Biológiai szennyvíztisztítás klasszikus modellje (városi szennyvíz tisztítására) Biológiai műveletek

Átírás

1 Biológiai műveletek Mikroorganizmusok, sejt és szövettenyészetek felhasználása műszaki feladatok megoldására. Biológiai szennyvíztisztítás klasszikus modellje (városi szennyvíz tisztítására) Mikroorganizmusok irányított tevékenysége ( fermentáció ) ( Fermentor bioreaktor ) A műszaki műveletek célja a fermentáció optimális körülményeinek biztosítása ( pl. keverés, oxigénbevitel, hűtésfűtés..) A biológiai műveletek (egyelőre?) gazdaságosan nem helyettesíthetők sem fizikai, sem kémiai eljárásokkal. A folyadékban ( vízben ) található szerves szennyeződések kvantitatív jellemzésének lehetőségei: A minta teljes oxidációjával (elégetésével) nyert CO 2 mérésével? Az összes szerves és szervetlen anyag oxigénigénye ( TOD ).Katalítikus oxidáció, O 2 fogyás mérése alapján. KMnO 4, K 2 CrO 4 nedves oxidációjából nyert oxigénfogyás alapján 1

2 Viszonylag gyors eredményt ad 5 nap A szennyvizekben levő, biológiailag bontható szerves anyagok koncentrációját jellemzi, és heterogén baktériumok általi biológiai lebontása során meghatározott idő és hőmérséklet mellett elfogyasztott oxigén mennyiségét jelenti. A fermentáció nyersanyaga a szennyvíz finom lebegő kolloid és oldott szerves anyaga. Biológiai eljárás reakciótermékek Szilárd (baktériumszaporulat) Stabil oldott reakciótermékek (HCO 3-, NO 3-, ) Ülepíthető, szűrhető Gáz (CO 2, CH 4, H 2 S, NH 3, N 2.) Példák a fermentáció alkalmazására: Nem aszeptikus ( nem steril ) műveletek pl: -szennyvíztisztítás -biogáz előállítás -bor erjesztése -fém kinyerés Nem aszeptikus műveletek, beoltással pl: -sörgyártás Aszeptikus eljárások pl: -tej fermentációja -antibiotikumok gyártása -alkoholok gyártása -protein előállítás Prokarióták: (nincs valódi sejtmag) Baktériumok Kék algák Sugárgombák Jellemzőik: *Rendkívül gyors szaporodás *Nagy alkalmazkodóképesség Méretük ~ 1µm Mikroorganizmusok Eukarióták: (valódi, elkülönült sejtmag) Műszaki műveletekkel leválasztható? Moszatok: Gombák: Protozóák : Méretük ~ 10µm 2

3 Az életjelenségek (ezek alapján különbözteti meg a szemlélő, az élettelent az élőtől.) Mozgás? Anyagcsere Szaporodás Az élet-tevékenységek energiát igényelnek! Biológiai szennyvíztisztítás Reaktorokban (fermentorok): pl: -oxidációs árok -eleveniszapos rendszer -iszaprothasztó tartály Szilárd fázis elválasztása -ülepítők -flotálók -centrifugák Fotoszintezicáció Kémiai(reakció) eredetű energia Reaktorok azok a készülékek, melyekben a kémiai, biokémiai reakciók lejátszódnak. A reakció sebessége a reagáló anyagok tulajdonságaitól, és reaktor kialakításától, főleg hidraulikai tulajdonságaitól függ. A reaktorok felosztása: Tartályreaktorok: homogén közegben oldott, illetve szuszpendált szennyezőanyagok és baktériumok (pl.eleveniszapos levegőztető-medence) Töltött toronyreaktorok: a baktériumok szilárd töltet felületén szaporodnak (pl. csepegtetőtest, merülőtárcsa) C o C KI oxigénbevitel Keverős tartályreaktor: A keverőszerkezet miatt az elegykoncentráció a reartortérben homogén. A belépő szennyvíz azonnal felhígul (ipari szennyvizek esetleges mérgező hatása csökken) Energiaforrás -Az élet fenntartásához -Testfelépítéshez -Szaporodáshoz Fototrofok: -Zöld növények (klorofilek) -Fotoszintetizáló algák Kemotrofok: 3

