Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék 1 A szennyvíztisztítás hulladékai Szilárd hulladékok Csatornaiszap Rácsszemét Homok Zsír és olaj Nyersiszap Fölösiszap Vegyszeres/kémiai iszap Folyékony hulladékok Az iszapkezelés csurgalékvizei Szűrőegységek (beleértve a biofiltereket is!) öblítővizei 2 1
Szennyvíziszap Szennyvíziszapok: a szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás különböző fokozataiban keletkező vizes zagyok 1 m 3 szennyvízből kb. 12-20 l iszap keletkezik (2 nagyságrenddel kisebb mennyiség) - 1-2 l-re besűríthető Beruházási költség 35-40%-a az iszapkezelés Iszapkezelés az elhelyezés, ill. hasznosítás módjától, valamint az érkező szennyvíz mennyiségétől és minőségétől függ 3 Szennyvíziszap Követelmények az iszappal kapcsolatban: Kis víztartalom (térfogatcsökkentési igény) Kismértékű biológiai bonthatóság (ne legyen rothadóképes, büdös) Fertőzőképesség csökkentése, megszüntetése A további felhasználhatóság szempontjai (kezelhető anyag keletkezzen, víz-, szervesanyag, és N, P, K tartalom) Kommunális szennyvíziszap: Nem tekinthető veszélyes hulladéknak Hasznosítható melléktermék (energia, tápanyag, víz) Minél jobb a szennyvíztisztítás hatásfoka, annál több iszap képződik! 4 2
A szennyvíziszap átlagos összetétele Hasznosítható anyagok Korlátozó anyagok Iszapvíz Aprított (őrölt) ásványi részecskék Szervesanyagok Tápanyagok Nyomelemek Mérgező anyagok Patogének Szabad vagy könnyen eltávolítható pórusvíz (70%) Kapillárisan kötött víz (20%) Pehelyrészecskék nedvességtartalma (2%) Sejtben kémiailag kötött víz (8%) Finom és durva homok Egyéb szemcsés anyagok Széntartalmú maradék anyagok Nitrogén Foszfor Kálium Fémes elemek, szerves vegyi anyagok Nehézfémek (Cd, Pb, Hg, Cu, Ni, Zn, As) Egyéb toxikus anyagok (szerves mikroszennyezők) Baktériumok Vírusok Paraziták 5 Nyersiszap (NYI) Mechanikai tisztításból, előülepítőből (ha nincs FI visszavezetés az előülepítőbe) Ásványi anyag tartalom: 28-35% Homok, karbonátok, fémek Szervesanyagok: 65-72% Nehezen bontható szervesanyagok (műanyag, gyapjúrostok, cellulóz, gumi) Viszonylag könnyen bontható szervesanyagok (szénhidrátok, fehérje, zsír) Szárazanyag tartalom: 2,5-5% (sűrítve 6-7%) Önmagában jól sűríthető Inhomogén Környezeti ártalmai: fertőzés, szag, savas erjedés, rovarok 6 3
Fölösiszap (FI) EI azon része, amelynek jelenléte már nem jár előnnyel el kell távolítani (= mikroorganizmusok vizes zagya) Baktériumok szárazanyagának kb. 90%-a szervesanyag Magas víztartalom, kis sűríthetőség Ha nem stabilizált ph csökkenés (fémek oldhatósága!) Szárazanyag tartalom: 0,8-1% = 8-10 kg/m 3 (sűrítve 2,5-5%) EÜ elé visszavezetve: kevert friss iszap (2-3%) FI vízteleníthetőségi tulajdonságai javulnak FI felületi aktivitása miatt EÜ-ben magasabb BOI 5 eltávolítás Nyersiszap vízteleníthetőségét csökkenti 7 Stabilizált iszapok szárazanyag tartalma Anaerob rothasztott fölösiszap: 2-3% Aerob stabilizált fölösiszap: 1,5-2% Kirothadt kevert iszap: 4-5% 8 4
