Környezeti Biológia zennyvíztisztítási Műveletek Bevezetés: A bioszféra fogalma: A földfelszínnek és az atmoszférának az a szintje amelyben élő szervezetek találhatók, valamint az a térség amelyben az élőlény és a környezet kölcsönhatásai megnyilvánulnak, s amelyek együttesen alkotják a teljes környezeti rendszert. Az élővilág szerveződésének ezt az egész földi életet átfogó, legmagasabb szintjét bioszférának nevezzük. A környezetvédelem fogalma: A környezetvédelem a természetes folyamatok, erőforrások természetes megújulási lehetőségét biztosító utólagos beavatkozások, szabályozási intézkedések összességét jelenti. Ebben a felfogásban a környezetvédelem elsődlegesen környezetünk mai állapotának megőrzését célozza. Figyelembe véve mai körülményeinket, erőfeszítéseinket a további környezetromlás megakadályozására vagy a környezetromlás ütemének megfékezésére kell helyezni. Az extenzív környezetvédelem: A környezetvédelemnek azt a formáját tekintjük extenzív környezetvédelemnek, amikor a szennyező technológia káros hatásainak megszüntetésére jön létre a szennyező folyamathoz közvetlenül vagy áttételesen kapcsolódó környezetvédelmi technológiai rendszer. Intenzív környezetvédelem: Hosszú távon a környezetvédelem valós megoldása az intenzív környezetvédelem, az ún. tiszta technológiák kialakítása. Ebben az esetben a környezetvédelem a technológia szerves része. Míg az extenzív környezetvédelem rendszerén kívülrõl történik a beavatkozás a környezeti egyensúly kialakítása érdekében, addig az intenzív környezetvédelem esetében a rendszer egyre inkább önmaga termeli újra ezt az egyensúlyt. A termelésben a károk következményének a felszámolása helyett a károk megelõzésén, az "okozói elv" helyett az "elõzetes gondolkodás elvén" van a hangsúly. Az intenzív környezetvédelem következménye az, hogy a termelési technológiai folyamatokat a természeti rendszerek logikájára kell felépíteni. Ennek lényege, hogy az inputok és outputok olyan láncot képezzenek, amelyek biztosítják a hulladékmentességet. A természetben ugyanis nem értelmezhetõ az ipari termelés logikájából adódó hulladék, hiszen ami az egyik rendszer kibocsátása, "hulladéka" - az a másik rendszer alapanyaga. Végeredményben egy olyan integrált környezetvédelmi rendszert kell kialakítani, amely magában foglalja egyrészt az extenzív környezetvédelem rendszerének tökéletesítését, párosítva a környezetvédelem háttériparának kifejlesztésével, másrészt a technológiai fejlõdés környezetkonform irányba történõ elmozdulását. A környezeti elemek: föld, víz, levegő, élővilág, épített környezet, veszélyes anyagok és technológiák, hulladékok, zaj, rezgés, sugárzás. A zennyvízkezelés alapjai: A szennyvíztisztítási rendszer az érkező szennyvíz minőségétől és az elhelyezés módjától függő, összetett fizikai, kémiai és biológiai folyamatok vezérlésére alkalmas különbözően kialakítható, de egységes technológiai rendszer. 1
