BME Vízi Közmő és Környezetmérnöki Tanszék. Szabó Anita. Foszfor eltávolítás és a biológiai szennyvíztisztítás intenzifikálása kémiai előkezeléssel

Átírás

1 BME Vízi Közmő és Környezetmérnöki Tanszék Szabó Anita Foszfor eltávolítás és a biológiai szennyvíztisztítás intenzifikálása kémiai előkezeléssel Doktori értekezés Témavezetı: Dr. Licskó István egyetemi docens 1. Bevezetés Fémsó 20 perc 15 perc 3 h 2 h 3 h Rács Homokfogó Flokkulátor Előülepítő Előlepítő Eleveniszapos medence Utóülepítő Kémiai előkezelés (Előkicsapás) Cél: P eltávolítás (befogadók eutrofizáció elleni védelme) Biológiai tisztítási fokozat terhelésének csökkentése (lebegıanyagok és szervesanyagok eltávolítása, nitrifikáció hatékonyságának növelése) 1

2 Cél: lebegıanyag és szervesanyag eltávolítás nitrifikáció, kapacitásnövelés Fe 3+ vas(iii)-hidroxidok (FeOOH v. Fe(OH) 3 ) elıülepítı felületi terhelés TSS eltávolítás fém-hidroxid képzıdés (koaguláció- flokkuláció, adszorpció) koaguláns adagolás bekeverés ph és lúgosság csökkenés szilárd állapotú szennyezı- anyagok (TSS) eltávolítása KOI Cr, BOI 5 Cr iszap mennyiség összetétel vízteleníthetıség rothaszthatóság, gázkihozatal mezıgazdasági elhelyezés költségek (+) TN TP biológiai folyamatok szervesanyag lebontás nitrifikáció denitrifikáció kicsapás, adszorpció PO PO 4 3- S 2- biológiai P eltávolítás folyamatok stabilitása Cél: P eltávolítás Fe 3+ + PO 3-4 FePO 4 (<0,1 TP) gyakorlatban Fe r PO 4 (OH) 3r-3 3r költségek (+/-) 2. A doktori kutatás célkitűzései 1. Foszfor eltávolítási folyamatok 2. P eltávolítást befolyásoló környezeti tényezık 3. Különbözı mérető szervesanyagok eltávolítása 4. Biológiai folyamatokra gyakorolt hatások ph, szervesanyag bonthatóság, denitrifikáció 5. Egyszerő fém-sók és elıpolimerizált alumínium-sók kombinált adagolása Technológiai célok Elegendı P maradjon a mikroorganizmusoknak Nitrifikálóknak megfelelı ph és pufferkapacitás Maximális szervesanyag eltávolítás (szervesanyag eltávolítás és nitrifikáció esetén) Denitrifikációhoz hasznosítható C-forrás C minimális eltávolítása (elıdenitrifikáció esetén) 2

3 3. Módszerek Gyors vegyszerbekeverı Flokkulátor Poharas kísérletek Elıülepítı Folyamatos üzemű laboratóriumi vizsgálatok Anoxikus poharas kísérletek Kecskeméti Szennyvíztisztító Telep ( m 3 /d) Üzemi vizsgálatok 3

4 4. Eredmények P eltávolítás P 0 = 1 ; Fe/P = 3 (modell szennyvíz) PO 4 -P [] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Vas(III)-klorid oldat adagolása Vas(III)-hidroxid csapadék adagolása 1. Pillanatszerő csapadék-képzıdés képzıdés 2. Szorpciós folyamatok 0, Mintavétel ideje [min] Normál esetben (hidroxid kialakulás foszfát jelenlétében, intenzív vegyszer-bekeverés) 1. folyamat jelentıs Elıpolimerizált fém-sóknál, kis intenzitású vegyszer- bekeverésnél a hatékony kicsapás (1) nem valósulhat meg, a kemiszorpció, adszorpció (2) jelentısége nagyobb Környezeti tényezők hatása A P kicsapás hatékonyságát számos paraméter befolyásolja: Koaguláns minısége és mennyisége Aktuális ph érték Nyers szennyvíz összetétel (dinamikusan változik) (PO 4 -P, KOI, oldott KOI, TSS,, lúgosság, Ca, Mg stb.) Keverési intenzitás Kontakt idı A nyers szennyvíz összetétel ismeretében általános ökölszabályok adhatók a várható P (és egyéb szennyezıanyag) eltávolításra Az egyéb környezeti tényezık szabályozhatók Kérdés: mit érdemes figyelembe venni/szabályozni? 4

