VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5
Autotróf nitrogéneltávolítás lehetőségei az iszaprothasztás vízéből, valamint a szennyvíztisztítás főáramából Thury Péter – Kárpáti Árpád Veszprémi Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék
Tárgyszavak: szennyvíztisztítás; aerob; anaerob; nitrogéneltávolítás; nitrifikálás; denitrifikálás. Napjaink tisztítási igénye a környezet fokozódó szennyeződése miatt egyre szigorodik, ami fokozódó költséget jelent. Ez csakis egyidejű biotechnológiai és reaktortechnikai fejlesztéssel csökkenthető. Az utóbbiak a múlt században előbb a hagyományos nitrifikáció/denitrifikáció kialakulását, majd a biológiai többletfoszfor eltávolítást jelentették. Napjainkban a nitrogéneltávolítás teljesen új, döntően autotróf úton történő eltávolításának a fejlesztése folyik. Az autotróf nitritredukciót vagy az ammónium nitrittel végzett eltávolítását ugyan már évtizedekkel ezelőtt felfedezték, gyors fejlesztése csak a kilencvenes évek közepétől indult meg. Csak ekkor ismerték fel, hogy biofilmekkel ez az út is üzemesíthető. A különböző hordozós, biofilmes rendszerek bizonyították a lehetőséget, majd a legutóbbi években az is nyilvánvalóvá vált, hogy speciális tápanyagellátás és levegőztetés esetén a már több mint 30 éve ismert anaerob granulált iszaphoz hasonló szerkezetű aerob granulált iszapban is végbemehet az ammónia részleges nitritálásával végzett deammonifikálás, vagy anaerob ammónium oxidációja (Anammox). Az aerob granulált iszapban az autotróf nitritáló és denitritáló mikroorganizmusok együttese az elvileg lehetséges minimális oxigénigénnyel biztosíthatja a fölösiszapba fel nem vett nitrogénrész elemi nitrogénné alakítását. Kérdés azonban, hogy a mellékágban (a nitrogénterhelés 15–20%-át kitevő meleg, koncentrált ammóniumtartalmú folyadékáram) lehet csak hasznosítani az új megoldást, vagy a teljes többletnitrogén is eltávolítható így, a szennyvíztisztítás
főáramában. Ezt a kérdést elemzi az anyag, részletesen bemutatva a nitrogéneltávolítás legújabb fejlesztési eredményeit.
A szennyvíztisztítás tápanyag-eltávolítása egy iszapkörös megoldásnál A lakossági szennyvizekből a befogadókban mindenütt jelen levő (sőt magával a szennyezéssel is érkező) mikroorganizmusoknak legnagyobb energianyereséget és hasonlóan leggyorsabb szaporodást, legnagyobb iszaphozamot eredményező tápanyagát, a szerves anyagot kell elsődlegesen eltávolítani. Ezt a heterotróf mikroorganizmusok végzik. Ez az átalakítás jelenti a tisztítás oxigénigényének a nagyobb hányadát (50–70 g O2/fő · d). A szennyvíz összetételéből adódó kedvezőtlen adottsága, hogy eközben a keletkező szennyvíziszapba a tisztítóba érkező nitrogénterhelésnek csupán 30–40%-a épül be. A „többletnitrogén” fizikai–kémiai módszerekkel csak nagyon drágán távolítható el a vízből. Ezért évtizedek óta annak az autotróf nitrifikációjával, majd heterotróf (ismételten szerves anyagot igénylő) denitrifikációjával kerül eltávolításra. Ha a szennyvíz ammóniumtartalmát nitráttá alakítják, annak az oxigénigénye csaknem azonos a szerves anyag átalakításának az oxigénigényével. A hagyományos, heterotróf mikroorganizmusokkal végzett denitrifikációval is kevesebb, mint a nitrifikáció oxigénigényének a felére csökken ugyanakkor a nitrogéneltávolítás oxigénigénye. Teljes nitrifikáció és denitrifikáció esetén elméletileg az ammónia nitráttá oxidációjához felhasznált oxigén 5/8-ad része ismételten hasznosulhat. A foszfáttartalom eltávolítása ezekkel szemben nem igényel oxigéntöbbletet. Az elmúlt tíz év fejlesztési eredménye, hogy ma már a nitrát szerves anyagot igénylő redukciója helyett a nitrogéneltávolítást nitriten keresztül, szerves anyag felhasználása nélkül, tehát autotróf mikroorganizmusok segítségével is biztosítani lehet. A meleg iszapvíz nagy sebességű nitritációját (SHARON) követően a denitritáció autotróf vagy heterotróf úton is történhet. Ilyenkor azonban csak a nitrogénterhelés 15, maximálisan 20%-ára lehetett a gazdaságos utat alkalmazni. Annak mintegy 60– 70%-át a szerves anyagok eltávolításával szimultán (nitráton keresztül), az úgynevezett főáramban lehet csak eltávolítani a szennyvízből. Pontosabban a főáram kis ammóniumkoncentrációjú hideg vízében az ilyen átalakításhoz szükséges mikoorganizmus-együttest a legutolsó esztendőkig nem sikerült kellően felszaporítani. A hagyományos, heterotróf
denitrifikációt hasznosító technológiai kialakítást mutatja be az 1. ábra a többletfoszfor-eltávolítás feltüntetése nélkül, elődenitrifikációs változattal.