A rendszer magába foglalja a szennyvíz gyűjtését (csatornarendszer), kezelését (előtisztítás, tisztítás), elvezetését és elhelyezését. A szennyvízkezelés technológiái: mechanikai tisztítás kémiai/fizikai-kémiai tisztítás biológiai tisztítás: A sejt- és mikrobiológiai ill. biotechnológiai alapok ismeretében a mikroorganizmusok életműködése, anyagcseréje felhasználható a szennyezőanyagok környezetből való eltávolítására. A biológiai szennyvíztisztítás specializált fermentáció, melynek során az alkalmazott mikroorganizmusok szubsztrátként hasznosítják a szennyezőanyagokat. A tárgy célja: a biodegradációs folyamatokat befolyásoló tényezők hatásmechanizmusainak ismertetése, ezek alapján a technológia tervezési alapelvek folyamatcentrikus ismertetése. Feladatok: a szennyezőanyag biodegradálhatóságának jóslása az optimális tisztítórendszer tervezési lépéseinek megadása a meglévő rendszerek költségkímélő optimalizálása A biológiai bonthatóság: A biológiai bonthatóság környezetvédelmi jelentősége először az 60-as évek elején mutatkozott meg, amikor Németországban a Rajna jelentős elszennyeződése folyományaként életbe lépett az ún. detergenstörvény, amely megtiltotta a nem ill. nehezen biodegradálható felületaktív anyagok gyártását. Definíciói: Biodegradáció: egy szerves vegyület biológiai transzformációja egy másik vegyületté. Mineralizáció: egy adott vegyület átalakítása szén-dioxiddá, vízzé, és különböző szervetlen vegyületekké (a folyamat után szerves szén nem marad oldott állapotban). Primer bonthatóság áll fenn amennyiben a biológiai folyamat során a vegyület jellege a legkisebb mértékben is megváltozik. Részleges bonthatóság: a lebontás foka a primer bonthatóság és a mineralizáció között helyezkedik el. Elfogadható (acceptable) biodegradáció: a biodegradáció során a vegyület elveszti környezetre káros hatását. 2
A vegyületek osztályozása biodegradálhatóságuk szerint: Nehezen biodegradálható (ún. perzisztens) szennyezők: biológiai lebontásuk lassú folyamat ill. nem lehetséges. Pl.: peszticidek, oldószerek, színezékek, detergensek, klórozott aromás vegyületek Általában ipari szennyvizekben jellemző a nehezen biodegradálható szennyezések nagy aránya. Könnyen biodegradálható: általában oldott anyagok, lebontásuk gyors, ill. a mikroorganizmusok legtöbbje számára lehetséges. Pl.: cukrok, ecetsav, etanol, metanol A kommunális szennyvizek túlnyomó többségben könnyen biodegradálható szennyezéseket tartalmaznak. A szennyezőanyagok környezeti hatásai: Nehezen biodegradálható szennyezőanyagok: felhalmozódnak a környezetben, és a kritikus koncentrációt elérve toxikus hatást fejtenek ki. Egyéb kedvezőtlen hatások: pl. habzás, vízben oxigénátadás csökkenése. Könnyen biodegradálható szennyezőanyagok: a mikrobiológiai folyamatok következtében az élővízben elfogy az oxigén (anaerobitás), ennek következtében halpusztulás, anaerob rothadás állhat elő. Nitrogén és foszfor vegyületek jelenlétében eutrofizáció alakul ki. A szennyezett vizek jellemzésére szolgáló paraméterek: Kémiai oxigénigény (KOI, mg/l): A vízben levő anyagok redukálóképessége, amelyet az oxigénfogyasztás mérésével állapítanak meg. A mérés maga oxidálóanyagokkal (pl. káliumpermanganát, kromát) történik. Az elfogyasztott oxigént a víz térfogategységre vonatkoztatják. A KOI egyenesen arányos a víz teljes szervesanyag tartalmával. Biokémiai Oxigénigény (BOI, mg/l): A szennyvízben levő szerves anyagok baktériumok okozta aerob oxidációjához szükséges oldott oxigén mennyisége, amely alkalmasan választott időtartamra, meghatározott vízhőmérsékletre vonatkozik. Jellemzően alkalmazott BOI paraméterek a 20 C-on végzett 1, 5, 20 napos bontás során mért (BOI 1, BOI 5, BOI 20 ) értékek. Leggyakrabban a BOI 5 -öt alkalmazzák. A BOI érték a szennyvízben jelenlévő biodegradálható szervesanyag mennyiségével