Optimális tápanyagarány szennyvíztisztításkor FELHASZNÁLÓI JELENTÉS LABORATÓRIUMI ANALÍZIS & ÜZEMI MÉRÉSTECHNIKA SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TÁPANYAGOK

Átírás

1 FELHASZNÁLÓI JELENTÉS LABORATÓRIUMI ANALÍZIS & ÜZEMI MÉRÉSTECHNIKA SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TÁPANYAGOK Optimális tápanyagarány szennyvíztisztításkor Ahhoz, hogy megfeleljenek a törvényes előírásoknak, a szennyvíztisztító kezelőjének nagy körültekintéssel kell vezetnie a tisztítási folyamatot, hogy azonnal közbeléphessenek, hogy megakadályozzák a határértékek átlépését. A kémiai és fizikai kezelés mellett a szennyvíztisztítás alapvetően mikroorganizmusok által végzett biológiai tisztítással történik az aktivált iszapban. Ahhoz, hogy a telepet maximális hatékonysággal üzemeltethessék, tudni kell a tápanyagigényt és az aktív iszap összetételét. A kedvezőtlen tápanyagarányok okait és hatásait valamint azokat a lépéseket, amelyek megteendők, hogy megbirkózzunk velük, ebben a jelentésben foglaljuk össze. Szerző: Michael Winkler mérnök - Projektvezető, Termékfejlesztés és Ügyfélszolgálat - BIOSERVE GmbH, Mainz

2 2 TÁPANYAGOK AKTIVÁLT ISZAP Tápanyagok az aktivált iszapban Laboratóriumi elemzés és az ipari méréstechnológia támogatják a határértékek betartását. Ahhoz, hogy a mikroorganizmusok maximális hatékonysággal dolgozzanak, elengedhetetlen a kiegyensúlyozott tápanyag arány. A tápanyagok közül a szén, a nitrogén és a foszfor a legfontosabb. Szén A szén a szennyvízben található szerves vegyületek alapvető alkotója. Ezt bontják le biológiailag a mikroorganizmusok anaerob körülmények közt az aktív iszapban (Bio-P), egy oxigénhiányos környezetben (denitrifikációs zóna) és a biológiai kezelés levegőztetett szakaszában (nitrifikációs zóna). A mikroorganizmusok a szénvegyületeket saját sejtjeik felépítésére és energiatermelésre használják fel. tás során a szerves N-t NH 4 -N-né alakítják át a baktériumok az aktivált iszapban. Ezt az NH 4 -N-t és az eredeti belépő NH 4 -N-t alakítják nitritté, amit később nitráttá alakítanak (nitrifikáció). Azokat a nitrogénvegyületeket, amelyek biológiailag nem bonthatók le az aktivált iszapban, oxigénhiányos körülmények között (oldott O 2 távollétében) elemi nitrogénné alakítják (denitrifikáció). Ez azután a légkörbe távozik N 2 formájában. A nitrogénvegyületeket, mint NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N vagy TN (teljes nitrogén, ami nagyon fontos az anyagmérleg és a kilépőáram ellenőrzése miatt) formájában határozzák meg. Egy analitikai laboratóriumi munkahely egy fotométerből, reagensekből és a mérendő paramétertől függően egy termosztátból áll. A szénvegyületeket, mint KOI, BOI 5 vagy TOC-ként határozzák meg Nitrogén A víztisztító telepek belépő áramában a nitrogén szerves formában kötve (szerves N) és mint ammónium nitrogén van jelen (NH 4 -N). A biológiai szennyvíztisztí- Szerves anyagok + O 2 + Tápanyagok Foszfor A belépőáram P terhelése ortofoszfát foszforból (PO 4 -P), polifoszfátokból és szerves foszfátokból tevődik össze. Együtt a teljes foszfor (P tot. ) integrált paramétert adják. Mikroorganizmusok Új sejtek anyaga + CO 2 + H 2 O I. Táblázat: A szennyvíztisztítás fontos integrált paraméterei KOI (Kémiai OxigénIgény), ez nagyjából annak az oxigénmennyiségnek felel meg, amely ahhoz szükséges, hogy teljesen oxidáljuk a szénvegyületeket, beleértve a redukált állapotú szervetlen vegyületeket is. BOI 5 (Biológiai OxigénIgény), ez azt jelzi, hogy standard körülmények közt, mennyi oxigént használnak fel öt nap alatt a mikroorganizmusok a biológiai lebontáshoz. TOC (Teljes Szerves Szén) a szerves formában kötött szén mennyiségének a mértéke, a BOI 5 -tel ellentétben a TOC tartalmazza a biológiailag nehezen lebontható vegyületeket is. TKN (Teljes Kjeldahl Nitrogén) a szerves formában kötött nitrogén (szerves N) és az ammónium nitrogén (NH 4 -N) mennyiségének a mértéke. Teljes nitrogén TN (LATON) tartalmazza a szerves formában kötött, az ammónium (NH 4 -N), a nitrit (NO 2 -N) és a nitrát (NO 3 -N) nitrogént.

