Ultrahanggal történő iszapkezelés és hatásai a szennyvíztisztításban

Átírás

1 Ultrahanggal történő iszapkezelés és hatásai a szennyvíztisztításban (Iszapmaradék csökkentés, rothasztókapacitás növelés és iszapstabilizáció) Dr. Németh Zsolt ( ), Dr. Kárpáti Árpád ( ) ( ) EURO-OPEN KFT. Zalaegerszeg, 8900 Kosztolányi u. 7/b, tel.:30/ , .: NZT@euro-open.hu, ( )Veszprémi Egyetem, KmKT Tanszék, 8201 Pf : karpatia@almos.vein.hu Abstarct: Cikkünk a szennyvíziszap kezelésének új lehetőségét mutatja be, mely a szerves anyag sejtszintű, akusztikai elroncsolása útján lehetőséget nyújt a fölös iszap mennyiségének hathatós csökkentésére csakúgy, mint az iszaprothasztás hatásfok- illetve kapacitásnövelésére a szükséges tartózkodási idő csökkentése révén. Ez egyidejűleg a szerves anyaga energiatartalmának a nagyobb mértékű újrafelhasználását is eredményezi. A friss szekunder iszap egy részének az ilyen kezelése, majd főáramba történő visszavezetése ott az oxikus lebontást mélyítette el, hasonló iszaphozam csökkenést eredményezve, mint az anaerob rothasztást megelőző kezelésé. Az ultrahang dezintegráló hatása kísérleteink alapján a fonalasodás visszaszorításában is hatásosnak bizonyult, megszűntetve a levegőztetésnél a habzást, valamint az utóülepítésnél az iszapfelúszást. Bevezetés, fizikai alapok: A szennyvíziszap kezelése, elhelyezése a víztisztítás egyik központi problémája. A mindenkori technikai környezettől, törvényi szabályozástól függően rendkívül jelentős gazdasági tényező a legtöbb üzemeltető számára. A csatornázottság mértékének közeljövőben várható, alapvetően örvendetes növekedése Magyarországon csak fokozza ezt a problémát. Az előkészületben lévő, iszapelhelyezést szabályozó új uniós rendeleteknek való megfelelés szinte megoldhatatlan feladatot fog jelenteni sok szennyvíztisztító számára, melyből kiutat csak jelentős kapacitásnövelés, anaerob rothasztók építése, illetőleg az új fejlesztési eredmények minél gyorsabb hasznosítása jelentheti. Az iszapkezelésre kifejlesztett egyik ilyen új megoldás az iszap rothastás előtti ultrahanggal történő kezelése. (Thiem et al., 1997, Chiu et al, 1997, Thiem Neis, 1999,) A kezelés során a 2-8 % szárazanyag tartalmú iszapot speciális rezonátorokkal ellátott, akusztikailag tervezett reaktoron átvezetve kb. 21 khz frekvenciájú, nagy intenzitású ultrahanggal sugározzák be. Az ultrahang a folyékony vagy gáznemű közegekben 3 dimenziós, longitudinális hullámok formájában terjed. A közeg bármely pontjában az azon áthaladó hullámfrontok nyomásnövekedést, a hullámvölgyek, pedig nyomáscsökkenést hoznak létre. A nyomásingadozás mértéke a hanghullámok intenzitásától függ, mely inkompresszibilis közegekben (pl. vizes oldatok) olyan nagy is lehet, hogy a nyomáscsökkenés pontjaiban a folyadék folytonosságát megszakítva mikroszkopikus üregeket, ún. kavitációt hoz létre. A gyorsan keletkezett üregek a hanghullámok áthaladásával pulzálnak, majd robbanásszerűen összeomlanak (implózió), melynek során az üregben és környezetében mintegy C hőmérséklet és bar nyomás alakul ki. Ezek a mikro-robbanások igen hatékonyan roncsolnak el minden mezoszkopikus méretű (kolloid), a folyadékban úszó részecskét, még a különben olyan ellenálló sejtfalakat is, melyek jelentősen megnehezítik a maradékiszap lebontását, fermentációját (Harrison, 1991, Nickel et al, 1998, Onyeche et al., 2002). A kezelés során lezajló energiatranszfer jó része az ultrahang frekvenciájának és a legújabb fejlesztésű reaktorok akusztikai tulajdonságainak köszönhetően főleg a mikrométeres hosszúságskálán történik, így a döntő mennyiségben jelenlévő, rendkívül nagy fajhőjű oldószer (víz) nem melegszik fel számottevően (Nickel Nies, 2003). Ez lehetővé teszi a bakteriális szervezetek kevés energiafelhasználással járó célzott szétroncsolását. Összehasonlításul: 1 m 3 5 %-os szárazanyag tartalmú iszap termikus kezeléséhez (csupán 100 C hőmérséklet-különbséggel, 100%- os üzemi hatásfokkal számolva) legalább 420 MJ energia szükséges, ugyanezen mennyiségű és minőségű iszap ultrahanggal történő nagy intenzitású hasonló hatást biztosító kezeléséhez 40 MJ is elegendő.

