A „Kis méretű szennyvíztisztító és víz új h újrahasznosító ító berendezés b d é fejlesztése” f jl té ” TéT 08 RC SHEN kutatási projekt eredményei és jövőbeli alkalmazási lk l á i llehetőségei h tő é i Szakmai – tudományos konferencia Miskolc, 2011. 02. 14.
A koagulálási – flokkulálási rendszer kutatása és továbbfejlesztése, különös tekintettel a biológiai tisztítási rendszerre gyakorolt hatására Prof. Dr. Bárány Sándor, Doc. Dr. Takács János Miskolci Egyetem, MAK Kémiai Intézete és MFK Ny. K. Eljárástechnikai Intézete
Vízben lévő finom szennyezők, és leválasztási lehetőségük
A koagulálás koagulálás, flokkulálás fogalma A kolloid k ll id szemcsék, ék részecskék é kék a víz í oldott ld só ó ionjainak i j i k adszorpciója d iój miatt általában negatív elektromos töltést nyernek. Ezt a töltést zetapotenciálnak nevezzük. Értéke élettelen és ásványi anyagoknál -13 és -20 mV, algák és egyéb mikroorganizmusok esetében valamivel alacsonyabb, -8 és -13mV közötti. E a felületi elektromos töltés a szemcsék között egy gy taszító erőt képvisel, p , mely y nagyobb gy mértékű mint Van der Waals féle vonzóerő. Ezen lebegő E l b ő anyagok k víztől í től való ló leválasztása l ál tá komoly k l problémát blé át jelent. j l t A leválaszthatóság jelentősen javul, ha a szemcsék felületi töltését csökkentjük (legalább -5 mV alá), illetve semlegesítjük, hogy a vonzóerő hatására összetapadjanak, aggregálódjanak, „pelyhesedjenek”. Ezt a folyamatot nevezzük koagulálásnak, flokkulálásnak. A stabilizáló erők csökkentését,, megszüntetését g (kationos) vegyszeradagolással valósítható meg.
Hidrolizáló sók hidrolízis termékeinek nanorészecskéi Hidrolizáló sók: Al2(SO4)3, FeCl3, Fe2(SO4)3, AlCl3, ill. ezek előhidrolizált formái
Al3+→Al(OH)2+→Al(OH)2+→Al(OH)3→Al(OH)4Al2(OH)44+→Al4(OH)84+→Al13O4(OH)247+ A só-koncentráció, hozzáadott dózis, pH, ionerősség és alkalinitás függvényében a HT primer részecskék méretei d=3-50 nm→2-3 µm→10-30 µm . A polimerizált hidroxo-complexumok “cluster”-ket képeznek, pl. Al13 rádiusza ∼40 nm. A vas-sók ók hidrolízis hid lí i termékei ék i is i polimerizálódnak, li i álód k de d sokkal kk l kisebb mértékben, pl. dimer vagy dekamer képződésével. Az Al(OH)3 kicsapatásának optimális pH értéke 4,8-5,0, 4,8 5,0, az üledék legkisebb oldhatósága pH 7,2-7,8. Fe(OH)3 megfelelően pH 4,1 és 6,2
Alumínium sók hidrolízis termékei és kölcsönhatásuk negatív részecskékkel
Flokkuláltatás polimerekkel p Előnyei: - kis reagens g ráfordítás (ppm), ( ) - univerzális reagensek: kis dózisaggregáció, nagy dózis- stabilizáció - nagy térfogatú, laza, gyorsan ülepedő, könnyen szűrhető flokkulumok
B. Thuringiensis baktérium sejtek flokkuláltasának mértéke a bevitt SNF 527 kationos polielektrolit mennyiségének függvényében 4 ,4
1 :5 0 1 :4 0 1 :3 0 1 :2 0 1 :1 0
3 ,9
R
3 ,4 2 ,9 2 ,4 1 ,9 1 ,4 0 ,9 0
5
C
m m
(m l )
10
Paraméterek: 1. A részecskék aggregálódásának mértéke mértéke 2. A minimális polime polimerr-mennyiség, amely szükséges az optimális flokkulációhoz 3. A destabilizációs zóna szélessége szélessége