3 3 Nitrifikáció Denitrifikáció Szerves N vegyületek (karbamid, fehérjék stb.) Hidrolízis és ammonifikáció Nitrát nitrogén NO 3 -N Nitrát reduktáz oxigén Ammónium nitrogén NH 4 -N Nitrit nitrogén NO 2 -N Nitrit nitrogén NO 2 -N Nitrát nitrogén NO 3 -N Nitrosomonas + oxigén Nitrogén baktérium + oxigén NO, N 2 O Elemi nitrogén N 2 Nitrit reduktáz oxigén NO, N 2 O reduktáz oxigén Oxigén Szerves C vegyületek Széndioxid CO 2 1. ábra: Lebontási folyamatok a nitrifikáció és a denitrifikáció során A biológiai víztisztítás során a polifoszfátokat és a szervesen kötött foszfort ortofoszfáttá alakítják. Az organizmusok P igénye abból ered, hogy a foszfornak speciális szerepe van az energiaháztartásukban, metabolizmusukban. P szükséges a sejtmembránok kialakításához, és a DNS-hez. A szennyvízben lévő foszfor egy részét biológiailag vonják ki (Bio-P). A maradék eltávolítható fizikai kémiai foszfátlecsapással. A foszforvegyületeket (a lecsapás irányításához) orto-po 4 -P formájában, (az anyagmérleghez és a kilépőáram ellenőrzéséhez) P tot. formájában határozzák meg. Nyomelemek Más nyomelemek, amelyek szükségesek a sejt felépítéséhez pl. kálium, magnézium, mangán, vas, réz, cink, nikkel, vitaminok és növekedési faktorok általában jelen vannak a lakossági szennyvízben, vagy az aktivált iszapban lévő mikroorganizmusok maguk biztosítják azokat. Kén Rothadó háztartási szennyvíz és néhány ipari szennyvíz tartalmaz redukált kénvegyületeket (kénhidrogén, szulfidok, tioszulfátok). A kén a fehérjék elengedhetetlen alkotója. A víztisztító telepeken a redukált kénvegyületeket nemcsak kémiailag szulfáttá oxidálják, de néhány baktérium is kénné oxidálja, és mivel ez a folyamat energiát termel, ezért a sejteken belül, mint tápanyagtartalékot tárolják őket. Redukált kénvegyületek magas koncentrációja a szennyvízben ugyanakkor számos problémát is okozhat (2. Táblázat). C:N:P arány (BOI 5 :TN:P tot. ) A szennyvíz egyes tápanyagainak a koncentrációja meg kell, hogy feleljen az aktivált iszapban lévő baktériumok igényeinek, és egy kiegyensúlyozott viszonynak kell lennie a C, N és a P között. Ez döntő fontosságú a biológiai lebontás hatékonyságához. Folyamatok: Aerob szennyvíztisztítás alatt a C:N:P aránynak 100:10:1 és 100:5:1 között kell lennie. Reagensmentes érzékelőket használnak a folyamatos követéshez. A modern analizátorokat közvetlenül a medence szélére rögzítik és nem igényelnek védőburkolatot.

