Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék A klasszikus biológiai szennyvíztisztítás Mechanikai fokozat Nagy sűrűségű szervetlen anyagok Úszó anyagok (zsír, olaj) Ülepedő szervesanyagok TSS, KOI, BOI, TP Biológiai fokozat Szervesanyag lebontás Nitrifikáció a szervesanyag terhelés függvényében KOI, BOI, NH 4 -N, PO 4 -P, TP 1

A kémiai szennyvíztisztítás Def: A szennyvizek kémiai módszerekkel való tisztítása Célja: szűkebben: Fe, Al, Ca, Mg tartalmú sók adagolása 1. Foszfor eltávolítás (foszfát kicsapás) Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 (<0,1 mg/l TP) 2. Lebegőanyag és szervesanyag eltávolítás koaguláció-flokkuláció: Fe 3+ vas(iii)-hidroxidok 3. Szulfid kicsapás (bűz csökkentése) Foszfor eltávolítás (egyszerűsített reakciók) Foszfát kicsapás Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 Al 3+ + PO 4 3- AlPO 4 Me/P arány elméletileg 1,0 a valóságban több kicsapószer kell (környezeti tényezőktől függően) Párhuzamos reakciók hidroxid képződés [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O Fe(OH) 3 3H 2 O + 3H 3 O + [Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O Al(OH) 3 3H 2 O + 3H 3 O + 2

Foszfor eltávolítás Több folyamat kombinációja Fém-hidroxid kicsapódás (enyhén pozitív töltés) Foszfátot és hidroxidot is tartalmazó csapadék képződése PO 4 3- adszorpciója a képződött csapadék felületén Fázisszétválasztás! Foszfor eltávolítás - Alkalmazott vegyszerek Egyszerű v. háromértékű fém-sók (Fe, Al) Fe 2 (SO 4 ) 3, FeCl 3, (Al 2 (SO 4 ) 3 ) Előpolimerizált fém-sók a hidrolízis egy része a koaguláns gyártása közben lezajlik Ca, Mg tartalmú sók, kétértékű Fe-sók (kisebb jelentőségűek) 3

Foszfor eltávolítás Az összes foszfor tartalom átlagosan 50-60%-a oldott ortofoszfát-foszfor (kommunális nyers szennyvíz) A kicsapás önmagában még nem elegendő, szükséges a hatékony ülepítés is - koaguláció nem nélkülözhető Hatékony foszfát-kicsapás viszonylag kis dózisoknál A háromértékű egyszerű fémsók lényegesen hatékonyabbak, mint az előpolimerizált sók Egyszerű fém-sók hatása lényegében azonos (Fe/Al, szulfát/klorid) Hatóanyag tartalom (molekulatömegek)! Foszfor eltávolítás Vegyszeresen kezelt szennyvíz PO 4 -P koncentrációja 2001. július 17. Baja PO4-P [mg/l] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Prefloc Al2(SO4)3 Bopac 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Koaguláns dózis [mmol Me 3+ /L] 4

Foszfor eltávolítás 10,0 TP és PO 4-P a koagulálószer dózis függvényében - 2004.11.23. DP P [mg/l] 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 PO4-P - Vas-klorid PO4-P - Prefloc TP - Vas-klorid TP - Prefloc 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Me/PO 4-P 0 [mol/mol] Dózis növelésével a hidroxid képződés jelentősége megnő (PO 4 -P nagy része szilárd formába került további fém a hidroxid-képződésre fordítódik (költség-hatékonyság!) Kicsapás/fázis-szétválasztás Környezeti tényezők hatása a foszfát kicsapásra A P kicsapás hatékonyságát számos paraméter befolyásolja: Koaguláns minősége és mennyisége Aktuális ph érték Nyers szennyvíz összetétel (dinamikusan változik) (PO 4 -P, KOI, oldott KOI, TSS, lúgosság, Ca, Mg stb.) Keverési intenzitás Kontakt idő A nyers szennyvíz összetétel ismeretében általános ökölszabályok adhatók a várható P (és egyéb szennyezőanyag) eltávolításra Az egyéb környezeti tényezők szabályozhatók Kérdés: mit érdemes figyelembe venni/szabályozni? 5