-
1. ábra Elődenitrifikációval kialakított nitrogéneltávolítás a rothasztó iszapvízének ugyanott történő kezelésével A nagyobb telepeknél, elvileg 20 ezer LEÉ-től, de hazánkban inkább csak 50 ezer LEÉ-től a keletkező szennyvíziszap mennyiségét anaerob rothasztással csökkentik. Ez a metán elektromos árammá alakításával energia-újrahasznosítás, és azzal az üzemeltetési költség is csökken. Ekkor azonban az iszap nitrogéntartalmának fele (a tisztítóra érkező terhelés mintegy 15%-a) visszaforog az iszapvízzel a főáramba, ha annak szeparált nitrogénmentesítésére nem kerül sor. Az utóbbi mennyiség vagy részarány egy mellékágban ugyanakkor szeparált nitrifikációval és denitrifikációval is eltávolítható a szennyvízből. Erre ma már heterotróf és autotróf denitrifikációval is lehetőség nyílik. Ezeket a lehetőségeket azonban csak egy viszonylag ritkán alkalmazott fő áramkörös megoldás, a két iszapkörös vagy kétlépcsős eleveniszapos tisztítás bemutatása után pontosítjuk. Ez utóbbi ugyanis a nagy terhelésű szerves anyag első lépcsős eltávolítását követően a második lépcsőben lehetővé teheti az összes többletnitrogén teljesen autotróf úton, minimális energiaigénnyel, szervesanyag-felhasználás nélküli eltávolítását.
Két iszapkörös tisztítás kiépíthetősége és előnyei Az egy iszapkörös megoldásnak az adott iszaptömeg nitrifikáló sebessége által limitált teljesítménye az iszapvisszatartás növelésével javítható. Ez a biofilmes, iszapgranulátumos változatokkal vagy a membránszeparációs iszapvisszatartás fokozásával lehetséges. Elképzelhető, sőt a gyakorlatban számos helyen kiépített megoldás ugyanakkor a két iszapkörös változat is. Ennek egyik formája a hibrid rendszer egymedencés. Még egyértelműbben elkülönített iszapos a két iszapkörös, két különböző terhelési lépcsős, tisztán eleveniszapos megoldás. A utóbbi első lépcsőjében a nitrifikáló egylépcsős változatnak az 1 kg KOI/m3 · d alatti fajlagos terhelésével szemben tízszer akkora szervesanyag-terheléssel is biztosítható a szerves anyagok kellő mértékű eltávolítása. A heterotróf és autotróf iszapok ilyen szétválasztásával a második lépcsőben a nitrifikáció után az első eleveniszapos medencénél valamivel kisebb térfogatban is biztosítható. Az egy iszapkörös megoldásnál tehát ötször kisebb összes eleveniszapos medencetérfogatra van ilyenkor szükség. A kétlépcsős megoldás óriási hátránya azonban a kétszeri iszapülepítés. A denitrifikációhoz szükséges nagy vízforgatás miatt ezen túl az ülepítők a tisztítandó szennyvízáram többszörösére méretezendők. Ezzel azután csaknem elvész a medencetérfogatok csökkentésével elérhető megtakarítás. A két iszapkörös megoldás elvi kialakítását a 2. ábra mutatja anaerob iszaprothasztást is végző, tehát kellően nagy kapacitású szennyvíztisztítóra.