4 4 TÁPANYAG_SZÁMÍTÁS Kedvező és kedvezőtlen tápanyag arányok SC 1000 vezérlő, akár nyolc érzékelőhöz is alkalmasak hálózatban való használatra is, pl. Profibus-szal Ugyanakkor a különböző ipari üzemek, az étkezési szokások területi különbségei (a különböző konyhai hulladékok lefolyón keresztüli eltávolítása) valamint a talaj és az ivóvíz tulajdonságaiban lévő különbségek miatt, a szennyvíz összetétele széles határok közt változhat. A tapasztalat azt mutatja, hogy a C:N:P arány a kommunális szennyvizekben kb. 100:20:5. A N és P vegyületek feleslege modern módszerekkel minden különösebb gond nélkül eltávolítható. Ha biológiai szakaszba belépő szennyvíz árama hiányos valamelyik fő tápanyagban, akkor problémák széles skálája léphet fel (3. Táblázat). Hatásos denitrifikáláshoz a biológiailag könnyen lebontható C vegyületeknek egy bizonyos arányba kell jelen lennie. Miután a kommunális szennyvíz áthaladt az elsődleges ülepítő medencén, a BOI 5 :N arány 100:25 (=4). Ha az arány 100:40 (=2,5) alá esik, a denitrifikációs folyamat hatékonysága romlik, ami magasabb nitrát értékeket eredményez a kilépő áramban. Ha az elsődleges tisztító kikerülése és a denitrifikációs térfogat növelése nem hoz semmi javulást, akkor biológia- Részben bemerített NITRATAX sc érzékelő, on-line nitrát méréshez 2. Táblázat a magas kéntartalom okai és következményei Okok/A szennyvíz eredete Lehetséges következmények Helyesbítő lépések Kémiai vagy fehérje feldolgozó A csatorna és a szennyvíztisztító Akadályozzák meg a szennyvízgyűjtő üzemből származó kéntartalmú vegyületek magas koncentrációja (hús- vagy baromfifeldolgozás) A szennyvízgyűjtő rend szerben lejátszódó anaerob folyamatok, amelyek a kénve gyületek kénhidrogénné való redukcióját eredményezik telepi medencefalak kor- róziója. A szomszédság bűztől szenved. A ként oxidáló fonalas baktériumok gyorsított növekedése (Típus: 021 N) hálózatban a dugu- lásokat. Adagoljanak vas sókat a csatornába (pl. a szivattyúállomásokon). 3. Táblázat: A szennyvíztisztítási eljárás biológiai szakaszában fellépő tápanyaghiány okai és következményei Hiány van Okok/A szennyvíz eredete Lehetséges következmények Helyesbítő lépések Szénből Hosszú tartózkodási idő a szennyvízgyűjtő rendszerben Nehezen elérhető elsődleges szennyvízkezelés Magas nitrogéntartalmú ipari szennyvíz, pl. tej- vagy húsfeldolgozóból Fonalas baktériumok bőséges fejlődése (iszapduzzadás és hab) Alacsony hatékonyságú denitrifikáció Kerülje meg az elsődleges tisztítót Növelje a denitrifikációs térfogatot, miközben megfelelő térfogatot tart fent a nitrifikálásra (minimum 9 napos iszap) Nitrogénből Foszforból Alacsony nitrogéntartalmú szennyvíz: papíriparból gyümölcs és zöldségfeldolgozóból Szeméttelepi csapadékvíz, szennyvíz gyümölcs- és zöldségfeldolgozóból Magas KOI/TOC értékek a szennyvíztisztító telep belépő áramában Fonalas baktériumok Magas KOI/TOC értékek a kilépő áramban Fonalas baktériumok Egyensúlyozza a tápláló arányt: Adagoljon N vegyületeket (olyan olcsó ipari termékeket, mint pl. karbamid) Adagoljon háztartási szennyvizet, vagy zavaros vizet az emésztőből. Egyensúlyozza ki a tápanyag arányt: P vegyületek hozzáadásával (olyan olcsó ipari termékeket, mint foszforsav vagy mezőgazdasági foszfát műtrágyák) Háztartási szennyvíz hozzáadásával

