Ultrahanggal végzett iszapkezelés és hatásai a szennyvíztisztításban

Átírás

1 VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK 3.5 Ultrahanggal végzett iszapkezelés és hatásai a szennyvíztisztításban Iszapmaradék csökkentése, rothasztókapacitás növelése és iszapstabilizáció Dr. Németh Zsolt EURO-OPEN KFT. 1 Dr. Kárpáti Árpád Veszprémi Egyetem, KmKT Tanszék 2 Tárgyszavak: szennyvíziszap; szennyvízkezelés; ultrahang. 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, amelyből kiutat csak jelentős kapacitásnövelés, anaerob rothasztók építése, illetőleg az új fejlesztési eredmények minél gyorsabb hasznosítása jelenthet. Az iszapkezelésre kifejlesztett egyik ilyen új megoldás az iszap rothasztás előtti ultrahangos 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 három- 1 Zalaegerszeg, 8900 Kosztolányi u. 7/b. tel.:30/ , NZT@euro-open.hu, Pf karpatia@almos.vein.hu

2 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, amely 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), amelynek során az üregben és környezetében mintegy C hőmérséklet és bar nyomás alakul ki. Ezek a mikrorobbanások igen hatékonyan roncsolnak el minden mezoszkopikus méretű (kolloid), a folyadékban úszó részecskét, még a különben olyan ellenálló sejtfalakat is, amelyek jelentősen megnehezítik a maradék iszap lebontását, fermentációját (Harrison, 1991, Nickel et al, 1998, Onyeche et al., 2002) (1. ábra). implózió forró pont 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 µm egységekben. Az időskála µs beosztású. A kezelés során lezajló energiatranszfer jó része az ultrahang frekvenciájának és a legújabb fejlesztésű reaktorok akusztikai tulajdonságai-

3 nak köszönhetően főleg a mikrométeres hosszúság skáláján történik, így a döntő mennyiségben jelen lévő, 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. A durván tízszeres energiamegtakarítás mellett a termikus kezeléssel szembeni további előny, hogy az ultrahangos 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 széles körű alkalmazásoknak örvend, amelyek közül itt csak a legelterjedtebbeket mutatjuk be részletesebben. Ezek az aktív eleveniszap recirkulációs részáramának a kezelése, valamint a rothasztásra kerülő iszap ultrahangos előkezelése. 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 szén-dioxiddá 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%-kal is csökkenhet, ami igen jelentős megtakarításokhoz vezet mind az iszap víztelenítése, szállítása, mind 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

4 ezáltal a tisztítási hatásfokot. Az ehhez szükséges csekély (2 4%) többletoxigén általában a levegőbefúvatás beállítási finomságának korlátai miatt nem jelent észrevehető energiaköltség-növekedést a legtöbb telepen. Az apróbb sejttörmelékek, szubsztrátok, extracelluláris polimerdarabkák 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 szárazanyagtartalmú iszapot eredményez mind rothasztás nélküli, mind rothasztást követő víztelenítésnél. nyersiszap ultrahangreaktor 2. ábra Ultrahangos iszapkezelési lehetőségek egy tisztítótelepen 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%-kal csökkent (Arnhoffer et al., 2005). Az üzem során szembetűnő volt még az iszap ülepedési indexének javulása, és a fonalas baktériumok számának erőteljes csökkenése.

5 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 ülepítőmedence felszínére flotálódik, onnan kihordásra kerülhet (lebegő anyag és KOI), de részben hidrolizál is, és így visszaoldódva az ammóniumkoncentrációt is növelheti. Mindenképpen erősen ronthatja a tisztított víz paramétereit. A felúszásnak is egyik fő oka a fonalszerű szerkezetek elszaporodása (Lemmer et al, 1998). 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 is kellően eredményes lehet ilyenkor. Fontos megjegyezni, hogy a kezelés nem szelektív, azaz fajra való tekintet nélkül minden fonalas szerkezetet szétroncsol. Ezzel azok abszolút menynyiségét csökkenti, illetőleg a többi iszaprésznek éppen a kinetikai szelekciót eredményező jobb tápanyagellátását is biztosítja. Nem kell tehát költséges és bonyolult vizsgálatokkal tisztázni a jelenséget okozó fajok milyenségét. Ugyanakkor a kezelés nem eredményez kémiai szennyezést, amely klórorganikus vegyületek keletkezését vagy a szennyvíziszap fém koagulálószerekkel 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 tanulmányozható a besugárzás okozta szerkezeti változás. Ilyen felvételt mutat be a 3. ábra. 3. ábra Kezeletlen (bal), illetve 30 másodpercig kezelt szennyvíziszap mikroszkópos képe

