Környezetvédelem A szennyvíztisztítás célja Technológiai rendszerek 11. hét: A szennyvíztisztítás technológiái és a gumihulladékok újrahasznosítása 2008/2009-as tanév, I. félév Horváth Balázs SZE MTK BGÉKI Környezetmérnöki Tanszék Az állattartó telepek szennyvizeinek elöntözése elterjedt gyakorlat, az emberi eredetű szennyvizeket ugyanakkor jó esetben tisztítást követően patakba, folyóba, tóba vagy az óceánba bocsátják A cél ezen befogadók védelme a szennyeződéstől Miért pont a tisztított szennyvíz szervesanyagtartalmát tekintjük a legfontosabb jellemzőnek? Mert a befogadó öntisztuló képességének megőrzése szempontjából elsődleges fontosságú ( oxigénhiány, eutrofizáció stb., még az óceánoknál is!) Mi lesz az oldott sókkal, nehézfémekkel és toxikus vegyületekkel? A lakossági szennyvízben csak kis konc-ban vannak Elsősorban a szv.iszapban dúsulnak fel Egyéb veszélyek Veszélyes komponensek a nehezen bontható anyagokból, sőt, az alapjában véve ártalmatlan anyagokból is keletkezhetnek a szennyvíztisztítás folyamatában, azok biológiai átalakításának eredményeként (Dulovics, 2007) 1
Elvárások a tisztítási technológiával szemben (komm. szv.) flexibilisek legyenek a gyakran változó vízmennyiség és vízminőség tekintetében tolerálják az üzemzavarok vagy a hőmérséklet változásának, zavaró vegyületek jelentkezésének vagy ezek kombinációinak hatását alacsony fajlagos tisztítási költséggel rendelkezzenek Biológiai tisztítási módszerek Természetes megoldások: nagy felületeket és hosszú tisztítási vagy kezelési időket (hetektől évekig) igényelnek: szv.tavak, elöntözés, gyökérmezős módszer stb. (utóbbinál mikroorg., növ. és állatok is részt vesznek a tisztításban) Mesterséges tisztítási módszerek: a klasszikus iparosított megoldások - kevesebb hely- és időigény a mikroorganizmusok nagymértékű koncentrálásának köszönhetően; ez az elterjedtebb (90-95%) A szennyvizek fajtái, keletkezésük A lakossági szennyvizek tartalma Szociális (lakossági) szennyvíz (lakások, intézmények, szolgáltatások): mikroorganizmusok + a növekedésükhöz szükséges valamennyi tápanyag, ph, hőm. Ipari szennyvíz (ipari tevékenység, mezőgazdasági termékfeldolgozás) (az állati híg vagy szalmás trágyák nem szv-ek) Tápanyagok (az elfogyasztott tápanyag eredeti szervesanyag-tartalmának 1/4-e többé-kevésbé átalakított formában: szénhidrát, feh., zsír (fontos a sütőolajgyűjtés) A tápanyagok előkészítésének anyagai Mosószerek, tisztítószerek Éttermi maradékok 2
A szennyvízben nemkívánatos anyagok Elhasznált sütőolaj (gyűjtése fontos) Éttermi, kifőzdei maradékok (régebben állatok etetésére, ma szv.tisztítók iszaprothasztójában kezelik, vagy komposztálják) A szv.tisztító flórájára veszélyes anyagok: CN -, klórozott, nitrált, szulfonált szerves vegy., fenolok és származékaik, többgyűrűs aromás szénhidrogének, gyógyszerek, növényvédő szerek, Pb, Cd, Hg vegyületei stb. A szennyvíztisztítókba kerül: Lakossági szv. a közcsatornán keresztül (toalettek öblítése, fürdés, zuhanyozás, kézmosás, tisztálkodás, főzés, edények mosogatása ) Közintézmények szv-e a közcsatornán keresztül (szállodák, bárok, kórházak; az éttermek, kifőzdék szv-e zsírfogón keresztül) Egyes ipari szv-ek a közcsatornán keresztül (élelmiszer-, tej-, hús-, gyümölcs- és konzervipar ) Szippantott szv. (derítők, időszakosan használt vegyszeres toalettek /kempingek, lakókocsik stb./ ) Ipari szennyvizek Az emberi tevékenység körében kevés olyan termék van, melynek a mennyisége megközelíti a szennyvíz mennyiségét és egyidejűleg, folyamatosan keletkezik és feldolgozandó (Koppe és társai, 1999; Kárpáti, 2001) Először fizikai-kémiai próbálkozások a tisztításra, biológiai módszer csak a XX. sz. elejétől A tisztított víz fertőtlenítésére használt klór veszélyes a tisztítással el nem távolított szerves anyagok még veszélyesebbé történő alakítása miatt Az ilyeneket kibocsátó üzemeknek előtisztítókat kell alkalmazniuk Szintén előtisztítást igényelnek a fogorvosi öblítövizek Nem kerülhetnek a közcsatornába a fotólaborok hívó- és rögzítőoldatai, a kenőolajok, a fagyálló foly. (etilén, propilénglikol; higítva igen), az autók ablakmosó folyadékai (egyébként mikrobiális tápanyag), utakról összegyűlő olaj, korom, gumidarabkák (olajfogó műtárgy!), hulladéktárolók csurgalékvize 3
