Vegyipari és Biomérnöki Műveletek. Szennyvíztisztítási biotechnológia

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Vegyipari és Biomérnöki Műveletek Szennyvíztisztítási biotechnológia http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/abet/vebimanager/ Dr. Bakos Vince, Dr. Tardy Gábor Márk Az előadás anyagban Dr. Jobbágy Andrea által összeállított tananyagok is megjelennek

Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag (szén) Nitrogén, foszfor Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap

I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége

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

A szennyvizek két alaptípusa Kommunális Szervesanyag tartalom főleg biológiailag bontható N-tartalom: főleg NH 4 -N P-tartalom: PO 4 -P és szerves P Ipari Szervesanyag tartalom függ az ipartól N-tartalom függ az ipartól P-tartalom függ az ipartól

Biodegradáció fogalma mértéke Biodegradáció: egy szerves vegyület biológiai átalakítása egy másik vegyületté a lebontás (dekompozíció) irányában Mineralizáció: eredménye CO 2, H 2 O, szervetlen anyagok (pl.: ammónia) és elszaporodott biomassza (oldott szerves szén nem marad) Elfogadható bonthatóság: az anyag elveszíti környezetre káros hatását (pl.: habzás, mérgező tulajdonság) Primer / részleges / teljes bonthatóság

Szennyvíz és hatása a befogadóban Kommunális Jól biodegradálható szervesanyagok (O 2 fogyasztás) Tisztítás Tisztítás Ipari Jól vagy rosszul biodegradálható szervesanyagok (felhalmozódik) M Befogadó Biodegradálható: mikroorganizmusok által bontható

Eutrofizáció / Vízvirágzás

II. A biodegradációt befolyásoló tényezők

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

Irányított biodegradáció: Mikroorganizmusok szuszpendálva: eleveniszap : iszappehely akár 1000 μm : baktérium 0,5-5 μm Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz

III. A szennyvíz minősége és az elfolyó tisztított vízre vonatkozó követelmények

Az eleveniszapos szennyvíztisztítás Szerves anyag N, P Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap

Befolyó szennyvízminőségi paraméterek Paraméter min max átlag Tartósság 80 % 90 % Koncentráció [mg/l] KOI tot. 131 624 372 452 487 KOI oldott. 58 248 158 207 214 BOI 5 75 390 222 284 297 TSS 46 532 218 266 294 TSS volat. 35,4 86,7 70,8 - - NH 4 -N 8,4 43,4 28,4 36,9 39,3 TKN 15,1 61,2 39,2 49,3 53 TN 17,3 61,8 39,8 - - TP 2,1 7,9 5 6,1 6,4

A szervesanyag tartalomra jellemző paraméterek KOI - kémiai oxigén igény : A vízben lévő szerves anyag teljes kémiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (MSZ 260/16-82 szabvány szerint): kénsavas közegben, katalizátor jelenlétében, a mintát ismert mennyiségű kálium-dikromát (oxidálószer) oldattal forraljuk, miközben a szerves anyagok oxidálódnak. A kálium-dikromát felesleget vas(ii)-ammónium-szulfát oldattal titráljuk vissza ferroin-indikátor jelenlétében. BOI biokémiai oxigén igény: A vízben levő szerves anyagok baktériumok által, adott idő alatt, adott hőmérsékleten történő aerob oxidációjához szükséges oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (respirometriás módszerrel): A műszer regisztrálja a mérőedények gázterének a mintában biodegradációt végző biomassza O 2 fogyasztása miatti nyomás változását. (A keletkező CO 2 -ot NaOH pasztillával nyeletjük el).

2010.02.17 2010.03.03 2010.03.17 2010.03.31 2010.04.14 2010.04.28 2010.05.12 2010.05.26 2010.06.09 2010.06.23 2010.07.07 2010.07.21 2010.08.04 2010.08.18 2010.09.01 2010.09.15 2010.09.29 2010.10.13 2010.10.27 2010.11.10 2010.11.24 2010.12.08 2010.12.22 KOItot (mg/l) Egy szennyvíztisztító telep befolyó KOI értékeinek időbeli alakulása 700 600 500 400 300 200 100 0 Dátum

Befolyó KOI hisztogram 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 <150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 >550 Tartósság Gyakoriság KOItot koncentráció (mg/l) Gyakoriság Tartósság átlag

