Az élőgépes szennyvíztisztítás intenzifikálása. Doktori értekezés tézisei. Jurecska Judit Laura

Átírás

1 Az élőgépes szennyvíztisztítás intenzifikálása Doktori értekezés tézisei Jurecska Judit Laura Témavezető: Dr. Záray Gyula, egyetemi tanár, DSc Konzulens: Dr. Barkács Katalin, adjunktus, dr. univ. ELTE TTK Környezettudományi Doktori Iskola Vezető: Dr. Jánosi Imre, egyetemi tanár, DSc Környezetkémia Program Vezető: Dr. Turányi Tamás, egyetemi tanár, DSc Budapest, 2015

2 I. Bevezetés A modern szennyvízkezelésben igen elterjedt a biofilmet alkalmazó rendszerek, valamint a biofilm és a hagyományos eleveniszapos technológia kombinációjával létrejövő hibrid rendszerek alkalmazása. A mikroorganizmusok hordozón történő immobilizálásának számos előnye van: megnövelhető a szennyezőanyag lebontás hatásfoka, valamint jobban szabályozható a biomassza mennyisége és kora. A biofilmben rögzült mikroorganizmusok ellenállóbbak a toxikus anyagokkal és a szennyezőanyag-terhelésben bekövetkezett hirtelen változásokkal szemben, mint a szuszpendált sejtes eleveniszap baktériumai. Doktori kutatómunkám során műszálak esetében vizsgáltam a biofilm hordozó fizikai-kémiai tulajdonságai és kolonizáló képessége közötti összefüggést. A tulajdonságaik alapján kiválasztott műszálakkal egy félüzemi léptékű élőgépes szennyvíztisztító rendszerben kolonizációs kísérleteket végeztem, melyek során a biofilm kolonizáció kezdeti és egyensúlyi szakaszát, továbbá az üzemeltetési paraméterek változtatásának kolonizációra kifejtett hatását tanulmányoztam. Kutatási témám részét képezte a biológiailag tisztított szennyvízben visszamaradó mikroszennyezők eltávolítására kifejlesztett, ciklodextrin tartalmú szorbensek vizsgálata is. Analitikai módszert fejlesztettem ki a szorbensek megkötőképes ciklodextrin tartalmának meghatározására, és a kapott eredmények alapján javaslatot tettem a szorbensek optimális összetételére. Egy félüzemi kísérlet keretében szennyvíz mátrixban vizsgáltam ciklodextrin gyöngypolimer szorbens mikro-szennyező eltávolításra való alkalmasságát. II. Az alkalmazott anyagok, berendezések és módszerek II.1 Hordozó alapanyag fizikai-kémiai vizsgálata és alkalmazása félüzemi léptékű biofilm kolonizációs kísérletekben Munkám során többféle polipropilén és karbonszál, valamint nylon (poliamid) és poliészter szálak morfológiai jellemzőit, fajlagos felületét, nedvesedését, adszorpciós képességét és zéta potenciálját tanulmányoztam, valamint vizsgáltam a műszálakból minta-előkészítő mosás során kioldódó szerves anyag mennyiségét. A fizikai-kémiai vizsgálatok eredményei alapján kiválasztott négyféle műszállal biofilm kolonizációs kísérleteket végeztem az Organica Zrt. Telki Ökotechnológiai Fejlesztő Központjában üzemeltetett félüzemi szennyvíztisztító rendszerben. Az egyenként 2 m 3 térfogatú reaktorokból álló, nyolc elemű kaszkádrendszerre mechanikai kezelést követően