arányos. Nitrát, ammónia, foszfát koncentráció (mg/l) Nem oldott lebegőanyag koncentráció (mg/l): a víz 40 mikronos szűrőpapíron történő szűrése után a felfogott szüredék mennyisége. A szennyezőanyag-lebontás kinetikája A biológiai szennyezők eltávolításának hatékonysága a mikroorganizmusok metabolizmusától függ. A mikroorganizmusok metabolizmusát meghatározza a tápanyagként felhasználható szubsztrátok minősége és mennyisége. A szubsztrátokat anyagcseresebességre gyakorolt hatásuk alapján négy csoportba sorolhatjuk (ld. ábra). Az anyagcseresebesség az esetek 3
túlnyomó többségében arányos a szubsztrátfogyás sebességével. (Az szubsztrátkoncentráció alatt a mikroorganizmus környezetében fennálló szubsztrátkoncentráció értendő) Anyagcsere sebesség Biológiailag bontható, nem toxikus Biológiailag nem bontható, nem toxikus Biológiailag nem bontható, toxikus Biológiailag bontható, toxikus zennyvízkomponensek besorolása és hatásuk a mikroorganizmusok anyagcsere sebességére A szennyvizek tisztításánál különös figyelmet kell szentelni a biológiailag bontható, toxikus anyagok csoportjára, amelyek az ún. Andrews-kinetika szerint viselkednek. Az ilyen jellegű szubsztrát ugyanis, koncentrációtól függően növelheti is és csökkentheti is az anyagcsere sebességét, azaz kis koncentrációnál a mikroorganizmusok fel tudják használni a növekedéshez, míg nagy koncentrációban gátló ill. mérgező hatása van. Monod-kinetika: Biológiailag bontható, nem toxikus szubsztrátok esetén alkalmazható. dx dt = µ * x = µ max K dx µ = Y x / + d d dt = r s 1 = Y x / s dx dt ahol: µ fajlagos növekedési sebesség (1/nap) szubsztrátkoncentráció (g/l) K s féltelítési állandó (g/l) Y x/s hozam (g/g) Andrews-kinetika: µ Biológiailag bontható, toxikus szubsztrátok esetén alkalmazandó. Változás a Monod-kinetikához képest: µ µ = µ max, ahol K 2 i inhibíciós állandó. K + + K i 4
A lebontandó szennyezőanyag kapcsolódása a mikroorganizmus enzimrendszeréhez A mikroorganizmus genomja (genotípusa) meghatározza, hogy a mikroorganizmus metabolizmusa milyen szubsztrátokat képes hasznosítani ill. bontani. A mikroorganizmus fenotípusa az adott körülmények között funkcionáló metabolikus tulajdonságok összessége.!!! A genomban kódolt tulajdonságok nem feltétlenül jelennek meg a fenotípusban!!! Enzim: a biokémiai folyamatok katalizátora zubsztrátok csoportosítása: Growth-szubsztrát: a mikroorganizmus enzimrendszere képes bontani, és a szubsztrát v. lebontási termékei bekapcsolódnak az energiatermelés folyamatába. Non-growth szubsztrát: sem a szubsztrát, sem lebontási termékei nem kapcsolódnak be az energiatermelés folyamatába. Enzim indukáló szubsztrát: aktiválja a mikroorganizmus enzimrendszerét, ilyen módon a mikroorganizmus képes biodegradálni. Enzimet nem indukáló szubsztrát: nem indukálja a mikroorganizmus enzimrendszerét, ilyen módon önmagában nem képes biodegradációt előidézni. Figyelem!!! Ez nem jelenti azt, hogy nem biodegradálható!!! Enzimet nem indukáló szubsztrátok biodegradációja akkor lehetséges, ha a rendszerben jelen van egy másik szubsztrát, amely képes az adott enzimrendszert aktiválni. Kometabolizmus: egy non-growth szubsztrát biotranszformációja egy growth-szubsztrát obligát jelenlétében. A mikroorganizmusok energiagazdálkodása: A heterotrof mikoorganizmusok kizárólag kémiai energiát képesek hasznosítani. Az autotrof mikroorganizmusok egy része (fotoszintetizálók) a fényenergiát is képesek felhasználni. Az általános energiavaluta az élőlények anyagcseréjében az ATP (adenozin trifoszfát). A mikroorganizmusok energiatermelő anyagcserefolyamatai lejátszódhatnak oxigén jelenlétében (aerob metabolizmus) ill. oxigén hiányában (anaerob ill. anoxikus) metabolizmus. C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 aerob mikroorganizmusok 6 CO 2 + 6 H 2 O G = -2880 KJ/mol C 6 H 12 O 6 anaerob mikroorganizmusok 3 CO 2 + 3 CH 4 G = -404 KJ/mol Látható, hogy energiatermelés szempontjából sokkal hatékonyabb az aerob metabolizmus (a reakció során felszabaduló energia jóval nagyobb). Ennek megfelelően oxigén jelenlétében az aerob mikroorganizmusok metabolikus előnyt élveznek az anaerobokkal szemben, ezért aerob körülmények között anaerob folyamatok nem játszódnak le a biomasszában. 5
A metabolizmus oxidációs és redukciós folyamatok összessége. A mikroorganizmus energiát nyer a szerves vegyületek oxidációjával. Mivel a lejátszódó oxidációs és redukciós folyamatok eredője 0, a szükség van olyan vegyületre, amely redukálódik, azaz elektront vesz fel. Ez a vegyület az ún. terminális elektronakcepor. Aerob esetben ez a vegyület az oxigén. Amennyiben oxigén nincs jelen a rendszerben, más vegyületek szolgálhatnak elektronakceptorként. A különböző elektronakceptoroknak különbözik az oxidáló ereje (standard redoxpotenciálja), ennek megfelelően változik a metabolizmus során kinyerhető energia mennyisége. Elektronakceptor redoxpár O 2 / H 2 O NO 3 - /NO 2 - NO 2 - /NO O 4 2- /O 3 2- CO 2 /CH 4 Kinyerhető energiamennyiség csökken Anoxikus körülmények: amennyiben oxigén nincs jelen a rendszerben, nitrát azonban igen, így ez szolgál elektronakceptorként. Az ún. denitrifikáló mikroorganizmusok a nitrátot nitritté, majd elemi nitrogénné redukálják, ez a folyamat a denitrifikáció. Anaerob körülmények: sem oxigén, sem nitrát nincs jelen a rendszerben. Amennyiben szulfát jelen van a rendszerben elektronakceptorként szulfittá (O 3 2- ) és később kénhidrogénné (H 2 ) redukálódik szulfátredukáló mikroorganizmusok hatására. Amennyiben szulfát sincs jelen a rendszerben a szén szolgál elektronakceptorként, és metán keletkezik (metanogén baktériumok). Az anaerob folyamatok során melléktermékként illósavak (pl. ecetsav, vajsav) keletkeznek. Fontos!!! Mivel az energiagazdálkodás szepontjából előnyösebb helyzetben vannak, az aerob organizmusok metabolikus előnyt élveznek a denitrifikálókkal szemben, a denitrifikálók előnyt élveznek a szulfátredukálókkal szemben, szulfátredukálók előnyt élveznek a metanogénekkel szemben. pontán és irányított biodegradáció a tároló és csatornarendszerekben A csatornarendszerekben szállított szennyvíz önmagában is tartalmaz különböző mikroorganizmusokat, ilyen módon biológiai tevékenység zajlik a csatornarendszerekben A sík területeken kiépített csatornarendszereknél nyomott vezetékekkel továbbítják a szennyvizet, majd gravitációs vezetékkel szállítják a következő átemelőhöz. Nyomott vezeték Csillapító akna Átemelő Gravitációs vezeték Átemelő szivattyú 6