28/2004 (XII.25) KvVM rendelet A szennyvizek befogadóba való közvetlen bevezetésére vonatkozó, vízminőségvédelmi területi kategóriák szerint meghatározott kibocsátási határértékek Kategória Paraméter I. Balaton és vízgyűjtője közvetlen befogadói II. Egyéb védett területek befogadói III. Időszakos vízfolyás befogadó IV. Általános védettségi kategória befogadói KOI (mg l -1 ) 50 100 75 150 BOI 5 (mg l -1 ) 15 30 25 50 NH 4 -N (mg l -1 ) 2 10 5 20 TIN (mg l -1 ) 15 30 20 50 TN (mg l -1 ) 20 35 25 55 TP (mg l -1 ) 0.7 5 5 10 TSS (mg l -1 ) 35 50 50 200

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.

IV. Az eleveniszapos szennyvíztisztítási technológia

Homokfogó

Előülepítő (Dorr-típus)

Biológiai fokozat (eleveniszapos medencék)

Eleveniszap mikroszkópos képe

Monod kinetika a nem toxikus anyagokra m Fajlagos növekedési sebesség: m = m max K S S + S m max m max 2 Szimulációs modellek alapja K S Szervesanyag koncentráció (S)

Monod kinetika a nem toxikus anyagokra dx dt = m X ahol : x mikroorganizmusok koncentrációja [g/l] μ fajlagos növekedési sebesség [d -1 ] Fajlagos növekedési sebesség: m = m max K S S + S ahol : μ max maximális fajlagos növekedési sebesség [d -1 ] S szubsztrát koncentráció [mg/l] K S féltelítési koefficiens [mg/l]

Utóülepítő (Dorr-típus)

Tisztított szennyvíz

Az eleveniszapos rendszer mint módosított kemosztát Befolyó szv. Q tfáram Vx összes biomassza menny. Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó, Q tfáram, TSS elf lebegőanyag konc. Utóülepítő Hidraulikai tartózkodási idő (csak a vízfázis) HRT h= 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 m X d Sludge Retention Time, sludge age Fölösiszap, Q F tfáram, x F iszapkonc. Vµx összes biomassza elvétel (szaporulat) 1 = = m Q F X F V X + Q TSS elf

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

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.)

Szalagszűrő prés

Dekanter centrifuga

Anaerob rothasztó

Gáztároló

Gázmotor

V. Budapest szennyvíz elvezetése és tisztítása

Budapest szennyvíztisztító telepei Duna 2500 m3/s Ráckevei-Soroksári Duna-ág 25 m3/s

Dél-pesti Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~60 000 m 3 /d (1966)

Észak-pesti Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~150 000 m 3 /d (1986)

Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telep Befolyó szennyvíz mennyisége: ~250 000 300 000 m 3 /d (2010)

VI. Biológiai nitrogén eltávolítás

A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáció: szerves N Nitrifikáció: ammónia-n Denitrifikáció: nitrát-n ammónia-n nitrát-n nitrogén gáz

Nitrifikáció és denitrifikáció Nitrifikáció Lassan szaporodó mikroorganizmusok NH 4+ + oxigén NO 3 - Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan anaerob mikroorganizmusok N 2 gáz

A tisztítandó szennyvíz nitrogén tartalma TN = NH 4 -N + szerves N = TKN az oxidált szervetlen N formák (NO 3- és NO 2- ) mennyisége általában elhanyagolható szerves N TN ~ 10-30 % szennyvízfüggő, csatornafüggő, hőfokfüggő

Nitrifikáció NH 4+ + 1,5 O 2 Nitrosomonas NO 2- + 2H + + H 2 O + 275 KJ NO 2- + 0,5 O 2 Nitrobacter NO 3- + 75 KJ NH 4+ + 2 O 2 Lassan szaporodó mikroorganizmusok NO 3- + 2H + + H 2 O + 350 KJ Nagy oxigén igény Kis μ érték Nagy rendszerbeli tartózkodási idő igény

Az autotófok (A) növekedése m Aval = m A K NH S NH + S NH K OA S O + S O μ A-val μ A S NH K NH K OA = nitrifikáló mikroorganizmusok valós fajlagos növekedési sebessége (1/d) = nitrifikáló mikroorganizmusok maximális fajlagos növekedési sebessége (1/d) = ammónia-n koncentráció (mg/l) = ammónia-n-re vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l) = oldott oxigénre vonatkoztatott féltelítési állandó (mg/l)

