlépcsős folyamat szükséges: könnyen bontható szervesanyag anoxikus körülmények (DO=0, NO 3-, NO 2- ) fakultatív heterotróf mikroorganizmusok (ph, T, toxikus anyagok, üzemeltetés) Biológiai foszfor eltávolítás Anaerob körülmények között foszfát leadás és C felvétel Aerob körülmények között többlet P felvétel és szervesanyag oxidáció szükséges: váltakozó aerob/anaerob környezet heterotróf foszfor akkumuláló mikroorganizmusok (PAO) ph, T, toxikus anyagok, üzemeltetés, nitrát kizárása 38

39 Biológiai foszfor eltávolítás Biológiai folyamatok a szennyvíztisztításban Mikroorganizmusok Tápanyagok Tevékenység Szaporodási sebesség Heterotróf Szerves C + O 2 + (N és P) Szerves C oxidáció nagy Szerves C + NO 3- + (N és P) NO 3- redukció nagy Autotróf HCO 3- + NH 4+ + O 2 + (N és P) NH 4+ oxidáció kicsi Heterotróf foszfátakkumuláló Szerves C (acetát) P leadás, C felvétel kicsi O 2 + (N és P) P felvétel, C oxidáció kicsi Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai 39

40 Eleveniszapos szennyvíztisztítás A lebontást végző szervezetek pehely formájában vannak jelen (1-1 iszappehely több százezer elő szervezetet tartalmaz) A mikroorganizmusok a szennyvízben jelen levő, biológiailag bontható, oldott és partikulált szennyezőanyagainak egy részét használják fel Az oxidációs folyamatok során CO2 keletkezik, az így nyert energiát a mikroorganizmusok életfunkcióik fenntartásához használják fel A kedvező körülmények hatására a mikroorganizmusok elszaporodnak, a sejtfelépítésükhöz felhasználják a szennyvízben található tápanyagok (N, P) egy részét, majd elpusztulnak Az eleveniszapos tisztítás működése függ szervesanyagok mennyisége, bonthatósága(boi 5 ) tápanyagok (N és P) mennyisége oldott oxigén (DO) tartózkodási idő (HRT, SRT) ph (6,5-8,0) toxicitás (akut, krónikus) hőmérséklet (20-30 C) keverés (lerakódások) hidraulikai viszonyok 40

41 Eleveniszapos levegőztetett reaktor Levegőztető berendezések feladata Baktériumok oxigénigényének folyamatos kielégítése A sejttömeg kiülepedés-mentes, egyenletes elosztással történő lebegésben tartása (tápanyagok és végtermékek egyenletes elosztása) 41

42 Tányéros levegőztető Tömlős levegőztető 42

43 Anoxikus/anaerob medence- keverők Keverés és mélylégbefúvás kombinációja 43

44 A biológiai szennyvíztisztítás elvi sémája Szennyvíz Levegôztetô Ülepítô Tisztított elfolyóvíz Iszaprecirkuláció Fölösiszap Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai Szennyvíztisztítási alapfogalmak (EI) Q 0, S 0, X 0 befolyó levegőztető medence X m, S m utóülepítő Q e, S e, X e elfolyó V m, X m, S m O 2 Q r, S r, X r Q Recirkuláció (RAS: return activated sludge) w, S w, X w Fölösiszap (excess/wasted sludge) Q: hidraulikai terhelés (m 3 /d) S: oldott szubsztrát X: biomassza koncentráció (iszap) (mg/l, g/l X m =3-6 g/l) MLSS (mixed liquor suspended solids) V: térfogat (m 3 ) 44

45 Q 0, S 0, X 0 X m, S m Q e, S e, X e V m, X m, S m Q r, S r, X r O 2 Q w, S w, X w Anyagmegmaradás: befolyó = elfolyó Q 0 = Q = Q e +Q w Q e = Q 0 -Q w (Q e = Q-Q w ) Az oldott szubsztrát mennyisége ugyanaz a levegőztető medencében, az elfolyóban és a recirkuláltatott iszapban (ha az utóülepítő nem viselkedik reaktorként) S r = S w = S e = S m = S Iszapágakban ugyanaz a biomassza koncentráció X r = X w Q, S 0, X 0 X, S (Q-Q w ), S, X e V, X, S Q r, S, X r O 2 Q w, S, X r Eltávolítási hatékonyság (removal rate): E = (S 0 -S)/S 0 Recirkulációs ráta (recirkulációs arány): Recirkuláltatott térfogatáram és befolyó szennyvízhozam hányadosa R = Q r /Q (50-100%) 45

46 Q, S 0, X 0 X, S (Q-Q w ), S, X e V, X, S Q r, S, X r O 2 Q w, S, X r Térfogati szervesanyag terhelés: Egységnyi levegőztető térfogatra eső szervesanyag terhelés B V = Q S 0 /V = 0,3-3 kg BOI 5 /m 3 d Q, S 0, X 0 X, S (Q-Q w ), S, X e V, X, S Q r, S, X r O 2 Q w, S, X r Iszap szervesanyag terhelése (food to microorganism F/M ratio) Egységnyi biomasszára (iszapra) jutó szervesanyag terhelés B X = Q S 0 / (V X) [kg BOI 5 /kg MLSS/d] kg BOI 5 /kg TSS/d nagy terhelés kg BOI 5 /kg TSS/d közepes terhelés kg BOI 5 /kg TSS/d kis terhelés 46

47 Q, S 0, X 0 X, S (Q-Q w ), S, X e V, X, S Q r, S, X r O 2 Q w, S, X r Iszaptermelés: F SP = X e (Q-Q w )+ X r Q w (X 0 Q) Fölösiszap produkció (FI): 0 Q w X r Q, S 0, X 0 X, S (Q-Q w ), S, X e V, X, S Q r, S, X r O 2 Q w, S, X r Iszapkor (iszap tartózkodási idő = sludge retention time): SRT = Θ X = (V X) / (X e (Q-Q w ) + X r Q w )) = (V X) / F SP [d] Az az idő, amennyit az iszap átlagosan a rendszerben tartózkodik Levegőztető medencében levő iszap tömege (kg) / a rendszert elhagyó iszap mennyisége (kg/d) Meghatározza, hogy mely szervezetek képesek elszaporodni a bioreaktorban Reciproka megadja azt a minimális fajlagos növekedési sebességet, amely ahhoz szükséges, hogy ne mosódjon ki a mikroorganizmus 47