Klórozás szempontjából veszélyes ipari szennyvizek 1. erőművek, energiatermelés, bányászat 2. építőipari anyagok, üveg, kerámia 3. fémek előállítása vagy megmunkálása 4. szervetlen vegyipar 5. szerves vegyipar 6. ásványi és szintetikus olajok gyártása 7. nyomdák, reprodukciós vállalkozások 8. fa-, cellulóz-feldolgozás, bőr-, és papíripar 9. más iparágak A szennyvizekbe kerülő hígító vizek Esővíz, hólé egyesített csat.rendszernél hidraulikus terhelésnövekedés a szennyvíziszap komosódása üzemzavar (+ az első ¼ órában szennyezésnövekedés) a befogadó szennyezése Infiltrációs víz (talajvíz a közcsatornába hűtés kedvező vagy káros) A lakossági szennyvíz eredete (Koppe és társai, 1999) A szennyvízhozam napi és heti alakulása Hozzávetőleges értékek (liter / fő / nap) --------------------------------------------------------------------- Személyes fogyasztás, főzés és edénymosás: 3-10 Vizelet és széklet: 1-3 Toalett-öblítővíz, WC: 10-30 Tisztálkodás és mosdás vizei: 5-50 Mosás, fürdés és zuhanyzás szennyvizei: 5 500 Európai átlag: 150 l/fő/nap Délelőtt és kora délután csúcsfogyasztás (akár az átl. érték 3x-a) Éjszaka minimális fogyasztás (akár az átl. érték 1/3-a) Hétvégén fokozott lakossági fogyasztás Hétvégén kisebb ipari fogyasztás 4
A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére A közcsatorna lejtése min. 2 ezrelék A folyadékáramlás sebessége 0,5-1 m/s (kis kiülepedés, gyors célba érés) 10 km-es csat.szakasz megtétele 3-6 óra, ami alatt: a szennyvíz darabos részei (élelm.-maradványok, papír, olajcseppek, széklet) a detergensek hatására aprózódnak ez jó az illékonyabb szerves vegyületek gázfázisba kerülhetnek és kijuthatnak a csatornaszemeken át a külvilágba ez nem jó savak, lúgok semlegesíthetik egymást fémek a semleges környezetben kicsapódhatnak (vas-hidroxid) szabad enzimek és lebegő mikroorg. biokémiai átalakulások A vizelet N-tartalma NH 3 -vá alakul A szerves vegyületek egy részének hidrolízise Az anaerob mikroorg. Elszaporodnak A NO 3 - denitrifikációja A SO 4 2- redukciója hidrogén-szulfid aminosavak anaerob lebomlása hidrogén-szulfid H 2 S vassal fekete vas-szulfidot képezhet A közcsatorna mint biológiai reaktor A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére A szennyvíztisztítóba érkező szennyvíz minősége már jelentősen eltér a szennyvíztisztítóba kerülő szennyvíz minőségétől! 5
A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére Aerob körülmények esetén: a keletkező szag jelentéktelen a közegészségügyi és korróziós veszély minimális a biológiailag könnyen bontható komponensek még a szennyvíztelepre érkezés előtt átalakításra, immobilizálásra kerülnek (iszappá alakulnak) Aerob körülmények: respiráció: víz, CO 2, szervetlen anyagok, NH 3, Az O-felvétel sebessége a csatornában 2-20 mg O 2 /l/h O-hiány esetén a mikroorg-ok NO 3 -ot használnak fel légzésükhöz A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére Anaerob körülmények esetén sokféle probléma jelentkezik: szag egészségügyi kockázat korrózió Anaerob körülmények: respiráció és a fermentáció egyszerre folyik szerves anyag fermentációja során kis molekulatömegű illó savak és CO 2 kel. metanogén baktériumok metánt szag termelhetnek a szulfátredukció (-respiráció) eredményeként kénhidrogén-termelődhet 6