Egyéb hulladékok Rácsszemét Préselés, égetés (úszó iszappal együtt) Homok 10-15% szervesanyag Deponálás, rekultiváció Klóros kezelés Úszó iszap (zsírok, olajok) Ha nincs benne benzin, kőolaj, bitumen szennyvíziszappal együtt kezelendő 9 Szennyvíziszap kezelés 1. Elősűrítés (víztartalom csökkentése) Gravitációs, Flotációs, Dinamikus (centrifuga), Sűrítés szűrővel 2. Kondicionálás Fizikai Kémiai Biológiai (=stabilizálás) 3. Fertőtlenítés (klóros, meszes) 4. Víztelenítés/utósűrítés (víztartalom csökkentése) Természetes (hagyományos) Mesterséges (gépi) 5. Szárítás, égetés 6. Komposztálás 7. Elhelyezés/hasznosítás 10 5
Gravitációs sűrítés Tölcséres sűrítők Természetes úton, keverés nélkül iszapágy előtt Max 500-600 m 3 /d hidraulikai kapacitás esetén (<100 m 3 /d iszap) Szárazanyag: 2,5-4% Méretezés: tartózkodási idő + felületi szárazanyag terhelés Minimum 2 db kell (szakaszos üzemeltetés) Iszap csurgalékvíz visszavezetés: kb. 5% BOI 5 növekedést okoz Elősűrítésnél max. 6 h (Cl v. mész nélkül) Utósűrítésnél max. 24 h Dekantálást biztosítani kell (különböző magasságokban) Min 60 hajlás Rothadás ellen klór v. mésztej NYI, FI D = 2-5 m 1,5-3 m 2,5-4,5 m 11 Gravitációs sűrítés Mesterséges keverőberendezéssel ellátott Folyamatos üzem >100 m 3 /d iszap Pálcás keverők iszap nem tapad az oldalfalhoz, részecskék közötti nyírófeszültség csökken Szárazanyag tartalom: 3-6% Min. 2 db kell Bevezetés középen, a víz bukókon, az iszap a fenékzsompon keresztül távozik Dekantáló, túlfolyó, fenékleürítő Rothadás ellen klór v. mésztej (0,2 0,5 g/le/d klór vagy 0,5 kg/m 3 Ca(OH) 2 ) Iszap csurgalékvíz visszavezetés: kb. 5% BOI növekedés Kedvez a koagulációnak, flokkulációnak (pelyhesítőszer alkalmazható) NYI, FI, rothasztott iszap Leggyakrabban ezt alkalmazzák 12 6
Keverőberendezéssel ellátott iszapsűrítő D = 5-16 m, h = 3 m 13 Flotációs sűrítés Hatásfok növelése levegő befúvásával Zsírok, olajok, textilipari szálas anyagok Pelyhesítőszer alkalmazható Kommunális szennyvíziszap kezelésnél nem jellemző Nincs szaghatás 14 7
Dinamikus sűrítés Centrifugálás 14-18% szárazanyag tartalom 3000 fordulat/perc Folyamatos üzem Iszapvíz nem ülepedő tartalma nagy Stabilizált iszap esetén kell pelyhesítőszer 15 Kondicionálás céljai Iszap víztartalmának csökkentése (vízleadás előkészítése, kolloid rendszer megszűntetése) Szervesanyag stabilizálása (a szervesanyagok mennyiségének csökkentése) Patogének elpusztítása Mindig energiaközlés! 16 8
Fizikai kondicionálás Hőstabilizálás (pasztőrözés, termikus kondicionálás, mélyhűtés) A mikroorganizmusok tevékenységét a hőmérséklet szabályozásával csökkentjük, illetve megszüntetjük A biológiailag bontható szervesanyagok mennyisége nem feltétlen csökken számottevő mértékben, de a patogén mikroorganizmusok egyedszáma csaknem zérusra redukálódik 17 Pasztőrözés Fő cél a patogének elpusztítása 60-85 C, 15-30 perc Hőátadás hőcserélővel folyamatos üzemben Előmelegítés, majd pasztőrözés (gőz befúvása) Patogéneket gyorsan csökkenti, de tárolás közben újra elszaporodhatnak (nincs szervesanyag lebontás) Ott alkalmazzák, ahol mezőgazdasági hasznosítás van és a legfontosabb cél a mikroorganizmusok elpusztítása 3-5 db 8-10 m 3 -es tartály Viszonylag drága és labilis 18 9
