Nitrogén-eltávolítás az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen Kassai Zsófia Fővárosi Csatornázási Művek Zrt. Bevezetés A növényi tápanyagok eltávolítása a szennyvízből, azon belül is a nitrogén-eltávolítás kiemelt fontosságú feladat. A Fekete-tenger eutrofizációtól való védelme érdekében a Duna vízgyűjtő területén található szennyvíztisztító telepeknek fejleszteniük kell a tisztítási technológiát. Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telep tápanyag eltávolítási fokozata, mely a Világbank Global Environmental Facility programjának keretein belül, a Fővárosi Önkormányzat beruházásában létesült, 2011 tavaszától működik üzemszerűen. A bővítés során a meglévő levegőztető medencék ( A vonal) átalakítása és egy új biológiai műtárgysor ( B vonal) létesítése valósult meg. Az előülepített szennyvíz kb. 50-50%-ban elosztva kerül az A illetve a B biológiai vonal műtárgyaira, melyeken előkapcsolt denitrifikációval kombinált szakaszos levegőztetéssel ellátott eleveniszapos medencékben zajlik a szerves anyag és a nitrogén eltávolítása. Ily módon külső szénforrás adagolása nélkül játszódnak le a folyamatok. Nitrifikáció denitrifikáció rövid ismertetése Kommunális szennyvizek esetében a szerves nitrogén hidrolízise nagyrészt a csatornahálózatban megtörténik, így a nyers szennyvízben a nitrogén döntően redukált formában, ammónium-nitrogénként van jelen. A csatornahálózaton keresztül érkező szennyvíz nitrogén tartalmát jelentősen növelheti az iszapkezelésből származó csurgalékvizek nitrogén tartalma is. A nitrogéneltávolítás első lépcsője a nitrifikáció, amikor a redukált ammóniumnitrogénből autotróf mikroorganizmusok által két lépcsőben nitrit, majd nitrát keletkezik: NH + 4 +O 2 +CO 2 (MO A ) (MO A ) + NO x + 2 H + A nitrifikáló mikroorganizmusok szaporodási sebessége és fajlagos iszaphozama is elmarad a heterotróf baktériumokétól, ezért fontos, hogy az autotrófok a szennyvíz összetételének és az iszaphozamoknak megfelelő arányban elszaporodjanak az iszapban (Kárpáti, 2002; Kárpáti et al., 2004). Az iszapterhelés megfelelő csökkentése esetén a két csoport egyensúlyba tud kerülni. Nagyobb iszapkorral, továbbá az iszap fajlagos szerves anyag terhelésének csökkentésével a nitrifikálók hátránya kiegyenlítődhet (Grady-Lim, 1990; Henze et al., 1995). 1
A második lépcső a denitrifikáció, amikor heterotróf baktériumok oldott oxigén helyett a nitrát oxigénjét használják elektron akceptorként, így a nitrát több redukciós lépcsőn keresztül nitrogéngázzá alakul: NO x + BOI 5 + H + (MO H ) (MO H ) + N 2 + CO 2 Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen is működő előkapcsolt denitrifikációs rendszerben belső recirkuláció juttatja vissza a nitrátban gazdag vizet a levegőztető medencék végéről az anoxikus zóna elejére. Ahhoz, hogy a denitrifikáció a kívánt hatásfokkal végbemenjen, nagyon fontos az anoxikus térrész mérete az eleveniszapos medencéhez képest, a relatív iszapterhelés és az anoxikus térbe érkező szennyvíz TN/KOI aránya, különös tekintettel a könnyen bontható szerves anyag mennyiségére. Nitrogén-eltávolítás az észak-pesti telepen Műtárgyak kialakítása A tápanyag-eltávolítási fokozat kiépítése során mind az A, mind pedig a B vonalon anoxikus zónákat alakítottak ki a levegőztető medencék elé. Mindkét ágon szekciónként 2-2 sorba kapcsolt, hosszanti átfolyású, egyenként teljesen átkevert reaktor létesült. Az A vonalon a már meglévő 4 szekció levegőztető medencéinek elejéről választották le az egyenként 2625 m 3 -es (hasznos térfogat: 2466 m 3 /szekció), keverőkkel ellátott anoxikus zónákat (1. ábra). Így az alábbi térfogatok alakultak ki: Anoxikus medencék: 2 625 m 3 /szekció Összes térfogat: 10 500 m 3 Levegőztető medencék: 11 950 m 3 /szekció Összes térfogat: 47 800 m 3 Összesen: 14 575 m 3 /szekció Összes térfogat: 58 300 m 3 Tehát az A vonalon az anoxikus térfogat az eleveniszapos medencék összes térfogatához viszonyítva 18%. 2