A közcsatorna hatása a lakossági szennyvíz összetételére Szagcsökkentő inézkedések: A fermentáció háttérbe szorítása (oxigénellátás biztosításával vagy nitrát adagolásával) A szulfidok vegyszeres kicsapása Fe(II) vagy Fe(III) ionok adagolásával Klór, hidrogén-peroxid vagy ózon adagolása Nagy sebességű átöblítés Biofilm mechanikus eltávolítása Jogi háttér A 4/1984. (II. 7.) OVH rendelet határértékei a hazai befogadókra (2005. január 1-ig érvényes) Jellemzők Térségi kategóriák kijelölt osztályok KOI Lebegőanyag NH 4 -N NO 3 -a) Összes P TP a) I II III IV V VI 50 100 2 40 1,8 75 100 5 50 2 100 200 30 80 2 100 200 10 80 2 150 500 30 - - 200 200 10 80 2 EU 271/1991 Az EU javaslat a kommunális szennyvíztisztítók kibocsátási határértékeire Lakos egyenérték osztály (LE - 60 g BOI 5 /fő nap) Kategória 1 2 3 Jellemzők < 10 ezer LE 10-100 ezer > 100 (mg/l) LE ezer LE BOI 5 25 25 25 KOI 125 125 125 Összes lebegő 60 35 35 anyag - TSS Összes nitrogén - 15** 10 -TN* Összes foszfor - - 2 1 TP * - TN = TKN + NO 3 -N + NO 2 -N ahol TKN = szerves N + NH 4 -N ** - vízhőmérséklet > 12 o Cesetén Komponens A szennyvizek befogadóba való közvetlen bevezetésre vonatkozó, vízminőség-védelmi területi kategóriák szerint meghatározott kibocsátási határértékek (28/2004. (XII. 25.)) 1. Balaton vízgyűjtője közvetlen befogadói Területi kategóriák 2. Egyéb védett területek 3. Időszakos vízfolyás befogadói 4. Általános védettségi kategória befogadói ph 6,5-8,5 6,5-9 6,5-9 6-9,5 KOI k 50 100 75 150 BOI 5 15 30 25 50 összes szervetlen 15 30 20 50 nitrogén összes nitrogén 20 35 25 55 ammónia-ammónium-n 2 10 5 20 összes lebegőanyag 35 50 50 200 összes foszfor 0,7 5 5 10 SZOE 2 5 5 10 7
28/2004. (XII. 25.) A regionális felügyelőség a rendelet határértékeit a helyi érdekektől függően szigoríthatja. A határérték túllépésért a tisztítónk szennyvízbírságot, a környezetbe kibocsátott szennyezőanyag-mennyiség alapján környezetterhelési díjat kell fizetnie. Végső soron mindegyiket a fogyasztó fizeti meg. A szennyvíz fogadása, átemelése, durva szűrése Fa- és kődarabok homok felúszó zsíros, olajos részek egyéb, rendellenesen odakerülő használati tárgyak (pl. fülpiszkáló műanyag pálcika) eltávolítására kőcsapda, durva, majd finomabb rácsok, szűrők, homok- és zsírfogó műtárgyak szolgálnak A szennyvíz fogadása, átemelése, durva szűrése 1. A durva részek kiszűrése gépi tisztítású ráccsal 2. Finomabb rács (20-5 mm) rácsszemét 3. Zsír- és homokfogó: az áramlási sebesség 0,1 m/s alatti a 0,1 mm átmérőjűnél nagyobb homokszemcsék kiülepednek szivattyúzás levegőbefúvásra (flotálás) a víznél kisebb fajsúlyú és hidrofób, összetapadásra hajlamos zsíros lebegő részek felúsznak lefölözés Egyéb darabos de finomabb - lebegő szennyezők eltávolítása Másfél órás ülepítéssel a KOI mintegy 30 %- kal csökken! A gravitációs előülepítés hatásfokának növelése koagultató, flokkuláltató segédanyagokkal): a Fe 3+ és Al 3+ ionok a finom kolloid részeket nagyobb pelyhekké kapcsolják össze A Fe 3+ és Al 3+ ionok a foszfáttal is csapadékot képeznek, ami szintén beépül a pelyhekbe Előülepítés helyett finomszűrés is alkalmazható 3-1 mm-es lyukméretű ráccsal 8
Szerves szennyezők átalakítása, szeparációja, iszaphozama Az oldott és igen finom lebegő részek a szennyvízből ülepítéssel nem távolíthatók el Ezeket mikrobiális módszerrel előbb lebegő biomasszává alakítjuk, s ezt a biomasszát vonjuk ki a vízből Az átalakítás segédtápanyaga az O 2, termékei a CO 2, szennyvíziszap, nitrogén /N 2, esetleg NO 3 - / és szulfát. A tisztítás két lépésből áll: 1. átalakítás 2. szűrés Szennyvíz Szerves szennyezők átalakítása, szeparációja, iszaphozama Levegôztetô Ülepítô Tisztított elfolyóvíz Iszaprecirkuláció Fölösiszap Szerves szennyezők átalakítása, szeparációja, iszaphozama A bevezetett O 2 részben a keverést biztosítja A szerves anyagok oxidációja és iszapba történő beépítése során a nitrogén és foszfor beépítésére is sor kerül A folyamat végterméke a mikrobák által képzett biomassza (= eleveniszap) a legtöbb országban jelenleg is kihasználatlan tápanyag- és energiaforrás Szerves szennyezők átalakítása, szeparációja, iszaphozama Nagyon nehéz a tisztítás során lejátszódó folyamatok elválasztása egymástól térben és időben, mert az egyes folyamatokat végző mikroorganizmusok keveréke van jelen a rendszerben mindenütt. Így tevékenységük, munkájuk a mindenkori környezet alakulása szerint változik. 9