2 1. Ábra: Kavitációs buborékok képződése és implóziója az idő függvényében. A felső grafikon a hangnyomás időbeli periodikus változását, az alsó görbe a gázbuborékok méretének időbeli alakulását mutatja mikrométer egységekben. Az időskála mikroszekundum beosztású. A durván tízszeres energia megtakarítás mellett a termikus kezeléssel szembeni további előny, hogy az ultrahanggal történő besugárzás sem a kezelőszemélyzetre, sem pedig a környezetre nézve semmilyen káros vagy kellemetlen (szag, dioxinok.,.stb.) hatással nem jár. Az ilyen kezelés nem veszélyes üzem, hely- és karbantartásigénye, pedig rendkívül kicsi (Nickel, 2002, Nickel -Neis, 2003). Alkalmazások: A technológia gondolatának születésétől fogva ugyan még csak mintegy tíz évet tudhat maga mögött, de máris széleskörű alkalmazásoknak örvend, melyek közül itt csak a legelterjedtebbeket mutatjuk be részletesebben. Ezek az aktív eleveniszap recirkulációs részáramának az ilyen kezelése, valamint a rothasztásra kerülő iszap ultrahangos előkezelése. 2. ábra: Ultrahangos iszapkezelési lehetőségek egy tisztítótelepen

3 1. Fölösiszap-elimináció Az egyik általános alkalmazás az utóülepítőben felgyülemlett, sejtekben gazdag fölösiszap egy részének az ultrahangos kezelése, majd visszavezetése az eleveniszapos lépcsőre, ahol a szétroncsolt sejtek szerves anyaga további szénforrásként szolgál a denitrifikációhoz, illetve az újbóli lebontás során széndioxiddá és eredeti mennyiségénél kisebb mennyiségű iszaptermékké alakul (2. ábra C változat). A tapasztalatok azt mutatják hogy a folyamat során a bevitt energia függvényében a fölösiszap mennyisége akár 60%-al is csökkenhet, ami igen jelentős megtakarításokhoz vezet mind az iszap víztelenítése, szállítása, mint pedig elhelyezése tekintetében (Nickel et al., 1998). A legtöbb tisztító gyakorlatában azonban elégségesnek látszik a fölösiszap mintegy 30%-os eliminálása. A szétroncsolt sejtek enzimanyaga, visszavezetve a tisztítási folyamat elejére jelentősen intenzifikálja a telep biológiai folyamatait, javítva ez által a tisztítási hatásfokot. Az ehhez szükséges csekély (2-4%) többlet oxigén általában a levegőbefúvatás beállítási finomságának korlátai miatt nem jelent észrevehető energiaköltség növekedést a legtöbb telepen. Az apróbb sejttörmelékek, szubsztrátok, extracelluláris polimer-darabkák stb. pedig beépülve a képződő pelyhekbe, növelik azok sűrűségét, kompaktságát, ami a fázisszétválást segíti. A kezelés után kapott maradék iszap szervetlen ásványi anyagokban feldúsul, ülepedési tulajdonságai javulnak. Víztelenítése is kedvezőbb, nagyobb szárazanyag tartalmú iszapot eredményez mind rothasztás nélküli, mind rothasztást követő víztelenítésnél. A 2004 novembere és 2005 januárja között a Zalaviz