A nyomott vezetékben dugószerű áramlás alakul ki, levegő hiányában különösen a hosszú nyomott vezetékeknél anaerob folyamatok játszódnak le a rendszerben, mivel s szennyvíz nem érintkezik a levegővel. Az anaerob folyamatok következtében kénhidrogén termelődés indul. Hátránya: bűzös (záptojásszag) és mérgező (munkahelyi haárérték 10 ppm). úlyos esetben 1000 ppm-es koncentráció is fennállhat az átemelők légterében. További hátrány, hogy rendkívül korrozív. H 2 + 2 O 2 = H 2 O 4 Az anaerob folyamatok melléktermékeként illósavak keletkeznek, amelyek szintén igen bűzösek. zagtalanítási eljárások: zag maszkírozás: más illatanyagokkal történő elfedés. Hátránya: az illatanyag is zavaró lehet, ezenkívül nem hat a korrózióra. Levegőztetés: megszünteti az anaerob viszonyokat a csatornarendszerben, ilyen módon megakadályozza a kénhidrogén termelődését. Hártánya: a technológia kiépítése és üzemeltetése drága, ezenkívül erőteljes biodegradáció zajlik a csatornarendszerben, ennek során igen nagy mennyiségű iszap biomassza keletkezik, amelynek a továbbítása nehéz. H 2 O 2, HOCl, KMnO 4 adagolás: hasonlóan a levegőztetéshez megszünteti az anaerob körülményeket. Hátránya: magas vegyszerköltség. Erősen korrozív anyagok. Biofilterek, ill. levegőszűrők alkalmazása: a csatornarendszerek légteréből távozó levegőt biológiailag ill. kémiailag aktív szűrőkön vezetik keresztül, melyeken eltávolítják a légszennyező anyagokat. Hátrány: a korróziót nem kezeli, a csatornarendszert gyakorlatilag légmentesen le kell zárni, az anaerobitás méginkább elmélyül. Nitrátadagolás: CaNO 3 formában. A csatornarendszerbe nitrátot juttatunk, így a rendszer anoxikussá válik, ilyen módon a kénhidrogéntermelődésre nincs lehetőség. Alapvető megállapítások: A csatornarendszerben a biodegradáció döntően anaerob. Az anaerobitás elmélyülésével bűzhatás, korrózió lép fel a kénhidrogén, ill. illósavak keletkezésével. Erre az anaerobitás fokának csökkentésével lehet reagálni Ez az aerob vagy a denitrifikáló mikroorganizmusok metabolikus előnyének kihasználásával lehetséges Az anaerobitás kialakulásának veszélyét lehet csökkenteni az kis tartózkodási idejű csatornaszakaszok és rövid nyomott vezetékek kialakításával. 7
Limitált nitrátadagolás alkalmazása Elvi alapja: a denitrifikáló mikroorganizmusok metabolikus előnye a szulfátredukálókkal szemben: 2- - CH 3 COOH + O 4 H 2 + 2 HCO 3 G av =5.95 KJ/e-mol 5 CH 3 COOH + 8 NO - 3 + 8 H + denitrifikálók 4 N 2 + 10 CO 2 +14 H 2 O G av =98.99 KJ/e-mol A hatékony alkalmazás kulcsa a megfelelő adagolási stratégia kialakítása. Adagolási problémák: Alúladagolás: nem érhető el a megfelelő eredmény, továbbra is kéhidrogén keletkezés figyelhető meg. Túladagolás: zulfát redukálók Befolyó szennyvíz Másodlagos anaerob réteg kialakulása Kezelt szennyvíz NO 3 - N 2 H 2 Nitrát túladagolás A nitrátfogyasztó baktériumok túlszaporodása Túladagolás esetén a csatornában kialakul egy vastag biofilm melynek alsóbb rétegei anaerobok lehetnek, mivel diffúzióval nem jut el oda a nitrát. Ilyen módon a túlzott nitrátadagolás másodlagos anaerob rétegek kialakulását okozza. A biomassza túlszaporodása a csatornarendszerben a szennyvíz megfelelő továbbítását is akadályozhatja. Ilyen módon mind a lokális, mind a globális nitrát túladagolás elkerülendő. A hatékony nitrátoldat adagolás a megfelelő adagolóhelyek kiválasztásával ill. on-line szabályozórendszer alkalmazásával lehetséges. 8