A többletnitrogén eltávolítása DO: oldott oxigén Az egy lakostól eredő szervesanyag-terhelés (60 g BOI 5 /fő/d) átalakítása során 0,6-1 mg iszap keletkezik Az iszap által fel nem vett nitrogén ammóniává alakul a nitrifikáló autotroóf mikroorganizmusok nitráttá alakítják A nitrifikálók fajlagos szaporodási sebessége kisebb a heterotrofokénál hátrányuk kiegyenlítésére nagyobb iszapkor és az iszap szervesanyag-ellátottságának csökkentése kell A többletnitrogén eltávolítása a denitrifikációt a szerves anyagot oxidáló heterotrof mikroorganizmusok végzik: NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 ennek feltétele, hogy ne jussanak elegendő oxigénhez, melyet egyébként jobban preferálnak - ha oxigénhiányban szenvednek, rövid időn belül átállnak a nitrátból történő oxigénhasznosításra Azoknál az eleveniszapos telepeknél, ahol a levegőztető medence mellett külön anoxikus reaktortér is kiépítésre került, egy rendszerben, kellő hatásfokkal biztosítható a nitrifikáció és a denitrifikáció is, azaz a nitrogénformák megfelelő hatásfokú eltávolítása. Nitrogéneltávolító eljárások különböző konfigurációi A legtöbb nitrogéneltávolításra tervezett eleveniszapos rendszer egy iszapkörös, ahol ugyanaz a mikroorganizmus-tenyészet felelős mind a nitrifikációért, mind a denitrifikációért 1957 10
Nitrogéneltávolító eljárások különböző konfigurációi Ha az anoxikus rész megelőzi a levegőztető medencét, a szervestápanyag-tartalom nagyobb része az anoxikus zónában kerül beépítésre, és a levegőztető medencében a heterotrófok nem szaporodnak annyira túl az autotrófok rovására 1962 Az egy rendszerben kiépített elő- és utódenitrifikáció (Barnard, 1976) tovább növelte a nitrogéneltávolítás hatásfokát szinte teljesen nitrátmentes elfolyó víz Az utódenitrifikáció során tápanyaghiány a denitrifikációhoz már nem áll rendelkezésre elegendő, biológiailag könnyen bontható szerves tápanyag pótlás pl. metanollal, ecetsavval A második levegőztető medence funkciója: - pótlevegőztetéssel kiűzhető a rendszerből a felgyülemlett nitrogéngáz (így az nem okoz problémát az utóülepítőben) - a második anoxikus reaktorban esetlegesen képződő NH 3 nitrifikációját is biztosítja 11
Ciklikus üzemű rendszerek olyan eleveniszapos rendszerek, melyeknél valamilyen paraméter az üzemeltetés során ciklikusan változik reaktortér adott pontjain a környezeti feltételek nem állandóak, hanem ciklikusan változnak a betáplálás, a levegőztetés, az ülepítés ilyen értelmű váltakozó megvalósítása egyetlen medencében vagy párhuzamos egységekből kiépített medencesorral az ún. SBR (Sequencing Batch Reactor) rendszer Ciklikus üzemű rendszerek elkülönített ülepítő nélkül Sequencing Batch Reactor /SBR/ működési fázisai egyetlen medencében: ülepítést és dekantálást követően friss szennyvizet juttatnak a medencébe, de a levegőztetést még nem indítják be elődenitrifikálás a nitrátmennyiség kisebb részével a szerves szén és ammónia levegővel történő oxidációja A levegőztetés kikapcsolását követően az oxigén gyorsan elfogy + friss tápanyagot juttatnak a medencébe utódenitrifikáció utólevegőztetés BIODENITRO (Dánia) alternáló rendszer: váltakozó betáplálású, levegőztetésű és folyadékátvezetésű rendszer Ciklikus üzemű rendszerek elkülönített ülepítővel 12
A többletnitrogén eltávolítása kémiai úton A többletfoszfor eltávolítása 1. az ammónium MgNH 4 PO 4 formában történő kicsapatása a Mg drága 2. az ammónium ioncserével történő kivonása az ioncserélőt regenerálni kell, amellett érzékeny biz. Szennyezőkre 3. a víz lúgosítását (ph mintegy 10) követő ammónia sztrippelés, kifúvatás drága Fajlagos költsége mindháromnak sokkal nagyobb, mint a biológiai módszeré, ezért a gyakorlatban nem terjedtek el az állóvizek eutrofizációjának megakadályozása érdekében a kontinentális országokban különösen fontos Az eleveniszapos rendszereknél keletkező iszap ugyanakkor a foszfortartalomnak csak a kisebb részét immobilizálja (30%, szemben a legalább 75-85%-os igénnyel) A többletfoszfor eltávolítása A többletfoszfor eltávolítása Kémiai módszerrel: - Mészhidrát adagolásával (csak lúgos kémhatásnál, a semlegesítés pedig drága és megnöveli a sótartalmat) - vas-iii vagy alumínium-sók adagolásával (15-25%-kal megnöveli az iszap mennyiségét, és rothasztás után is megmarad), pl.: Al (H 2 O) 6 3- + H 2 PO 4 - = AlPO 4 + 6 H 2 O + 2 H + - Előkicsapatás, szimultán kicsapatás, - előkicsapatás - a vegyszert a homokfogó előtt adagolják a szennyvízhez, szerves anyagok a kicsapódnak - szimultán kicsapatás - A vegyszert a levegőtető medencét megelőzően adják az iszaphoz - utókicsapatás 13