-
2. ábra Két iszapkörös szennyvíztisztítás a rothasztó iszapvízének a második iszapkörben végzett nitrifikációjával
Egyszerűsödhetne a kétlépcsős tisztítás, ha a második lépcsőben az ammónium eltávolítását teljesen autotróf úton, szerves anyag felhasználása nélkül sikerülne megoldani. Az autotróf denitritálás minimális oxigénfelhasználást eredményezhet a teljes rendszerben, és egyidejűleg maximális energiahasznosítást az első lépcső iszapjának anaerob rothasztásával. Szükségszerűen az első lépcsőben a szerves anyag minél nagyobb mennyiségének szennyvíziszappá, és nem szén-dioxiddá oxidálása a feladat. Ez minél kisebb iszapkor és fajlagos oxigénmennyiség felhasználásával lehetséges. Egyidejűleg az első lépcső iszapja viszonylag sok nitrogént köt meg, ami a rothasztás után a második iszapkörben azután kisebb kölségigénnyel távolítható el. Az autotróf denitrifikáció a második lépcsőben egyben azt is jelentené, hogy nem kell nitrátos vizet visszaforgatni az első iszapkörbe, kis ülepítőkben is elérhető lenne az iszapvisszatartás. Az autotrófok kis iszaphozama kapcsán a második lépcsőben a fázisszeparáció is egyszerűsödhet. Elképzelhető, hogy a jövőben éppen ezért a kétlépcsős megoldásoknál fog gyorsabban elterjedni az iszap visszatartása membránszűrővel. Ez azért is kedvező lehet, mert ilyen szűréssel a tisztított vízből mind az iszap, mind az esetlegesen vegyszerrel kicsapatott foszfor, mind a fertőzésveszélyt jelentő mikroorganizmusok is biztonsággal eltávolíthatók. A membránszűrés a makromolekuláris biológiai termékek (biológiailag nehezen bontható poliszacharidok) és egyéb, le nem bontott hasonló méretű xenobiotikus szerves anyagok jobb eltávolítását is lehetővé teszi. A membránszűrést követően már gyakorlatilag fertőtlenítésre sincs szükség. Az UI-fénnyel végzett utókezelés persze tovább fokozhatja a biztonságot.
Nitrogéneltávolítás nagy ammóniumkoncentrációjú folyadékáramokból Ez az igény a lakossági szennyvíziszap anaerob rothasztása iszapvízénél, valamint egyes élelmiszeripari ágazatok nagy fehérjetartalmú koncentrált szennyvizeinek az anaerob előtisztítását követően jelentkezett. Ezekben a vizekben a lakossági szennyvízénél egy nagyságrenddel nagyobb (500–1500 mg/l) az ammónium koncentrációja, és viszonylag melegek is (25–35 °C). Ammóniumtartalmuk döntően hidrogén-karbonátként van jelen az oldatban. Az utóbbi a metán mellett keletkező széndioxid vízben való elnyelődésének a következménye. Ez a reaktor folyadékának a kémhatását mintegy pufferolja, és egyben az autotróf folyamatok szervetlen szén tápanyagellátását is biztosítja. A nagyobb ammó-
niumtartalom és kedvezőbb vízhőmérséklet miatt a nitriten keresztüli autotróf nitrogéneltávolítás (autotróf denitrifikáció) lehetőségét ilyen iszapvízek nitrogénmentesítésére próbálták először hasznosítani. Az alapok tisztázására vonatkozó kutatások már a múlt század 70es, 80-as éveiben megkezdődtek. Ezekkel persze előbb csak az eleveniszapos rendszerekben káros hatású nitritfelhalmozódást kívánták elkerülni. Később ismerték fel, hogy a nitritet heterotróf mikroorganizmusokkal redukálva is csökkenthető a nitrogénmentesítés