Az eleveniszapos szennyvíztisztítás A csatornában összegyűjtött szennyvizet tisztítótelepekre vezetik. A világon legelterjedtebben alkalmazott szennyvíztisztítási eljárás az eleveniszapos technológia. zennyvíz Előülepítő Bioreaktorok Utóülepítő zilárd szennyezés Iszaprecirkuláció Az eleveniszapos szennyvíztisztító telep sémája Tisztított víz Fölösiszap elvétel Eleveniszapos szennyvíztisztító telepeken a szennyvizet először durva ill. finom rácson vezetik át, ahol eltávolítják a nagyobb szilárd szennyeződéseket. A vizet ezután homokfogóra vezetik, ahol eltávolíthatók a kisebb átmérőjű, nagyobb fajsúlyú szennyeződések. A szennyvíz ezután előülepítőbe kerül (technológiai lehetőség pl. Dorr-ülepítő, hosszanti átfolyású ülepítő), ahol a nem oldott szennyeződések (lebegőanyag) nagyrészt távoznak a rendszerből. A szennyvíz ezután a bioreaktorba kerül. A bioreaktorban helyezkedik el az ún. eleveniszap biomassza, egy heterogén mikroorganizmus szuszpenzió. A bioreaktorokban megtörténik a szennyezőanyagok biológiai eltávolítása (vö. Monod ill. Andrews kinetika). A szuszpenzió ezek után az utóülepítőbe kerül, ahol elválasztják a biomasszát a tisztított víztől.!!! Az utóülepítési lépés hatékonysága az egész technológia hatékonyságát befolyásolja, hiszen a biomassza önmagában is szennyező (BOI, KOI értéket képvisel), amennyiben nem választható el a vízből megfelelő mértékben!!! Az elfolyó vizet ezután fertőtlenítőbe (pl. klórozó) vezetik, majd beeresztik a befogadó vízbázisba. Az utóülepítőben kiülepített iszap egy részét eltávolítják a rendszerből (fölösiszap elvétel), a másik részét recirkuláltatják a bioreaktorokba. A bioreaktor anyagmérlege: dx V = Qx0 Qxe + µ x dt e V X 0 X e Q, Q, 0 X e e Ahol V a reaktor térfogata (m 3 ) X 0 befolyó iszapkoncentráció (g/l) X e reaktorban uralkodó iszapkoncentráció (g/l) Q térfogatáram (m 3 /nap) µ - fajlagos növekedési sebesség (1/nap) 0 - befolyó szubsztrátkoncentráció (g/l) e elfolyó szubsztrátkoncentráció (g/l) tökéletesen kever tartályreaktor (CTR) 9
Iszaprecirkuláció: A kiülepített eleveniszap nagy részét visszavezetik a bioreaktorba. Miért van erre szükség? A biomassza anyagmérleg egyenletéből felírható állandósult állapotra: dx 0 = V = Qx0 Qxe + µ xe V dt Amennyiben feltételezzük hogy a bioreaktorba befolyó biomassza mennyisége 0 (x 0 =0), felírható: µ x e Q x V 1 = x τ = e e 1 µ = τ V τ = Q Ahol τ a hidraulikai tartózkodási idő (h). Azaz állandósult állapotban a hidraulikai tartózkodási idő reciproka meg kell hogy egyezzen a mikroorganizmusok szaporodási sebességével. Ez igen nagy bioreaktorok kiépítését tenné szükségessé. Ha a hidraulikai tartózkodási idő reciproka nagyobb a szaporodási sebességnél, a reaktor leürül, a mikroorganizmusok kimosódnak a rendszerből. Amennyiben iszaprecirkulációt alkalmazunk a rendszerben, folyamatosan újraoltjuk a bioreaktort a kimosódott mikroorganizmusokkal. Azaz x 0 >0. Ebben az esetben iszap csupán az iszapelvétel útján távozik a rendszerből, így a reaktorokban az iszapkoncentráció jól szabályozható. Recirkuláció alkalmazása esetén az ún. iszap tartózkodási idő (RT sludge retention time (h)) különbözik a hidraulikai tartózkodási időtől. Ilyenkor RT >> τ. τ = 3 V ( m ) 3 Q( m / h) RT 3 3 V ( m ) xe ( kg / m ) = iszapelvétel( kg / h) Állandósult állapotban az iszap tartózkodási ideje megegyezik a mikroorganizmusok növekedési sebességének reciprokával (RT=1/µ). A bioreaktor elrendezés hatása az eleveniszapos rendszer működésére Tökéletesen kevert tartályreaktor (CTR): 0 e X 0 X e Q, Q, 0 X e e 10