A többletfoszfor eltávolítása Iszaphozam Biológiai módszerrel: - a többletfoszfort akkumuláló herotróf mikroorganizmusok (PAH) szaporodása lassú, de váltakozó anaerob és aerob (vagy anoxikus) körülmények a szelekciójukat elősegítik - az anaerob szakasz tápanyagellátottsága is meghatározó, ezért az anaerob egység mindig a rendszer elejére kerül A szennyvíziszap víz, valamint változó diszperzitású és alakú szilárd részecskék elegye, amely az utóbbiakat szárazanyagban mintegy 1-5 % körüli mennyiségben tartalmazza éves átlagban lakosonként 1 m 3 iszap keletkezik sűrűsége 1,01-1,2 kg/l (szárazanyagtartalom: a 105 -on történő szárítást követően maradó anyagmennyiség ) Szennyvíziszap Azelőülepítő úgynevezett primer iszapja szerves anyagának mintegy 50 %-a szénhidrát (poliszacharid, cellulóz), 30 %- a fehérje, 10 %-a olaj és zsír Biofilmes szennyvíztisztítás Az eleveniszaposnál kevésbé elterjedt biofilmhordozó inert felület biztosításával vagy a baktériumok gélbe ágyazásával (immobilizálásával) az anyagtranszport meghatározója nem a konvekció, hanem a diffúzió a kolónia növekedésével kisebb-nagyobb részek szakadnak le a filmből jól alkalmazhatók túlterhelt eleveniszapos megoldások kibővítésére vastag biofilm a mélyebb rétegekbe az oxigén nem tud bediffundálni az egymás alatti rétegekben eltérő környezeti feltételek eltérő folyamatok mehetnek végbe egyszerre 14
Biofilmes szennyvíztisztítás az oxigén biofilmbe történő behatolása korlátozott az ammónium-oxidáció és nitrogénoxid-redukció sebessége inkább a biofilm felületével, mint a teljes biomassza tömegével arányos a kialakítható nagy iszapkor a nitrifikáló fajok dominanciájának kedvez a nagy iszapkor lényegesen változatosabb mikrobiális együttélést tesz lehetővé, mint az eleveniszapban a tápanyag teljesebb lebontása lényegesen kisebb iszaptermelés Jellemző biofilmes rendszerek: csepegtetőtestek és forgótárcsás kontaktorok (RBC) Csepegtetőtestek porózus rögzített töltet a biofilm kialakítására a szv-et felülről csurgatják a töltetre, mely azon átfolyva folyamatosan nedvesíti a biofilmet, majd az alatta levő vízgyűjtő térbe kerül a levegő cirkulációját a töltetben a természetes huzat biztosítja a töltet: - zúzott bazalt vagy egyéb kőanyag viszonylag kis fajlagos felülettel (45-60 m 2 /m 3 ) töltetmagasság 3 m- ig - vagy kis fajsúlyú műanyag (100-300 m 2 /m 3 ) töltetmagasság 12 m-ig Forgótárcsás kontaktorok egy tengelyre fűzött tárcsasor teszi lehetővé a vízszintes tengely körüli forgatással a megfelelő levegőztetést és nedvesítést a rögzült baktériumok ciklikusan megfelelő szervestápanyag- és oxigénellátáshoz jutnak Biofilmes szennyvíztisztítás Hátrányaik: - kis fajlagos térfogati tisztító kapacitás - eltömődésveszély - a csepegtetőtestekben a legyek is esetenként túlzott mértékben elszaporodhattak Megoldás: - finom (1-2 mm méretű) hordozóanyagú töltet (fajlagos felülete néhány ezer m 2 /m 3 ) vagy strukturált műanyagtöltet (500-1000 m 2 /m 3 ) vízzel borítva, megfelelő oxigénellátás mellett 15
