Biológia, biotechnológia Környezetvédelem, szennyvíztisztítás altémakörök

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Biológia, biotechnológia Környezetvédelem, szennyvíztisztítás altémakörök Dr. Jobbágy Andrea egyetemi docens Bakos Vince egyetemi tanársegéd

2 I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége

3 Mi a szennyvíz? Wastewater hulladék víz Abwasser kilépő víz Kommunális Ipari

4 Biodegradáció jelentősége a környezetben Tisztítás Kommunális Jól biodegradálható (O 2 fogyasztás) Tisztítás Ipari Jól vagy rosszul biodegradálható (felhalmozódik) M Befogadó Biodegradálható: mikroorganizmusok által bontható

5 Biológiai bonthatóság Biodegradation means the biological transformation of an organic chemical to another form, no extent is implied. C. P. Leslie Grady Jr.

6 Biodegradáció jelentősége a környezetben Gyakorlat számára leginkább felhasználható definíciók: Mineralizáció: eredménye CO 2, H 2 O, szervetlen anyagok (pl.: ammónia) és elszaporodott biomassza (oldott szerves szén nem marad) Elsősorban biogén anyagok Elfogadható bonthatóság: Az anyag elveszíti környezetre káros hatását (pl.: habzás, mérgező tulajdonság) Primer / részleges / teljes bonthatóság definíciói

7 II. A biodegradációt befolyásoló tényezők

8 Főbb befolyásoló tényezők Biodegradálandó anyag Másik szubsztrát szerepe (kometabolízis) Mikroorganizmus, mikroflóra Környezet Technológia (pl. bioreaktor elrendezés)

9 A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők M (genotípus, fenotípus) egyéb tápanyagok másik S S M : mikroorganizmus : környezet Táptalaj komponensek: S : szubsztrát (mikroorganizmusok által hozzáférhető anyag) másik S (kometabolízis) elektronakceptor: O 2, NO 3-, SO 4 2-, stb. egyéb tápanyagok: N, P, ásványi sók

10 Környezet oldott oxigén elérhetőség elektronakceptor szerint Aerob: oxigén megfelelő mennyiségben elérhető Anoxikus: oxigén nincs, de van NO 3- és/vagy NO 2 - Anaerob: oxigén nincs, NO 3- és NO 2- nincs, de lehet pl. CO2, SO 4 2-

11 Irányított biodegradáció: Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok szuszpendálva : iszappehely akár 1000 μm : baktérium 0,5-5 μm Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz

12 Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok biofilmben hordozó A kiszűrt lebegőanyagot és az elszaporodott biomasszát el kell távolítani: visszamosás

13 Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Diszperz- biofilm rendszerek (fixen beépített hordozó) hordozó Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz

14 Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Diszperz- biofilm rendszerek (lebegő hordozó) Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz

15 III. A biodegradáció kinetikája

16 A biodegradáció kinetikája Szennyezőanyag lebontás: Szubsztrát (C,H,O,esetleg N) + szervetlen anyagok M többlet biomassza + CO 2 + H 2 O + anyagcsere termékek Megfelelő környezetben

17 Monod kinetika (érvényes: biodegradálható, de nem toxikus anyagokra) dx dt x ahol : x mikroorganizmusok koncentrációja [g/l] μ fajlagos szaporodási (növekedési) sebesség [d -1 ] Fajlagos szaporodási sebesség: 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]

18 Monod kinetika a nem toxikus anyagokra Szaporodási sebesség: max K S S S max max 2 Szimulációs modellek alapja K S Szervesanyag koncentráció (S)

19 IV. Eleveniszapos szennyvíztisztítás

20 A szennyvíz minősítése S szubsztrát szerves anyag Gyűjtő paraméterek: KOI - kémiai oxigén igény : A vízben lévő szerves anyag teljes kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] BOI biokémiai oxigén igény: A vízben levő szerves anyagok baktériumok által, adott idő alatt, adott hőmérsékleten történő aerob oxidációjához szükséges oldott oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] TOC összes szerves szén [mg/l]