ph érték Modell szennyvíz; P 0 = 0,5-1,0 mg/l; L 0 = 2,5 A ph 5,0-7,0 intervallumban a P kicsapás hatékonysága ~ állandó Közepes dózissal 7,0 körüli ph alakul ki Maradék PO 4 -P [mg/l] 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 Fe/P=2,5-3,1 Fe/P=3,9-4,6 Fe/P=9,4-14,7 0,00 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 ph érték a koaguláció után A semleges körüli ph tartomány megfelelő a biológiai folyamatok és a P kicsapás szempontjából is A ph érték szabályozása hazai körülmények között nem szükséges Keverési intenzitás hatása a P eltávolításra Residual soluble P [mg/l] 0.6 0.5 Time of sampling = 1 min 0.4 Time of sampling = 60 min 0.3 0.2 0.1 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 G-value during 1 min coagulation [1/s] P ini = 1.0 mg/l Fe/P = 3.0 6

Keverési intenzitás és kontakt idő hatása a P eltávolításra P ini = 1.0 mg/l Fe/P = 3.0 Lebegőanyag eltávolítás Nagy része a sikeres koaguláció és flokkuláció következtében ülepíthető lesz A lebegőanyag eltávolítás hatásfoka nagy mértékben befolyásolja a szervesanyag és a foszfor eltávolítás mértékét 7

Koaguláció-flokkuláció Koaguláció: A folyadékban kolloid, kvázi-kolloid mérettartományba sorolható részecskék aggregálódási hajlamának létrehozása vegyszer (általában fém-sók) hozzáadásával. Flokkuláció: Az aggregálódásra alkalmas kolloid, kvázi-kolloid részecskék aggregálódási sebességének növelése (pelyhesedés, pehely növekedés). TSS [mg/l] Vegyszeresen kezelt szennyvíz lebegőanyag koncentrációja 2001. Győr 160 140 120 100 Prefloc 80 Alumínium-szulfát 60 40 20 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Koaguláns dózis [mmol Me 3+ /L] 8

Szervesanyag (KOI eltávolítás) A szervesanyagok nagy része lebegőanyag formájában van jelen, ami eredetileg nehezen ülepíthető (kolloid, kvázi-kolloid állapotú) és a koaguláció-flokkuláció révén könnyen ülepíthetővé válik A kémiai kezelést követően megmaradó KOI érték megközelítően azonos az oldott állapotú szerves vegyületek okozta KOI-val (150-250 mg/l) Esetenként az oldott állapotú szerves anyagok 10-20%-a is eltávolításra kerül Szervesanyag (KOI eltávolítás) A szervesanyag eltávolítás hatásfoka 55-75% a nyers szennyvíz minőségének függvényében Azonos szervesanyag eltávolításhoz megközelítően azonos koaguláns dózisok szükségesek az anyagi minőségtől csaknem függetlenül 9

KOI [mg/l] 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Vegyszeresen kezelt szennyvíz KOI koncentrációja 2001. július 17. Baja Prefloc Alumínium-szulfát Bopac Nyers szennyvíz oldott KOI koncentrációja 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Koaguláns dózis [mmol Me 3+ /L] 90% KOI Cr eltávolítási hatásfok 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,10-0,20 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,25-0,30 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,35-0,50 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,55-0,75 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Koaguláns dózis [mmol/l] KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ 10

Szervesanyag (BOI 5 ) eltávolítás A maradék BOI megközelítően azonos az oldott BOI-vel (80-200 mg/l) 40-65% eltávolítási hatásfok Az alkalmazott vegyszerek hatása megközelítően azonos A vegyszeradagolás növelése csak egy adott pontig növeli a szervesanyag eltávolítás hatásfokát 250 Vegyszeresen kezelt szennyvíz BOI 5 koncentrációja 2004.03.02. Ferencvárosi Átemelő 200 BOI5 [mg/l] 150 100 Alumínium-szulfát 50 Bopac Nyers szennyvíz oldott BOI koncentráció 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Koagulálószer dózis (mmol Me 3+ /L) 11