oxigén- és szerves tápanyag igénye, és ezzel költsége. A nitritté alakításhoz 25%-kal kevesebb oxigén kell, mint a nitráttá alakításhoz, ugyanakkor a nitrit nitrogénné történő redukciója 40%-kal kevesebb szerves anyagot igényel a heterotróf denitrifikációnál is, mint a nitráté. A kilencvenes évek elején azután nitrogénben gazdag gyógyszergyári szennyvíz rögzített filmes (fluidágyas – háromfázisú – air lift reaktoros) tisztításánál a gyakorlatban is tapasztalták a nitrifikáció és denitrifikáció aerob körülmények közötti szimultán végbemenetelét. Az adott szennyvíz esetében persze a biofilmen túl a viszonylag nagyobb ammóniumkoncentráció és vízhőmérséklet, valamint az oxikus/anoxikus folyamatok ciklizálása is hozzájárulhatott az ammónium nitrites oxidációjának (anaerob denitrifikáció vagy aerob deammonifikáció) a kialakulásához. Nagyjából ebben az időben a szilárd hulladék metánosítók (bioelgázosítás) ammóniumban ugyancsak gazdag, ugyanakkor szerves anyagától döntően megszabadított csurgalékvízének a forgó biológiai kontaktoros (RBC) utótisztításánál is tapasztaltak ugyanilyen autotróf denitrifikációt. Ezzel még egyértelműbbé vált a biofilm szerepe az autotróf denitrifikáció kialakításához kedvező körülmények létrejöttében. Hamarosan tisztázódott, hogy a nitrát oxidációját nagy ammóniumkoncentráció esetén a pH szabályozásával, oxigénkorlátozással, és a hőmérséklet emelésével könnyen vissza lehet szorítani. Híg, hideg vizeknél ugyanakkor ez csakis az ammóniun nitritációjának, és a nitrit denitrifikációjának az összekapcsolásával lehetséges. Ez rendkívül nagy recirkulációt igényel a két reakciótér között, vagy biofilmben, illetőleg granulált iszapban kialakuló vegyes nitritáló/denitritáló mikroorganizmus-közösséggel működhet csak a folyamat. A nitritációt oxigénlimitált környezetben aerob nitrifikáló Nitrosomonas és Nitrozospira fajok, a denitritációt anammox baktériumok (Brocardia anammoxidans) és Kuenenia stuttgartiensis végzik a következő összképletnek megfelelően, kevés autotróf nitráttermeléssel: NH4+ + 0,85 O2 → 0,435 N2 + 0,13 NO3- + 1,3 H2O + 1,4 H+
A környezeti paraméterek szerepe A nitrifikáció vizsgálatának eredményeként a múlt század kilencvenes éveinek közepére már ismeretessé vált, hogy a nitritfelhalmozódás mind a pH, pontosabban a vele növekedő szabad ammónia kocentráció, mind az oxigénlimitáció révén fokozható. A továbbiakban azt is felismerték, hogy a vízhőmérséklet emelése is ebben az irányban hat. A pH tekintetében a 8,2-es érték bizonyult optimálisnak. Ha a hőmérséklet kellően nagy, a pH ilyen mértékű emelésére sincs szükség, az oxigénbevitel szabályozásával is kellően fékezhető a nitrit oxidációja. A nagyobb ammóniumkoncentrációjú folyadékoknál az ammónium teljes oxidációja egyébként jelentős pH-csökkenést eredményezhet, ami magát a nitritációt is jelentősen lelassíthatja, akár le is állíthatja. A pH káros mértékű csökkenése a denitritáció ciklikus beiktatásával akadályozható meg. Ezt először szerves tápanyag megfelelő ciklikus bevitelével, heterotróf denitritációval próbálták kézben tartani. Ez a SHARON technológiánál az egyik denitritációs lehetőség.