Tökéletesen kevert tartályreaktor esetén a reaktorban kialakuló szubsztrátkoncentráció megegyezik az elfolyó szubsztrátkoncentrációval. orba kapcsolt reaktorok: 0 1 2 e X 0 1 2 e Q, Q, 0 e X e orba kapcsolt reaktorok esetén különböző szubsztrátkoncentráció értékek alakulnak ki a különböző bioreaktorokban. Ilyen módon szubsztrátprofil alakítható ki, ezt kihasználva a tisztítás hatékonysága fokozható a CTR-hez képest, azaz: Azonos szennyvízterhelés mellett nagyobb szennyezőanyag-eltávolítás érhető el azonos össz bioreaktor térfogatban. Vagy: Nagyobb terhelés viselhető el azonos összes reaktortérfogatban, azonos tisztítási követelmények mellett. Vagy: Azonos terhelés mellett azonos elfolyó követelmények tarthatók kisebb össz reaktortérfogattal. Az eleveniszap biomassza ülepíthetősége Az eleveniszapos szennyvíztisztító telepek hatékonyságát jelentősen befolyásolja a biodegradációt végző biomassza ülepíthetősége. A bioreaktorokban szuszpenzió formájában jelenlevő eleveniszap bizonyos tartózkodási idő után az utóülepítőbe kerül, ahol megtörténik a biomassza ill. az egyéb szilárd szennyezők kiülepítése a tisztított vízből. A telep hatékony működését alapvetően veszélyezteti, ha az ülepítési lépés során az eleveniszap nem választható el megfelelően a tisztított víztől. Ilyen esetekben lehetetlenné válik az előírt elfolyó-határértékek betartása, ill. szélsőséges helyzetben bizonyos időszakokra a tisztító telep maga is szennyezőforrássá válhat, mivel a tisztított víz jelentős mennyiségű biomasszát sodor magával. Ennek megfelelően az eleveniszap mikroflóra ülepíthetőségének vizsgálata, az 11
ülepedési problémák okának feltárása és hatékony kezelése rendkívül nagy jelentőségű a vonatkozó telepek működtetése szempontjából. Jól ülepíthetőnek minősül az az eleveniszap, amely az ülepítés során rövid idő alatt tiszta felülúszót és sűrű iszapüledéket eredményez. Az ülepedési képesség számszerűsítése a Mohlmann-index alkalmazásával történik. A Mohlmann-index 1 l eleveniszapban 30 perc ülepedési idő után kialakult iszaptérfogat és az iszapkoncentráció hányadosa megadja 1 g iszap 30 perces ülepedési térfogatát. Erre utal az angol elnevezés: ludge Volume Index (VI, [cm 3 /g]). A flokkulumszerkezetet befolyásoló tényezők A bioreaktorokban tartózkodó mikroorganizmusok aggregált részecskéket, pelyheket ún. flokkulumokat képeznek. A flokkulumok struktúrája és mérete nagymértékben befolyásolja az eleveniszap ülepíthetőségét. Ismert tény, hogy az eleveniszapban jelenlevő baktériumok csoportjai alapvetően kétféle morfológiával jellemezhetők: fonalas és flokkulens struktúrával. Az iszap ülepedési tulajdonságai nagymértékben függenek e két megjelenési forma arányától. Az ábra szerint háromféle flokkulum alapszerkezet különböztethető meg a flokkulens/fonalas arányt figyelembe véve. a. Elfonalasodott szerkezet b. Flokkulens szerkezet c. Optimális szerkezet Flokkulum-alapszerkezetek Az a struktúrájú elfonalasodott iszap rendkívül nehezen ülepíthető, az VI értékek ilyen esetben igen magasak, fonalas szerkezete révén viszont jó szűrőkapacitással rendelkezik, ami tiszta felülúszót eredményez. A flokkulens iszap ( b ) VI értékei alacsonyak, azonban fonalas szervezetek hiányában a felülúszó zavaros, nagy lebegőanyag-tartalmú. Az optimális iszapszerkezet a flokkulens és a fonalas formák kiegyensúlyozott arányánál áll fenn ( c ). Ennél a struktúránál érvényesül a fonalak szűrőképessége az ülepedőképesség jelentős romlása nélkül. A flokkulens és a fonalas mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebessége különbözőképpen függ a szubsztrátkoncentrációtól, ezt kihasználva a flokkulens/fonalas arány szabályozható. 12