Szennyvíziszapok továbbfeldolgozása Szennyvíziszapok továbbfeldolgozása Az iszap lényeges tulajdonságai: - fajlagos energiatartalom (égetés, rothasztás) - állag - fertőzőképesség - biológiai stabilitás (mg-i hasznosítás) A szennyvíziszap az eredeti szennyezőanyagmennyiségnek már csak a negyedét harmadát tartalmazza Nitrogéntartalma a kiindulási mennyiségnek ennél is kisebb hányada Foszfortartalma ugyanakkor a szennyvíz foszfortartalmának akár a 40-90 %-a is lehet Szennyvíziszapok továbbfeldolgozása Iszapvíztelenítés Egy lakosegyenértéknyi (LEÉ) 110 g KOI/fő napi szennyvízterhelés közelítőleg hasonló tömegű szerves anyagot, valamint 400 kcal/fő/d energiatartalmat jelent Ez a lakosság átlagosan háromszor négyszer ekkora szervestápanyag- (energia-) felvételének a közcsatornába kerülő maradéka Ennek mintegy fele megy veszendőbe, alakul széndioxiddá az eleveniszapos tisztítás során A szerves anyagnak a másik fele kerül bele a fölösiszapba Rothasztás során a szervesanyag-tartalomnak közelítőleg a fele alakul metánná és széndioxiddá. Vegyszerekkel való flokkuláció után szalagszűrőprések, iszapcentrifugák alkalmazásával a nedvességtartalom 98-99 %-ról 80-77 %-ra csökkenthető A folyamat azért nehézkes, mert az iszap élő sejtjei mintegy 80 % vizet tartalmaznak A víztelenített iszapok fél éves pihentetés után a mezőgazdaságban kihelyezhetők. A kiterítést követően mindjárt alá kell szántani, hogy komposztálódása a talajban mihamarabb lejátszódhasson 16
Anaerob iszaprothasztás Anaerob iszaprothasztás olyan szabályozott technológia, melyben megfelelő baktériumcsoportok együttese végzi a szerves anyag célirányos lebontását oxigén jelenléte nélkül gázok, elsősorban metán, szén-dioxid és kevés kénhidrogén keletkezik Az iszap könnyebben vízteleníthető lesz, miközben biogáz formájában energiahordozó keletkezik A cukrok a legjobban, a zsírok és fehérjék valamivel gyengébben, a cellulóz igen lassan bomlanak, a lignin pedig gyakorlatilag bonthatatlan a lakossági szennyvíziszap szerves anyagának rendszerint csak a fele alakul gázzá Az anaerob rothasztás terméke ártalmatlan, lényegesen kevésbé szagos és rothadás nélkül tárolható. Nitrogént, foszfort valamint szerves anyagokat tartalmaz, melyek a talaj szerkezetét, termőképességét javíthatják. Hátránya a nagy beruházási költség, a hosszú tartózkodási idő (10 nap), és hogy az iszapsűrítő elfolyó vize elég szennyezett Az anaerob iszaprothasztásban közreműködő baktériumok 1. fermentáló baktériumok: a komplex szerves molekulákat egyszerűbb, oldható anyagokká hidrolizálják: szénhidrátokból egyszerűbb cukrok, a fehérjékből aminosavak, a zsírokból zsírsavak keletkeznek, amelyek aztán még egyszerűbb vegyületekké bomlanak 2. savanyító (acetogén) baktériumok: acetátot, széndioxidot és hidrogént állítanak elő az első baktériumcsoport által termelt egyszerűbb szerves vegyületekből 3. metanogén baktériumok: a közti termékeket széndioxiddá és metánná alakítják át (megfelelő hőm. és ph kell nekik, anaerobok: O, nitrát, szulfát nem lehet jelen) A biogázhozam becslése legegyszerűbben a kémiai oxigénigény (KOI) alapján történhet Az anaerob rothasztás folyamatainál a KOI állandó, megmaradó mennyiség (hiszen nem történik oxidáció): KOI kiindulási anyagok = KOI szilárd maradék + KOI távozó folyadék + KOI biogáz 17
Anaerob iszaprothasztás Komposztálás A biológiai lebonthatóság növelése előkezeléssel A metanogén lebontás sebességét a lebegő szerves részek hidrolízise limitálja oldott anyagok könnyebben bontódnak A szilárd részecskék aprítása, finomítása lehetséges: mechanikus módszerekkel (aprítás) ultrahangos kezeléssel kémiai módszerekkel: az összetett szerves vegyületek széttördelése erős savakkal vagy lúgokkal termikus előkezeléssel: a termikus hidrolízis az iszap szilárd részének nagy részét vízoldható, kevésbé komplex molekulákká alakítja a fejlettebb országok általános szennyvíziszap feldolgozási technológiája a talajok degradációja ezt az iszapmennyiséget bőségesen fel tudná venni természetes tápanyagutánpótlásként Komposztálás olyan biotechnológiai eljárás, amelyben a szerves tápanyag túlnyomóan szilárd, vízoldhatatlan fázisban van, felületét vízfilm vonja be, és az ebben a filmben elhelyezkedő mikroorganizmusok elsősorban aerob körülmények között extracelluláris enzimekkel bontják le illetve alakítják át a szerves anyagot, miközben a mineralizáció mellett minőségében megváltozó, biológiailag nehezen bontható, ugyanakkor a növények részére szükséges tápanyagokat tárolni és leadni képes szerves anyagok, humusz keletkezik (Szabó, 1986) Komposztálás különböző prokarióták és eukarióták, gombák és egyszerűbb talajlakó állatok tevékenysége révén bomlik le az összetett alapanyag (szénhidrát, keményítő, fehérje, zsír, cellulóz, hemicellulóz és lignin) egyszerű vegyületekre (víz, széndioxid, ammónium, ortofoszfát, nitrát, szulfát, stb.), valamint a mikroorganizmusok részére már csak igen kis sebességgel feldolgozható, többnyire egy-gyűrűs aromás vegyületekre, a humusz prekurzoraira. Az utóbbiakból kémiai átalakulások révén keletkezik a nagyon széles molekulatömeg eloszlású és komplikált molekuláris kiépítésű humusz (Szabó, 1986). 18