Új nitrifikáló fajok elszaporítása Éppen a SHARON vizsgálata során vált egyértelművé, hogy az ammónium nitritté oxidálásában korábban nem azonosított autotróf mikroorganizmus-csoportok is részt vesznek, amelyek a korábbiakhoz képest lényegesen nagyobb átalakítási sebességet biztosítanak. Elszaporodásuknak kedvez a magasabb vízhőmérséklet, és nagyobb ammóniumkoncentráció. A nitritáció a meleg víz esetében akár iszapvisszatartás nélküli, egyenes átfolyású rendszerben is biztosítható, mintegy 1–1,5 napos átlagos hidraulikus tartózkodási idővel. A nitrit redukciója ilyen esetben a heterotróf mikroorganizmusokkal ugyanúgy lehetséges, mint a hagyományos denitrifikációnál a nitráté. A két lépcső összekapcsolása a teljes nitrogéneltávolítás érdekében célszerűen ciklikus denitritációval, szerves tápanyag ellátással, és ennek megfelelően szakaszos betáplálású és levegőztetésű (SBR) üzemmóddal lehetséges. Egyébként a pH stabilizálásához lényegesen nagyobb vegyszerdózis szükséges. Elvileg az sem probléma a heterotróf denitrifikációnál, ha a nitrit egy része nitráttá oxidálódik, hiszen azt is redukálják a heterotrófok. Ilyen megoldást nitrátig való oxidációval a meleg iszapvíz szeparált kezelésére már a nyolcvanas évek közepén alkalmaztak. A kilencvenes évek végén, amikor a nitrit oxidációja visszaszorításának az előnyei egyértelművé váltak, metanol felhasználásával biztosí-
tották a heterotróf denitritációt. A nagy sebességű nitritációt (HRT = 1– 1,5 nap iszapvisszatartás nélkül) ciklizálva kapcsolva az előzőhöz, a keletkező heterotróf iszap éppen a folyamatos iszapkihordás miatt nem zavarta a kisebb iszaphozamú nitritálók elszaporodását, a kialakuló nitritáló kapacitást.
Denitrifikáció autotróf mikroorganizmusokkal Az ammónium csurgalékvizekből való eltávolítása a már korábban említett biofilmes tapasztalatoknak megfelelően teljesen autotróf úton is megoldható. Ilyenkor az elektrondonor a redukciónál az ammónium. Ehhez azonban az ammóniumnak csak a felét kell nitritté oxidálni. A maradékot a keletkező nitrittel úgynevezett anammox mikroorganizmus fajok alakítják nitrogénné, és kis részarányában nitráttá. A nitritációnál (ammónium mintegy felének az oxidációjánál) a keletkező savmennyiség éppen „elfogyasztja” a folyadékfázisból az ammóniummal egyensúlyt tartó hidrogénkarbonátot (NH4HCO3). A szabaddá váló szén-dioxid egyidejűleg kilevegőztetésre kerül. A folyadék pH-ja 7 közelében stabilizálódik. Az anammox átalakítás nem változtatja tovább a rendszer kémhatását. A két folyamat így mintegy önszabályozó. A második lépcső nitritredukciójának maximális sebessége (8,9 kg N/m3 · d) még nagyobb is, mint az ammónium oxidációjáé (1–1,5 kg NH4-N/m3 · d), az átalakítás iszaphozama ugyanakkor rendkívül kicsi. Éppen emiatt a gyakorlatban az anammox lépcső mikroorganizmus-tömegének a felszaporítása igen nehézkesnek bizonyult. Napjainkra azonban már több ilyen nitrogéneltávolítást végző egység kísérleti üzemi, üzemi tapasztalatairól is beszámoltak. Először eleveniszapos formában próbálták az anammox-kultúrát elszaporítani, ez azonban nem sikerült. Ezt követte a filmben, majd granulált formában való immobilizálás. Az első a már említett háromfázisú levegőztető reaktorban, valamint RBC-nél alakult ki spontán a magasabb vízhőmérséklet, ciklikus tápanyag- és levegőellátás, valamint a nagyobb ammóniumkoncentráció hatására. Napjainkra már többféle feláramló levegőztetésű szuszpendált ágyas reaktorokban, elárasztott és mozgó hordozós biofilmes szűrők esetében is sikerült az anammox nitrogéneltávolítást kialakítani. A legújabb fejlesztés a hordozó nélkül, vagy esetleg kis méretű szervetlen gócra kifejlődő granulálódó iszap. Hordozó lehet például vasoxid vagy más alkalmas felületet szolgáltató anyag. A granulálás különösen meghatározónak tűnik a sűrű, kemény, nehéz, egyenletes formájú