3 érkezett a kommunális szennyvíz, mindegyik reaktor az előző tisztított szennyvizét kapta. A reaktorok tetején lévő növénytartókba különféle dísz- és haszonnövényeket telepítettek, melyeknek gyökérzete lelógott a reaktortérbe és ott természetes biofilm hordozóként funkcionált. A reaktortérnek abba a részébe, ahová a gyökerek már nem értek le, műszálas hordozókat helyeztek el, ezek adták a mesterséges hordozófelületet. A reaktorokat alulról, kerámiatestes finomelosztók alkalmazásával levegőztették. A négy biofilm kolonizációs kísérleti szakasz idején folyamatosan nyomon követtem a félüzemi szennyvíztisztító rendszerre érkező nyers szennyvíz, valamint a reaktorok vizének minőségében bekövetkezett változásokat. Két-három napos gyakorisággal vizsgáltam a ph, a hőmérséklet, az összes és az oldott kémiai oxigénigény (KOI), a lebegőanyag (TSS), az összes nitrogén (TN), az ammónium-, a nitrit- és a nitrát ion koncentrációját. Szondák segítségével folyamatosan rögzítésre került az oldott oxigén koncentrációjának alakulása is. Vizsgáltam a polipropilén, illetve poliészter alapanyagú hordozókon kialakult biofilmek száraz- és szerves anyag tartalmát, valamint fajlagos dehidrogenáz enzim aktivitását. Az összes enzimaktivitást a fajlagos enzimaktivitás és az adott hordozón kialakult összes biofilm szárazanyag-tartalmának ismeretében, számítással határoztam meg. A biofilm mikromorfológiáját pásztázó elektronmikroszóppal vizsgáltuk, a bakteriális közösségszerkezetét felderítésére T-RFLP (terminális restrikciós fragmenthossz polimorfizmus) módszerét alkalmaztuk az ELTE Mikrobiológiai Tanszékével együttműködve. Néhány kiválasztott minta esetében piroszekvenálást is végeztünk annak érdekében, hogy hordozókon kialakult biofilm jellemző taxonjairól információt nyerjünk. II.2 Biológiailag kezelt szennyvíz mikro-szennyezőinek eltávolítását célzó kísérletek Kísérleteim során epiklórhidrinnel térhálósított béta-ciklodextrin gyöngypolimert (Cyclolab Kft., Magyarország), valamint a gyöngypolimert tartalmazó, szintereléssel előállított nanoszűrőket (Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft., Magyarország) alkalmaztam szorbensként. A nanoszűrőkból többféle változatot is vizsgáltam, amelyek bétaciklodextrin gyöngypolimer- és adalékanyag-tartalmukat, valamint vastagságukat tekintve különböztek egymástól. Kísérleteim során ezen nanoszűrők stabilitását, kioldódó anyagtartalmát, szorpciós képességét és regenerálhatóságát tanulmányoztam. A minták szorpciós képességének vizsgálatára háromféle modellvegyületet (ibuprofent, karbamazepint és rodamin-b-t) alkalmaztam. A szorpció követésére az ibuprofen és a karbamazepin esetében összes szerves szén (TOC) koncentráció mérést alkalmaztam, a rodamin-b oldatok koncentrációjának mérésére spektrofluorimétert használtam.

4 Minta-előkészítő mosást végeztem azzal a céllal, hogy azokat a gyártás során bekerülő szennyezőanyagokat, melyek a szorpciós vizsgálatok eredményét befolyásolhatják, eltávolítsam. Módszert dolgoztam ki a nanoszűrők etanollal történő regenerálására. A mintaelőkészítő mosások, valamint a regenerálást követően az oldószer eltávolításának sikerességét szintén TOC méréssel ellenőriztem. A ciklodextrin gyöngypolimer szorpciós képességét szennyvíz mátrixban is tanulmányoztam, ehhez a kolonizációs kísérletek leírásánál már bemutatott félüzemi szennyvízkezelő rendszer elfolyó szennyvizét használtam fel. A szűrt szennyvízhez gyógyszerhatóanyagok ismert térfogatú és koncentrációjú oldatát adtam és a szorpció mértékét dinamikus körülmények között, szorpciós oszlopban vizsgáltam. A dinamikus szorpciós vizsgálatokat ciklodextrin gyöngypolimerrel, aktív szénnel, valamint a két szorbens keverékével egyaránt elvégeztem, illetve vizsgáltam, hogyan alakul a szorpció mértéke akkor, ha ezt a két szorbenst egymásra rétegzem. A laboratóriumi léptékű vizsgálatokat követően sor került félüzemi mikro-szennyező eltávolítási kísérletekre is, melyek során szorbensként ciklodextrin gyöngypolimert használtam. A biológiailag tisztított, szűrt szennyvízhez kilenc mikro-szennyező (ibuprofen, ketoprofen, naproxen, diklofenák, biszfenol-a, ß-ösztradiol, etinil-ösztradiol, ösztriol és koleszterin) törzsoldatát adagoltam. Az eredeti, biológiailag tisztított szennyvíz, a szűrt szennyvíz, valamint a kilenc mikro-szennyezővel adalékolt szennyvíz, továbbá az eltérő kontaktidők után vett szennyvíz minták mikro-szennyező koncentrációját gázkromatográfiás elválasztással kombinált tömegspektrometria módszerével határozták meg az ELTE Környezetkémiai és Bioanalitikai Laboratóriumában.