Bűz problémák Csökkenő szennyvízhozam szennyvíz növekvő tartózkodási ideje a hálózatban Anaerob mikrobiológiai folyamatok Bűz-hatással járó anyagok képződése (elsősorban a csatornaiszapból) Kén-hidrogén, merkaptánok, dimetil-szulfid Lakossági panaszok gyakoribbak iszap kiülepedés csökkentése, egyes csatornaszakaszok felülvizsgálata tisztítási gyakoriságának (iszap kiemelés) növelése az oxigénhiányos állapot megakadályozására oxidálószer adagolásával (oxigén, hidrogén-peroxid, stb.) Bűz problémák 2 1.8 1.6 1.4 1.2 Prefloc1/2 Prefloc3/1 Alumínium-szulfát3/1 Prefloc3/2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Ko aguláns dózis [mmo l Me 3 + / l] Előkicsapatás a bűz-problémák megoldásában is szerepet játszhat a szennyvíztisztító telepen Hatékony szulfid eltávolítás (Fe tartalmú vegyszerek) 12

Kémiai szennyvíztisztítás Önállóan vagy biológiai szennyvíztisztítással kombináltan CEPT Közvetlen kicsapás Előkicsapás Szimultán kicsapás Utókicsapás CEPT eljárás (Chemically Enhanced Mechanical Treatment) Fémsó (Polimer) 2 0 p erc 3 h Rács Homokfogó Ülepítő TSS eltávolítás: 70% TP eltávolítás: 75% BOI eltávolítás: 50% 13

Közvetlen kicsapás Fémsó 20 perc 15 perc 3 h Rács Homokfogó Flokkulátor Ülepítő TSS eltávolítás: 85% TP eltávolítás: 90% BOI eltávolítás: 70% Elő-kicsapás 20 perc Fémsó 15 perc 3 h 2 h 3 h Rács Homokfogó Flokkulátor Előlepítő Eleveniszapos medence Utóülepítő TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 95% BOI eltávolítás: >90% 14

Szimultán kicsapás 20 perc 3 h Fémsó 5 h 3 h Rács Homokfogó Előlepítő Eleveniszapos medence Utóülepítő TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 90% BOI eltávolítás: >90% Utó-kicsapás 20 perc 3 h 4 h 2 h Fémsó 15 perc 3 h Vegyszerbekeverő Rács Homokfogó Előlepítő Eleveniszapos medence Ülepítő Flokkulátor Utólepítő TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: >95% BOI eltávolítás: >90% 15

Kombinált kémiai és biológiai szvt - intenzifikálás Meglévő telepek intenzifikálása Hidraulikai kapacitás Felületi szervesanyag terhelés Szennyezőanyag eltávolítási hatékonyság Előkicsapás, szimultán kicsapás, utókicsapás Előkicsapás Cél: P eltávolítás (befogadók eutrofizáció elleni védelme) Biológiai tisztítási fokozat terhelésének csökkentése (lebegőanyagok és szervesanyagok eltávolítása, nitrifikáció hatékonyságának növelése) Hatások: Foszfor, szilárd állapotú, nehezen bontható szervesanyag csökkentése Nitrifikációra pozitív hatás Potenciális hátrányok: ph, iszapmennyiség, C:N:P arány megváltozása denitrifikációs problémák 16

Cél: lebegıanyag és szervesanyag eltávolítás nitrifikáció, kapacitásnövelés Fe 3+ vas(iii)-hidroxidok (FeOOH v. Fe(OH) 3 ) elıülepítı felületi terhelés TSS eltávolítás mennyiség koaguláns adagolás fém-hidroxid képzıdés (koagulációflokkuláció, adszorpció) bekeverés ph és lúgosság csökkenés szilárd állapotú szennyezıanyagok (TSS) eltávolítása KOI Cr, BOI 5 iszap összetétel vízteleníthetıség rothaszthatóság, gázkihozatal mezıgazdasági elhelyezés költségek (+) TN TP biológiai folyamatok szervesanyag lebontás nitrifikáció denitrifikáció kicsapás, adszorpció PO 4 3- S 2- biológiai P eltávolítás folyamatok stabilitása Cél: P eltávolítás Fe 3+ + PO 4 3- FePO 4 (<0,1 mg/l TP) gyakorlatban Fe r PO 4 (OH) 3r-3 költségek (+/-) Technológiai célok Elegendő P maradjon a mikroorganizmusoknak Nitrifikálóknak megfelelő ph és pufferkapacitás Maximális szervesanyag eltávolítás (szervesanyag eltávolítás és nitrifikáció esetén) Denitrifikációhoz hasznosítható C-forrás minimális eltávolítása (elődenitrifikáció esetén) 17

Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz ph csökkenés A ph hatása a mikrobiológiai folyamatokra ph 8,2 8,0 7,8 7,6 7,4 7,2 7,0 6,8 ph érték a koagulálószer dózis függvényében - 2004.11.23. DP 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Koagulálószer (mmol Me3+/L) Vas-klorid Prefloc A hazai szennyvizek ph értéke viszonylag nagy (8,0 körüli érték), és nagy a pufferkapacitás is Kémiai kezelést követően csak extrém nagy adagoknál csökken a ph 7,0-nél kisebb értékre Az előpolimerizált sók lényegesen kisebb mértékben változtatják meg a ph értékét mint az egyszerű háromértékű sók Bopac Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz - nitrifikációra gyakorolt hatás 30 25 Kis terhelés - 0,8 mmol/l vas(iii)-szulfát Nagy terhelés - 0,5 mmol/l vas(iii)-szulfát NH 4 -N [mg/l] 20 15 10 5 0 Kémiai előkezelés + biológiai tisztítás (1. sz. rendszer) Csak biológiai tisztítás (2. sz. rendszer) 4/12 4/14 4/16 4/18 4/20 4/22 4/24 4/26 4/28 4/30 5/2 5/4 5/6 5/8 5/10 5/12 5/14 Dátum 1. 0,12 kgboi 5 /kgmlss/d 2. 0,26 kgboi 5 /kgmlss/d 1. 0,18 kgboi 5 /kgmlss/d 2. 0,40 kgboi 5 /kgmlss/d 18

Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz - denitrifikációra gyakorolt hatás NO x -N [mg/l] 100 80 60 40 20 0 oldott és partikulált szervesanyagok Vegyszeresen kezelt, ülepített Ülepített endogén szakasz 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Kísérlet indításától eltelt idő [h] Szennyvízben levő oldott és partikulált szervesanyagok felhasználásával történő denitrifikáció hatékonysága 5-10% -kal csökkenhet A nyers szennyvíz minőségétől és a kémiai kezeléssel megvalósított szervesanyag eltávolítástól függ adott szennyvízre kell meghatározni Ha jelentős csökkenés a szilárd szervesanyag eltávolítás mértékét szabályozni kell! Szervesanyag eltávolítás szerkezeti átrendeződése Tisztított szennyvíz 10% Tisztított szennyvíz 10% 30% Előülepítés 60% Biológiai tisztítás 75% 15% Biológiai tisztítás Kémiai előkezeléssel intenzifikált előülepítés 19

Keletkező iszapmennyiség Szennyvíziszap [mg/l] 1000 900 Nyersiszap Fölösiszap Összes iszap 800 700 +7% +10% +18% 600 500 400 +17% +22% +38% 300 200-22% -25% -39% 100 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Koaguláns (vas(iii)-klorid) dózis [mmol/l] Kémiai- Eleveniszapos szennyvíztisztítás Biológiai biológiai nitrifikációval (13 000 m 3 /d) tisztítás tisztítás Összes oxigénbeviteli igény 1 370 1 000 kg O 2 Levegıztetés energiaigénye 685 500 kwh Tisztított szennyvíz KOI konc. 65 45 mg/l Tisztított szennyvíz TP konc. 11 1,5 mg/l Energia költség 120 88 M Ft/év Vízterhelési díj (KOI, TP) 74 21 M Ft/év Vegyszerköltség 33 M Ft/év Üzemeltetési költség 194 142 M Ft/év Megtakarítás 52 M Ft/év 20

