A Kis méretű szennyvíztisztító és víz

Átírás

1 A Kis méretű szennyvíztisztító és víz újrahasznosító berendezés fejlesztése TéT 08 RC SHEN kutatási projekt eredményei és jövőbeli alkalmazási l lehetőségei Szakmai tudományos konferencia Miskolc, A koagulálási flokkulálási rendszer kutatása és továbbfejlesztése, különös tekintettel a biológiai tisztítási rendszerre gyakorolt hatására Prof. Dr. Bárány Sándor, Doc. Dr. Takács János Miskolci Egyetem, MAK Kémiai Intézete és MFK Ny. K. Eljárástechnikai Intézete

2 Vízben lévő finom szennyezők, és leválasztási lehetőségük

3 A koagulálás, flokkulálás fogalma A kolloid szemcsék, részecskék avíz oldott só ionjainak i adszorpciója miatt általában negatív elektromos töltést nyernek. Ezt a töltést zetapotenciálnak nevezzük. Értéke élettelen és ásványi anyagoknál -13 és -20 mv, algák és egyéb mikroorganizmusok esetében valamivel alacsonyabb, -8 és -13mV közötti. E a felületi elektromos töltés a szemcsék között egy taszító erőt képvisel,, mely nagyobb mértékű mint Van der Waals féle vonzóerő. Ezen lebegő ő anyagok víztől ítőlvaló leválasztása komoly problémát jelent. A leválaszthatóság jelentősenjavul,haaszemcsék felületi töltését csökkentjük (legalább -5 mv alá), illetve semlegesítjük, hogy a vonzóerő hatására összetapadjanak, aggregálódjanak, pelyhesedjenek. Ezt a folyamatot nevezzük koagulálásnak, flokkulálásnak. A stabilizáló erők csökkentését, megszüntetését (kationos) vegyszeradagolással valósítható meg.

4 Hidrolizáló sók hidrolízis termékeinek nanorészecskéi Hidrolizáló sók: Al 2 (SO 4 ) 3, FeCl 3, Fe 2 (SO 4 ) 3, AlCl 3, ill. ezek elő- hidrolizált formái Al 3+ Al(OH) 2+ Al(OH) 2+ Al(OH) 3 Al(OH) - 4 Al 2 (OH) 4+ 4 Al 4 (OH) 4+ 8 Al 13 O 4 (OH) A só-koncentráció, hozzáadott dózis, ph, ionerősség és alkalinitás függvényében a HT primer részecskék méretei d=3-50 nm 2-3 µm µm. A polimerizált hidroxo-complexumok cluster -ket képeznek, pl. Al 13 rádiusza 40 nm. A vas-sók hidrolízis i termékei is polimerizálódnak, i de sokkal kisebb mértékben, pl. dimer vagy dekamer képződésével. Az Al(OH) 3 kicsapatásának optimális ph értéke 4,8-5,0, az üledék Az Al(OH) 3 kicsapatásának optimális ph értéke 4,8 5,0, az üledék legkisebb oldhatósága ph 7,2-7,8. Fe(OH) 3 megfelelően ph 4,1 és 6,2

5 Alumínium sók hidrolízis termékei és kölcsönhatásuk negatív részecskékkel

6 Flokkuláltatás polimerekkel Előnyei: - kis reagens ráfordítás (ppm), - univerzális reagensek: kis dózisaggregáció, nagy dózis- stabilizáció - nagy térfogatú, laza, gyorsan ülepedő, könnyen szűrhető flokkulumok

7 B. Thuringiensis baktérium sejtek flokkuláltasának mértéke a bevitt SNF 527 kationos polielektrolit mennyiségének függvényében R 4,4 3,9 3,4 2,9 2,4 1,9 1,4 1:50 1:40 1:30 1:20 1:10 0, C mm (m l) Paraméterek: 1. A részecskék aggregálódásának mértéke 2. A minimális polimer-mennyiség, mennyiség, amely szükséges az optimális flokkulációhoz 3. A destabilizációs zóna szélessége

