A szennyvíztisztítás célja és alapvető technológiái

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék A környezetvédelem alapjai Dr. Jobbágy Andrea egyetemi docens A szennyvíztisztítás célja és alapvető technológiái Témakörök I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége II. A biodegradációt befolyásoló tényezők III. A biodegradáció kinetikája IV. A szennyvíz lebomlása a csatornarendszerben, bűzképződés és -megelőzés V. Szennyvíztisztítási technológiák 1

I. A biológiai bonthatóság fogalma és környezetvédelmi jelentősége Mi a szennyvíz? Used water használt víz Wastewater hulladék víz Abwasser kilépő víz Fekáliás szennyvíz Kommunális szennyvizek eredete 2

Kommunális szennyvizek eredete A vízfogyasztásban nagy különbségek vannak 10 9 8 Telepek száma 7 6 5 4 3 2 1 0 Vízfogy. l/fő,nap 60 alatt 60-80 80-100 100-120 120-140 140 felett Ipari szennyvíz 3

Érzékeny befogadó Balaton Nem érzékeny befogadó Szabad kiömlő a befogadón 4

Szabad kiömlő a befogadón A budai főgyűjtő A tisztítótelepek vízgyűjtő területei Duna 2500 m 3 /s Ráckevei-Soroksári Duna-ág 25 m 3 /s 5

Biodegradáció jelentősége a környezetben Kommunális Jól biodegradálható Tisztítás Ipari Jól vagy rosszul biodegradálható Tisztítás M Befogadó Biodegradálható: mikroorganizmusok által bontható Biodegradáció jelentősége a környezetben Rajna habzott az 50-es évek végén Biodegradáció jelentősége a környezetben Vegyi üzemek a Rajna mentén 50-es évek végén Basel: Sandoz, Ciba, Geigy (jelenleg Novartis), Hoffmann-La Roche (gyógyszer- és vegyszergyárak) Karlsruhe: Németország legnagyobb olajfinomítója Mannheim: Boehringer Mannheim (jelenleg Roche; gyógyszerdiagnosztika), Fuchs Petrolub AG (kenőanyag gyár) Ludwigshafen: BASF (Badische Anilin- und Soda-Fabrik; vegyi gyár) Höchst: Hoechst AG (később Aventis), IG Farben (gyógyszergyárak) Leverkusen: Bayer AG (gyógyszergyár) 6

Biodegradáció jelentősége a környezetben A habzó anyag: Anionaktív detergens: TPBS (tetrapropilén-benzol-szulfonsav) H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- - SO 3 - Na + : 60% para CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- : 8% meta CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 SO 3 - Na + H 3 C-CH- CH 2 -CH-CH 2 -CH-CH 2 -CH- : 32% orto CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 SO - 3 Na + Biodegradáció jelentősége a környezetben 1962. Detergens törvény, NSZK. Megtiltja a biológiailag nehezen bontható anionaktív detergensek gyártását. Mérési metodika Analitikai módszer Biológiai bonthatóság: Biodegradation means the biological transformation of an organic chemical to another form, no extent is implied. C. P. Leslie Grady Jr. Biodegradáció jelentősége a környezetben Gyakorlat számára leginkább felhasználható definíciók: Mineralizáció: eredménye CO 2, H 2 O, szervetlen anyagok (pl.: ammónia) és elszaporodott biomassza (oldott szerves szén nem marad) Elsősorban biogén anyagok Elfogadható bonthatóság: Az anyag elveszíti környezetre káros hatását (pl.: habzás, mérgező tulajdonság) 7

II. A biodegradációt befolyásoló tényezők A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők M(genotípus, fenotípus) egyéb tápanyagok másik S S M : mikroorganizmus : környezet Táptalaj komponensek: S : szubsztrát (mikroorganizmusok által hozzáférhető anyag) másik S (kometabolízis) egyéb tápanyagok: N, P, ásványi sók A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők M(genotípus, fenotípus) egyéb tápanyagok S Hagyományos környezeti tényezők: hőfok ph oldott oxigén elérhetősége másik S 8