Rt. zalaegerszegi tisztítótelepén lezajlott próbaüzem során a recirkuláltatott eleveniszap mintegy 24%-ának kezelése során is a telepen képződött fölösiszap mennyisége még a reaktorok későn felismert dugulása miatti alacsony (kb. 50%-os) teljesítményének köszönhetően is mintegy 21,4 %-al csökkent (Arnhoffer et al., 2005). Az üzem során szembetűnő volt még az iszap ülepedési indexének javulása és a fonalas baktériumok számának erőteljes csökkenése. 2. Felúszás és habosodás megszüntetése Sok tisztítótelepen jelent problémát főleg a téli hónapokban az iszapfelúszás az utóülepítésnél. Ilyenkor az iszap egy része a rárakódott gázbuborékok hatására az ülepítő medence felszínére flotálódik, onnak kihordásra kerülhet (lebegő anyag és KOI), de részben hidrolizál is és így visszaoldódva az ammónium koncentrációt is növelheti. Mindenképpen erősen ronthatja a tisztított víz paramétereit. A felúszásnak is egyik fő oka a fonalszerű szerkezetek elszaporodása (Lemmer et al, 1998, Németh, 2004). Az ultrahangos kezelés a fonalszerű struktúrák elroncsolásával ennek az üzemeltetési problémának a visszaszorítására is alkalmas. A fonalasok morfológiájából következően már viszonylag csekély intenzitású (kb. 5,8 Wh/l) besugárzás i kellően eredményes lehet ilyenkor. Fontos megjegyezni, hogy a kezelés nem szelektív, azaz fajra való tekintet nélkül minden fonalas szerkezetet szétroncsol. Ezzel azok abszolút mennyiségét csökkenti, illetőleg a többi iszaprésznek éppen a kinetikai szelekciót eredményező jobb tápanyagellátást is biztosítja. Nem kell tehát költséges és bonyolult vizsgálatokkal tisztázni a jelenséget okozó fajok milyenségét. Ugyanakkor az kezelés nem erdményez kémiai szennyezést, amely klórorganikus vegyületek keletkezését, vagy a szennyvíziszap fémkoagulálószerekkel történő szennyezését eredményezi. Az ultrahangos kezelés tehát egyszerűsége mellett semmiféle környezetszennyezéssel nem jár. A kezelés helyét a 2. ábrán látható E jelölés mutatja. A kezelés sikerének vizsgálata során mikroszkóp alatt szabad szemmel tanulmányozható a besugárzás okozta szerkezeti változás. Ilyen felvételt mutat be a 3. ábra. A reaktorok elektromos teljesítményének tetszőleges pontosságú szabályozásával nemcsak nagyon jó energiahatékonyság érhető el, hanem a kezelés célja is kellően változtatható. Amennyiben a kezelés elsődleges célja nem az iszap-elimináció, hanem időszakos jelleggel a fonalasok elroncsolása, akkor elegendő a reaktorokat kisebb teljesítménnyel (vagy nagyobb átfolyási sebességgel) üzemeltetni. A kis besugárzási energiadózis csak a fonalszerű struktúrákat roncsolja el megszüntetve ezzel a felúszás okát, míg a nagyobb, az ülepedésben fontos szerepet játszó tömörebb pelyhek megmaradnak, így az iszapindex jelentősen csökken.