5 III. Új tudományos eredmények 1. Biofilm hordozó alapanyag kiválasztása és minősítése 1.1 Félüzemi kísérletek során nyert adatok alapján megállapítottam, hogy többféle polipropilén és poliészter hordozó közül ingadozó szerves anyag terhelés és a térfogati terhelés jelentős változtatása mellett is a 33 µm szálvastagságú, 3000 dtex lineáris sűrűségű, 6,4 g/dtex szakítószilárdságú polipropilén műszál esetében volt a legnagyobb a biofilm szárazanyagban kifejezett mennyisége és összes enzimaktivitása. 1.2 Polipropilén biofilm hordozók felületi tulajdonságainak biofilm kolonizációra kifejtett hatását vizsgálva megállapítottam, hogy elsődlegesen a nedvesedés és érdesség befolyásolja a műszál alapú hordozókon zajló biofilm kolonizációt. 2. A szennyvíz minőségének alakulása félüzemi élőgépes szennyvíztisztító rendszerben 2.1 Megállapítottam, hogy a nyolc kaszkádelemből álló, félüzemi léptékű, élőgépes szennyvíztisztító rendszer kaszkádelemei tisztítás-technológiai szempontból elkülönülnek: az kaszkádelemekben elsősorban a szerves és lebegőanyag, valamint az ammónium-nitrogén koncentrációjának csökkentése zajlik, míg a reaktorokban a nitrifikációs folyamatok az uralkodók. 2.2 Négy kolonizációs kísérleti szakasz eredményeit összehasonlítva megállapítottam, hogy a félüzemi szennyvíztisztító rendszerben 2,5 m 3 nap -1 m -3 fajlagos hidraulikus terhelés mellett is 70% körüli összes KOI, 60% körüli összes nitrogén eltávolítás és 90% feletti hatásfokú nitrifikáció érhető el akkor, ha a szennyező anyag terhelés nem haladja meg a 900 O 2 g nap -1 m -3 összes KOI (400 O 2 g nap -1 m -3 oldott KOI), valamint a 120 g nap -1 m -3 (ezen belül 75 g nap -1 m -3 NH 4 -N) összes nitrogén terhelés értékeket. 3. A biofilm kolonizáció folyamatának tanulmányozása félüzemi élőgépes szennyvíztisztító rendszerben 3.1 Műszál alapú hordozókon képződött biofilmek vizsgálatát valósítottam meg az eleveniszap fajlagos dehidrogenáz enzimaktivitásának mérésére alkalmazott szakirodalmi módszer optimálásával. 3.2 Megállapítottam, hogy a biofilmek szárazanyag tartalma és diverzitás indexei 14 napot követően nem mutatnak szignifikáns változást, vagyis a félüzemi élőgépes szennyvíztisztító kaszkádrendszerben ennyi idő elegendő a kolonizáció egyensúlyi állapotának beálltához.