Anyagcsere sebesség Egyedsűrűség (anyagcsere sebesség) OPTIMUM A hőfok és a ph hatása Tolerancia tartomány T, ph Mikroorganizmus típusok anyagcseréjének hőfokfüggése Pszichrofil Mezofil Termofil Ökológiai tényező (hőfok) Környezet oldott oxigén elérhetőség szerint Aerob: oxigén megfelelő mennyiségben elérhető Anoxikus: oxigén nincs, de van NO 3- és/vagy NO 2 - Anaerob: oxigén nincs, NO 3- és NO 2- nincs, de lehet SO 4 2-9

Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok szuszpendálva : iszappehely akár 1000 μm : baktérium 0,5-5 μm Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Mikroorganizmusok biofilmben hordozó A kiszűrt lebegőanyagot és az elszaporodott biomasszát el kell távolítani: visszamosás Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Diszperz- biofilm rendszerek (fixen beépített hordozó) Pl.: szennyvíz hordozó Pl.: tisztított víz 10

Reaktor kialakítás önállóan aggregálva vagy kötött ágyon Diszperz- biofilm rendszerek (lebegő hordozó) Pl.: szennyvíz Pl.: tisztított víz Reaktor kialakítás tagolt vagy tagolatlan reaktorok S e Párhuzamos: Befolyó S o S e S e Elfolyó S e Soros: Befolyó Koncentráció gradiens Elfolyó S o S e S 1 > S 2 > S 3 > S e III. A biodegradáció kinetikája 11

A biodegradáció kinetikája Szennyezőanyag lebontás: Szubsztrát (C,H,O,esetleg N) + szervetlen anyagok M többlet biomassza + CO 2 + H 2 O + anyagcsere termékek Megfelelő környezetben Biodegradáció koncentráció függése ANT Anyagcseresebesség Növelő Tényező levegőztetés oxigén elektród szubsztrát anyagcsere sebessége ANT alapanyagcsere sebessége (endogén metabolízis) S (konc.: S 1, S 2,.S n ) oldott O 2 konc. S M, tápsó idő A biodegradáció kinetikája ANT ANT Anyagcseresebesség Növelő Tényező Biológiailag bontható, nem toxikus 1 Biológiailag nem bontható, nem toxikus Biológiailag nem bontható, toxikus Biológiailag bontható, toxikus Szennyezőanyag koncentráció (S) 12

Monod kinetika a nem toxikus anyagokra ahol : dx x dt x mikroorganizmusok koncentrációja [g/l] μ fajlagos szaporodási (növekedési) sebesség [d -1 ] Fajlagos szaporodási sebesség: max S K S S ahol : μ max maximális fajlagos szaporodási sebesség [d -1 ] S szubsztrát koncentráció [mg/l] K S féltelítési koefficiens [mg/l] Monod kinetika a nem toxikus anyagokra Szaporodási sebesség: max S K S S max max 2 Szimulációs modellek alapja K S Szervesanyag koncentráció (S) Többlet biomassza keletkezése x S Y x S (függ a reakciótól) Ahol: x: keletkező biomassza mennyisége S: eliminált szubsztrát mennyisége Y x/s : hozam (függ: C-forrás, mikroorganizmus, körülmények) 13

Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Szubsztrát: 5 ecetsav o M1 5 CH 3 COOH + 10 O 2 10 CO 2 + 10 H 2 O Keletkező energia (kj/reakció) ~4400 o 5 CH 3 COOH + 8NO 3- + 8 H + M1 4N 2 + 10 CO 2 + 14H 2 O ~4000 o 5 CH 3 COOH + 5 SO 2- M2 4 5 H 2 S + 10 HCO - 3 M3 o 5 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 ~210 ~140 IV. A szennyvíz lebomlása a csatornarendszerben, bűzképződés és -megelőzés A szennyvíz útja Tisztítótelep Szennyvíz Befogadó Háztartási (Kommunális) Ipari 14

