Eljárás kidolgozása az eleveniszapos denitrifikáció műveletének kinetikai

Átírás

1 Ph.D. értekezés tézisei Eljárás kidolgozása az eleveniszapos denitrifikáció műveletének kinetikai optimálására Készítette: Plósz Benedek György Témavezető: Dr. Jobbágy Andrea egyetemi docens BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Mezőgazdasági Kémiai Technológia Tanszék BUDAPEST, 2004

2 1. BEVEZETÉS A környezet védelme érdekében a szennyvíztisztítással szemben támasztott követelmények világszerte egyre bővülnek és egyben szigorodnak is, a hatásvizsgálatok újabb és újabb eredményei nyomán. Ennek megfelelően a N- és P-eltávolítás azért került előtérbe, mivel a befogadó vízterek élővilágát veszélyeztető elnövényesedést (eutrofizáció) okoz. A mindmáig legelterjedtebben alkalmazott eleveniszapos szennyvíztisztításban mind a hatékony nitrogén-, mind a hatékony foszforeltávolítás érdekében a hagyományos aerob medencéken túlmenően, levegőztetés nélkül működtetett, ún. anoxikus (NO - 3, elektronakceptorral üzemelő) ill. anaerob zónák beiktatása vált szükségessé. A különböző körülmények között lejátszódó folyamatok kinetikai vizsgálata a rendszerek adekvát tervezésében és működtetésében egyaránt fontos. A denitrifikációs folyamatok során a nitrátot főként heterotróf, ún. fakultatív aerob mikroorganizmusok hasznosítják terminális elektron-akceptorként, oxigén hiányában, szénforrás felhasználásával. Az anoxikus tér megfelelő kialakítása mind a kísérleti, mind pedig a nagyüzemi gyakorlatban összetett problémát jelent. Az elméleti alapok és a gyakorlati tapasztalatok alapján egyértelműen megállapítható, hogy az ellenőrizetlenül beoldódó oxigén a biológiai nitrogéneltávolítás mértékét és sebességét egyaránt befolyásolhatja. Ennek ellenére, ezen biodegradációs folyamatok laboratóriumi méretű kinetikai vizsgálatára és ezúton az oxigén beoldódás hatásának üzemi méretű előrejelzésére mindmáig nem dolgoztak ki megfelelő kísérleti eljárást. 2. ALKALMAZOTT ELJÁRÁSOK ÉS MÓDSZEREK Kutatásaink fő célja a denitrifikációs terekben lezajló folyamatok kinetikájának vizsgálata, a tervezés és üzemeltetés számára hasznos következmények feltárása volt, melynek során tevékenységünk az alábbi meghatározó munkafázisokat tartalmazta:! Egy olyan kísérleti módszer kifejlesztése, mellyel - az oxigén kizárása mellett az anoxikus folyamatok vizsgálhatók. 1

3 ! Az oxigén gátló szerepének vizsgálata az anoxikus terekben lejátszódó denitrifikációs folyamatokra különböző szubsztrátok mellett.! Matematikai modell kifejlesztése a folyadékfelszínen beoldódó oxigén denitrifikációs kinetikára gyakorolt hatásainak nyomonkövetésére.! A különböző üzemeltetési paraméterek hatásainak matematikai szimulálása az anoxikus reaktorok üzemének optimálása érdekében.! Folytonos üzemű, összehasonlító modellkísérlet elvégzése a beoldódó oxigén hatásainak vizsgálatára. 3. EREDMÉNYEK Az eleveniszapos denitrifikáció megfelelő, kinetikai optimalizációja a biológiai szennyvíztisztító rendszer tervezése során akkor kiemelkedően fontos, ha a tisztítandó szennyvízre jellemző szén:nitrogén arány viszonylag alacsony. Kimutattuk, hogy ezekben az esetekben a folyadék felszínen történő oxigénbeoldódás gátló hatása már nem elhanyagolható, sőt figyelembevétele elengedhetetlen a megfelelő eltávolítási hatásfok költségkímélő biztosításához. Elméletünket szakaszos ill. folytonos kísérletekben, valamint egy új matematikai modell alkalmazásán keresztül bizonyítottuk. Végül pedig optimalizációs javaslatokat adtunk az eleveniszapos denitrifikáció megfelelő bioreaktor elrendezésének kialakításához.! Az oxigén távollétében lejátszódó folyamatok, ill. a beoldódó oxigén denitrifikációra gyakorolt hatásának vizsgálata céljából kifejlesztettünk egy az ún. Nulla-gázterű Reaktor felhasználásán alapuló kísérleti eljárást.! Kísérletekkel igazoltuk, hogy a beoldódó oxigén denitrifikációs folyamatokra gyakorolt hatásának nagysága erősen függ a denitrifikációs sebesség nagyságától. A mérések alapján megállapítást nyert, hogy a denitrifikációs folyamatok vizsgálatakor komoly hibát okoz az anoxikus terekbe történő ellenőrizetlen oxigénbeoldódás. 2