µ 2 1 Flokkulens Fonalas A flokkulensek és fonalasok fajlagos növekedési sebességének függése a szubsztrátkoncentrációtól A flokkulens/fonalas arány szabályozására alkalmas rendszerek az ún. szelektoros rendszerek. A szelektoros rendszerek (ld. ábra) a sorba kapcsolt reaktorok egy fajtájának tekinthetők. Az ilyen technológiáknál a tisztító medencék előtt, sorba kötve egy elkülönített tér, az ún. szelektor helyezkedik el. Az elkülönített szelektortérben a további bioreaktorok környezeti paramétereitől (tápanyag-koncentráció, oxigén-koncentráció, stb.) eltérő értékeket lehet fenntartani. Ilyen módon bizonyos egyébként a rendszerből kimosódó, ill. csekély hatékonysággal működő mikroorganizmusok eleveniszapban való felszaporítása (szelekciója) válik lehetővé. Befolyó zelektor 1 További bioreaktorok 2 Utóülepítő Tisztított víz Iszaprecirkuláció Fölösiszap elvétel zelektoros rendszer kapcsolási sémája Az ábrák alapján látható, hogy a szelektorban kialakuló magas 1 iszapkoncentráció a flokkulensek szaporodásának kedvez, míg a további bioreaktorok alacsony szubsztrátkoncentrációja a fonalasok szaporodását segíti. A biomassza a recirkuláción keresztül keveredik, így a flokkulensek keverednak a fonalasokaal és kialakulhat az ideális iszapszerkezet. 13
Biológiai nitrogéneltávolítás: Két lépcsője: Nitrifikáció: NH 3 NO 2 NO 3 a nitrifikáló mikroorganizmusok az ammóniát nitritté, ill. később nitráttá oxidálják. A nitrifikáló organizmusok autotrófok, nincs szükségük az energiatermeléshez szervesanyagra. Kizárólag oxigén jelenlétében (aerob körülmények között) élnek. Denitrifikáció: NO 3 NO 2 N 2 a denitrifikáló mikroorganizmusok anoxikus körülmények között (oxigén hiányában) a nitrátot elemi nitrogénné képesek redukálni. A denitrifikáló organizmusok heterotrofok, élettevékenységükhöz szükség van biodegradálható szervesanyagra. A kombinált nitrifikáció és denitrifikáció során a szennyező nitrogéntartalom nitrogén gáz formájában eltávozik a rendszerből.!!! Rendkívül hasznos, mivel egy szennyező a környezetre ártalmatlan formában távozik a rendszerből!! A kombinált nitrifikáció, denitrifikáció technológiai megvalósításának lehetőségei: Utó-denitrifikáció: Pótszénforrás EÜ N DN L UÜ1 fölösiszap elvétel Az előülepített szennyvíz aerob térbe kerül (nitrifikáló tér, N), ahol megtörténik a szervesanyagok lebontása ill. az ammónia nitráttá alakítása (nitrifikáció). Az aerob tér után nem levegőztetett reaktorba (denitrifikáló tér, DN) kerül a biomassza, ahol a befolyó nitrát anoxikus körülmények között denitrifikálódik. Hártánya: mivel az aerob térben a szénforrás nagyrésze elfogy, pótszénforrás adagolása szükséges. 14
Elő-denitrifikáció EÜ DN N UÜ1 elegyrecirk iszaprecirk fölösiszap elvétel Az elő-denitrifikáció során az előülepített befolyó szennyvíz nem levegőztetett reaktorba kerül (DN), majd átfolyik a levegőztetett reaktorba (N). A levegőztetett reaktorban megtörténik a nitrifikáció, a keletkezett nitrátot elegyrecirkulációval ill. iszaprecirkulációval juttatjuk vissza a denitrifikáló térbe, ahol a befolyó szennyvíz szervesanyag tartalmának felhasználásával megtörténik a denitrifikáció. 15