Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék. Előülepítő. Eleveniszapos Utóülepítő. Fölösiszap. Biogáz.

Átírás

1 Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék 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) 1

2 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 2

3 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. 3

4 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 4

5 Biológiai szervesanyag konverzió Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás Nehezen bontható szervesanyag Hidrolízis Könnyen bontható szervesanyag Biológiai növekedés Biomassza Pusztulás Inert anyag 5

6 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 6

7 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 7

8 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 8

9 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 9

10 Levegőztető berendezések feladata Baktériumok oxigénigényének folyamatos kielégítése A sejttömeg kiülepedés-mentes, egyenletes elosztással történő lebegésben tartása (tápanyagok és végtermékek egyenletes elosztása) Levegőztető rendszerek Mélylevegőztetés hatása az áramlásra 10

11 Levegőztető rendszerek Áramlás hatása a légbefúvásra Áramlás iránya Tömlős levegőztető 11

12 Anoxikus/anaerob medence- keverők A biológiai szennyvíztisztítás elvi sémája Szennyvíz Levegôztetô Ülepítô Tisztított elfolyóvíz Iszaprecirkuláció Fölösiszap Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai 12

13 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 ) 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 13

14 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%) 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 14

15 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 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 15

16 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 Rövid iszapkor (1-2 nap) Nagyterhelésű rendszer Cél: a szervesanyag eltávolítás BOI5, KOI eltávolítás: 75-90% Predátor aktivitás (legelés) viszonylag kicsi Jelentős nitrifikáció nincs 16

17 Közepes iszapkor (2-7 nap) Közepes terhelésű rendszer Elfolyó KOI már nem tervezési igény (mind átalakul, ami biológiailag hozzáférhető) Az iszapkor értékét a szükséges nitrifikációs hatásfok befolyásolja A nitrifikáció ph csökkenést okoz (ph=5 is lehet) Ha denitrifikáció is szükséges, ált napnál nagyobb iszapkor kell A nagyterhelésű rendszerhez képest az oxigén igény (per kg KOI) kb. kétszeres, a reaktortérfogat 3-4 szeres BOI5, KOI eltávolítás: >90% Közepes iszapkor (2-7 nap) Denitrifikáció az utóülepítőben, iszapfelúszás (nitrogén gáz buborékok) Az utóülepítőben a sűrítés már nem megoldható Iszaprecirkuláció növelendő, az iszap tartózkodási idő csökkentése érdekében 17

18 Nagy iszapkor (>7 nap) Ha csak aerob körülmények vannak Hosszú idejű levegőztetés / teljes oxidációs telep (extended aeration) Iszap stabilizáció Összehasonlítva a közepes iszapkorú rendszerekkel az összes oxigén igény hasonló, miközben a reaktortérfogat 50-60%-kal nagyobb Kis lúgosságú szennyvíz esetén probléma lehet az alacsony ph Iszap-felúszási problémák megjelenése (szétlevegőztetett iszap) Alacsony elfolyó KOI, de magas nitrát koncentráció Anoxikus zónával a ph csökkenés elkerülhető és a nitrát koncentráció is csökkenthető BOI5, KOI eltávolítás: >95% Közepes iszapkor (2-7 nap) Ha aerob és anoxikus körülmények is vannak Nitrifikáció/denitrifikáció megvalósul Elfolyó nitrát koncentráció csökken Összes oxigén igény (levegőztetés) csökkenthető 15-25%- kal a csak nitrifikációra tervezetthez képest Felúszó iszap problémája elkerülhető Az alacsony ph problémája elkerülhető 18

19 Mohlman-index (iszap-ülepedési index) Mohlman index (sludge volume index) SVI = SV 30 /X [ml/g] SVI: iszap-ülepedési index SV 30 : az iszap térfogata 30 perc ülepítést követően (ml/l) = 30 perces ülepedés X: az iszap koncentrációja (g/l) SVI: ml/g 19