4 3. ábra: Kezeletlen (bal), illetve 30. másodpercig kezelt szennyvíziszap mikroszkópos képe: Mikroszkópos felvételeinken (Z. Szilágyi, A. Vonyó) jól látható a statikus struktúrák felbomlása, homogenizálódása, mely mind a felúszás, mind, pedig a habosodás okát megszünteti. A fonalas struktúrák szétesése is jól megfigyelhető a felvételeken (4. ábra). 4. Ábra: Fonalas szerkezetek a felúszó iszapban ultrahangos kezelés előtt (baloldal) és után (jobboldal) 3. Iszap-dezintegráció ultrahanggal az anaerob rothasztás előtti Az anaerob rothasztás a nagyobb szennyvíztelepeknél a szennyvíziszap stabilizálásának, mennyisége csökkentésének általánosan elterjedt módja. A rothasztáskor oldott oxigén kizárásával a szerves anyag anaerob hidrolízise, kis molekulatömegű illó savakká alakítása, majd metanizációja (széndioxiddá és metánná alakulása) következik be. Természetesen csak az anaerob úton bontható szerves anyagoké. Az iszapban levő sejtek sejtközi állományának a komponensei könnyen rothaszthatók, de nem igaz ez a sejtfal, sejtmembrán anyagára. Az utóbbiak töbörségük kapcsán még a citoplazma feldolgozását is nagymértékben lassítják. A sejtfal bármilyen felszakítása hasznos

5 lehet ezért az anaerob folyamatok gyorsítása, elmélyítése céljából (Neis, 2002b, Onyeche et al., 2002, Hogan et al., 2004). Különösen a szekunder iszap az, amely összetételéből adódóan nehezen rothasztható, hiszen teljes bontható anyag hányada sejtekbe zárva található (Neis, 2000, Thiem et al., 2001, Neis, 2002b, Mao et al., 2004). Jól megfigyelhető ez a két iszaptípus rothasztását bemutató 5. ábrán. 5. ábra: Előkezelés nélküli szennyvíziszap szerves szárazanyag tartalmának százalékos lebomlása anaerob rothasztókban a tartózkodási idő függvényében (folytonos görbe - primer iszap; pontozott görbe - szekunder iszap). (Training of International Co-operation Partners, TUHH, Hamburg 2004) A besugárzás során a mezoszkópikus struktúrák lebomlásakor az azokat alkotó sejtek egyrészt további kavitációs buborékok kiindulópontjaiként szolgálnak, másrészt a kavitációs buborékok összeomlásakor felhasadnak, vagy egyszerűen az akusztikus lökéshullámok vagy a reaktorban uralkodó hidraulikus nyíróerőknek köszönhetően bomlanak le (Nickel, 2002 ). Az anaerob folyamatok sebességének korlátját azok leglassúbb lépése a hidrolízis jelenti. Az ultrahang alkalmazása ennek a lépésnek a meggyorsítását, elősegítését célozza. A sejtfalból kiszabadítja jobban bontható sejtközi állományt, miközben nyíró hatásával annak a nagy molekuláit is valamelyest apríthatja, s a hidrolízist végző enzimek részére jobban hozzáférhetővé teszi A sejtfalak lebomlása hidrolízissel több hetet vesz igénybe, mely folyamat ultrahangos kezeléssel néhány másodpercre redukálható. A hidrolízis meggyorsításával a rothasztókban eltöltendő tartózkodási idő jelentősen lerövidül, az azonos tartózkodási idő alatt fejlődött biogáz mennyisége, pedig megnő (Neis, 2002a). Ez az effektus már meglévő rothasztók jelentős kapacitásnövekedését, a létesítendők esetén, pedig az építési költségek releváns csökkenését eredményezheti. Az ultrahanggal előkezelt iszap nemcsak jóval intenzívebben metanizálóik, hanem a fentiekben már említett fonalas baktériumok elroncsolása miatt nem is habzik. Köztudomású, hogy az Európában és Magyarországon is leggyakoribb (kb. 93%-ban előforduló) fonalas baktérium a M. Parvicella képes túlélni a rothasztókban lévő anaerob körülményeket is és a rothasztott iszapban felszálló gázbuborékok flotációs hatása miatt komoly habzási problémákat okoz. Az iszap ultrahanggal való besugárzása azonban ezt a problémát, mintegy a kezelés melléktermékeként teljesen megszünteti. Az ultrahangos kezelés során lezajló folyamatok tehát összefoglalva az anaerob rothasztóba táplált iszapban az alábbi előnyös hatásokat váltják ki: - gyorsabb rothasztás, gyorsabb szervesanyag-lebomlás, - magasabb biogáz-termelés, - stabilizált iszap mennyiségének csökkenése,