5 5 ilag könnyen lebontható tápanyag (külső szénforrás) hozzáadását kell megfontolni. A tápanyag kiegyensúlyozásra szolgáló szénforrások magukba foglalják: - belső C = hidrolizált vagy savazott elsődleges iszap - külső C = ipari maradékok (sörfőzőkből, tejüzemekből, cukoriparból) és ipari termékek (metil-, etilalkohol, ecetsav). KOI:BOI 5 arány Ennek a két integrális paraméter mértékének aránya mutatja meg, hogy a szennyvíz szennytartalma biológiai szempontból mennyire lebontható. Ha a KOI:BOI 5 arány nem haladja meg a 2:1-et, a biológiai lebonthatóságot jónak nevezik. Magas értékek biológiailag nehezen lebontható anyagok jelenlétét jelzik. Példa Ipari szennyvizet magas arányban feldolgozó kommunális szennyvíztisztító telepen a biológiai szakasz belépő áramát a következő tápanyag paraméterek jellemzik (5. táblázat). A BOI 5 :N arány 2,45, túl alacsony a megfelelő denitrifikációhoz. Külső szénforrást kell tehát adagolni. Ugyanakkor sokat kell számolni mielőtt ezt megteszik. 1. Annak a nitrogénnek a mennyisége, amit nem fognak denitrifikálni (ΣN n.d. ): Lásd 6. Táblázat 2. Számítsa ki annak a nitrogénnek a mennyiségét, amit a szennyvízzel lehet denitrifikálni: Felvízi denitrifikálással és a V D :V AT 0,5-ös aránnyal a denitrifikációs kapacitás (a 7. Táblázat szerint) C Deni = 0,15 kg NO 3 -N D /kg BOI 5. S NO3-N, D = C Deni BOI 5 belép. ter. = 0, mg/l = 16,5 mg/l A praktikus LANGE küvettatesztek rendelkezésre állnak minden kulcsparaméterhez. Analitikai minőségbiztosítással kombinálva a mérési eredmények hivatalosan is elfogadottak. Ami azt jelenti, hogy 16,5 mg/l NO 3 -N-t lehet denitrifikálni a meglévő biológiai kezeléssel. 4. Táblázat: A kedvezőtlen KOI: BOI 5 arány okai és hatásai Okok/A szennyvíz eredete Lehetséges következmények Helyesbítő lépések Szeméttelepi csapadékvíz, szennyvíz komposztáló és visszamaradó hulladékot feldolgozó üzemekből, valamint vegyiparból A BOI 5 jelentős csökkenése nyáron, a hosszú szennyvízgyűjtő rendszerben A szennyvíz intenzív elsődleges kezelése Nem megfelelő denitrifikáció (magas nitrátértékek a kilépő áramban) Magas KOI a szennyvíztisztító telep kilépő áramában A Bio-P csökkenése C forrás adagolása, hogy javítsa a denitrifikációt Használjon fizikai kémiai eljárásokat (ózonkezelés, aktív szénszűrő, membrántechnológia) a gyengén, vagy biológiailag nem lebontható anyagokhoz Ha nagyszámú mintát kell elemezni, akkor az automatikus laboratóriumi berendezések értékes támogatást nyújtanak.

