Vegyipari és Biomérnöki Műveletek. Szennyvíztisztítási biotechnológia

Átírás

1 Vegyipari és Biomérnöki Műveletek Szennyvíztisztítási biotechnológia Bakos Vince, Dr. Tardy Gábor Márk (Dr. Jobbágy Andrea ábráival) BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag N, P Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap Iszaprecirkuláció

3 Szennyvíz és hatása a befogadóban Kommunális Jól biodegradálható szervesanyagok (O 2 fogyasztás) Tisztítás Tisztítás Ipari Jól vagy rosszul biodegradálható szervesanyagok (felhalmozódik) M Befogadó Biodegradálható: mikroorganizmusok által bontható

4 Biodegradáció fogalma és Biodegradáció: egy szerves vegyület biológiai átalakítása egy másik vegyületté a lebontás (dekompozíció) irányában Mineralizáció: eredménye CO 2, H 2 O, szervetlen anyagok (pl.: ammónia) és elszaporodott biomassza (oldott szerves szén nem marad) Elfogadható bonthatóság: az anyag elveszíti környezetre káros hatását (pl.: habzás, mérgező tulajdonság) Primer / részleges / teljes bonthatóság

5 A szennyvizek két alaptípusa Kommunális Szervesanyag tartalom főleg biológiailag bontható N-tartalom: főleg NH 4 -N P-tartalom: PO 4 -P és szerves P Ipari Szervesanyag tartalom függ az ipartól N-tartalom függ az ipartól P-tartalom függ az ipartól

6 Eutrofizáció / Vízvirágzás

7 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag N, P Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap Iszaprecirkuláció

8 Befolyó szennyvízminőségi paraméterek Paraméter min max átlag Tartósság 80 % 90 % Koncentráció [mg/l] KOI tot KOI oldott BOI TSS TSS volat. 35,4 86,7 70,8 - - NH 4 -N 8,4 43,4 28,4 36,9 39,3 TKN 15,1 61,2 39,2 49,3 53 TN 17,3 61,8 39,8 - - TP 2,1 7,9 5 6,1 6,4

9 A szervesanyag tartalomra jellemző paraméterek KOI - kémiai oxigén igény : A vízben lévő szerves anyag teljes kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (MSZ 260/16-82 szabvány szerint): kénsavas közegben, katalizátor jelenlétében, a mintát ismert mennyiségű kálium-dikromát (oxidálószer) oldattal forraljuk, miközben a szerves anyagok oxidálódnak. A kálium-dikromát felesleget vas(ii)-ammónium-szulfát oldattal titráljuk vissza ferroin-indikátor jelenlétében. BOI biokémiai oxigén igény: A vízben levő szerves anyagok baktériumok által, adott idő alatt, adott hőmérsékleten történő aerob oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (respirometriás módszerrel): A műszer regisztrálja a mérőedények gázterének a mintában biodegradációt végző biomassza O 2 fogyasztása miatti nyomás változását. (A keletkező CO 2 -ot NaOH pasztillával nyeletjük el).

10 KOItot (mg/l) Egy szennyvíztisztító telep befolyó KOI értékeinek időbeli alakulása Dátum

11 Befolyó KOI hisztogram 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% < >550 Tartósság Gyakoriság KOItot koncentráció (mg/l) Gyakoriság Tartósság átlag

12 28/2004 (XII.25) KvVM rendelet A szennyvizek befogadóba való közvetlen bevezetésére vonatkozó, vízminőségvédelmi területi kategóriák szerint meghatározott kibocsátási határértékek Kategória Paraméter I. Balaton és vízgyűjtője közvetlen befogadói II. Egyéb védett területek befogadói III. Időszakos vízfolyás befogadó IV. Általános védettségi kategória befogadói KOI (mg l -1 ) BOI 5 (mg l -1 ) NH 4 -N (mg l -1 ) TIN (mg l -1 ) TN (mg l -1 ) TP (mg l -1 ) TSS (mg l -1 )

13 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag N, P Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap Iszaprecirkuláció