6 3.3 Igazoltam, hogy a félüzemi szennyvíztisztító rendszer reaktorainak tisztítástechnológiai szempontú elkülönülése a reaktorokba telepített hordozókon kialakult biofilm tulajdonságaiban is megfigyelhető. Azokban a kaszkádelemekben, ahol a szerves és lebegőanyag, valamint az ammóniumnitrogén átalakítása történik, nagyobb mennyiségű és nagyobb összes enzimaktivitással bíró biofilm képződik, mint azokban, ahol elsősorban a nitrifikáció zajlik. 3.4 Azokban a reaktorokban, ahol a nitrifikáció az uralkodó szennyező anyag átalakítási folyamat, nagyobb a biofilm mikrobaközösségeinek diverzitása, mint azokban, ahol a szerves anyag lebontása és az ammónium-nitrogén átalakítása történik. 3.5 Egy átmeneti oxigénhiányos állapotot okozó üzemzavar hatásait tanulmányozva megállapítottam, hogy a szennyvíztisztítás kaszkádrendszerű kialakítása előnyt jelent az üzemeltetési körülmények hirtelen változása esetén, ugyanis az utolsó, 8. reaktorban a biofilm szárazanyag tartalmában és T-RFLP módszerrel vizsgált közösségszerkezetében már nem volt jelentős különbség az üzemzavar előtti és utáni állapot között. 4. Biológiailag tisztított szennyvíz mikro-szennyezőinek eltávolítására kifejlesztett ciklodextrin tartalmú szorbensek vizsgálata 4.1 Meghatározott szorbens és adszorptívum aránnyal végzett, statikus szorpción alapuló módszert dolgoztam ki ciklodextrint tartalmazó, nagy sűrűségű polietilén szemcsékkel szinterelt szorbensek megkötő képes ciklodextrin tartalmának vizsgálatára, ahol adszorptívumként ibuprofent, illetve karbamazepint alkalmaztam és a szorpció követését az oldatfázis TOC koncentrációjának mérésével valósítottam meg. 4.2 Igazoltam, hogy a szinterelt szorbensek optimális ciklodextrin gyöngypolimer tartalma 30 m/m%. 4.3 Megállapítottam, hogy a vastagság csökkentésével, valamint szerkezetjavító adalékanyagok alkalmazásával egyaránt növelhető a szinterelt szorbensek fajlagos szorpciós kapacitása. 4.4 A legjobb szerkezetjavító adalékanyagnak az ammónium-hidrogénkarbonát bizonyult, mivel az ennek felhasználásával előállított szinterelt szorbens ibuprofen megkötés alapon meghatározott fajlagos szorpciós kapacitása volt a legnagyobb.

7 4.5 Igazoltam, hogy ciklodextrint tartalmazó, szinterelt szorbensek regenerálhatók és fajlagos szorpciós kapacitásuk ötszöri felhasználás, illetve regenerálás során gyakorlatilag nem változik. 4.6 A tisztított szennyvíz valós összetételének megfelelő nagyságrendben adalékolt mikro-szennyezők eltávolítására irányuló, béta-ciklodextrin gyöngypolimer szorbenssel végzett félüzemi utótisztítási célú vizsgálatok azt mutatták, hogy a gyöngypolimer alkalmas a biológiai úton nem eltávolítható diklofenák 85% hatásfokkal való megkötésére. IV. Tudományos közlemények jegyzéke Az értekezés témájában megjelent tudományos közlemények 1. L. Jurecska, K. Barkács, É. Kiss, G. Gyulai, T. Felföldi, B. Törő, R. Kovács, Gy. Záray: Intensification of wastewater treatment with polymer fiber-based biofilm carriers, Microchem. J. 107 (2013) DOI: /j.microc ; IF=3,58 2. L. Jurecska, P. Dobosy, K. Barkács, É. Fenyvesi, Gy. Záray: Characterization of cyclodextrin containing nanofilters for removal of pharmaceutical residues, J. Pharm. Biomed. Anal. 98 (2014) DOI: /j.jpba ; IF=2,82 3. T. Felföldi, L. Jurecska, B. Vajna, K. Barkács, J. Makk, G. Cebe, A. Szabó, Gy. Záray, K. Márialigeti: Texture and type of polymer fiber carrier determine bacterial colonization and biofilm properties in wastewater treatment, Chem. Eng. J. 264 (2015) DOI: /j.cej ; IF=4,05 Az értekezés témájában készített kutatási jelentések 1. L. Jurecska, K. Barkács, E. Gombos, Gy. Záray: Különböző víztípusok xenobiotikum tartalmának eltávolítása, az eltávolítási eljárások szakirodalmi áttekintése (ELTE, Budapest, 2009) 2. É. Kiss, L. Jurecska, G. Gyulai, K. Barkács, Gy. Záray: Műanyag és műanyagalapú szálak alkalmazási lehetőségei a szennyvíztisztításban. A szálak fizikai-kémiai jellemzése (ELTE, Budapest, 2010) 3. L. Jurecska, K. Barkács, Gy. Záray: Szintetikus alapú, nagy fajlagos felületű biofilm hordozók fizikai-kémiai tulajdonságainak meghatározása és baktériumok kolonizációja szempontjából kedvező módosítása (ELTE, Budapest, 2010)