Csatornázottság növelésének lehetőségei Helyi tisztító telepek építése Regionális rendszerek kialakítása Kistelepülések összekapcsolása Becsatlakozás meglévő hálózatra Szennyvíztisztító telep Bűzképződés Biodegradáció a csatornában Befolyó szennyvíz biofilm Kilépő szennyvíz Megtapadt biofilm ill. üledék Hosszú tartózkodási idő Magas szennyvízhőfok A spontán biodegradáció a rendszer kialakításától, üzemeltetésétől és a körülményektől függő irányban és mértékben folyik A biodegradáció iránya az oxigén elérhetősége szerint Gravitációs csatornák, oxigén elérhető Sík terepen: nyomócső Teljes mértékben kitöltött, oxigén nincs (nitrát sincs) Szennyvíztisztító telep 15

Anaerob biodegradáció a csatornarendszerben LEBEGŐ SZUSZPENDÁLT ANYAGOK Sejttörmelék Fehérjék Szénhidrátok Zsírok Aminosavak Egyszerű cukrok Hosszú láncú zsírsavak Szerves illósavak (elsősorban ecetsav) Hidrogén METÁN és/vagy KÉNHIDROGÉN A kénhidrogén kedvezőtlen hatásai Bűzképzés (szagküszöb: 0,1 ppb) Mérgező hatás Műtárgyak esetében erőteljes korrózió H 2 S + 2 O 2 H 2 SO 4 16

Bűzpanaszok a Balaton környezetében VII. VI. IV. III. V./b V./a II. I. Csatornarendszer Szennyvíztisztító telep Regional limits Napközben Este 17

Bűzmegelőző eljárások Tüneti kezelések Pl.: Fedőszag Kénhidrogén termelés elnyomása oxigén vagy nitrát adagolással H 2 S kiáramlás meggátlása Kiszívás és feloxidálás A biofilmben nem bűztermelő baktériumok szaporodnak el Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Szubsztrát: 5 ecetsav o M1 5 CH 3 COOH + 10 O 2 10 CO 2 + 10 H 2 O Keletkező energia (kj/reakció) ~4400 o 5 CH 3 COOH + 8NO 3- + 8 H + M1 4N 2 + 10 CO 2 + 14H 2 O ~4000 o 5 CH 3 COOH + 5 SO 2- M2 4 5 H 2 S + 10 HCO - 3 M3 o 5 CH 3 COOH CH 4 + CO 2 ~210 ~140 A bűzképzés nitrát adagolással való gátlásának alapja A nitrát felhasználás metabolikus előnye Keletkező energia (kj/reakció) o 5 CH 3 COOH + 8NO 3- + 8 H + M1 4N 2 + 10 CO 2 + 14H 2 O ~4000 o 5 CH 3 COOH + 5 SO 2- M2 4 5 H 2 S + 10 HCO - 3 ~210 M1: denitrifikáló M2: szulfát redukáló 18

Modell csatornarendszer Elfolyó Szennyvíz 1,2,3- átemelő; 1a,2a,3a-csillapító akna ; 4-előülepítő ; 5-eleveniszapos medence ; 6- utóülepítő nyomócső gravitációs csatorna Modell csatornarendszer Átemelő az üledékkel 19

A tanszéki eljárás újdonsága A denitrifikálók túlszaporodásának meggátlása Befolyó szennyvíz Másodlagos anaerob réteg kialakulása NO - 3 N H 2 2S Kezelt szennyvíz Nitrát túladagolás A nitrátfogyasztó baktériumok túlszaporodása A DRV Zrt.-tanszéki eljárás alkalmazása a Siófok Nyugati Szennyvízelvezető Rendszeren (1991-1992) Rz-I Rs-XIV Rz-III R-I R-IV Rz-V Rz-VI R-V R-VIII Rz-VII R-VII Átemelő Nyomócső Gravitációs csatorna Nitrát adagolóhely R-VI R-IX Siófok SzVT 42 Átemelő 13 Adagolóhely 26 km Az R-VIII. átemelő kritikus helyzete Nyaralók 20