14 Rács

15 Homok- és zsírfogó

16 Előülepítő (Dorr-típus)

17 Biológiai fokozat (eleveniszapos medencék)

18 Eleveniszap mikroszkópos képe

19 Monod kinetika a nem toxikus anyagokra m Növekedési sebesség: m = m max K S S + S m max m max 2 Szimulációs modellek alapja K S Szervesanyag koncentráció (S)

20 Monod kinetika a nem toxikus anyagokra dx dt = m x ahol : x mikroorganizmusok koncentrációja [g/l] μ fajlagos szaporodási (növekedési) sebesség [d -1 ] Fajlagos szaporodási sebesség: m = m max K S S + S ahol : μ max maximális fajlagos szaporodási sebesség [d -1 ] S szubsztrát koncentráció [mg/l] K S féltelítési koefficiens [mg/l]

21 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag N, P Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap Iszaprecirkuláció

22 Utóülepítő (Dorr-típus)

23 Tisztított szennyvíz

24 Tartózkodási idő az eleveniszapos reaktorban HRT = = V Q = 1 D Reaktorban lévő Iszapmennyiség (kg) SRT = = Q f X V f X + Q X L Elvett iszap tömegárama (kg/d) Elfolyó lebegőanyag tömegárama (kg/d)

25 Az SRT értéke állandósult állapotban dx Elvétel = V = V m X dt V X 1 SRT = = = V m X m

26 Anaerob rothasztó

27 Gáztároló

28 Budapest szennyvíztisztító telepei Duna 2500 m3/s Ráckevei-Soroksári Duna-ág 25 m3/s

29 Dél-pesti Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~ m 3 /d

30 Észak-pesti Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~ m 3 /d

31 Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~ m 3 /d

32 A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáció: szerves N Nitrifikáció: ammónia-n Denitrifikáció: nitrát-n ammónia-n nitrát-n nitrogén gáz

33 Nitrifikáció és denitrifikáció Nitrifikáció Lassan szaporodó mikroorganizmusok NH 4+ + oxigén NO 3 - Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan aerob mikroorganizmusok N 2 gáz

34 A tisztítandó szennyvíz nitrogén tartalma TN = NH 4 -N + szerves N = TKN az oxidált szervetlen N formák (NO 3- és NO 2- ) mennyisége általában elhanyagolható szerves N TN ~ % szennyvízfüggő, csatornafüggő, hőfokfüggő

35 Nitrifikáció NH ,5 O 2 Nitrosomonas NO H + + H 2 O KJ NO ,5 O 2 Nitrobacter NO KJ NH O 2 Lassan szaporodó mikroorganizmusok NO H + + H 2 O KJ Nagy oxigén igény Kis μ érték Nagy rendszerbeli tartózkodási idő igény

36 Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: C (iszapkor) 1 1 m d = C d = X kg V m 3 3 aerob m kg Iszapelvétel d Rendszerbeli biomassza mennyisége Fajlagos szaporodási sebesség nagy reaktortérfogat nagy x (szelektorok, biofilm reaktorok, diszperz-biofilm reaktorok)

37 Tartózkodási idő az eleveniszapos reaktorban HRT = = V Q = 1 D Reaktorban lévő Iszapmennyiség (kg) SRT = = Q f X V f X + Q X L Elvett iszap tömegárama (kg/d) Elfolyó lebegőanyag tömegárama (kg/d)

38 Az SRT értéke állandósult állapotban dx Elvétel = V = V m X dt V X 1 SRT = = = V m X m

39 Oldott oxigén koncentráció m Növekedési sebesség: m = m max DO K DO DO + m max m max 2 Szimulációs modellek alapja K DO Oldott oxigén koncentráció(do)

40 Az autotófok (A) növekedése m Aval = m A K NH S NH + S NH K OA S O + S O μ A-val μ A S NH K NH K OA = nitrifikáló mikroorganizmusok valós fajlagos növekedési sebessége (1/d) = nitrifikáló mikroorganizmusok maximális fajlagos növekedési sebessége (1/d) = ammónia-n koncentráció (mg/l) = ammónia-n-re vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l) = oldott oxigénre vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l)

41 A nitrifikációs hatékonyság ph függése

42 Nitrifikálók szaporodási sebességének hőfokfüggése 1.8 Autotrófok maximális fajlagos szaporodási sebessége (1/nap) Hőfok ( C)