20 Mohlman-index számítási példa 5000 mg/l lebegőanyag tartalmú eleveniszap 30 perc után az iszaptérfogat az 1 l-es mérőhengerben 400 ml SVI =? = SV 30 /X = 400 [ml/l] / 5 [g/l] = 80 [ml/g] jól ülepedő iszap Mechanikai/kémiai tisztítás CEPT: TSS: 80%, KOI, BOI 5 : 50% TN: 10%, TP: 60% PC: TSS: 90%, KOI, BOI 5 : 70% TN: 10%, TP: 90% Me 3+ t= 3-3,5 h 20

21 Biológiai tisztítás Nitr. nélkül: TSS: 90%, KOI, BOI 5 : 90% TN: 10%, TP: 10% Nitrifikációval: TSS: 90%, KOI, BOI 5 : 95% TN: 15%, TP: 15% t= 3-3,5 h t= 6,0h Biológiai/kémiai tisztítás Előkicsapás: TSS: 95%, KOI, BOI 5 : 95% TN: 15%, TP: 90% Szim. kics.: TSS: 95%, KOI, BOI 5 : 95% TN: 15%, TP: 90% Me 3+ Me 3+ 21

22 Biológiai/kémiai tisztítás (N eltávolítás) Előden, szim. kics.: TSS: 90%, KOI, BOI 5 : 95% TN: 70%, TP: 90% Előkics., utóden.: TSS: 90%, KOI, BOI 5 : 95% TN: 85%, TP: 90% Me 3+ Me 3+ +C Reaktor konfigurációk Az aerob, anaerob és anoxikus körülmények idő- és/vagy térbeli kombinálása Recirkulációs vezetékek kiépítése Reaktor alak (hidraulika) szerepe növekszik 22

23 Reaktor konfigurációk Dugattyú-szerű v. dugó áramlás (plug flow) A fonalasok elszaporodása mérsékelhető jobban ülepíthető iszap nyerhető Biokémiai reakcióhoz relatíve kis tartózkodási idő szükséges Betáplálásnál nagy oxigén-igény DO gyorsan elfogy Dugó áramlás (plug flow) C 0 C k L C(t) C(r) r = 0 r = L t L r A beadagolt C 0 töménységű anyag tökéletes keveredése csak a csőirányra merőlegesen valósul meg, hosszirányú keveredés nincs. Ennek következtében a reakció során a töménység a cső hossza mentén folytonosan változik, de bármely pontban az időben állandó. 23

24 Reaktor konfigurációk Fokozatos levegőbetáplálás Kisebb levegőbetáplálásnál kisebb keverés iszap kiülepedése Reaktor konfigurációk Lépcsőzetes levegőbetáplálás 2/3 1/3 arányú levegőztetés 24

25 Reaktor konfigurációk Több ponton történő levegő betáplálás Több ponton történő nyers szennyvíz betáplálás Több ponton történő recirkuláció Reaktor konfigurációk Complete stirred tank reactor (CSTR) Recirkuláltatott iszap és a nyers szennyvíz gyors elkeveredése Toxikus hatásokkal szemben nagyobb ellenállás Ha túl nagy iszapterhelés nincs teljes nitrifikáció Több tökéletesen kevert reaktort sorbakötnek! (reaktor kaszkád) 25

26 Tökéletesen kevert reaktor (ideális tartályreaktor) C 0 C k C(t) C(r) C 0 r = 0 C k t r A folyamatosan beadagolt C 0 töménységű anyag a reakció során tökéletesen elkeveredik, és C k kilépő töménységgel hagyja el a rendszert. A reaktorban tehát egy jól meghatározott C 0 -C k töménységkülönbség és ennek megfelelő konverzió jön létre. A reaktor minden pontján az időtől függetlenül azonos a koncentráció, ami megegyezik a reaktorból kilépő elegy koncentrációjával. Reaktor kaszkád A gyakorlatban ideális csőreaktor nem valósítható meg Több, egymás után kötött, tökéletesen kevert reaktor Tagolás következtében csökken a szükséges tartózkodási idő Azonos méretű bioreaktorban, azonos befolyó árammal nagyobb hatékonyságú tisztítás valósítható meg Azonos tisztítási hatékonyság mellett, azonos méretű reaktorban nagyobb befolyó szennyvízmennyiség tisztítható 26