5 ph Modell szennyvíz; P 0 = 0,5-1,0 ; L 0 = 2,5 0,30 Fe/P=2,5-3,1 Fe/P=3,9-4,6 0,25 Fe/P=9,4-14,7 A A ph 5,0-7,0 0,20 intervallumban a P 0,15 kicsapás hatékonysága 0,10 ~ állandó Közepes dózissal 7,0 0,05 körüli ph alakul ki 0,00 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 Maradék PO 4 -P [] ph érték a koaguláció után A semleges körüli ph tartomány megfelelı a biológiai folyamatok és a P kicsapás szempontjából is A ph érték szabályozása hazai körülmények között nem szükséges Szervesanyag eltávolítás KOI Cr [] Vas(III)-nitrát Alumínium-szulfát Nyers szennyvíz oldott KOI koncentrációja 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Koaguláns dózis [mmol/l] Az elérhetı maximális KOI eltávolítás a nyers szennyvíz minıségétıl függ, de az oldott/összes KOI arányának ismeretében becsülhetı Általában eltávolíthatóak a 0,45 µm-nél nagyobb mérető szervesanyagok + az oldott KOI 5-15% 5 15%-a 5

6 Frakcionált szervesanyag eltávolítás TOC [] >8 um 1,2-8 um 0,45-1,2 um 0,2-0,45 um <0,2 um 0 Nyers szv. Ülepített szv. 0,18 mmol/l Fe 0,36 mmol/l Fe 0,7 mmol/l Fe 1,1 mmol/l Fe Kis dózis: : nagyobb (>8 µm) frakció eltávolítása Nagyobb dózis: finomabb frakció is (0,2 µm-nél nagyobb) Kérdés: az elıdenitrifikáció számára marad-e elegendı hozzáférhetı C-forrás? C Denitrifikációra gyakorolt hatás anoxikus poharas kísérletek NO x -N [] oldott és partikulált szervesanyagok Vegyszeresen kezelt, ülepített Ülepített endogén szakasz Kísérlet indításától eltelt idő [h] Szennyvízben levı oldott és partikulált szervesanyagok felhasználásával történı denitrifikáció hatékonysága 5-10% 5 -kal csökkenhet A nyers szennyvíz minıségétıl és a kémiai kezeléssel megvalósított szervesanyag eltávolítástól függ adott szennyvízre kell meghatározni Ha jelentıs csökkenés a szilárd szervesanyag eltávolítás mértékét szabályozni kell! 6

7 NO 3 -N [] Fe adagolás Denitrifikáció üzemi körülmények között 0 5/11 5/15 5/19 5/23 5/27 5/31 Dátum 6/4 6/8 6/12 A tisztított szennyvíz NO 3 N koncentrációja a többszörösére nı Ok: a megnövekedı szervesanyag eltávolítás (összes és oldott KOI is!) NO 3 -N [] ,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 okoi Cr /TKN 5,0 4,5 4,0 PO4-P KOI Kombinált adagolás PO4-P [] 3,5 3,0 2,5 2,0 1, KOI [] 1, ,5 50 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Koaguláns dózis [mmol Me 3+ /L] Cél: Maradjon ~ 1 PO 4 -P A szervesanyag eltávolítás legyen maximális Nem ugyanaz a dózis!! Háromértékő és elıpolimerizált sók kombinált alkalmazása Megfelelı kombinációval a kitőzött célok elérhetık 0 7

8 Az eredmények tézisszerű összefoglalása 1. tézis Hazai kommunális szennyvizek kémiai kezelésekor kis (<0,3 mmol/l) koaguláns dózissal elsısorban a 8 m-nél nagyobb mérető szervesanyagokat (KOI Cr, TOC) lehet eltávolítani. A szilárd állapotú szervesanyagok eltávolítási hatékonysága a dózis növelésével nı. 0,5-0,8 mmol/l koaguláns adagolással - az alkalmazott koaguláns típusától függetlenül - eltávolítható a szilárd szervesanyagok gyakorlatilag egésze, valamint az oldott szervesanyagok %-a. A szilárd állapotú szervesanyag eltávolítással ellentétben az oldott állapotú szervesanyagok eltávolítása a dózissal nem minden esetben szabályozható. A kémiai kezeléssel elérhetı maximális szervesanyag eltávolításnál a maradék szervesanyagok tipikusnak tekinthetı méret- eloszlása: >8 m: %; 0, m: 1-5%; 0,2-0,45 m: 1-5%; <0,2 m: %. 8