15
Flokkulánsok alkalmazása a víztisztításban Ivóvízelőkészítés
Ipari szennyvizek tisztítása
1) Al, Fe-sók kisméretű HTR aggregáltatása,
1) Ülepítőkben történő szedimentáció gyorsítása (többszörösen)
2) Al3+ -ionok maradék tartalmának csökkentése
2) Kolloidok vizből való szűrésének gyorsítása és hatékonyság-növelése
3) Nehézfémionok megkötése
3) A szennyvízben levő foszfát tartalom kicsapatása
4) Flokkulumok méretének 4) Zagyok Zagyok, üledékek és sűrűségének szabályozása víztelenítése, sűrítése 5) Élő Élővizek i k zavarosságának á á ké és 5) El Eleveniszap i aggregáltatása ált tá é és elszíneződésének csökkentése ülepítésének gyorsítása
A biológiai tisztítás célja, célja mechanizmusa A biológiai szennyvíztisztítás célja a szerves szennyező anyagok szervetlenné alakítása illetve a tápanyagok eltávolítása, visszaforgatása a természetbe. •
A kommunális szennyvíz y tisztítása során aerob eljárás j alkalmazása az elfogadott a szerves anyag tartalom ártalmatlanítására, lebontására, az ammónia nitrifikációjára, illetve anaerob, anoxikus körülmények között történik a nitrát denitrifikációja. denitrifikációja
Az aerob körülmények között a szerves anyagok lebontás folyamata a következő: – Szilárd szennyezők és mikroorganizmusok közötti adhézió; – Az adhéziált kolloid szennyezők hidrolízise, oldódása; – Primer szerves anyag felvétel a sejtfalon keresztül; – Sejten belül lejátszódó biológiai oxidációval végbemegy a szerves anyag y g lebontása,, valamint a sejtek j szaporodás; p ;
A szerves anyag aerob biológiai lebontásának sémája
Biológiai ammóniamentesítés •
Ni ifiká ió Nitrifikáció: NH4+ + 2 O2 +2HO3
NO3- + 2CO2 + 3H2O + energia
Nitrifikáló mikroorg.
•
Denitrifikáció: redukálósz ervesanyag redukálószervesanyag ⇒ NH 4 ill. N2 NO → 2 NO3 anae anaerobbak térium anaerobakt obaktéérium ium denitrifikáló mikroorg.
C + NO O3 + 5H3O+
0 N2 + 7H2O + OH 0,5 O -
A koagulálási – flokkulálási rendszer kutatása és továbbfejlesztése, különös tekintettel a biológiai tisztítási rendszerre gyakorolt hatására Cél: • A finom kolloid szennyezők koagulálása, koagulálása leválasztása; ennek eredményessége, • A koagulálószerek hatása a foszfát kicsapására és az ammónia-tartalom csökkenésére.
Laboratóriumi kísérletek a koagulálás-ülepítés és a biológiai tisztítás kapcsolatának vizsgálatára •
Milyen kicsapószerrel (szerekkel) lehet leghatékonyabban eltávolítani ltá lít i a szennyvízben í b vegyületek ül t k és é ionok i k formájában f ájáb előforduló foszfort és nitrogént, illetve milyen koaguláló- és/vagy flokkulálószer biztosítja a szennyvíz lebegő (kis méretű szilárd) anyagának pelyhesedését és jó ülepítését?
•
Milyen technológiai megoldások szennyezőanyagok eltávolítását?
•
Milyen további előnyöket rejt a kicsapatással történő foszfor és nitrogén eltávolítása (pl. jobb ülepíthetőség, biológiai szennyvíztisztítás terhelésének csökkentése, stb.)?