H 2 S koncentráció, ppm A Tanszéken kifejlesztett eljárás eredménye (R-VIII. átemelő légterében, 1992): 400 350 H2S koncentráció [ppm] 300 250 200 150 100 nitrátadagolás nélkül aug. 17-én, nitrátadagolással aug. 16-án. 50 0 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 Time Idő, h Az R-VIII. átemelőnél szálloda épült Hotel További alkalmazások Balaton körül, Velencei tónál (Dunántúli Regionális Vízmű Zrt.) Budapestre becsatlakozó csatornákon (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) Duna jobb és balpartján (Duna Menti Regionális Vízmű Zrt.) Kistelepüléseken (Bakonykarszt Zrt.) Athéni parti csatorna rendszeren (NATO projekt) 21

V. Szennyvíztisztítási technológiák A szennyvíz minősítése S szubsztrát szerves anyag Gyűjtő 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 (oxidáló ágens) 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 oldott oxigén mennyisége [mg O 2 /l szennyvíz] Meghatározás (respirometriás módszerrel): A műszer regisztrálja a mérőedények gázterének a mintában elszaporodott biomassza O 2 fogyasztása miatti nyomás változását. (A keletkező CO 2-ot NaOH pasztillával nyeletjük el). TOC összes szerves szén [mg/l] Meghatározás: A készülék a mintát 1050C-on CeO 2 katalizátor jelenlétében elégeti és IR detektorral méri a keletkező CO 2 mennyiségét. A szennyvíz minősítése Lebegő anyag: 0,45μm-es pórusátmérőjű szűrőpapíron felfogott szilárd anyag tömege az átszűrt szennyvíztérfogatra vonatkoztatva [mg/l] Egyedi komponensek (speciális analitika) N formák (NH 4+,NO 3-,NO 2-, szerves-n, TN) [mg/l] P formák (PO 4 3-, TP) [mg/l] Egyéb komponensek (pl.: anionok, kationok, stb.) [mg/l] 22

Szennyvízminőség meghatározása eredet szerint tervezési paraméter Átlagban a lakosok vízfogyasztása és szennyezőanyag kibocsátása azonos A vízárak növekedésével a fogyasztás visszaesett Szennyvízdíj és kezelt mennyiség (Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.) 350 250 300 250 vízhozam [million m3] szennyvíz díj [HUF/m3] 200 millió m3/év 200 150 100 50 150 100 50 0 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 19 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 év 0 A tanszéki felmérés eredménye Rendkívül nagy eltérések a fogyasztott vízmennyiségben 10 9 8 7 Telepek száma 6 5 4 3 2 1 0 Vízfogy. l/fő, nap 60 alatt 60-80 80-100 100-120 120-140 140 felett 23

A tanszéki felmérés eredménye Nagy különbségek a befolyó szervesanyag tartalomban 14 12 Telepek száma 10 8 6 4 2 0 KOI (mg/l) 500 alatt 500-800 800-1100 1100-1400 1400-1700 1700 felett A tanszéki felmérés eredménye Nagy eltérések az általában magas ammónia tartalomban 12 10 Telepek száma 8 6 4 2 Nemzetközi modellezési gyakorlatban tipikus érték: 25-30 mg/l NH 4-N 0 NH4-N (mg/l) 30 alatt 30-50 50-70 70-90 90-110 110 felett Az egységes kommunális szennyvíz fogalma tarthatatlan Vízárak növekedése Eltérő lakossági vízfogyasztási szokások Csatornarendszer különböző kialakítása Eltérő szennyvízminőség Különböző tisztítási követelmények Különböző szennyvíztisztítási technológiák alkalmazásának szükségessége 24

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. A szennyvíztisztítás folyamata Nyers szennyvíz A biológiai tisztítás előnye: kisebb képződő iszapmennyiség (szervesanyag részben CO 2 -dá alakul) Rács Előülepítő Biológia Utóülepítő Tisztított szennyvíz Homokfogó Nyers iszap Fölös iszap Rács 25