9 Kis és közepes (0,1-0,5 mmol/l) koaguláns dózissal elsısorban a nehezen bontható szervesanyagok távolíthatók el, ezért a kémiai elıkezelés hatására a maradék szervesanyagok biológiai lebontásának átlagos sebessége megnı. A nagyobb lebontási sebesség és a lecsökkent szervesanyag koncentráció miatt az eleveniszapos rendszerben a szervesanyag bontás rövidebb idı alatt befejezıdik, azaz az endogén fázis hamarabb kezdıdik. Közepes (0,4-0,6 mmol/l) dózisú kémiai elıkezelés a denitrifikáció hatékonyságát csökkentheti, de a csökkenés mértéke nem haladja meg a 10%-ot, ha az elıülepítıben a koaguláns adagolás hatására - a vegyszeradagolás nélküli elıülepítéshez képest - megvalósított többlet KOI Cr eltávolítás 40%-nál, illetve az oldott KOI Cr eltávolítás 15%-nál kisebb. Cr 2. tézis 2. tézis - folytatás Nagy dózisú (>0,6-0,8 mmol/l) vegyszeradagolás alkalmazásakor, illetve a fenti értékeket meghaladó szervesanyag eltávolítás esetén, közepes dózisú koaguláns adagolása következtében is %-ot meghaladó mértékben csökkenhet a denitrifikáció hatékonysága. Utóbbi esetben a könnyen bontható szervesanyagok egy része is eltávolításra kerülhet, ezért a dózis növelésével az átlagos szervesanyag bontási sebesség kismértékben csökken. 9

10 3. tézis A beadagolt koaguláns mennyisége és a maradék PO 4 -P koncentráció között lineáris kapcsolat van, ha az adagolt fém és a kezdeti foszfát foszfor molaránya (Me/PO 4 -P 0 ) <2,0 mol/mol. Kis koaguláns dózisoknál (átlagos összetételő kommunális nyers szennyvizek és megfelelı vegyszer-bekeverés esetén) a háromértékő fém-sók nagyobb hányada fordítódik a foszfor kicsapására, mint a hidrolízisre, ezért már viszonylag kis koaguláns dózisokkal hatékony foszfát eltávolítás érhetı el. A koaguláns dózis növelésével a hidroxid-képzıdés jelentısége nı. 2,0-2,5 mol/mol Me/PO 4 -P 0 arányú koaguláns/kicsapószer adagolás esetén az oldott állapotú ortofoszfát %-a szilárd állapotúvá alakul, így az ennél nagyobb dózisok gyakorlatilag teljesen a hidroxid-képzıdésre, azaz a szilárd állapotú szennyezıanyagok koaguláltatására fordítódnak. 4. tézis A foszfát kicsapás és hidrolízises reakciók arányát (ezzel együtt a foszfát kicsapás hatékonyságát, illetve a szilárd állapotú csapadék összetételét) a következı paraméterek befolyásolják: a koaguláns mennyisége és minısége, az aktuális ph érték, a nyers szennyvíz PO 4 -P, KOI Cr, oldott KOI Cr és TSS koncentrációja, a keverés körülményei és a kontaktidı. Foszfát oldatokkal és kommunális nyers szennyvízzel végzett kísérletek alapján megállapítottam, hogy a ph 5,0-7,0 intervallumban a foszfát kicsapás hatékonysága nem függ jelentısen a ph értéktıl. Megfelelıen magas kicsapószer dózisok esetén a PO 4 -P koncentráció 20 µg/l alá csökken a 3,5-8,5 ph tartományban. 10

11 5. tézis A hatékony ortofoszfát kicsapáshoz rövid idejő, nagy intenzitású (mintegy 150 W/m 3 ) gyors keverés szükséges. Ha a kicsapás feltételei nem optimálisak, a pillanatszerően lejátszódó foszfát kicsapás mellett jelentıs mértékő az idıben elhúzódó, a fém- hidroxid pelyhek felületén történı foszfát megkötıdés (adszorpció/kemiszorpció) foszfát eltávolító hatása. Szimultán kicsapás esetén azonban a rendelkezésre álló hosszú kontaktidı (iszapkor) miatt az adszorpció/kemiszorpció jelentısége nagyobb, ezért a keverési intenzitás foszfát eltávolításra gyakorolt hatása kisebb. 6. tézis Háromértékő fém-sók adagolása esetén a hazai szennyvíztisztító telepeken az 1,0 maradék PO 4 -P koncentrációt célnak tekintve az optimális vegyszeradag kisebb az adott szennyvízben elérhetı maximális szervesanyag eltávolításhoz szükséges vegyszer dózisnál. Ahhoz, hogy mindkét komponens eltávolításánál a kitőzött cél egyidejőleg elérhetı legyen, a különbözı típusú vegyszerek kombinálása, megfelelı arányban történı adagolása szükséges. A nem polimerizált (háromértékő) fém-só dózisát úgy célszerő szabályozni, hogy a maradék PO 4 -P koncentráció 1,5-2,5 legyen. A további 0,5-1,5 PO 4 -P eltávolítását és a szervesanyag eltávolítást elıpolimerizált alumínium-só adagolásával lehet biztosítani. A koagulánsok adagolásának szabályozását a nyers (és a vegyszeresen kezelt) szennyvíz minıségétıl függıen, annak folyamatos nyomon követésével, automatikus adagolási rendszerrel kell megoldani. 11