8 Flokkulánsok alkalmazása a víztisztításban Ivóvízelőkészítés Ipari szennyvizek tisztítása 1) Al, Fe-sók kisméretű 1) Ülepítőkben történő HTR aggregáltatása, szedimentáció gyorsítása (többszörösen) 2) Al 3+ -ionok maradék 2) Kolloidok vizből való tartalmának csökkentése szűrésének gyorsítása és hatékonyság-növelése 3) Nehézfémionok megkötése 3) A szennyvízben levő foszfát tartalom kicsapatása 4) Flokkulumok méretének 4) Zagyok, üledékek és sűrűségének szabályozása víztelenítése, sűrítése 5) Élő i k á á k é 5) El i ált tá é 5) Élővizek zavarosságának és 5) Eleveniszap aggregáltatása és elszíneződésének csökkentése ülepítésének gyorsítása

9 A biológiai tisztítás célja, mechanizmusa A biológiai szennyvíztisztítás célja a szerves szennyező anyagok szervetlenné alakítása illetve a tápanyagok eltávolítása, visszaforgatása a természetbe. A kommunális szennyvíz tisztítása során aerob eljárás alkalmazása az elfogadott a szerves anyag tartalom ártalmatlanítására, lebontására, az ammónia nitrifikációjára, illetve anaerob, anoxikus körülmények között történik a nitrát denitrifikációja. Az aerob körülmények között a szerves anyagok lebontás folyamata a következő: Szilárd szennyezők és mikroorganizmusok közötti adhézió; Az adhéziált kolloid szennyezők hidrolízise, oldódása; Primer szerves anyag felvétel a sejtfalon keresztül; Sejten belül lejátszódó biológiai oxidációval végbemegy a szerves anyag lebontása, valamint a sejtek szaporodás;

10 A szerves anyag aerob biológiai lebontásának sémája

11 Biológiai ammóniamentesítés Nitrifikáció: ifiká ió NH O 2 +2HO 3 NO CO 2 + 3H 2 O + energia Nitrifikáló mikroorg. Denitrifikáció: NO 2 3 redukálószervesanyag anaerobaktérium NO redukálószervesanyag anaerobbaktérium NH ill. N 2 4 denitrifikáló mikroorg. C + NO 3 + 5H 3 O + 0,5 N 2 + 7H 2 O + OH -

12 A koagulálási flokkulálási rendszer kutatása és továbbfejlesztése, különös tekintettel a biológiai tisztítási rendszerre gyakorolt hatására Cél: A finom kolloid szennyezők koagulálása, leválasztása; ennek eredményessége, A koagulálószerek hatása a foszfát kicsapására és az ammónia-tartalom csökkenésére.

13 Laboratóriumi kísérletek a koagulálás-ülepítés és a biológiai tisztítás kapcsolatának vizsgálatára Milyen kicsapószerrel (szerekkel) lehet leghatékonyabban eltávolítani lít a szennyvízben íb vegyületek és ionok formájában előforduló foszfort és nitrogént, illetve milyen koaguláló- és/vagy flokkulálószer biztosítja a szennyvíz lebegő (kis méretű szilárd) anyagának pelyhesedését és jó ülepítését? Milyen technológiai megoldások biztosíthatják a fenti szennyezőanyagok eltávolítását? Milyen további előnyöket rejt a kicsapatással történő foszfor és nitrogén eltávolítása (pl. jobb ülepíthetőség, biológiai szennyvíztisztítás terhelésének csökkentése, stb.)? Az intenzifikált szennyvízülepítés után milyen szennyezettségű víz kerül a biológiai fokozatba? Hogyan alakul l az előkezelt lt víz szükséges tartózkodásitó ideje a biológiai reaktorban, ill. fokozataiban? Milyen kapcsolásban kövessék egymást az aerob és anox y p gy folyamatok az eredményes nitrogén eltávolítása érdekében?

14 A kísérleti munka rövid leírása A modellezéshez rácstisztítás utáni szennyvíz minta állt rendelkezésünkre, amelyet első lépésben koagulálószerrel kezeltünk. A kezelésnél előbb meszet adagoltunk a szennyvízhez a ph=9-ig majd vas(iii)-szulfátot ph = 8,5-ig. Megfelelő idejű keverés közben a kicsapodások megtörténtek, a koaguláció lejátszódott. tt Ezután 30 perces ülepítéssel l nyertük a biológiai i i tisztítási kísérletekhez szükséges előtisztított szennyvizet. Az aerob rész 4 óra hosszáig tartott, ugyan úgy, mintaz anaerob (anox) fokozat, amelynél a denitrifikáció hatásosságát vizsgáltuk. A kísérleteket elvégezve a tisztított szennyvízben levő lebegő A kísérleteket elvégezve a tisztított szennyvízben levő lebegő (szilárd) anyagot (mikroorganizmusokat) leülepítettük, majd a derített vízből mintát vettünk, melyeknek meghatároztuk az oldott NH 4+,NO 2-,NO 3-,P összes,koitartalmát.