43 Nitrifikációt gátló anyagok Gátló vegyületek (pl.) Allil-alkohol Allil-izotiocianát Benztiazol-diszulfid Szén-diszulfid Kloroform o-krezol 2,4 Dinitrofenol Ditio-oxamid Etanol Metil-izotio-cianát Fenol Na-metil-ditio-karbamát 75%-os inhibíciót eredményező koncentráció 19,5 1, , , ,8 5,6 0,9

44 Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan aerob mikroorganizmusok N 2 gáz Oxigén távollétében Denitrifikálható szénforrás igény

45 Denitrifikáció: megfelelő C-forrás igény Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz

46 A denitrifikáció jó hatékonyságát visszavető főbb tényezők és a rossz hatékonyságból eredő főbb problémák A befolyó szerves szénforrás szűkössége vagy hiánya Anoxikus körülmény hiánya Nitrát szűkössége vagy hiánya a denitrifikáló reaktorokban Oxigén bekeveredése a denitrifikáló térbe Elfolyó TN határérték túllépése (nagyobb vízterhelési díj, bírság) Iszap felúszás az utóülepítőben

47 Biológiai nitrogéneltávolítás utódenitrifikációval pót C Tisztítandó szennyvíz (C-forrás és NH 4 + NO 3 - N 2 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges Fölösiszap elvétel

48 Biológiai nitrogéneltávolítás elődenitrifikációval NO 3- - recirkuláció Tisztítandó N 2 szennyvíz (C-forrás és NO - 3 N NH NO - 3 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel

49 Biológiai nitrogéneltávolítás kombinált elő- utódenitrifikációval pót C NO 3- - recirkuláció Tisztítandó szennyvíz (C-forrás és N 2 NO - 3 N NH NO - 3 N 2 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges

50 Szennyvíztisztítási biotechnológia ellenőrző kérdéssor 1. Definiálja a biodegradáció és a mineralizáció fogalmait! 2. Definiálja az eutrofizáció fogalmát! 3. Soroljon fel legalább 4 fontos vízminőségi paramétert! 4. Definiálja a kémiai oxigén igény és a biokémiai oxigén igény fogalmát! Mindkét esetben adja meg a mértékegységet! 5. Rajzolja fel az eleveniszapos szennyvíztisztítási technológia alapvető sémáját! Nevezze meg a főbb technológiai egységeket! 6. Hogyan függ a biomassza növekedési sebessége a nem toxikus biodegradálható szervesanyagok koncentrációjától? Ábrázolja diagramon, írja fel az egyenletet és definiálja az egyes paramétereket! 7. Definiálja a HRT (hidraulikai tartózkodási idő) és az SRT (iszap tartózkodási idő) fogalmát! Átlagos kommunális szennyvíztisztító telepeken milyen tartománya jellemző ezeknek a paramétereknek? 8. Folytonos üzemű eleveniszapos technológia állandósult állapotában hogy viszonyul az iszap tartózkodási idő az eleveniszap biomassza átlagos fajlagos növekedési sebességéhez? 9. Nevezze meg és jelölje be a vaktérképen Budapest három nagy szennyvíztisztító telepét! 10. Írja le röviden a biológiai nitrogén eltávolítás folyamatait!

51 Szennyvíztisztítási biotechnológia ellenőrző kérdéssor 11. Írja le röviden a nitrifikáció folyamatát! 12. Sorolja fel a nitrifikáció főbb befolyásoló tényezőit! 13. Milyen összefüggésből következik, hogy a nitrifikálók rendszerben tartásához nagy iszapkor szükséges? 14. Írja le a denitrifikáció folyamatát! 15. Sorolja fel a hatékony denitrifikáció biztosításához szükséges körülményeket! 16. Sorolja fel a denitrifikáció jó hatékonyságát visszavető főbb tényezőket! 17. Sorolja fel a denitrifikáció rossz hatékonyságából eredő főbb problémákat! 18. Rajzolja fel az utó-denitrifikáló eleveniszapos rendszer technológiai sémáját! 19. Rajzolja fel az elő-denitrifikáló eleveniszapos rendszer technológiai sémáját! 20. Rajzolja fel a kombinált elő-, utó-denitrifikáló eleveniszapos rendszer technológiai sémáját!