Termikus kondicionálás/stabilizálás Cél a patogének elpusztítása mellett a sejtben kötött víz eltávolítása Kukta elv (mint a kocsonyafőzés sejtfal szétfő) 2 lépcsős (40-60 C; 160-180 C) 16-20 bar nyomáson, 180-220 C-on, 30 percig Ritkán alkalmazzák (drága, büdös, gondos üzemeltetést kíván) Ez már stabilizálás (szervesanyag tartalom is csökken) Utána utósűrítés (víztelenítés) 35-45% szárazanyag tartalom táblásan összeáll mezőgazdaságban ezt már nemigen hasznosítják Kamrás szűrőpréssel 45-50% szárazanyag tartalom érhető el Csak nagy telepen ha steril iszap kell Csurgalékvíz visszavezetés: kb. 20% BOI 5 többlet 19 Kémiai kondicionálás Cél a patogének elpusztítása, rothadóképesség csökkentése, szűrési ellenállás csökkentése (víztelenítés előkészítése), fertőtlenítés, sejtfal roncsolása, koagulálás Ha mezőgazdasági hasznosítást akarunk korlátozások nélkül, vagy ha olyan mikrobiológiai szennyezettség, ami járványveszélyt jelent A megfelelő mértékű víztelenítés csak abban az esetben biztosítható, ha az iszaphoz adalékanyagokat keverünk Szervetlen vegyszerek (vas(iii)-sók, Al-sók és mészhidrát) Szerves polimerek (elsősorban kationos polielektrolitok) Elkeverés! 20 10
Meszes kezelés Mésztej, mészhidrát szuszpenzió adagolásával a ph értékét 10,0- hez közeli értékre állítjuk be A mikroorganizmusok tevékenységét ph szabályozással csökkentjük, illetve megszüntetjük A biológiailag bontható szervesanyag nem csökken számottevően, ezért a stabilizálás csak időszakos Leggyakrabban alkalmazott kondicionálás Mezőgazdasági hasznosításkor, savanyú talajoknál Gátolja az iszap rothadóképességét, megszűnteti a szaghatást, segíti a víztelenítést Mezőgazdasági kihelyezés előtt nem sokkal (mész 3-4 hónap alatt elbomlik) 21 Meszes kezelés Folyékony (Ca(OH) 2 ) Bélférgekkel szemben nem elég Szilárd égetett mész (CaO) Bélférgekkel szemben is hatékony Hőfejlődés ph>12, a bekeverés után 40-70 C 30-40 percig Szervesanyag ottmarad 22 11
Biokémiai kondicionálás = iszapstabilizálás Cél: A biológiailag bontható szervesanyagok mennyiségének drasztikus csökkentése (ásványosítása) Rothadóképesség csökkentése Iszap vízteleníthetőségének előkészítése Patogének egyedszámának csökkentése Aerob Eleveniszapos medencében = teljes oxidációs biológiai rendszer (kis telepek) Önálló aerob stabilizálás Anaerob Rothasztás 23 Aerob iszapstabilizáció Hosszú ideig tartó levegőztetés (iszap biológiai lebontása) A szervesanyagok (fehérjék, zsírok, cukorszármazékok) aerob lebomlása során szén-dioxid és víz keletkezik, illetve hő termelődik C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 2870 kj Alapvető folyamatai: Az iszap hidrolízise és sejtszaporodás A hidrolizált iszap és az elpusztult sejtek biológiai lebontása Szervesanyagok, és nitrogén-vegyületek oxidációja (nitrifikáció) Minimális időtartama 15 nap ( 15 ºC) Fajlagos oxigén-igény: 1,5-2,0 kg O 2 /kg szerves anyag A patogén mikroorganizmusok egyedszámának csökkentése nem biztosítható megfelelő mértékben 24 12