15 A kísérlet lépései 1. koagulálás, ülepítés - A nagyminta ph-jának, és összes tápanyagtartalmának mérése. - Ca(OH) 2 adagolás a mintákhoz előre meghatározott ph értékig, a kezelt víz ülepítése, majd a derített fázisból tápanyag tartalommérése. - Ca (OH) 2 adagolás egy előre meghatározott ph értékig, majd Fe 2 (SO 4 ) 3 hozzáadással minden mintánál a 8,6 ph érték beállítása, ülepítés, és a derített rész vizsgálata. - Ca(OH) 2 adagolás ugyanazon ph értékekig, majd Al 2 (SO 4 ) 3 hozzáadással a kezelt szennyvíz ph-jának 8,6-re történőté ő beállítása,. ülepítés és a derített fázisból annak tápanyagtartalmának mérése.

16 Koagulálási és ülepítési kísérletek eredménye Az eredmények alapján megállapítható volt, hogy a derített szennyvíz szilárd (lebegőanyag ő tartalma) t jelentősen csökken a kezelésnél él felhasznált vegyszerek függvényében. Jelentősen csökkent (több kísérletnél lényegesen 1mg/l alá) az összes foszfor tartalom is, mert a kolloidokban levő foszfor koagulálás után kiülepedett ugyan úgy, mint a kicsapatott a szennyvízben eredetileg oldott foszforféleségek. f fél é A maradó összes foszforf tartalmatt ta biológiai i i folyamatokhoz elegendőnek tartjuk. Ugyan úgy jelentős a kolloidok, lebegő szennyeződések leválasztása következtében a KOI érték csökkenése is, több esetben az eredeti érték közel harmadára csökkent le, ami a biológiai tisztítás tervezése, illetve üzemeltetése szempontjából lényeges. Az ammónia-nitrogén i illetve összes nitrogén leválasztása szempontjából az intenzifikált előülepítés nem mondható eredményesnek, minimális változás volt, de ezt előre is tudtuk, mivel a koagulálással, intenzív előülepítéssel ez az oldott komponens a vízből nem távolítható el.

17 A második szennyvíztisztítási technológiai kísérlet eredményei Minták KOI NH 4 + /N Összes P NO 3 - NO 2 - mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Befolyó sz.v. (kezelés előtt) 244,10 32,60 5,96 0,10 1,60 Befolyó sz.v. (kezelés után) 68,90 27, , , ,60

18 KOI Az aerob folyamat hatásosságának vizsgálata Rács (kezelés+ülepítés után) Recirkulációs iszap (kezelés után) Aerob biológia kezdete Aerob biológia (30 perc múlva) Aerob biológia (60 perc múlva) Aerob biológia (90 perc múlva) Aerob biológia (120 perc múlva) Aerob biológia (150 perc múlva) Aerob biológia (180 perc múlva) Aerob biológia (210 perc múlva) Aerob biológia (240 perc múlva)

19 ,5 A NO - 3, a NO2 - és az NH hoz kötött N- koncentrációk alakulása az anox biológiai folyamat modellezése közben a tartózkodási idő függvényében 49,4 42,2 25,2 9,1 9,7 8,3 3,89 5,67 6,2 2,8 0,24 0,62 0,93 Aerob biológia vége, anox biológia kezdete Anox biológia (30 perc múlva) Anox biológia (60 perc múlva) Anox biológia (120 perc múlva) Anox biológia (180 perc múlva) Anox biológia (240 perc múlva) Nitrát ion Nitrit ion Ammónium ion

20 Az aerob és anox szennyvízkezelés eredményeinek általános értékelése A szennyvíz koagulálása, flokkulálása, lálá az ülepítés kedvező ő hatással vanamaradó szerves anyagok lebontására, illetve a biológiai folyamatokkal megvalósított nitrifikációra és denitrifikációra. Következményeként jelentősen csökken az a KOI, amit az aerob körülmények között a mikroorganizmusok le kell hogy bontsanak aránylag rövid tartózkodási idő mellett, és jelentősen csökken a tápanyagtartalom (elsősorban a környezetben minimum faktorként kezelt foszfortartalom) is, melynek leválasztása a szennyvíztisztításban nagyon fontos feladat. Az anaerob (anox) biológiai körülmények között viszont a víz nitrogéntartalma jelentősen csökkenthető. Az erős koaguláció, flokkuláció hátrányának tüntethetjük fel, hogy az aerob lebontás hatására nagyon kevés szénalapú tápanyag marad a vízben, amely kevés a denitrifikáló mikroorganizmusok számára, de ez nem olyan nagy probléma, mivel ez az intenzifikált előülepítésről lekerülő szennyvízből történő adagolással biztosítható. Véleményünk szerint az aerob és anox körülményeket váltogatva, ciklikusan alkalmazva ez a hátrány teljesen kiküszöbölhető.