A komposztálódás 4 szakasza 1. bevezető szakasz: a hőm eléri a megfelelő értéket (néhány óra, esetleg 1-2 nap) 2. lebomlási szakasz: mezofil mikroorganizmusok, hőmérsékleti optimumuk 30-45 C. 50 C felett helyüket átveszik a cellulóz és lignin bontására képes termofil sugárgombák és gombák 3. átalakulási szakasz (több hét): a hőmérséklet jelentősen csökken, a mikroorganizmusok elkezdik a nehezen bontható lignin bontását, amely során mono-, di, trifenol vegyületek keletkeznek - ezek kondenzációjából épülnek fel a következő szakaszban a humuszanyagok 4. felépülési/érési szakasz: a szerves anyag humifikálódása, hőmérséklet további csökkenése A komposztálás körülményei A komposztálandó szerves anyag optimális nedvességtartalma 40-60 tömeg%. A 60 %-nál nagyobb nedvességtartalomnál a halom pórusait a levegő helyett a víz tölti ki, s az aerob biológiai folyamatok befulladnak. 40% alatti érték is kedvezőtlen. A szerves anyagok degradációja oxigén jelenlétében éppúgy lejátszódik, mint hiányában. A kedvező azonban az, ha a komposzthalom belsejében a gázfázis oxigénkoncentrációja 5-15 tf%. minimális, 55 o C-os prizma hőmérsékleten 2,5 napos időtartam kell a patogén mikroorganizmusok elpusztítására A mezőgazdaság szennyvíziszaphasznosításának kockázata Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Kockázatot jelenthet a fertőzőképessége, fitotoxicitása, nehézfém tartalma Egyes elképzelések csak energianövényeknél jöhetnének számításba, és elsődlegesen a hulladékanyag megszüntetését fogja szolgálni, s csak másodlagos célja lesz az újrahasznosítás Egyedül a növényekben akkumulálódó kadmium jelent ilyen értelemben fokozott veszélyt korábban a biológiailag tisztított szennyvíz utótisztítására használták a külföldi (nyugati) gyakorlatban elsősorban az utótisztítást végzik ilyen szennyvíztisztító telepeken, Mo-on inkább az eleveniszapos biológiai fokozat kiváltása a cél a nyers szennyvíz mechanikai előtisztítását ehhez legtöbbször ülepítőkben végzik a szerves anyagok lebontását döntően ugyanúgy mikroorganizmusok végzik, mint az intenzív technológiájú szennyvíztisztító telepeken 19
Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek A szerves anyag oxidálásához szükséges oxigén diffúzióval a makrofitonok aktív oxigéntranszportjával az algák fotoszintézise révén jut a rendszerbe Ez az oxigénutánpótlás azonban lassúbb, mint a mesterséges levegőztetés, ezért a természetes szennyvíztisztítókban hosszabb tartózkodási idő szükséges azonos mennyiségű szennyvíz tisztításához helyigényük nagyobb a hagyományos eljárásokénál Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek A természetközeli szennyvíztisztítás definíciója: természetközeli szennyvíztisztítók azok, amelyekben a szervesanyag lebontása energiaigényes levegőbevitel nélkül, a természetes öntisztulási folyamatokra alapozva valósul meg (Szilágyi, 2004) Terjedésüket kisebb települések esetében elősegíti, hogy: az eleveniszapos technológiához képest beruházási, működtetési és fenntartási költségük általában kisebb működtetésük nem igényel különösebb szaktudást energiaigényük csekély egyes típusaik kifejezetten környezetbe illő, környezetbarát technológiák. 20
Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Két csoport: Szilárd hordozójú szennyvíztisztítási eljárások: szennyvízszikkasztás, szennyvízöntözés, talajszűrés vagy homokszűrés, gyors beszivárogtatás, gyökérzónás tisztítás Vizes rendszerek: csörgedeztetés rendszer, stabilizációs tó, lagúnás szennyvíztisztítás, úszó vagy lebegő vízinövényes szennyvíztisztítás, nádastó (természetközeli vagy mesterséges) Szilárd hordozójú rendszerek: az üzemi vízszint a felszín alatt van, a tisztítást a hordozón megtelepedett baktériumok végzik Vizes rendszerek: az üzemi vízszint a felszínen van. A szennyvíztisztításban aktívan részt vesznek a vízinövények is (algák vagy makrofitonok) a két csoport között folyamatos az átmenet, vízszintemeléssel eljuthatunk a szilárd hordozójú eljárásoktól a vízalapú eljárásokig Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek Szennyvízszikkasztás A természetközeli szennyvíztisztítási eljárások közül több megvalósítható szigetelt rendszerben is A meder agyag vagy műanyag fólia szigetelése jelentős beruházási költségnövelő tényező, azonban általa megakadályozható a talajvíz szennyezése A világon a legelterjedtebb természetközeli tisztítási módszer, az USA-ban 20 millióra tehető a számuk Általában családok vagy kisebb közösségek szennyvizének tisztítására használják csatornázatlan területeken A jól megépített szikkasztók három részből állnak: előülepítő, biológiai előtisztítást biztosító egység, felszín alatti elosztó csőhálózat 21
Szennyvízöntözés Talajszűrés (homokszűrés) főként az arid zónában elterjedt utótisztítási eljárás a biológiailag tisztított szennyvizet haszonnövény kultúrák öntözésére használják nálunk ilyen a nyárfás szennyvíz elhelyezés Az előzőhöz képest az a különbség, hogy a talajszűrés legfontosabb célja a szennyvíztisztítás. Az arid zónában azonban a talajvízhiány pótlása is kiegészítő cél lehet Gyors beszivárogtatás Gyökérzónás tisztítás A gyors beszivárogtatás a lassú homokszűréstől csak a hidraulikai terhelésében tér el A vegetáció jelenléte nem szükségszerű a gyors beszivárogtatás esetében, de ha jelen van, jelentősége a tápanyag eltávolításban sokkal kisebb, mint a lassú szűrésű rendszerekben általában biológiailag tisztított szennyvíz utótisztítására használják az egyik legelterjedtebb term-köz technológia lényege, hogy földmedencében lévő, megfelelő vízvezetőképességű szilárd hordozóra (talajra, homokra, sóderre vagy kőre) vízi-mocsári növényeket telepítenek ülepített vagy biológiailag tisztított szennyvizet elosztórendszeren keresztül vízszintes vagy függőleges folyási irányban vezetik át a szűrőágyon, majd a tisztított vizet összegyűjtik és elvezetik A növényzet szerepe főként az oxigénutánpótlás és a talaj vízvezető képességének megőrzése, a növényzet (nád, gyékény, sás, káka) tápanyagfelvétele kevésbé 22
Csörgedeztetés rendszer Úszó vagy lebegő vízinövényes szennyvíztisztítás Átmenet a szilárd alapú és vízalapú rendszerek között teraszos vagy lejtős terepadottságok esetén alkalmazzák szennyvíz a talaj fölött vékony rétegben lefelé folyva tisztul meg különböző folyamatok (kiülepedés, adszorpció, szűrés, mikrobiális lebomlás) révén A tavas szennyvíztisztításban az algák, az úszó vízinövényes eljárásban pedig makrofitonok játszanak szerepet a tápanyag eltávolításban Gyakori a Lemna sp. A szennyvíztisztítást javítja a növények sűrű gyökérzetén rögzült baktériumtömeg Nádastó felépítésben hasonló a gyökérzónás telephez azzal a különbséggel, hogy a vízszint a talaj felett van; a vízmélység 10-50 cm között változhat a tisztítási folyamat nagy része a víztérben folyik, és nem a talajban meglévő természetközeli és mesterséges nádastavakat is használnak szennyvíztisztításra Természetközeli szennyvíztisztítási lehetőségek baktériumeltávolítási hatásfokuk lényegesen kedvezőbb, mint az eleveniszapos szennyvíztisztításnak a szervesanyag-eltávolítás téli csökkenése nem mondható nagynak (a 10-20%) három eljárás versenyez egymással a kistelepüléseken: (1) kis kapacitású intenzív technológián alapuló berendezések (2) egyedi berendezések (3) A természetközeli eljárások. Hogy mely településen melyik előnyösebb, egyedi vizsgálattal kell eldönteni érzékeny területeken a természetközeli eljárások nem jöhetnek szóba 23