•
Az intenzifikált szennyvízülepítés után milyen szennyezettségű víz kerül a biológiai fokozatba?
•
Hogyan alakul H l k l az előkezelt lők lt víz í szükséges ük é t tó k dá i ideje tartózkodási id j a biológiai reaktorban, ill. fokozataiban?
•
y kapcsolásban p kövessék egymást gy az aerob és anox Milyen folyamatok az eredményes nitrogén eltávolítása érdekében?
biztosíthatják
a
fenti
A kísérleti munka rövid leírása •
A modellezéshez rácstisztítás utáni szennyvíz minta állt rendelkezésünkre, amelyet első lépésben koagulálószerrel kezeltünk. A kezelésnél előbb meszet adagoltunk g a szennyvízhez y a pH=9-ig majd vas(III)-szulfátot pH = 8,5-ig. Megfelelő idejű keverés közben a kicsapodások megtörténtek, a koaguláció l ját ód tt Ezután lejátszódott. E tá 30 perces ülepítéssel ül íté l nyertük tük a biológiai bi ló i i tisztítási kísérletekhez szükséges előtisztított szennyvizet. Az aerob rész 4 óra hosszáig g tartott, ugyan gy úgy, gy mint az anaerob ((anox)) fokozat, amelynél a denitrifikáció hatásosságát vizsgáltuk.
•
A kísérleteket elvégezve a tisztított szennyvízben levő lebegő (szilárd) anyagot (mikroorganizmusokat) leülepítettük, majd a derített vízből mintát vettünk, melyeknek meghatároztuk az oldott NH4+, NO2-, NO3-, Pösszes, KOI tartalmát .
A kísérlet lépései 1 k 1. koagulálás, lálá ülepítés ül íté -
A „nagyminta”” pH-jának, és összes tápanyagtartalmának mérése.
-
Ca(OH)2 adagolás a mintákhoz előre meghatározott pH értékig, a kezelt víz ülepítése, majd a derített fázisból tápanyag tartalommérése.
-
Ca (OH)2 adagolás egy előre meghatározott pH értékig, majd Fe2(SO4)3 hozzáadással minden mintánál a 8,6 pH érték beállítása ülepítés, beállítása, ülepítés és a derített rész vizsgálata. vizsgálata
-
Ca(OH)2 adagolás ugyanazon pH értékekig, majd Al2(SO4)3 h hozzáadással á dá l a kezelt k lt szennyvíz í pH-jának H já k 86 8,6-re tö té ő történő beállítása,. ülepítés és a derített fázisból annak tápanyagtartalmának p y g mérése.
Koagulálási g és ülepítési p kísérletek eredménye y Az eredmények alapján megállapítható volt, hogy a derített szennyvíz szilárd (l b ő (lebegőanyag t t l ) jelentősen tartalma) j l tő csökken ökk a kezelésnél k lé él felhasznált f lh ált vegyszerek függvényében. Jelentősen csökkent (több kísérletnél lényegesen 1mg/l alá) az összes foszfor tartalom is, mert a kolloidokban levő foszfor koagulálás után kiülepedett ugyan úgy, mint a kicsapatott a szennyvízben eredetileg oldott f foszforféleségek. f fél é k A maradó dó összes ö f foszfor f tartalmat t t l t a biológiai bi ló i i folyamatokhoz f l t kh elegendőnek tartjuk. Ugyan úgy jelentős a kolloidok, kolloidok lebegő szennyeződések leválasztása következtében a KOI érték csökkenése is, több esetben az eredeti érték közel harmadára csökkent le, ami a biológiai tisztítás tervezése, illetve ü üzemeltetése l é szempontjából jából lényeges. lé A ammónia-nitrogén Az ó i i é illetve ill ö összes nitrogén leválasztása szempontjából az intenzifikált előülepítés nem mondható eredményesnek, minimális változás volt, de ezt előre is tudtuk, mivel a koagulálással, intenzív előülepítéssel ez az oldott komponens a vízből nem távolítható el.