4 Kemotrofok: Darabos és kolloid szerves szennyeződés Hidrolizáció, elfolyósodás Testen kívül ható enzimek (exoenzimek) Anyagfelvétel a sejthártyán keresztül Energianyerés (oxidáció) ATP=>ADP Sejtanyag szintézis (szaporodás) A szervesanyag-tartalmú szennyvizek lebontását általában heterotrof baktériumok végzik. Szénvegyületek lebontása molekuláris O 2 jelenlétében, vagy hiányában is!: fakultatív aerob mikroorganizmusok A szervetlen összetevők (elsősorban NH + 4 ) oxidációja autotrof mikroorganizmusokkal. Kemoautrof organizmusok ( nitrifikáló-és szulfátbaktériumok ) szervetlen anyagok oxidációja: NH + 4 NO - 3 S -2 SO 4 2- Lebontás csak molekuláris O 2 jelenlétében: obligát aerobok Lebontás molekuláris O 2 távollétében: obligát anaerobok Valamennyi mikroorganizmusnak szüksége van szervetlen tápanyagokra, felvehető, oldott, ionos formában: PO 4 3-, NH + 4, SO 4 2-,nyomelemek. Anyagtraszport: A biológiai műveletek külső (környezeti) feltételei: 1.Víz jelenléte 2.Tápanyagok ( szerves BOI 5, szervetlen ) levegő: O 2 abszorpció termékek víz deszorpció Folyadék film diffúzió diffúzió biofilm Enzimes reakció Hordozó anyag 3.Megfelelő hőmérséklet (reakciósebesség) 4.Megfelelő Ph 5.Toxikus anyagok csak kis koncentrációban (nehézfémek, savak, lúgok, aromások, peszticidek ) -Pszihofilek: 20 o C alatt -Mezofilek: o C -Termofilek: 50 o C felett CO 2, NH 3, CH 4 Oldódás Lebontandó szerves anyag Műszaki feladat: melegítés-hűtés, oxigénellátás 4

5 6. Oxigénkoncentráció igény szerint: -Aerob - Fakultatív - Anaerob 7.Biológiai tényezők: -Szelekció: természetes kiválasztódás, egyes fajok szaporodása, mások esetleges eltűnése -adaptáció: a sejtek megváltozott környezethez való alkalmazkodása (pl. megváltozott tápanyag kínálat): inaktív > aktív állapot Biokémiai reakciók. 1.Irreverzibilisek ( a végállapot a reagáló komponens egyikének fogyásával megadható) 2.Heterogén reakciók (diszperz rendszerek) 3.Jellemző a reagensek és a termékek kis koncentrációja (anyagtraszport jelentősége) 4.Reakciók sorozata (egymásutánisága) 5.Termékgátlás - inhibíció -Életközösségek biocönózis => rendkívül rugalmas rendszer Iszapszaporodási görbe Oldott oxigénigény szükséglet 5

6 A biológiai szennyvíztisztítás fő eljárásai: 1. Csepegőtestes -töltelékes -merülőtárcsás 2. Eleveniszapos -felszini levegőztetés -sűrített levegős -oxidációs árok 3. Tavas -aerob -anaerob -fakultatív Töltet: -zúzott kő -műanyag -( mérete, hézagtérfogata, felülete) -hatékony előülepítés -biológiai hártya mérete, minősége -a szennyvíz minősége (toxicitás, szervesanyag terhelés, recirkuláció) -oxigénbevitel -vízelosztás Az egyik legmegbízhatóbb biológiai tisztítási eljárás. Melyik töltetet választaná? Miért? 6

7 Merülőtárcsás szennyvíztisztítók: levegő 7

8 Eleveniszapos szennyvíztisztítás: Oxidációs árok O 2 Szakaszos működés Szennyvíztisztító tavak: Aerob: 0,5 1m mélységű, ( cirkuláció nélküli eleveniszapos rendszer, oxigént termelő algák, termikus keveredés) Anaerob: 2m-nél mélyebb.( teljes térfogatában anaerob viszonyok) Fakultatív tó: 1,2 1,8m mély. (aerob felszíni, anaerob fenékzóna (anaerob iszapbomlás). Iszapstabilizáció Aerob ~ Anaerob ~ Szerves anyagok Heterotrof baktériumok Szerves anyagok Négy fázisú, különböző baktériumcsoportok tevékenysége CO 2, H 2 O CO 2, CH 4 8

9 Szakaszos üzem 9

10 Biológiai gáztisztítás Gázmosás eleveniszapos technológiával kombinálva -nagy fajlagos felület -egyenletes töltetelosztás 10