Totál oxidáció T = 16-24 h Iszapkor: 16-20 nap Egyszerű, hatásfoka stabil Max. 5000-6000 m 3 /d terhelésnél Sokszor nincs előülepítő 25 Önálló aerob iszapstabilizáció T = 6-8 h (levegőztető medence) T = 8-12 d (aerob iszapkezelő medence) 15-20 kg/m 3 iszapkonc. 5000 m 3 /d terhelés alatt Ha a toxikus anyagok a rothasztó jó hatásfokú működését bizonytalanná teszik Ha a terhelés időszakos változása nagy Ha alacsony a szervesanyag tartalom 26 13
Aerob iszapstabilizáció Előnyei: Alacsony beruházási költségek, egyszerű berendezés Szagtalan végtermék Kis mennyiségű iszap Hátrányai: Nagyobb üzemeltetési költségek Nem keletkezik hasznosítható melléktermék A stabilizálás hatékonysága a hideg hónapokban csökken 27 Az anaerob iszapstabilizáció célja Az iszap tömegének és térfogatának csökkentése Az iszap fertőzőképességének csökkentése Biogáz előállítása, hasznosítása Biológiailag stabil biotrágya előállítása A keletkező biotrágya mezőgazdasági és/vagy rekultivációs hasznosítása 28 14
Anaerob iszapstabilizáció (rothasztás) Energiatermelő folyamat Iszap mennyisége csökken, szárazanyag tartalma nő, szervesanyagok lebomlanak, szagveszély megszűnik, sűríthetőség és vízteleníthetőség javul, egészségügyi ártalmasság csökken Az alkalmazott hőmérséklet-tartományok alapján: Hideg rothasztás (15-20 ºC) földmedencék, kétszintes ülepítő Mezofil rothasztás (30-38 ºC) fűthető betontornyok Termofil rothasztás (50-55 ºC) fűthető betontornyok 29 Anaerob lebontás folyamatai A szerves anyagok anaerob lebomlása során széndioxid, metán és víz keletkezik. 1. Hidrolízis 2. Savtermelés (mikrobiológiai szervesanyag lebontás) C 6 H 12 O 6 3CH 3 -COOH 3. Metán termelés CH 3 -COOH CH 4 + CO 2 CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O + 400kJ 30 15
Anaerob lebontás folyamatai H 2, CO 2 ecetsav Szénhidrátok Cukor Baktériumok Baktérium Proteinek Rövid peptidek Aminosavak NH 4 +, HPO 4-, H 2 S stb. Baktériumok ~70% CH 4 ~30%CO 2 Zsírok Zsírsavak glicerin Propionsav Vajsav Alkohol H 2, CO 2 ecetsav I. Hidrolízis II. Savképződés III. Ecetsav képződés (acetogén fázis) IV. Metánképződés (metanogén fázis) 31 ph Az optimális ph tartomány: 6,8 7,6 Szükséges lúgosság: 2.000 g/m 3 (mésztej adagolás) Túl alacsony ph következményei Felborul a savtermelés és a metántermelés egyensúlya Túl sok sav termelődik Csökken, esetleg megszűnik a metántermelés 32 16
Rothasztók üzemeltetése Nem fűtött rothasztók Fűtött rothasztók A keverés jelentősége A rothasztás szempontjából a 94-96%-os víztartalmú iszap a legkedvezőbb 33 Mezofil rothasztás A szennyvíztisztítás során keletkező iszapok (4-6% szárazanyag tartalom, ill. 60-70% szervesanyag tartalom) anaerob rothasztó tartályokban történő kezelése során, a mezofil tartományban (33-35 C) 20-30 nap alatt az eredeti szerves anyag tartalom kb. 45-50%-a lebomlik és biogáz keletkezik. A lebomlás feltétele, hogy oxigénmentes környezet, ideális hőmérséklet (+33-35 C), sötétség és megfelelő nedvesség legyen, mert a metán termelő baktériumoknak ezek az életfeltételei. A létesítmények 90%-a a mezofil tartományba esik 34 17