12 Köszönetnyilvánítás Témavezetımnek, Dr. Licskó Istvánnak, Somlyódy László tanszékvezetı professzor úrnak, Dr. Fleit Ernınek A BME Vízi Közmő és Környezetmérnöki Tanszék munkatársainak, A Bácsvíz Zrt. és a Kecskeméti Szennyvíztisztító Telep munkatársainak, Az NKFP 3A/ A/ / projekt résztvevıinek, Opponenseimnek, Dr. Kárpáti Árpádnak és Dr. Fekete Jenı Györgynek. P eltávolítási folyamatok 0,10 PO 4 -P [mmol/l] 0,08 0,06 0,04 0,02 P0=2,9-3,2 P0=0,5-0,6 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Fe [mmol/l] A dózis és maradék PO 4 -P között közel lineáris kapcsolat Ha kis dózisokat alkalmazunk (Me/PO 4 -P 0 < 2,0) 12

13 P eltávolítási folyamatok 0,10 PO 4 -P [mmol/l] 0,08 0,06 0,04 0,02 P0=2,9-3,2 P0=0,5-0,6 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Fe [mmol/l] A dózis és maradék PO 4 -P között közel lineáris kapcsolat Ha kis dózisokat alkalmazunk (Me/PO 4 -P 0 < 2,0) A teljes tartomány 1/e x típusú függvénnyel közelíthetı A dózis növelésével a P kicsapás és a hidrolízises reakciók aránya eltolódik (a hidrolízis javára) a fajlagos P eltávolítás csökken Szakaszos kísérletekben felhasznált nyers szennyvíz minősége ph KOI oldott KOI oldott KOI/ KOI PO 4 -P TP TSS BOI 5 oldott BOI 5 átlag 7, ,36 4,1 9, minimum 6, ,05 0,9 2, maximum 8, ,75 7,4 17,

14 0,5-0,8 mmol/l Fe(III) 3,5 L/h nyers szennyvíz vegyszeresen előkezelt szennyvíz (biológiai tisztító rendszerre) vegyszerbekeverő (0,18 L) flokkulátor (0,75 L) ülepítő (4,3 L) HRT=1,2 h Folyamatos üzemő laborkísérletek szennyvíziszap A folyamatos kísérletekben felhasznált nyers szennyvíz minősége oldott ph KOI KOI PO 4 -P TP TSS BOI 5 NH 4 -N TKN átlag 7, ,3 5, ,1 30 minimum 6, ,9 2, ,0 16 maximum 8, ,1 7,

15 Folyamatos üzemű laborkísérletek Kis terhelés - 0,8 mmol/l vas(iii)-szulfát Nagy terhelés - 0,5 mmol/l vas(iii)-szulfát /12 4/14 4/16 4/18 4/20 4/22 4/24 4/26 4/28 4/30 5/2 5/4 5/6 5/8 5/10 5/12 5/14 NH 4 -N [] Kémiai előkezelés + biológiai tisztítás (1. sz. rendszer) Csak biológiai tisztítás (2. sz. rendszer) Dátum 1. 0,12 kgboi 5 /kgmlss/d 2. 0,26 kgboi 5 /kgmlss/d 1. 0,18 kgboi 5 /kgmlss/d 2. 0,40 kgboi 5 /kgmlss/d A nyers és előkezelt szennyvíz minősége az üzemi kísérletekben KOI oldott KOI PO 4 -P TP TSS BOI 5 TKN nyers ülepített ,2-0,7 0,7 mmol/l ,5 2,

16 Üzemi kísérletek Eltáv. KOI Energia fogy. Sőrített iszap Biogáz kw/d m 3 /d szár.a.% kg/d m 3 /d 0 mmol/l Fe , ,2-0,7 0,7 mmol/l Fe , eltérés +30% -10% +13% +3% +20% +30%

17 Kombinált adagolás A kívánt C/P arány beállítható Al 2 (SO 4 ) 3 Bopac ΣAl PO 4 -P KOI Cr mmol/l mmol/l mmol/l