21 A szennyvíz minősítése Lebegő anyag: 0,45μm-es pórusátmérőjű szűrőpapíron felfogott szilárd anyag tömege az átszűrt szennyvíztérfogatra vonatkoztatva [mg/l] Egyedi komponensek (speciális analitika) N formák (NH 4+,NO 3-,NO 2-, szerves-n, TN) [mg/l] P formák (PO 4 3-, TP) [mg/l] Egyéb komponensek (pl.: anionok, kationok, stb.) [mg/l]

22 A szennyvízminőség meghatározása eredet szerint tervezési paraméter Átlagban a lakosok vízfogyasztása és szennyezőanyag kibocsátása azonos

23 A tisztított szennyvízzel szemben támasztott követelmény Általánosan: a szennyvizet annyira kell megtisztítani, hogy a környezetben károsodást ne okozzon, a természetes tisztító kapacitás a folyamatot befejezze. Specifikusan: eleget kell tenni a megállapított határértékeknek.

24 Folytonos kemosztát (pl. gyógyszergyári fermentor) - A stabil működés kritériuma Szubsztrát (tápoldat) S 0 konc., Q tfáram V térfogat cf CSTR (continuousflow completely stirred tank reactor) S e konc., P e (termék), Q tfáram Átlagos tartózkodási idő (víz- és sejtfázisra egyránt h V m m Q h 3 3 Mikroba - µ (függ: T, ph, S, stb.) 1 1 D h Stabil működés kritériuma (különben kimosódás): D A SZENNYVÍZTISZTÍTÁSBAN EZ NEM BIZTOSÍTHATÓ Módosított kemosztátot kell alkalmazni! (Ardern and Lockett, 1914.)

25 Az eleveniszapos szennyvíztisztítás világszerte a leggyakoribb Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap

26 Az eleveniszapos rendszer mint módosított kemosztát Vx összes biomassza menny. Tisztított elfolyó, Q tfáram, TSS elf lebegőanyag konc. Befolyó szv. Q tfáram Eleveniszapos bioreaktor Utóülepítő Hidraulikai tartózkodási idő (csak a vízfázis) HRTh V m m Q h Hydraulic Retention Time 3 3 Iszaprecirkuláció Iszapkor (iszap tart. idő, iszapfázis) SRTd X kg V m 3 3 m kg V X d Sludge Retention Time, sludge age Fölösiszap, Q F tfáram, x F iszapkonc. Vµx összes biomassza elvétel (szaporulat) 1 Q F X F V X Q TSS elf

27 Iszapkor definíciója, az eleveniszapos rendszer stabil működésének feltétele 1 1 d SRTd X kg V m 3 3 m kg Iszapelvétel d Rendszerbeli biomassza mennyisége Fajlagos mikroba növekedési sebesség Azaz szükséges feltétel: A 1 SRT µ A : autotróf fajlagos növ. sebesség (a számomra szükséges leglassabban növekedő mikrobához kell igazítani).

28 Nyers szennyvíz Az eleveniszapos szennyvíztisztítás folyamata (víztisztítási és szennyvíziszap kezelési vonal) Homokés zsírfogó Rács Zsír Előülepítő Rácsszemét Rothasztók Biológia Kiszállítás: hulladéklerakó Utóülepítő Tisztított szennyvíz Homok Kiszállítás: hulladéklerakó Vagy helyben fertőtlenítés + Értékesítés (építőanyag) Nyers iszap Gravitációs elősűrítés Elősűrített kevertiszap (5-7 % sz.a. tart.) Gépi elősűrítés Anaerob rothasztás (mezofil vagy termofil) Fölösiszap (kb. 1% sz.a. tart.) Biogáz (CH4+CO2) Rothasztott iszap Kiszállítás: víztelenített Villamos- és hőenergia Víztelenítés rothasztott iszap (26-28% sz.a.tart.)

29 Rács

30 Homok- és zsírfogó

31 Előülepítő (Dorr-típus)

32 Biológiai fokozat (eleveniszapos medencék)

33 Utóülepítő (Dorr-típus)

34 Tisztított szennyvíz