A fermentáció optimális feltételei Tápanyag összetétele; nedvesség/szárazanyag tartalom A mikroorganizmusok fajtái, számuk Hőmérséklet: 30-60 C Tartózkodási idő: 7-30 nap Keverés ph (6,8-7,6), toxikus anyagok kizárása Reaktor kialakítás: anyag-szerkezet, forma, szigetelés, fűtés, keverési módok Keletkező végtermékek: Biogáz (metán és széndioxid keveréke) Biotrágya (3-4% szárazanyag tartalmú iszap) 35 Szárazanyag tartalom szerinti fermentáció Nedves: 4-6% szárazanyag tartalom (anaerob rothasztás: mezofil vagy termofil tartományban) Félszáraz: 20-30% szárazanyag tartalom (kétlépcsős technológia, aerob előkezelés, anaerob termofil rothasztás) 36 18
Rothasztás Folyamat kialakítása, optimalizálása követelmények Hengeres v. tojás alakú berendezés Az alsó rész kúpos, hogy az iszap itt összegyűlhessen Folyamatos, előmelegített alapanyag adagolás (fűtött rothasztás) Alapanyag összetétel fokozatos változtatása Rothasztást gátló anyagok kizárása Hőmérséklet pontos tartása (fűtés melegvíz-hőcserélőn) Tartózkodási idő biztosítása (elegendő térfogat) Keverés 37 Keverés Naponta 3-6-szor, 1-3 időtartamon át Gázzal, mechanikai úton vagy iszap recirkulációval A mikroorganizmusok a tápanyagokkal kapcsolatba kerüljenek A teljes térfogat hasznosítható legyen Az iszap tápanyagtartalmát homogenizálni kell A melléktermékek a keverés miatt hígulnak Jó ph szabályozást biztosít 38 19
Rothasztás A előnyei fermentáció elınyei Szerves hulladék anyagok környezetkímélő feldolgozása Értékes energiaforrás biogáz-előállítás A kellemetlen szaghatások csökkennek Az iszapstruktúra átalakul (állagjavítás) Kevésbé szennyezi a légkört metánnal Kis tápanyagveszteség Javul a növények tápanyag-hasznosítása A biotrágya higienizálása 39 Biogáz Szervesanyagok anaerob térben, mikroorganizmusok közreműködésével történő erjedésekor keletkezik. Metán (60-70% CH4) és széndioxid (30-35% CO2) keverékéből álló gáz, mely kommunális szennyvíziszap, állati trágyák és mezőgazdasági maradékok fermentációja során termelődik. 40 20
41 Rothasztó tornyok (Nyíregyháza) 42 21
Dél-pesti termofil rothasztó V = 2000 m 3 43 Víztelenítés Iszap-víztelenítés iszapágyakon 10-15% szárazanyag tartalom nagy területigény hosszú idő dréncsövezés 44 22
Gépi víztelenítés Vákuum-dobszűrők elérhető szárazanyag tartalom: 16-18% Szalagos szűrőprés elérhető szárazanyag tartalom: 20-22% Centrifuga (folyamatos működtetés) elérhető szárazanyag tartalom: 27-30% az iszapvíz KOI értéke több tízezer mg/l is lehet Keretes szűrőprés elérhető szárazanyag tartalom: 36-40% 45 Vákuum dobszűrő 46 23
Szalagszűrő prés 47 Kamrás szűrőprés 48 24