1. ábra: Anoxikus térrész kialakítása az A vonalon A B vonal is négy párhuzamos szekcióból áll. Minden szekció két sorba kapcsolt, egyenként 1110 m 3 térfogatú anoxikus medencéből és Caroussel típusú levegőztető medencéből áll (2. ábra). A megfelelő áramlást keverők biztosítják mind az anoxikus, mind pedig a levegőztető medencékben: szekciónként négy keverő minden egyes levegőztető medencéhez és két keverő minden egyes anoxikus zónához (anoxikus medencékként 1-1). Anoxikus medencék: 2 220 m 3 /szekció Összes térfogat: 8 880 m 3 Levegőztető medencék: 10 400 m 3 /szekció Összes térfogat: 41 600 m 3 Összesen: 12 620 m 3 /szekció Összes térfogat: 50 480 m 3 Tehát az anoxikus térfogat az eleveniszapos medencék össztérfogatához viszonyítva a B vonalon is 18%. 3
2. ábra: B vonal Szakaszos levegőztetéssel kombinált előkapcsolt denitrifikáció Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen a nitrogén eltávolításon belül a nagyobb hangsúlyt nem a minél hatékonyabb nitrifikáció ezzel a lehető legkisebb elfolyó NH 4 -N hanem az elfolyó vízben elérhető legkisebb összes nitrogén kapja. Ennek érdekében találnunk kellett egy olyan üzemállapotot, amivel a nitrifikáció-denitrifikáció együttes hatása a legnagyobb. Először a B vonalon tértünk át a szakaszos levegőztetésre a hatékonyabb denitrifikáció érdekében. Ez egy szükséges lépés volt, mivel a rendkívül kis anoxikus terekben nem állt rendelkezésre elegendő idő ahhoz, hogy a denitrifikáció megfelelően végbemenjen. Ennek oka, hogy a befolyó szennyvíz a tervezett arányokhoz képest jelentősen több nitrogént tartalmazott, mint szerves anyagot, a könnyen bontható szerves anyag tekintetében pedig még rosszabb volt az arány. 4
A tervezéskor figyelembe vett és a tényleges terheléseket mutatja az 1. táblázat. Tervezett Tényleges [kg/d] Eltérés [kg/d] 2012 2013.05.31-ig 2012 2013.05.31-ig KOI 133 406 54 958 70 429 41,2% 52,8% BOI 5 72 800 34 296 40 788 47,1% 56,0% Lebegő anyag 63 336 24 283 36 061 38,3% 56,9% NH 4 -N 7 553 5 902 6 290 78,1% 83,3% TN 11 575 7 563 8 533 65,3% 73,7% TP 1 984 743 946 37,4% 47,7% 1. táblázat: Tervezett és valós terhelések Jól látható, hogy a tervezett értékekhez képest a befolyó szennyvíz jelentősen felhígult, továbbá a mennyisége is csökkent. Ugyanakkor a nitrogén-formák tekintetében jelentősen kisebb a csökkenés, mint a szerves anyag szempontjából. Ennek egyik oka a rothasztott iszap víztelenítéséből származó csurgalékvíz minőségében keresendő (2. táblázat). KOI N(NH 3 -NH 4 ) TN KOI:TN 2010 1 349 1 174 1 355 ~ 1:1 2011 1 153 1 208 1 359 ~ 1:1,2 2012 974 926 1 083 ~ 1:1,1 2013. 06-ig 778 1 215 1 367 ~ 1:1,8 2. táblázat: Tervezett és valós terhelések Míg a kommunális eredetű nyers szennyvízben a KOI/TKN arány 10 körüli érték, addig a préselésből származó csurgalékvízben a két paraméter közel megegyező koncentrációban van jelen, sőt, az összes nitrogén tartalom akár meg is haladhatja a szerves anyagét. Ez főleg olyan időszakokban fordul elő, amikor a rothasztó tornyokba jelentős mennyiségű állati eredetű hulladék kerül. 2013 első fele ilyen időszak volt, ezért is látható a táblázatban, hogy majdnem kétszer akkora a csurgalékvíz összes nitrogén tartalma, mint a KOI. Mivel a telepen keletkező csurgalékvizek egyenesen a befolyó szennyvízhez kerülnek visszavezetésre, a hatás már a telep elején jelentkezik. A 3. táblázat mutatja, hogy milyenarányok alakultak ki a befolyó szennyvízben a telepbővítésekor figyelembe vett értékekhez képest. KOI [kg/d] NH 4 -N [kg/d] TN [kg/d] KOI:TN Tervezett 133 406 7 553 11 575 ~ 11:1 2012 54 958 5 902 7 563 ~ 7:1 2013. 06-ig 70 429 6 290 8 533 ~ 8:1 3. táblázat: Tervezett és tényleges KOI/TN arányok 5