8 4. E. Gombos, L. Jurecska, K. Barkács, Gy. Záray: Xenobiotikumok eltávolítására alkalmazható alternatív fizikai-kémiai eljárások áttekintő értékelése (ELTE, Budapest, 2010) 5. K. Barkács, I. Varga, L. Jurecska, Gy. Záray: Ciklodextrin tartalmú szűrők összetételének jellemzésére végzett fizikai-kémiai vizsgálatok adatai (ELTE, Budapest. 2010) 6. K. Barkács, I. Varga, Gy. Záray, L. Jurecska: Fizikai-kémiai módszerek kidolgozása ciklodextrin tartalmú szűrők stabilitásának, kapacitásának és regenerálhatóságának jellemzésére (ELTE, Budapest, 2010) 7. K. Barkács, Gy. Záray, L. Jurecska, I. Varga: Ciklodextrin tartalmú mintavevő szűrők vízközegekben való alkalmazhatóságának jellemzése fizikai-kémiai vizsgálatokkal (ELTE, Budapest, 2010) 8. K. Barkács, Gy. Záray, L. Jurecska: Ciklodextrin hatóanyagú szűrőkkel dinamikus körülmények közt víztisztítási céllal végzett laboratóriumi kísérletek (ELTE, Budapest, 2010) 9. K. Barkács, Gy. Záray, L. Jurecska: Ciklodextrin hatóanyagú szűrők technológiai paramétereinek optimálását célzó laboratóriumi szorpciós kísérletek (ELTE, Budapest, 2010) 10. K. Barkács, L. Jurecska, P. Dobosy, I. Molnár-Perl, N. Andrási, I. Varga, Gy. Záray: Ciklodextrin tartalmú szűrők fizikai-kémiai vizsgálata (ELTE, Budapest, 2011) 11. K. Barkács, E. Gombos, L. Jurecska, I. Molnár-Perl, N. Andrási, A. Vasanits-Zsigrai, Gy. Záray: A CD-FILTER projekt keretében Telkiben végzett félüzemi kísérletekhez kacsolódó fizikai-kémiai vizsgálatok (ELTE, Budapest, 2011) 12. N. Andrási, K. Barkács, G. Cebe, P. Dobosy, L. Jurecska, K. Márialigeti, I. Molnár- Perl, B. Vajna, Gy. Záray, A. Vasanits-Zsigrai: Szintetikus alapú, nagy fajlagos felületű biofilm-hordozók baktérium kolonizációjának vizsgálata félüzemi kísérleti rendszerben (ELTE, Budapest, 2011) 13. K. Barkács, L. Jurecska, P. Dobosy, Gy. Záray: Szintetikus alapú, nagy fajlagos felületű biofilm-hordozók baktérium kolonizációjának vizsgálata félüzemi kísérleti rendszerben (ELTE, Budapest, 2012) Szóbeli előadások az értekezés témájában 1. L. Jurecska, K. Barkács, É. Kiss, T. Felföldi, B. Törő, R. Kovács, Gy. Záray: Intensification of wastewater treatment with polymer fiber-based biofilm carriers, XIV. Hungarian-Italian Symposium on Spectrochemistry, Sümeg, október L. Jurecska, K. Barkács, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Mikro-szennyezők eltávolítása ciklodextrin tartalmú szorbensekkel, II. MaSzeSz Junior Szimpózium, Budapest, december 9.