6 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 iszapelimináció, hanem időszakos jelleggel a fonalasok elroncsolása, akkor elegendő a reaktorokat kisebb teljesítménynyel (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. Mikroszkópos felvételeinken (Z. Szilágyi, A. Vonyó) jól látható a statikus struktúrák felbomlása, homogenizálódása, amely 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) Iszap-dezintegráció ultrahanggal az anaerob rothasztás előtt Az anaerob rothasztás a nagyobb szennyvíztelepeknél a szennyvíziszap stabilizálásának, mennyisége csökkentésének általánosan elterjedt

7 módja. A rothasztáskor oldott oxigén kizárásával a szerves anyag anaerob hidrolízise, kis molekulatömegű illó savakká alakítása, majd metanizációja (szén-dioxiddá 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 tömörségük kapcsán még a citoplazma feldolgozását is nagymértékben lassítják. A sejtfal bármilyen felszakítása hasznos lehet ezért az anaerob folyamatok gyorsítása, elmélyítése céljából (Neis, 2002b, Onyeche et al., 2002, Hogan et al., 2004). Különösen a szekunder iszap az, amely öszszetételéből 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. szerves száraz anyag lebomlása, % nyersiszap (primer) maradék iszap (szekunder) tartózkodási idő, d 5. ábra Előkezelés nélküli szennyvíziszap szerves szárazanyag-tartalmának százalékos lebomlása anaerob rothasztókban a tartózkodási idő függvényében (Training of International Co-operation Partners, TUHH, Hamburg 2004) A besugárzás során a mezoszkópikus struktúrák lebomlásakor az azokat alkotó sejtek egyrészt további kavitációs buborékok kiindulópont-

8 jaiként szolgálnak, másrészt a kavitációs buborékok összeomlásakor felhasadnak vagy egyszerűen az akusztikus lökéshullámoknak 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 a 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, amely 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 a hatás már meglévő rothasztók jelentős kapacitásnövekedését, a létesítendők esetén pedig az építési költségek releváns csökkenését eredményezheti. Az ultrahanggal előkezelt iszap nemcsak jóval intenzívebben metanizálódik, hanem a fentiekben már említett fonalas baktériumok elroncsolása miatt nem is habzik. Köztudomású, hogy 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 jelentős 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, nagyobb biogáztermelés, stabilizált iszap mennyiségének csökkenése, habzás megszűnése, stabilizált iszap jobb vízteleníthetősége. Patogén organizmusok eliminálása Mind a szennyvíztisztítás, mint pedig a szennyvíziszap-elhelyezés egyik sarkalatos kérdése az állatokra és emberekre veszélyes, betegségeket okozó mikroorganizmusok eliminálása. A szennyvízvíztisztítás

9 után alkalmazott klórozás okozta egészségi, illetve környezeti problémák tekintetében a szakma erősen megosztott, talán ezért is nyer egyre szélesebb teret az ultraibolya fénnyel végzett fertőtlenítés. Sajnos az a tisztítótelepekről vagy rothasztókból kikerülő átlátszatlan, nagy mennyiségű és rendkívül patogén szennyvíziszap esetén (akárcsak a klórozás) szóba sem jöhet. Az iszapelhelyezésre vonatkozó, előkészületben lévő EUrendelet előreláthatólag az iszapelhelyezés költségeinek emelkedését, valamint az iszapfertőtlenítés kérdésének középpontba kerülését fogja maga után vonni. Az iszap mennyiségének minimalizálása és biztonságos fertőtlenítése tehát egyaránt fontos. Az iszapfertőtlenítés általánosan ismert módja a termikus kezelés, amelynek során az iszap hőmérsékletét hosszabb-rövidebb időre jelentősen meg kell növelni. Ez a víz nagy fajhője miatt nemcsak rendkívül energiaigényes, de a nagynyomású, 100 C-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 patogén organizmusok nagyrészt elroncsolódnak. Az ultrahangos eljárás a kezelőszemélyzetre 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 UI-fertőtlenítést alkalmazó eljárásokkal (Blume, et al., 2002, Clasen et al., 2002). Ultrahangos kezelőegységek 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 környezeti 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