6 - habzás megszűnése, - stabilizált iszap jobb vízteleníthetősége. 4. Pathogén organizmusok eliminálása: Mind a szennyvíztisztítás, mint pedig a szennyvíziszap-elhelyezés egyik sarkalatos kérdése az állatokra és emberekre veszélyes, betegségeket okozó mikroorganizmusok eliminálása. A szennyvízvíztisztítás után alkalmazott klórozás okozta egészségügyi, illetve környezeti problémák tekintetében a szakma erősen megosztott, talán ezért is nyer egyre szélesebb teret az ultraibolyafénnyel történő fertőtlenítés. Sajnos az a tisztítótelepekről vagy rothasztókból kikerülő átlátszatlan, nagy mennyiségű és rendkívül pathogén szennyvíziszap esetén (akárcsak a klórozás) szóba sem jöhet. Az iszapelhelyezésre vonatkozó, előkészületben lévő EU-rendelet előre láthatólag az iszapelhelyezés költségeinek emelkedését, valamint az iszapfertőtlenítés kérdésének középpontba kerülését fogja maga után vonni. Az iszap mennyiségének minimalizálása és biztonágos fertőtlenítése tehát egyaránt fontos. Az iszapfertőtlenítés általánosan ismert módja a termikus kezelés, melynek során az iszap hőmérsékletét hosszabb-rövidebb időre jelentősen meg kell növelni. Ez a víz nagy fajhője miatt nemcsak rendkívül energiaigényes, de a nagynyomású, 100C -nál magasabb hőmérsékletű kezeléseknél veszélyes is, nem beszélve a kezelés egyéb hátrányairól (inert KOI növekedése, dioxinok képződése, szaghatás,.stb.). Nagy intenzitású ultrahangos besugárzás hatására a szennyvíziszapban található pathogén organizmusok nagyrészt elroncsolódnak. Az ultrahangos eljárás a kezelő személyzetre nézve teljesen veszélytelen és a modern reaktorokhoz tartozó egyszerű és olcsó hangszigetelést alkalmazva semmilyen negatív környezeti hatással nem jár. A fertőtlenítés témakörében további intenzív kutatások folynak az Orosz Tudományos Akadémia és a Hamburgi Műszaki Egyetem együttműködésében. Ivóvíz fertőtlenítésére egyébként az ultrahangos kezelés kedvezően kombinálható a már ismert klórozásos, illetve UV-fertőtlenítést alkalmazó eljárásokkal (Blume, et al, 2002, Clasen et al, 2002). Ultrahangos kezelő egységek szerkezeti felépítése Az ultrahangos technológia a szennyvízkezelésben az utóbbi 5 év során a Föld mintegy 15 országában (pl. USA, Japán, Franciaország, Németország, Kína, Szingapúr, Belgium, Lengyelország, Ausztrália, Mexikó stb.) terjedt el. Ezen viharos siker okai a technológia gazdaságosságában, hatékonyságában, illetve környezetre való ártalmatlanságában rejlenek. Az első, még lakóház méretű reaktorok speciális járművekkel, illetve vasúton kerültek alkalmazási helyükre. Mára a helyzet megváltozott. Néhány aktív vállalat (pl. Ultrawaves, Sonotronic) és egyetem (Technische-Universität-Hamburg- Harburg) fejlesztéseinek köszönhetően a legjobb reaktorok egyetlen 5kW-os teljesítményű egysége, mely napi mintegy 30 m % -os szárazanyag tartalmú szennyvíziszap kezelését végezheti folyamatosan már egy nagyobb bőröndben elfér, lehetővé téve egy ezres település összes szennyvíziszapjának környezetbarát és gazdaságos kezelését. A berendezés kiépítését a Sonotronic cég berendezésének a kialakítása jól mutatja (6. ábra). A szennyvíziszapot alulról vezetik a berendezésbe, majd labirintusszerűen folyik tovább az ultrahang generátorok (piezoelektromos rezgőfejek) frekvenciájára hangolt kezelőtérben. A reaktor moduláris rendszerű, áramlási sebessége külső szivattyúval szabályozható, teljesítménye 5 kw, mely napi kb. 30 m % -os szárazanyag tartalmú szennyvíziszap kezelésére alkalmas. A modern ultrahangos kezelőberendezésekkel szemben támasztott követelmények röviden az alábbiak: kis helyigény egyszerű beépítés modulrendszerű kialakítás nagyenergiájú hangsugárzók a kavitációs buborékok optimális eloszlása a folyadékban alacsony karbantartás-igény