A második szennyvíztisztítási technológiai kísérlet eredményei
Minták
KOI
NH4+/N Összes P
NO3-
NO2-
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
Befolyó sz.v. (kezelés előtt)
244,10
32,60
5,96
0,10
1,60
Befolyó sz.v. sz v (kezelés után)
68 90 68,90
27 40 27,40
0 36 0,36
0 06 0,06
1 60 1,60
(24 40 perc múlva)
Ae erob biológia
(21 10 perc múlva)
Ae erob biológia
(18 80 perc múlva)
Ae erob biológia
(15 50 perc múlva)
Ae erob biológia
(12 20 perc múlva)
Ae erob biológia
(9 90 perc múlva)
Ae erob biológia
(6 60 perc múlva)
Ae erob biológia
(3 30 perc múlva)
Ae erob biológia
kezdete
Aerob biológia A
után)
isszap (kezelés
Recirkulációs R
után)
(keze elés+ülepítés
Rács
Az aerob folyamat hatásosságának vizsgálata
KOI [mg/l]
140
120
100
80
60
40
20
0
A NO3-, a NO2- és az NH4+ - hoz kötött Nkoncentrációk alakulása az anox biológiai folyamat modellezése közben a tartózkodási idő függvényében [mg/l] 80
75,5
70 60 49,4 50
42,2
40 30
25,2
20 10 0,24
2,8
3,89
9,7
9,1
5,67
8,3
6,2 0,62 0,93
Nitrát ion
Nitrit ion
Ammónium ion
múlva)
(240 perc
Anox biológia
múlva)
(180 perc
Anox biológia
múlva)
(120 perc
Anox biológia
(60 perc múlva))
Anox biológia
(30 perc múlva))
Anox biológia
kezdete
biológia
vége, anox
Aerob biológia a
0
Az aerob és anox szennyvízkezelés eredményeinek általános értékelése A szennyvíz í koagulálása, k lálá fl kk lálá flokkulálása, az ülepítés ül íté kedvező k d ő hatással h tá l van a maradó dó szerves anyagok lebontására, illetve a biológiai folyamatokkal megvalósított nitrifikációra és denitrifikációra. Következményeként jelentősen csökken az a KOI, amit az aerob körülmények között a mikroorganizmusok le kell hogy bontsanak aránylag rövid tartózkodási idő mellett, és jelentősen csökken a tápanyagtartalom (elsősorban a környezetben minimum faktorként kezelt foszfortartalom) is, melynek leválasztása a szennyvíztisztításban nagyon fontos feladat. Az anaerob (anox) biológiai körülmények között viszont a víz nitrogéntartalma jelentősen csökkenthető. Az erős koaguláció, flokkuláció hátrányának tüntethetjük fel, hogy az aerob lebontás hatására nagyon kevés szénalapú tápanyag marad a vízben, amely kevés a denitrifikáló mikroorganizmusok számára, de ez nem olyan nagy probléma, mivel ez az intenzifikált előülepítésről lekerülő szennyvízből történő adagolással biztosítható. Véleményünk szerint az aerob és anox körülményeket váltogatva, ciklikusan alkalmazva ez a hátrány teljesen kiküszöbölhető.