9 3. L. Jurecska, K. Barkács, B. Törő, R. Kovács, Gy. Záray: Biofilm kolonizáció vizsgálata műszál alapú hordozókon, Környezettudományi Doktori Iskolák Konferenciája, Budapest, augusztus P. Dobosy, L. Jurecska, K. Barkács, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Vizek mikro-szennyezőinek eltávolítására kifejlesztett nanoszűrők szorpcióképes ciklodextrin tartalmának vizsgálata, Környezettudományi Doktori Iskolák Konferenciája, Budapest, augusztus L. Jurecska, K. Barkács, P. Dobosy, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Removing micro-pollutants from wastewater applying cyclodextrin based nanofilters, IWA 4 th Eastern European Young Water Professionals Conference, Szentpétervár, október L. Jurecska, K. Barkács, P. Dobosy, R. Lőcsei, B. Törő, R. Kovács, Gy. Záray: Mesterséges hordozók vizsgálata félüzemi élőgépes szennyvíztisztító rendszerben, I. Környezetkémai Szimpózium, Mátraháza, október L. Jurecska: Élőgépes szennyvíztisztítás hatékonyságának növelése mesterséges hordozók alkalmazásával, Pro Scientia Aranyérmesek Konferenciája, Szeged, november P. Dobosy, L. Jurecska, K. Barkács, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Vizekben lévő mikro-szennyezők eltávolítására kifejlesztett nanoszűrők megkötőképes ciklodextrin tartalmának meghatározása, II. Környezetkémiai Szimpózium, Dobogókő, október Poszterek az értekezés témájában 1. L. Jurecska, K. Barkács, Gy. Záray, É. Fenyvesi, E. Andersen, I. Rácz, L. Szente: Felületmódosított hordozók ciklodextrin tartalmának meghatározása szorpciós vizsgálatokkal, MKE I. Nemzeti Konferencia, Sopron, május L. Jurecska, B. Törő, T. Felföldi, K. Barkács, R. Kovács, Gy. Záray: Polymer based biofilm carriers for improving the efficiency of biological wastewater treatment, Chinese-European Cooperation for a Long Term Sustainability, Budapest, november L. Jurecska, K. Barkács, P. Dobosy, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Vizekben előforduló xenobiotikumok eltávolítására kifejlesztett ciklodextrin tartalmú szűrőlapok vizsgálata, ELTE Innovációs Nap, Budapest, február P. Dobosy, K. Barkács, L. Jurecska, É. Fenyvesi, E. Andersen, Gy. Záray: Mikroszennyezők eltávolítására kifejlesztett, ciklodextrinnel módosított szűrők vizsgálata, ELTE Bolyai Konferencia, Budapest, május L. Jurecska, K. Barkács, T. Felföldi, G. Cebe, B. Törő, R. Kovács, Gy. Záray: Physico-chemical characterization of polymer-fiber based biofilm carriers and their

10 application in wastewater treatment, 6 th International Conference for Young Water Professionals, Budapest, július L. Jurecska, K. Barkács, Gy. Záray, L. Jicsinszky, E. Oláh, É. Fenyvesi: Methods for determining cyclodextrin content of modified textiles, XXIII IFATCC (International Federation of Associations of Textile Chemists and Colourists) Congress, Budapest, május Ismeretterjesztő cikk az értekezés témájában 1. L. Jurecska: Új típusú szűrők gyógyszermaradványok eltávolítására Víztisztítás ciklodextrinekkel, Élet és Tudomány 3 (2012) Az értekezés témájához közvetlenül nem kapcsolódó közlemények 1. I. Máthé, A. K. Borsodi, E. M. Tóth, T. Felföldi, L. Jurecska, G. Krett, Zs. Kelemen, E. Elekes, K. Barkács, K. Márialigeti: Vertical physico-chemical gradients with distinct microbial communities in the hypersaline and heliothermal Lake Ursu (Sovata, Romania), Extremophiles 18:3 (2014) DOI: /s , IF: 2,17 2. A. K. Borsodi, T. Felföldi, I. Máthé, V. Bognár, M. Knáb, G. Krett, L. Jurecska, E. M. Tóth, K. Márialigeti: Phylogenetic diversity of bacterial and archaeal communities inhabiting the saline Lake Red located in Sovata, Romania, Extremophiles 17:1 (2013) DOI: /s , IF: 2,17 3. M. Varga, J. Dobor, A. Helenkár, L. Jurecska, J. Yao, Gy. Záray: Investigation of acidic pharmaceuticals in river water and sediment by microwave assisted extraction and gas chromatography-mass spectrometry, Microchem. J. 95:2 (2010) DOI: /j.microc , IF: 3,58