6 6 TÁPANYAG SZABÁLYZÁS A tápanyag adagolás vezérlése NO 3 -N mérésekkel 5. Táblázat: Egy kommunális szennyvíztisztító telep átlagos napi értékei Tagesmittelwerte Belépő áram [m 3 /d] BOI 5 belép. ter. [mg/l] 110 TN belép. ter. LATON [mg/l] 45 P tot. belép. ter. [mg/l] 3,5 BOI 5 belép. ter. : TN belép. ter. = 110:45 = 2,45 3. A külső tápanyagszükséglet kiszámítása A még denitrifikálandó N tartalom a teljes hozzáadott nitrogén, és a nem denitrifikálandó nitrogén mennyiségének, és annak a nitrogén mennyiségének a különbsége, amit a telep denitrifikálni tud. 6. Táblázat: A nem denitrifikálható nitrogén mennyiségének a számítása ( N n.d. ) A biomasszában lévő N (a BOI 5 belép. ter. 5 %-a) N szerv.,e (e = feltételezett célmennyiség a kilépő áramban) NH 4 -N e (e = célmennyiség a kilépő áramból) NO 3 -N e (e = célmennyiség a kilépő áramból) Összesen 7. Táblázat: Az ATV-A131-nek megfelelő denitrifikációs kapacitás (irányadó értékek száraz időjárásra és C közötti hőmérsékletre) V D /V AT Denitrifikációs térfogat/ Levegőztetési térfogat 5,5 mg/l 2 mg/l 0 mg/l 8 mg/l 15,5 mg/l C Deni (Denitrifikációs kapacitás kg NO 3 -N D / kg BOI 5 -ben) Felvizi denitrifikáció Szimultán és szakaszos denitrifikáció 0,2 0,11 0,06 0,3 0,13 0,09 0,4 0,14 0,12 0,5 0,15 0,15 V D : A levegőztető medence denitrifikációra használt térfogata V AT : A levegőztető medence térfogata 8. Táblázat: Külső szénforrások a szükséges adagolás kiszámításához Ecetsav Metilalkohol Etilalkohol KOI kg/kg 1,07 1,50 2,09 TOC kg/kg 0,40 0,38 0,52 BOI 5 kg/kg 0,70 0,96 1,35 Sűrűség kg/m Ebben a példában 1 kg ecetsav egyenértékű 1,07 kg KOI-val. S NO3-N, D, küls = TN belép - ΣN n.d. - S NO3-N, D = 45 mg/l - 15,5 mg/l - 16,5 mg/l = 13 mg/l Ahhoz, hogy a maradék 13 mg/l nitrogént denitrifikáljuk, az aktivált iszapban lévő mikroorganizmusoknak továb bi szénforrást kell biztosítani. Napi m 3 szennyvíztérfogat mellett a nitrogénterhelés 130 kg. A DWA A131 Munkalapja szerint a külső szénforrás igény 5 kg KOI/1 kg NO 3 -N. Ez azt jelenti, hogy a teljes denitrifikáláshoz, 650 kg KOI szükséges naponta. Ha a többlet szenet ecetsav formájában biztosítják, akkor a 8. Táblázatban megadott adatok szerint 607 kg-ot kellene minden nap hozzáadni. A megcélzott adagolás a NO 3 -N értékeken alapul. Következtetések Kedvezőtlen tápanyag arányok és az egyes anyagok magas koncentrációja csökkenti a biológiai szennyvíztisztító folyamatok hatékonyságát. A korai előrejelzés és a kritikus paraméterek folyamatos követése emiatt alapvetően fontos, hogy a telepkezelők számára biztosítsa a gyors helyesbítő lépések megtételét, ha szükségesek. Csak ezen az úton lehet a törvényben előírt kilépő árambeli értékeket biztosítani, és így kerülhetjük el a szükségtelenül magas szennyvízszámlákat. A LANGE küvettatesztek és a folyamatosan működő ipari mérőberendezések már bizonyították, hogy nélkülözhetetlenek ahhoz, hogy jobb átláthatóságot és megbízhatóságot érjünk el.