Az „A” A” kísérlet ciklusainak eredményei 28,8
18,1
37
37
KOI
0,565
0,83
1
1,15
P
45,6
A
32,9
10,31
25,1
7,44
5 56 5,56
5,67
5 37 5,37
1,69
44 4,4
1,63
1,34
29,3 6,62 2 77 2,77 0,84
[m g/l] [m g/l]
NO3
-
NO3 /N NO2
-
[m g/l] [m g/l] [ g/l] [m /l]
NO2 /N
[m g/l]
+ 4
7,5
2,5
1,8
1,8
NH /N
[m g/l]
19,5
11,57
8,81
9,26
Nösszes
[m g/l]
Aerob Anox
T[h] 1
2
3
4
5
6
Az „B B” kísérlet ciklusainak eredményei 20,4
36
37
KOI
0,805
0,99
1,14
P
40,1
B
36,8
9,06
18,95
8,32
5 16 5,16
4,28
42 4,2
1,57
5 07 5,07
1,28
1,54
[m g/l] [m g/l]
NO3
-
NO3 /N NO2
-
[m g/l] [m g/l] [ g/l] [m /l]
NO2 /N
[m g/l]
+ 4
5
2
1,9
NH /N
[m g/l]
15,63
11,6
7,72
Nösszes
[m g/l]
Aerob Anox
T[h] 1
2
3
4
5
6
A koagulálás és flokkulálás célja a vizsgált kisméretű szennyvíztisztító esetében Az eredményekből A d é kből látható, láth tó hogy h a teljes t lj biológiai bi ló i i tisztítási ti títá i folyamat mindkét esetben 6óra alatt lejátszódott. A tisztított víz KOI értéke 40 mg/l g alá csökkent. A vízben maradt összes foszfortartalom 1 mg/l értéket éppen hogy meghaladja, míg az összes nitrogén k koncentráció t á ió 10 mg/l/l alatti. l tti A folyamat f l t úgy ú bi t ít tt biztosította ezeket a jellemzőket, hogy nem volt külön tápanyag hozzáadás. o áadás Az eredmények alapján egy belső recirkulációt alakítottunk ki a kisméretű szennyvíztisztítónál, azt igyekeztünk optimálni ti ál i a hasonló h ló eredmények d é k elérése lé é érdekében é d kéb
A KOI érték alakulása az idő függvényében Feladás KOI
KOI értékek alakulása a feladott és a tisztított víz esetén
Elmenő KOI
3500
KOI (mg/l)
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 14.szept
19.szept
24.szept
29.szept
04.okt
09.okt
14.okt
Az ortofoszfát koncentráció alakulása az idő függvényében Feladás Ortofoszfát foszfor Elmenő Ortofoszfát foszfor
Ortofoszfát foszfor alakulása
Ortofoszfá át foszfor (m g/l)
8 7 6 5 4 3 2 1 0 14.szept
19.szept
24.szept
29.szept
04.okt
09.okt
14.okt
Konklúziók •
A vizsgálatok eredményei alapján megállapítható: – a tisztításra kerülő szennyvíz koagulálása, flokkulálása, valamint az azt követő ülepítés kedvező hatással van a maradó szerves anyagok lebontására illetve a biológiai folyamatokkal megvalósított nitrifikációra lebontására, és denitrifikációra, – Következményeként jelentősen csökken az a KOI, amit az aerob körülmények között a mikroorganizmusok le kell hogy bontsanak aránylag á l rövid ö id tartózkodási t tó k dá i idő mellett, ll tt és é jelentősen j l tő csökken ökk a tápanyagtartalom is. – Az anaerob (anox) biológiai körülmények között a víz nitrogéntartalma is jelentősen csökkenthetők. – A tisztított víz KOI értéke 40 mg/l alá csökkent, amely lényegesen kisebb érték, mint a kívánatos határérték. A vízben maradt összes foszfortartalom 1 mg/l értéket éppen hogy meghaladja, míg az összes nitrogén koncentráció 10 mg/l alatti. alatti A folyamat úgy biztosította ezeket a jellemzőket, hogy nem volt külön tápanyag hozzáadás.
•
•
Az erős koaguláció, g flokkuláció hátrányának y tüntethetjük j fel, hogy gy az aerob lebontás hatására nagyon kevés szénalapú tápanyag marad a vízben a denitrifikáló mikroorganizmusok számára. Az aerob és anox körülményeket váltogatva, ciklikusan alkalmazva ez a hátrány teljesen kiküszöbölhető. kiküszöbölhető További feladat az eredmények igazolása a kisberendezéssel végzett kísérletekkel, az eredmények, paraméterek optimálása.
Köszönöm a figyelmet!