4 ! Kísérletekkel bizonyítottuk, hogy az oxigén közel állandó beoldódási sebessége ellenére a különböző szubsztrát-fogyasztási sebességek mellett kialakuló, eltérő oxigénszintek felelősek azért a dinamikus hatásért, melynek eredményeképpen a rendszerben lezajló denitrifikációs folyamatok gátlása nem állandó.! Matematikai modellt fejlesztettünk ki az anoxikus terekben lejátszódó biológiai folyamatok vizsgálatára, melyben figyelembe vettük a heterotróf mikroorganizmusok aerob és anoxikus növekedését ill. pusztulását, a lebegő szervesanyag hidrolízisét valamint a felületi oxigén-beoldódást. A modell megalkotásánál a denitrifikáció nitrát-, nitrit- és dinitrogén-oxid redukciós lépcsőjét egyaránt figyelembe vettük.! Kommunális és szintetikus szennyvízzel végrehajtott kísérletek eredményeinek felhasználásával elvégeztük a modell paraméter értékeinek megállapítását és alkalmazhatóságának vizsgálatát.! Szimulációs úton is bizonyítottuk a közel állandó felületi oxigén-beoldódás és a különböző denitrifikációs sebességek mellett kialakuló, eltérő oxigénszintek gátló hatását a rendszerben lezajló denitrifikációs folyamatokra.! A matematikai modellel végzett szimulációs vizsgálatok során bemutattuk a felületi oxigénbeoldódás különböző működési paraméterek eltérő értékei mellett tapasztalható hatását a biológiai denitrifikációra. Ennek során vizsgáltuk a befolyó szerves szubsztrát és biomassza koncentráció ill. a felületi oxigén-tömegátviteli tényező és a hőmérséklet nitrogéneltávolításra gyakorolt hatásait.! A modell alkalmazásával bemutattuk, hogy folytonos betáplálású anoxikus bioreaktorok esetén a reaktorkialakítás típusa elhanyagolhatóvá válik, ha a befolyó szerves szubsztrát feleslegben van a denitrifikálandó nitrogénhez képest. Az alacsony szubsztrát-ellátottságú tartományban azonban az anoxikus reaktorok folyadékfelszínének befedése jelentős hatékonyságnövelő megoldást jelent.! Szimulációs vizsgálataink rámutattak arra, hogy a hőfok csökkenésével a beoldódó oxigén gátló hatása felerősödik. Ezért az anoxikus reaktorok lefedése különösen 3

5 alacsony hőmérsékleteken előnyös, ill. hatékonyan gátolhatja a folyadék hőveszteségét, elősegítve a magasabb hőmérsékleteken való üzemet.! Ugyancsak megmutattuk, hogy amennyiben a felvehető szervesanyag mennyisége szűkös, az anoxikus terek megfelelő reaktortagolása szignifikáns hatékonyságnövelést tesz lehetővé. Ez meglévő, nem kielégítő eltávolítást megvalósító rendszerek esetén költségkímélő intenzifikálást, ill. új telepek létesítésekor jelentős reaktortér megtakarítást eredményezhet.! Bizonyítottuk, hogy magasabb biomasssza-koncentrációkat alkalmazva a megfelelő reaktortagolás a legfontosabb költséghatékony optimalizációs megoldást jelenti, mind fedett, mind fedetlen esetben. A szimuláció során, 4 gl -1 -es kezdeti biomassza koncentrációt alkalmazva az anoxikus terek lefedése még alacsony kezdeti szubsztrát koncentrációknál is csupán csekély hatékonyság-növelési lehetőségnek mutatkozott.! Az eleveniszapos rendszerek bioreaktor elrendezésének nitrogén-eltávolításra gyakorolt hatását folytonos, félüzemi összehasonlító kísérletben is igazoltuk. A tagolt ill. tagolatlan anoxikus szelektort tartalmazó, teszt és referencia rendszerrel végzett mérések során rámutattunk az egyes, nem levegőztetett terekben előálló reakciósebességek és a kialakuló oldott oxigén-koncentráció szintek közötti szoros kapcsolatra. 4

6 AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉBEN MEGJELENT PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE Lektorált folyóiratcikkek: 1. Jobbágy, A., Simon, J. & Plósz, B. (2000) The impact of oxygen penetration on the estimation of denitrification rates in anoxic processes. Water Research 31(9), Plósz, B.Gy., Jobbágy, A. & Grady, C.P.L., Jr. (2003) Factors influencing deterioration of denitrification by oxygen entering an anoxic reactor through the surface. Water Research 37(4), Jobbágy, A. & Plósz, B.Gy. (2004) Impact of low-rate substrate removal on the performance of denitrifying systems. Periodica Polytechnica Chemical Engineering (Közlésre elfogadva) Poszterek és előadások: 1. Plósz, B. & Jobbágy, A. (2001) Anoxikus medencékbe történő ellenőrizetlen oxigénbeoldódás hatásai. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Ipari Nyíltnapok. (Poszter bemutatás) 2. Jobbágy, A., Plósz, B.Gy. & Tardy, G. (2002) Impact of low-rate substrate removal on the performance of denitrifying systems. ENVIRO 2002 / IWA World Water Congress, April 7-12, 2002, Melbourne, Australia. (Plenáris előadás) 3. Jobbágy, A., Tóth, I., Varga, Gy. I. Simon, J., Turay, O. & Plósz, B. (2002) Conquering odour and corrosion by controlled anoxic conditions in sewer systems. ENVIRO 2002 / IWA World Water Congress, April 7-12, 2002, Melbourne, Australia. (Poszter bemutatás) 5