Komposztálás A szennyvíziszap biológiai úton történő feldolgozása, ahol a cél: az anyag térfogatának és tömegének (nedvességtartalmának) csökkentése (szállítási költség megtakarítás) a levegőszennyezés csökkentése, fertőző hatás megszüntetése (patogének elpusztítása) az iszapban jelen lévő N, P, K, C, stb. tartalom hasznosítása. 49 Komposztálás Aerob körülmények között a szervesanyagokat baktériumok bontják, illetve szervetlen ásványi anyaggá alakítja át (nitrifikáció, humifikáció) miközben hő fejlődik, mely a patogének nagy részét elpusztítja (pasztörizálódás). Víztelenített szennyvíziszapot önállóan vagy töltőanyaggal keverve mezőgazdasági hulladék (tőzeg, szalma, kukoricaszár, venyige, forgács, ágnyesedék, aprított nád, sás, stb.) települési szilárd hulladék (szemét) ipari hulladék (szerves, nem mérgező anyagok, pl. barna szénpor, egye élelmiszeripari hulladékok, stb.) Prizmák kialakítása Mikrobiológiai folyamatok (30 ºC, majd 60-70 ºC) Időszakos átforgatás Két-három hónapos pihentetés Humusz-szerű anyag kialakulása 50 25
Komposztálás 51 Iszap égetés Egyedüli megoldás, ha az iszap toxikus anyagokat tartalmaz Először iszap szárítás (100 C), majd égetés (300-750 C) Hátrányok: Magas fajlagos költségek Füstgázok tisztításáról gondoskodni kell Égésterméke (hamuja) korrozív lehet Az égetéssel jelentkező előnyök: Térfogatcsökkentés Kis helyszükséglet A végtermék nem fertőzött Megsemmisülnek mindazon anyagok, melyek a biológiai bontásnak ellenállnak Hőenergia nyerhető vissza 52 26
Iszap égetés Fluidizációs égető: Az előforrósított levegőt speciális kvarcágyon fúvatják be: turbulens áramlás E térbe adagolják az iszapot és ha kell, a kiegészítő tüzelőszert Néhány másodperc, 950 1000 C Forgó-csőkemence Iszapszárításnál is alkalmazzák 2,0 3,0 m átmérőjű 10 15 m hosszú, enyhe lejtésű (3 4%), lassú fordulatszámú 0,8 1,2/min) dob 53 Szennyvíziszap elhelyezése és hasznosítása Elhelyezésre és hasznosításra csak víztelenített és stabilizált iszap kerülhet Az egyszerű elhelyezést az EU rendelkezések nem támogatják - a hasznosítás feltételeit kell megteremteni Elsősorban a mezőgazdasági felhasználásra kerülhet sor A mezőgazdasági hasznosításnak szigorú feltételei vannak Fertőző anyagokat nem tartalmazhat Mikroszennyező anyagokat (elsősorban nehézfémeket) csak a megadott határértékeknél kisebb mennyiségben tartalmazhat Csak olyan kultúráknál alkalmazható, melyek nem kerülnek közvetlen emberi fogyasztásra 54 27
Problémák az iszap mezőgazdasági hasznosításakor Rendszeres és szigorú iszapvizsgálat Hatósági engedélyek beszerzése a felhasználáshoz Befogadó intézmény és nyilatkozat Tartós szerződések Használat esetén rendszeres és szigorú talajvizsgálat Megfelelő szárazanyag és tápanyag tartalom szükséges Kihordhatóság a termőföldre 55 A mezőgazdasági hasznosítás előnyei Szervesanyag tartalma miatt kedvező a talaj számára, a talaj-szerkezetet javítja N és P tartalma miatt műtrágyát helyettesíthet Szervesanyag tartalma a növények számára is kedvező Biztonságos iszapelhelyezés 56 28