27 Reaktor konfigurációk Egyszerű eleveniszapos (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció) aerob anoxikus anaerob Wuhrman eljárás Utó-denitrifikáció, külső szerves C nélkül (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, kismértékű denitrifikáció) denitrifikáció hatásfoka javítható kb. szervesanyag (pl. metanol) adagolásával Módosított Ludzak-Ettinger (MLE ) eljárás (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, denitrifikáció) belső (nitrát) recirkuláció ( %) oxigén is visszajut, energia Reaktor konfigurációk Egyszerű eleveniszapos (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció) aerob anoxikus anaerob A/O eljárás (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, bio-p) - nagyterhelésű A2/O eljárás (3 lépcsős Phoredox) (szervesanyag, nitrifikáció, elő-denitrifikáció, bio-p) 27

28 Reaktor konfigurációk 4 fokozatú Bardenpho aerob anoxikus anaerob Elő- és utódenitrifikáció Utólevegőztető: N kiűzés, anoxikus reaktorban esetleg képződött NH 4+ oxidáció 5 fokozatú Bardenpho (Phoredox) Elő- és utódenitrifikáció + P eltávolítás Reaktor konfigurációk UCT eljárás aerob anoxikus anaerob Recirk iszap az anox. medencébe, innen egy vegyes recirk az anaerob zónába MUCT eljárás anox. medence kettébontásával recirk és vegyes recirk különválasztható 28

29 Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás Denitrifikáció az iszap recirkuláció vonalán Kisebb térfogatú anaerob és aerob medencék Johannesburg Északi telep Szennyvíztisztítók tervezése Kétféle megközelítés 1. Hagyományos (mérnöki) Biológiai műtárgytérfogatok meghatározása Tapasztalatok, összefüggések felhasználása ( ökölszabályok ) Méretezési segédletekben, irányelvekben Ülepítők, meghatározása Hidraulikai számításokkal, ellenőrzésekkel Alkalmazása: Mo-n még gyakori, a nagyvilágban inkább a számítások ellenőrzésére 29

30 Szennyvíztisztítók tervezése Kétféle megközelítés 2. Modellszámításokkal, szimulációkkal Biológiai műtárgytérfogatok meghatározása Reakciókinetikai ismeretek felhasználásával Mikroorganizmus szaporodás, pusztulás sebességek Különböző környezetben (levegőztetett vagy nem) Matematikai modellek (1984-től) Differenciál egyenletrendszerek Számítógépen Ülepítők, meghatározása A hidraulika szimulációjával Összefoglalásként A szennyvíztisztítás: Környezetvédelmi szempontból fontos Befogadó védelem, (emisszió csökkentés) Epidemiológiai kockázat csökkentése Nem old meg minden problémát Mikroszennyezők, gyógyszermaradékok Multidiszciplináris tudást igényel Mérnöki tudás (gépészet, irányítástechnika, műtárgy méretezés, kémia, biológia ) Költséges (max év élettartam, energiaigény) 30

31 Ajánlott irodalom Csatornázás és szennyvíztisztítás rövid összefoglalása (Kivonat Dr. Buzás Kálmán és Kovács Ádám Környezetvédelmi technika és menedzsment - A települési vízgazdálkodás alapjai c. jegyzetéből) Kárpáti Árpád (szerk.): Eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek és ellenőrzése Ismeretgyűjtemény 2. füzet Alapozó tantárgyak anyagai (Környezetmérnöki alapok, Víz- és környezeti kémia és hidrobiológia, települési vízgazdálkodás és vízminőségvédelem stb.) 31