10 reaktorok egyetlen 5 kw-os teljesítményű egysége, amely napi mintegy 30 m 3 2 8%-os szárazanyag-tartalmú szennyvíziszap kezelését végezheti folyamatosan, már egy nagyobb bőröndben elfér, lehetővé téve egy ezres település összes szennyvíziszapjának környezetkímélő 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, amely napi kb. 30 m 3 2 8%-os szárazanyag-tartalmú szennyvíziszap kezelésére alkalmas. kifolyás befolyás ultrahanggenerátor ultrahang-rezgőfej 6. ábra A Sonotron reaktor metszeti rajza és fényképe (az Ultrawaves GmbH engedélyével) A modern ultrahangos kezelőberendezésekkel szemben támasztott követelmények röviden az alábbiak: kis helyigény, egyszerű beépítés, modulrendszerű kialakítás, nagy energiájú hangsugárzók, a kavitációs buborékok optimális eloszlása a folyadékban, kis karbantartásigény, hosszú távú garancia.

11 A bemutatott technológia sokrétű és gazdaságos alkalmazásai révén a közeljövőben nemcsak külföldön, hanem Magyarországon is hamarosan elnyeri méltó helyét a szennyvíztisztításban, hozzájárulva ezzel technológiai színvonaluk 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 Zalavíz Rt.-nél (publikációra benyújtva). 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.; Huang, S.: Alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before anaerobic digestion. = Water Science Technology, 36. k. 11. sz p 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.: Bacterial cell disruption: a key unit operation in the recovery of intracellular products. = Biotechnology, 9. k p Hogan, F.; Mormede, S.; Clark, P.; Crane, M.: Ultrasonic sludge treatment for enhanced anaerobic digestion. = Water Science Technology, 50. k. 9. sz p Lemmer, H.; Eikelboom, D.; Kappeler, R.; Klein, B.; Kunst, S.; Matsché, N.; Popp, W.; Schön, G.; Wagner, F.; Wolfgramm, J.; Zander-Hauck, S.: Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum in Belebungsanlagen Ursachen und Bekämpfung. = Korrespondenz Abwasser, 45. k. 10. sz p Mao, T.; Hong, S.-Y.; Show, K.-Y.; Tay, J.-H.; Lee, G.-J.: A comparison of ultrasound treatment on primary and secondary sludges. = Water Science Technology; 50. k. 9. sz p Neis, U.: Steigerung der Biogasproduktion durch Ultraschallbehandlung. = Biogas Journal, sz. p

12 Neis U. (Hrsg) (2002b) Ultrasound in Environmental Technology II. Reports on Sanitary Engineering, 35, Hamburg, ISBN Neis, U.; Nickel, K.; Thiem, A.: Enhancement of anaerobic sludge digestion by ultrasonic disintegration. = Water Science Technology, 42. k. 9. sz p Nickel, K. (2002) Intensivierung der anaeroben Klärschlammstabilisierung durch vorgeschalteten Zellaufschluss mittels Ultraschall. PhD Thesis TUHH (2002) Nickel, K.; Neis, U. (2003) Intensivierung der Schlammfaulung durch Klärschlammdesintegration mit Ultraschall. 5.-GVC-Abwasser-Kongress, Bremen, Germany, Preprints, 1, Nickel, K.; Neis, U.; Thiem, A.: Waste water denitrification with disintegrated sewage sludge as internal carbon source. = Biospectrum, sz. p Onyeche, T. I.; Schlafer, O.; Bornmann, H.; Schröder, C.; Sievers, M.: Ultrasonic cell disruption of stabilized sludge with subsequent anaerobic digestion. Ultrasonics, sz. p Thiem, A.; Neis, U. (ed.) (1999) Ultrasound in Environmental Engineering TU- Hamburg-Harburg, Reports on Sanitary Engineering, 25. Thiem, A.; Nickel, K.; Zellhorn, M.; Neis, U.: Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization. = Water Research, 35. k p Thiem, A.; Nickel, K.; Neis, U.: The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge. = Water Science Technology, 36. k. 11. sz p