A nitrifikációs hatékonyság ph függése

Nitrifikálók szaporodási sebességének hőfokfüggése 1.8 Autotrófok maximális fajlagos szaporodási sebessége (1/nap) 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 Hőfok ( C)

Nitrifikációt gátló anyagok Gátló vegyületek (pl.) Allil-alkohol Allil-izotiocianát Benztiazol-diszulfid Szén-diszulfid Kloroform o-krezol 2,4 Dinitrofenol Ditio-oxamid Etanol Metil-izotio-cianát Fenol Na-metil-ditio-karbamát 75%-os inhibíciót eredményező koncentráció (ppm) 19,5 1,9 38 35 18 12,8 460 1,1 2400 0,8 5,6 0,9

Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan anaerob mikroorganizmusok N 2 gáz Oxigén távollétében Denitrifikálható szénforrás igény

Denitrifikáció: megfelelő C-forrás igény Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz

Biológiai nitrogéneltávolítás utódenitrifikációval pót C Tisztítandó szennyvíz (C-forrás és NH 4 + NO 3 - N 2 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges Fölösiszap elvétel

Biológiai nitrogéneltávolítás elődenitrifikációval NO 3- - recirkuláció Tisztítandó N 2 szennyvíz (C-forrás és NO - 3 N NH + 2 4 NO - 3 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel

Biológiai nitrogéneltávolítás kombinált elő- utódenitrifikációval pót C NO 3- - recirkuláció Tisztítandó szennyvíz (C-forrás és N 2 NO - 3 N NH + 2 4 NO - 3 N 2 NO 3 - N 2 Utóülepítő Tisztított szennyvíz NH 4+ ) Denitrifikáló tér Nitrifikáló tér Denitrifikáló tér Levegő Levegő Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges

Szennyvíztisztítási biotechnológia ellenőrző kérdéssor 1. Definiálja a biodegradáció és a mineralizáció fogalmait! 2. Definiálja az eutrofizáció fogalmát! 3. Soroljon fel legalább 4 fontos szennyvízminőségi paramétert! 4. Definiálja a kémiai oxigén igény és a biokémiai oxigén igény fogalmát! Mindkét esetben adja meg a mértékegységet! 5. Rajzolja fel az eleveniszapos szennyvíztisztítási technológia alapvető sémáját! Nevezze meg a főbb technológiai egységeket! 6. Hogyan függ a biomassza növekedési sebessége a nem toxikus biodegradálható szervesanyagok koncentrációjától? (Monod kinetika) Ábrázolja diagramon, írja fel az egyenletet és definiálja az egyes paramétereket! 7. Definiálja a HRT (hidraulikai tartózkodási idő) és az SRT (iszap tartózkodási idő) fogalmát! 8. Folytonos üzemű eleveniszapos technológia állandósult állapotában hogy viszonyul az iszap tartózkodási idő az eleveniszap biomassza átlagos fajlagos növekedési sebességéhez? 9. Nevezze meg és jelölje be a vaktérképen Budapest három nagy szennyvíztisztító telepét! 10. Írja le röviden a biológiai nitrogén eltávolítás folyamatait!

Szennyvíztisztítási biotechnológia ellenőrző kérdéssor 11. Írja le röviden a nitrifikáció folyamatát! 12. Sorolja fel a nitrifikáció főbb befolyásoló tényezőit! 13. Milyen összefüggésből következik, hogy a nitrifikálók rendszerben tartásához nagy iszapkor szükséges? 14. Írja le a denitrifikáció folyamatát! 15. Sorolja fel a hatékony denitrifikáció biztosításához szükséges körülményeket! 16. Sorolja fel a denitrifikáció jó hatékonyságát visszavető főbb tényezőket! 17. Rajzolja fel az elő-denitrifikáló eleveniszapos rendszer technológiai sémáját! 18. Definiálja az aerob, anoxikus és anaerob környezetet! 19. Mit jelent az, hogy a denitrifikálók fakultatívan anaerob mikroorganizmusok? Ennek mi az előnye a mikroorganizmusok, és mi a hátránya a denitrifikáció hatékonysága szempontjából? 20. Mit jelent az, hogy a nitrifikáló mikroorganizmusok autotrófok? Ennek mi az előnye a mikroorganizmusok, és mi a hátránya a nitrifikáció hatékonysága szempontjából?