Kémiai kezelés hazai alkalmazása Csak foszfor eltávolítás céljából Elsősorban szimultán kicsapás Csak elvétve találunk előkicsapást Indokok: idegenkedés a vegyszerek adagolásától elődenitrifikációra gyakorolt potenciális kedvezőtlen hatás az iszapmennyiség növekedése esetleges problémák az iszap kezelésekor (víztelenítés, rothasztás) a ph változás mértéke Esettanulmány: Intenzifikálás kémiai előkezeléssel Cél: csatornahálózat fejlesztése miatt megnövekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés kezelése szigorúbb határértékek betartása (P eltávolítás) nitrifikáció javítása (téli időszak) biogáz termelés fokozása 19 000 m 3 /d; 180 ezer leé határértékek: KOI: 75 mg/l BOI 5 : 25 mg/l TN: 50 mg/l TP: NH 4 -N: TSS: 5 mg/l 10 mg/l 50 mg/l 21

C2 C1 D1 Fe(III) A2 O 2 O 2 A3 C3 D3 O 2 A4 C4 D4 O 2 kémiai előkezelés üzemi kísérlet vas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba oldat formájában propeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredést Specialitások Hidraulikai alulterheltség (19 e m 3 /d a 48 e helyett) Eredetileg nagyterhelésű telep Jelenleg kisterhelésű (0,18 kgboi5/kgtss/d) Élelmiszeripari, vágóhídi szennyvíz Magas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízben 22

Specialitások Szervesanyag 60-80%-a szilárd (nyers szv) Előülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magas Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak 20% határérték túllépés) Meglepően hatékony szimultán denitrifikáció Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés) A nyers és előkezelt szennyvíz minősége az üzemi kísérletekben KOI oldott KOI PO 4 -P TP TSS BOI 5 TKN mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l nyers 1080 300 10 15 480 580 95 ülepített 580 320 8 12 170 350 80 0,2-0,7 0,7 mmol/l 260 170 1,5 2,2 60 150 65 23

TP [mg/l] 14 12 10 8 6 4 2 0 Fe adagolás Előülepített szennyvíz Tisztított szennyvíz 5/11 5/15 5/19 5/23 5/27 5/31 6/4 6/8 6/12 Dátum Biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelésének csökkenése BOI 5, KOI Cr [mg/l] 1000 800 600 400 200 0 Fe adagolás KOI BOI 5/11 5/15 5/19 5/23 5/27 5/31 6/4 6/8 6/12 Dátum Nyers szennyvíz KOI : 800-1400 mg/l (200-400 mg/l oldott) BOI: 400-800 mg/l 24

NO 3 -N [mg/l] 20 15 10 5 Fe adagolás Denitrifikáció üzemi körülmények között 0 5/11 5/15 5/19 5/23 5/27 5/31 Dátum 6/4 6/8 6/12 15 A tisztított szennyvíz NO 3 N koncentrációja a többszörösére nő Ok: a megnövekedő szervesanyag eltávolítás (összes és oldott KOI is!) NO 3 -N [mg/l] 10 5 0 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 okoi Cr /TKN 2006. ápr. - jún. referencia időszak + kísérlet TSS KOI BOI 5 NH 4 -N NO 3 -N TP nyers 480 1100 580 64 14,7 tisztított 40 95 6,5 4,9 0,9 6,3 k.k. tiszt. 7 63 8 3,2 9 1,1 25

Nyersiszap termelés [m 3 /d]: +27% Nyersiszap termelés [kg/d]: +21% Biogáz termelés [m 3 /d]: +30% Összes energia fogyasztás [kw/d]: -10% 6000 Fe adagolás 5000 Termelt biogáz [m 3 /d] 4000 3000 2000 1000 0 Napi biogáz termelés Átlagos biogáz termelés - Fe adagolás nélkül Átlagos biogáz termelés - Fe adagolással 4/15 4/20 4/25 4/30 5/5 5/10 5/15 5/20 5/25 5/30 6/4 6/9 6/14 Főbb eredmények (1) Vas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedik Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére csökkent (KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt) Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt) Denitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy határérték problémát nem okoz) oldott KOI eltávolítás 26

Főbb eredmények (2) Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, ktd minimalizálható) Biogáz termelés 30%-kal megnőtt Telep energia fogyasztása 10%-kal csökkent Keletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőtt Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd) 27