7 7 Tipikus szennyvíztisztító telepi mérőhelyek a tápanyagok mérésére Az elsődleges ülepítő medence belépő árama: a telep terhelésének meghatározása és követése A levegőztető medence befolyó árama: a tápanyagforrás optimalizálása A levegőztető medence kilépő árama: a szénlebontás hatékonyságának optimalizációja és követése, nitrifikálás/denitrifikálás és P eltávolításn A tisztítómű kilépő árama: a határértékek követése, a tisztítómű irányítása A mért tápanyag paraméterek (az önellenőrzési rendszer előírásaitól függően): KOI (vagy TOC) BOI 5 orto PO 4 -P P tot. NH 4 -N TKN (teljes Kjeldahl nitrogén, az NH 4 -N és a szerves N összege) N tot. szvtlen..(szervetlen N: az NH 4 -N, a NO 3 -N és a NO 2 -N összege) TN b (teljes nitrogén: a szerves és a szervetlen N összege) Szűrő Utóülepítés Levegőztetés Sűrítő Előülepítő Védő / homokfogó kamra Rothasztó Csatorna Esővíz tartály Iszap szikkasztás Laboratórium / irányítőközpont 2. ábra: A tápanyagmennyiség követésére kiépített mérőhelyekkel ellátott víztisztító telep sematikus rajza

8 TÁPANYAGMÉRÉS MEGOLDÁSAI Optimális tápanyagarányok modern mérési technológiával Laboratóriumi analitikai mérőállomás DR 3900 Egyszerű és hatékony spektrofotométer ( nm) RFID technológiával a megbízható és visszakövethető mérési eredmények érdekében rutin mérésekhez és felhasználói eljárásokhoz; vonalkód olvasó a LANGE küvettatesztek automatikus kiértékeléséhez; háttérvilágítású grafikus érintőképernyő LT 200 Száraz termosztát standard és speciális emésztési feladatokhoz, előre programozott emésztések KOI, teljes N, teljes P, szerves savak és fémek analíziséhez. A másik lehetőség HT 200S Magas hőmérsékletű termosztát gyors emésztésekhez, KOI, teljes N, teljes P és fémanalízisek 35 perc alatt, standard emésztések TOC analízishez. Küvettatesztek Felhasználásra kész reagensek maximális felhasználói biztonsággal, nagyon pontos, elismert módszer több mint 50 paraméter és mérési tartomány Rendszerek on-line mérésekhez AMTAX sc PHOSPHAX sc AISE sc AN-ISE sc NISE sc NITRATAX sc SC 1000 vezérlő A másik lehetőség SC 200 érzékelő Ipari mérőberendezés ammóniumkoncentráció folyamatos méréséhez vízben és szennyvízben alacsony szilárdanyag tartalom mellett. A mérést gázérzékeny elektróddal végzi. Ipari mérőberendezés foszfát koncentráció folyamatos méréséhez vízben és szennyvízben alacsony szilárdanyag tartalom mellett. A mérést a vanadát-molibdát módszerrel végzi. ISE érzékelő, az ammónium koncentráció (AISE sc, AN-ISE sc) és nitrát koncentráció (NISE sc, AN-ISE sc) folyamatos mérésére fluid közegben. A méréseket egy ionszelektív elektród (ISE) segítségével végzi, automatikus kálium- és kloridkompenzáció mellett. A CARTRICAL plus érzékelő patron különösen egyszerű kezelést tesz lehetővé. Ipari érzékelő a nitráttartalom közvetlen meghatározásához vízben, szennyvízben vagy aktivált iszapban, nem kíván mintaelőkészítést, öntisztító, reagens nélküli módszer, számos mérési tartománnyal. Egy SC 1000 vezérlő egy képernyőmodulból és egy vagy több-as érzékelő-modulból áll. Modulárisan konfigurált, hogy megfelelhessen az ügyfél sajátos igényeinek és bármikor bővíthető, hogy további mérési helyszíneket, érzékelőket, kimeneteket és adatbusz adaptereket fogadhasson be. Minden modul akár nyolc érzékelőt is irányít. Akár két érzékelőt is irányít (AMTAX sc-hez vagy PHOSPHAX sc-hez nem alkalmazható) Laboratóriumi analitikai mérőállomás DR as fotométerrel, LT 200-as termosztáttal és LANGE küvettatesztekkel Irodalom 1. ATV-Handbuch: Biologische und weitergehende Abwasserreinigung, Ernst & Sohn- Verlag K. Hänel: Biologische Abwasserreinigung mit Belebtschlamm, VEB Gustav Fischer Verlag, K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasserreinigung, Gustav Fischer Verlag, Arbeitsblatt DWA A S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop: Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger: Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, Lewis Publishers Poster Megbízható működés és költségmegtakarítás a HACH LANGE-val, DOC DOC Oct12