Homokfogó Előülepítő Biológia 26

Utóülepítő Tisztított szennyvíz Az eleveniszapos szennyvíztisztítás világszerte a leggyakoribb Oldott szervesanyag Nehezen biodegradálható szervesanyag Nem biodegradálható lebegőanyag Tisztítandó szennyvíz Kémiai kezelés Utóülepítő Előülepítő Eleveniszapos bioreaktor Tisztított elfolyó Nyersiszap Fölösiszap 27

Fajlagos szaporodási sebesség (μ) Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: Q C (iszapkor) SRT = Solids Residence Time 1 1 d SRT = Q C d X kg V m 3 3 m kg Iszapelvétel d Fajlagos szaporodási sebesség Rendszerbeli biomassza mennyisége dx Iszapelvét el szaporodás V V x dt Szétválasztási probléma akadályozza a nagy biomassza koncentráció fenntartását Hagyományos megoldás: több utóülepítő és reaktor építés Laboratóriumi modellszennyvízzel Ülepedés vizsgálat Az eleveniszap ülepedés javítása szelektorral Eleveniszap pehely S 0 S 0 S S Szelektor S e S s Flokkulens S e Fonalas S e S e Tagolatlan reaktor Tagolt reaktor S e Monod kinetika Szennyezőanyag koncentráció (S) 28

A szelektor hatásának szemléltetése modell szennyvízzel Szelektor nélküli rendszer Szelektoros rendszer Szelektoros rendszer Szelektor nélküli rendszer Laborkísérlet szelektorral és anélkül Ülepedés a két rendszerben A mikroszkopikus szerkezet és az ülepedés összefüggése Szelektor nélküli rendszer Szelektoros rendszer Szelektor nélküli rendszer Szelektoros rendszer Ülepedés a két rendszerben A biológiai nitrogéneltávolítás 29

A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáció: szerves N Nitrifikáció: ammónia-n Denitrifikáció: nitrát-n ammónia-n nitrát-n nitrogén gáz A tisztítandó szennyvíz nitrogén tartalma TN = NH 4 -N + szerves N az oxidált szervetlen N formák (NO 3- és NO 2- ) mennyisége általában elhanyagolható szerves N TN ~ 20-50 % szennyvízfüggő, csatornafüggő, hőfokfüggő Nitrifikáció NH 4+ + 1,5 O 2 NO 2- + 0,5 O 2 Nitrosomonas Nitrobacter NO 2- + 2H + + H 2 O + 275 KJ 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 30

Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje: Q C (iszapkor) 1 1 d Q C d X kg V m 3 3 aerob m kg Iszapelvétel d Fajlagos szaporodási sebesség Rendszerbeli biomassza mennyisége nagy reaktortérfogat nagy x (szelektorok, biofilm reaktorok, diszperz-biofilm reaktorok) 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, például: 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 Tio-karbamid 75%-os inhibíciót eredményező koncentráció [mg/l] 19,5 1,9 38 35 18 12,8 460 1,1 2400 0,8 5,6 0,9 0,08 31

Súlyos szervesanyag hiány Denitrifikáció korlátozott szénforrással Súlyos nitrogén hiány Denitrifikáció Szerves C-forrás + NO 3 - Fakultatívan aerob mikroorganizmusok N 2 gáz Oxigén távollétében Denitrifikálható szénforrás igény Nagy különbségek a hozzáférhető szervesanyag/eltávolítandó nitrogén arányban Telepek száma 14 12 10 8 6 4 2 0 BOI/NH 4N 4 alatt 4-6 6-8 8-15 15-20 20 felett Hatékony denitrifikáció megfelelő mennyiségű szénforrással Denitrifikáló medencék kialakításának optimálása Annak ellenére, hogy a fakultatívan aerob, denitrifikáló mikroorganizmusok az oxigén-felhasználást részesítik előnyben, a denitrifikációs medencék nyitottak. 32

Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe Levegő bekeverés denitrifikáló medencébe 33

Úszó fedlap az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen 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 NO 3- - recirkuláció pót C 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 Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges Fölösiszap elvétel 34