Az adatokból egyértelműen látszik, hogy a befolyó szennyvízben nem áll rendelkezésre olyan mennyiségű szerves anyag, amivel a denitrifikáció a viszonylag kis anoxikus terekben le tud játszódni. Ezért először a B, majd pedig az A vonalon is átálltunk a szakaszos levegőztetésre (3. ábra), így biztosítva nagyobb térfogatot és több időt a denitrifikációnak. Ennek köszönhetően a denitrifikálók nemcsak a szennyvízzel érkező könnyen bontható szerves anyagot tudják hasznosítani, hanem a hidrolízis során keletkezőt is. 3. ábra: A szakaszos levegőztetés elvi sémája Mivel az A biológiai vonalon a levegőztető medencékben nincsenek keverők, a levegőztetést maximum 60 percre lehet leállítani az iszap ülepedése miatt. Jelenleg időalapú szabályozás működik, a laboradatok és a telepített szondák értékei alapján manuálisan állítjuk be, hogy a szekciókon hány levegőztetett és levegőztetés nélküli óra legyen egy nap és mikor. 6
1. kép: A vonal Ezzel szemben a B vonalon keringetett levegőztető medencék találhatóak, így nem kell az eleveniszap ülepedésétől tartani. A szabályozás egy ammónium analizátor jele alapján történik, mely a levegőztető medencék közös elfolyási pontjára van telepítve, az utóülepítők elé. A folyamatirányításon meghatározható, hogy milyen ammónium szinteknél hány medencét levegőztessünk. Az aktuális beállításokat mutatja a 4. táblázat. Mért ammónium-nitrogén Levegőztetett szekciók száma [db] Kevert szekciók száma [db] < 1,5 1 3 1,5 3,5 2 2 3,5 5,0 3 1 > 5,0 4 0 4. táblázat: Levegőztetés ammónium szonda alapján a B vonalon A különböző ammónium-nitrogén szinteknél a szekciók közti váltás 60 percenként történik. Ezáltal a denitrifikációs térfogat jelentősen növekszik, és a denitrifikálóknak nemcsak a könnyen bontható szerves anyagot van lehetőségük felhasználni, hanem a hidrolízis során keletkező szerves anyagot is. 7
2. kép: Szakaszos levegőztetés a B vonalon A szakaszos levegőzetésnek köszönhetően a telep stabilan tartani tudja a 10 mg/l körüli elfolyó összes nitrogént, az üzemeltetési engedélyben előírt 35 mg/l-rel szemben. A 2012-es átlag adatokat tartalmazza az 5. táblázat, a konkrét adatsorok pedig az 4. ábrán láthatóak. 2012 átlag adatok Befolyó Elfolyó Határérték KOI 441 37 125 BOI 5 282 <10 25 Lebegő anyag 195 6 35 NH 4 -N 50,1 1,47 10 TN 64,1 10,00 35 TP 6,2 1,40 5 5. táblázat: Befolyó és elfolyó vízminőség 2012-ben 8
20 18 16 NH4-N TN NH4-N és TN 14 12 10 8 6 4 2 0 2012.01.04-05 2012.02.10-11 2012.03.18-19 2012.04.19-20 2012.05.22-23 2012.06.28-29 2012.08.03-04 2012.09.09-10 2012.10.14-15 2012.11.15-16 2012.12.19-20 2013.01.23-24 2013.02.28-03.01 2013.03.27-28 2013.04.24-25 2013.05.28-29 4. ábra: Elfolyó ammónium-nitrogén és összes nitrogén koncentrációk 2012-2013. Jelenleg is tart az A vonal fejlesztése, melynek keretén belül új ammónium analizátorokat telepítünk, így a szakaszos levegőztetés szabályozását ott is a tényleges ammónium-nitrogén mennyisége fogja meghatározni. További terv az A vonalon keverők telepítése a levegőztető medencékbe, ami megakadályozza az iszap leülepedését a levegőztetés nélküli időszakokban. Irodalomjegyzék Grady, L. C. P., Lim, H. C. (1980): Biological wastewater treatment - Theory and applications. Marcel Dekker, NY Henze, M., Gujer, W., Mino, T., Matsuo, T., Wentzel, M. C., Marais, G. v. R. (1995): Activated Sludge Model No. 2. IAWQ Scientific and Technical Report No. 3. London IAWQ. Kárpáti, Á. (2002): Az eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai - I.BOI és nitrogéneltávolítás. 1-14, II. Biológiai többletfoszfor eltávolítás és a szerves széntartalom optimális kihasználása. 14-27. Szerk.: Kárpáti, Á., Eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek és ellenőrzése. Ismeretgyűjtemény No. 2. Veszprémi Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék, pp. 97. Kárpáti, Á.; Pásztor, I., Pulai, J. (2004): Nitrogéneltávolítás jelenlegi és távlati lehetőségei a szennyvíz-tisztításban. VÍZMŰ Panoráma, XII. (2) 17-22. 9