7 hosszú távú garancia 6. ábra: A Sonotron reaktor metszeti rajza és fényképe. (Az Ultrawaves GmbH. engedélyével) Konklúzió: A bemutatott technológia sokrétű és gazdaságos alkalmazásai révén a közeljövőben nemcsak külföldön, hanem Magyarországon is hamarosan elnyeri méltó helyét a szennyvíztisztításban, hozzájárulva ezzel technológiai színvonalunk javításához és az iszapelhelyezés problémáinak megoldásához. Köszönetnyilvánítás: Hálásak vagyunk Dr. Klaus Nickelnek az Ultrawaves GmbH ügyvezetőjének, Prof. Dr. Uwe Neis nek, a TUHH oktatójának a technológia bemutatásához szükséges információkért, valamint Vonyó Attilának és Szilágyi Zoltánnak mikroszkópos felvételeik közreadásáért. Felhasznált irodalom: Arnhoffer A., Varga T., Németh Z., Paksáné M., Farkas Zs. (2005) Ultrahangos iszapkezelés tapasztalatai a Zalaviz Rt. nél. (publikációra benyujtva) Blume, T., Martinez, I. Neis, U. (2002) Wastewater disinfection using ultrasound and UV-Light Reports on Sanitary Engineering 35. TUHH (2002) ISBN , Chiu, Y., Chang, C., Lin, J. and Huang, S. (1997) Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion. Water Sci. Technol., 36 (11) Clasen, J. (2002) Inactivation of plankton by ultrasound in drinking water treatment. Ultrasound in Environmental Engineering TU-Hamburg-Harburg Reports on Sanitary Engineering 35. ISBN Harrison, S. T. L. (1991) Bacterial cell disruption: a key unit operation in the recovery of intracellular products. Biotechnol., 9, Hogan, F., Mormede, S., Clark, P. and Crane, M. (2004) Ultrasonic sludge treatment for enhanced anaerobic digestion. Wate Sci. Technol. 50 (9) Lemmer, H., Eikelboom, D., Kappeler, R., Klein, B., Kunst, S., Matsché, N., Popp, W., Schön, G., Wagner, F., Wolfgramm, J., Zander-Hauck, S. (1998). Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum in Belebungsanlagen - Ursachen und Bekämpfung. Korrespondenz Abwasser, Heft 10, 45: Mao, T., Hong, S.-Y., Show, K.-Y., Tay, J.-H. and Lee, G.-J. (2004) A comparison of ultrasound treatment on primary and secondary sludges. Water Sci. Technol., 50 (9)

8 Neis U. (2002a) Steigerung der Biogasproduktion durch Ultraschallbehandlung. Biogas Journal 1./02, Neis U. (Hrsg) (2002b) Ultrasound in Environmental Technology II. Reports on Sanitary Engineering, 35, Hamburg, ISBN Neis, U., Nickel, K. and Thiem, A. (2000) Enhancement of anaerobic ludge digestion by ultrasonic disintegration. Water Sci. Technol., 42 (9) Németh, Zs. (2004) Iszapkezelés ultrahanggal. XVIII. Országos Környezetvédelmi Konferencia, Siófok, Szeptember , Proceedings, Nickel, K. (2002) Intensivierung der anaeroben Klaerschlammstabilisierung durch vorgeschalteten Zellaufschluss mittels Ultraschall. PhD Thesis TUHH (2002) Nickel, K., Neis, U. (2003) Intensivierung der Schlammfaulung durch Klaerschlammdesintegration mit Ultraschall. 5.-GVC-Abwasser-Kongress, Bremen, Germany, Preprints, 1, Nickel, K., Neis, U., Thiem, A. (1998) Waste water denitrification with disintegrated sewage sludge as internal carbon source. Biospectrum 1/ Onyeche, T. I., Schlafer, O., Bornmann, H., Schröder, C. and Sievers, M. (2002) Ultrasonic cell disruption of stabilized sludge with subsequent anaerobic digestion. Ultrasonics, 40, Thiem, A., Neis, U. (ed.) (1999) Ultrasound in Environmental Engineering TU-Hamburg-Harburg, Reports on Sanitary Engineering, 25. Thiem, A., Nickel, K,, Zellhorn, M. and Neis, U. (2001) Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. Wat. Res., 35, Thiem, a., Nickel, K. and Nies, U. (1997) The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge. Water Sci. Technol. 36 (11)