21 Az A kísérlet ciklusainak eredményei A 28,8 18, KOI 0,565 0,83 1 1,15 45,6 32,9 25,1 29,3 10,31 7,44 5,67 6, , , , ,77 1,69 1,63 1,34 0,84 7,5 2,5 1,8 1,8 19,5 11,57 8,81 9,26 P NO 3 - NO /N 3 - NO - 2 NO /N NH 4 /N N összes Aerob Anox T [h]

22 Az B B kísérlet ciklusainak eredményei B 20, KOI 0,805 0,99 1,14 40,1 36,8 18,95 9,06 8,32 4, , , ,07 1,57 1,28 1, ,9 15,63 11,6 7,72 P NO 3 - NO /N 3 - NO - 2 NO /N NH 4 /N N összes Aerob Anox T [h]

23 A koagulálás és flokkulálás célja a vizsgált kisméretű szennyvíztisztító esetében Azeredményekből látható, tó hogy a teljes biológiai i i tisztításitítá i folyamat mindkét esetben 6óra alatt lejátszódott. A tisztított víz KOI értéke 40 mg/l alá csökkent. A vízben maradt összes foszfortartalom 1 mg/l értéket éppen hogy meghaladja, míg az összes nitrogén koncentráció 10 mg/l alatti. A folyamat úgy biztosította tt ezeket a jellemzőket, hogy nem volt külön tápanyag hozzáadás. Az eredmények alapján egy belső recirkulációt alakítottunk ki a kisméretű szennyvíztisztítónál, azt igyekeztünk optimálni i a hasonló eredmények elérése é érdekében

24 A KOI érték alakulása az idő függvényében KOI értékek alakulása a feladott és a tisztított víz esetén Feladás KOI Elmenő KOI (mg/l) KOI szept 19.szept 24.szept 29.szept 04.okt 09.okt 14.okt

25 Az ortofoszfát koncentráció alakulása az idő függvényében 8 Ortofoszfát foszfor alakulása Feladás Ortofoszfát foszfor Elmenő Ortofoszfát foszfor g/l) Ortofoszfá át foszfor (m szept 19.szept 24.szept 29.szept 04.okt 09.okt 14.okt

26 Konklúziók A vizsgálatok eredményei alapján megállapítható: a tisztításra kerülő szennyvíz koagulálása, flokkulálása, valamint az azt követő ülepítés kedvező hatással van a maradó szerves anyagok lebontására, illetve a biológiai folyamatokkal megvalósított nitrifikációra és denitrifikációra, Következményeként jelentősen csökken az a KOI, amit az aerob körülmények között a mikroorganizmusok le kell hogy bontsanak aránylag rövid tartózkodásitó idő mellett, és jelentősen csökken a tápanyagtartalom is. Az anaerob (anox) biológiai körülmények között a víz nitrogéntartalma is jelentősen csökkenthetők. A tisztított víz KOI értéke 40 mg/l alá csökkent, amely lényegesen kisebb érték, mint a kívánatos határérték. A vízben maradt összes foszfortartalom 1 mg/l értéket éppen hogy meghaladja, míg az összes nitrogén koncentráció 10 mg/l alatti. A folyamat úgy biztosította ezeket a jellemzőket, hogy nem volt külön tápanyag hozzáadás. Az erős koaguláció, flokkuláció hátrányának tüntethetjük fel, hogy az aerob lebontás hatására nagyon kevés szénalapú tápanyag marad a vízben a denitrifikáló mikroorganizmusok számára. Az aerob és anox körülményeket váltogatva, ciklikusan alkalmazva ez a hátrány teljesen kiküszöbölhető. További feladat az eredmények igazolása a kisberendezéssel végzett kísérletekkel, az eredmények, paraméterek optimálása.

27 Köszönöm a figyelmet!