golyócskák kialakulásában. Előülepített szennyvizek ilyen tisztításánál fontosnak bizonyult a ciklikus, jó oxigénellátottságú levegőztetés, a levegőztetés nélküli friss ammóniumbevitel (SBR üzemmód), a kellő gázsebesség, valamint a célszervezetek lassú szaporodásának a biztosítása. Mindezeket a már régóta ismert air-lift kialakításban, illetőleg a háromfázisú reaktorelrendezésben sikerült legsikeresebben biztosítani. Valójában egyedül ezt a technológiát javasolják jelenleg a híg lakossági szennyvizek ammóniumfölöslegének a teljesen autotróf úton történő eltávolítására. Az aerob iszapgranuláció az alapja a CANON (Completely Autotrophic Nitrogen Removal over Nitrite) megoldásnak is, amelyet azonban csak a koncentráltabb melegebb iszapvizek feldolgozására javasoltak. Ez sem lépett azonban túl mára még a kísérleti üzemi szinten. Ennél a levegőztetéssel oxigénlimitált környezetet teremtenek (0,2 mg O2/l a folyadékfázisban), és így biztosítják, hogy az ammónium oxidációja leálljon a nitritnél (hőmérséklet és DO-szint szabályozása). A nitritet azután az iszap golyócskáinak a belsejében (anoxiás körülmények között) élő anammox szervezetek alakítják a rendelkezésre álló, megfelelő mennyiségű ammóniával nitrogénné. Mint a korábbiakban már utaltunk arra, ennél a folyamatnál is korlátozott a nitrogéneltávolítás, a nitrogénterhelés mintegy 13%-a nitrátként az tisztított vízben marad, vagy utódenitrifikálással kell azt eltávolítani. Az ilyen megoldás azonban a hígabb szennyvizek esetén önmagában is biztosíthatja akár a jelenleg még kellően szigorúnak ítélt 10 mg TN tisztítási határértéket is.
Autotróf denitrifikáció NOx-adagolással (NOx-process) Hasonlóan újabb felismerés a nitritáció kapcsán, hogy az anammox folyamatban különböző átmeneti oxidációs állapotú nitrogénformák jelentkeznek közti- (NH2OH, N2O, NO, NO2), vagy kisebb mennyiségben végtermékként (N2O) is a nitrogén mellett. Ennek kapcsán vizsgálták az NO és NO2 kis koncentrációban levegőhöz való keverésének hatását. Ez a mérések alapján igen hasznosnak bizonyult, az ammónium nitritációját és az anammox folyamatot is meggyorsította. Ez a megoldás kísérleti üzemi méretben is működik. A tisztító ammóniumterhelését 2 kg N/m3dről 4,7 kg N/m3d-re tudták ezúton növelni. Sajnálatos ugyanakkor, hogy a keletkezett nitritnek, a CANON nitrátmaradékához hasonlóan, 20%-a a tisztított vízben maradt. Ezt a nitritet hasonlóan, heterotróf utódenitrifikálóval kell eltávolítani, például metanol adagolásával.
Nitrogéneltávolítás intenzifikálása hígabb, hidegebb főáramban Az eddigi felismerések erre elvileg két lehetőséget teremtenek. Egyik a csak anaerob iszaprothasztóval rendelkező nagyobb telepek esetében alkalmazható, mellékáramos, heterotróf denitrifikációt hasznosító BABE technológia. Ennek a kialakítását a 3. ábra mutatja. A megoldás a koncentráltabb, melegebb iszapvíz előnyeit hasznosítja a SHARON analógiájára. Ez a főági iszap egy részét vezeti vissza az iszapvízbe (mellékáram) a SHARON-hoz hasonlóan iszapvisszatartás nélkül intenzifikálva abban a nitrifikációt. Az iszapos nitrifikált vizet ezt követően a főágba visszavezetve a felgyorsult nitrifikáció eredményeként megnő a teljes iszaptömeg nitrifikáló kapacitása. Ez a megoldás nagyüzemben is bizonyította életképességét. Mintegy 20–100%-kal nőtt a telep nitrogéneltávolítási kapacitása. Ez annak is következménye, hogy ilyen iszapnál a nagyobb nitrifikáló kapacitás révén a denitrifikáló terek relatív hányada, és ezzel a denitrifikáció mértéke is javítható.
-
3. ábra A rothasztó iszapvízének mellékági nitrifikálása a BABE technológiával
A másik főáramos nitrogéneltávolítás-intenzifikálás, a korábban bemutatott teljesen autotróf nitrogéneltávolítást végző aerob granulált iszapos, vagy bármilyen hasonló biofilmes változat. Ezek elvileg üzemmérettől függetlenül a főáramban is megvalósíthatók. Az utóbbiak egyetlen problémája a kellő hatásfokkal működő baktériumkultúra lassú kialakulása, amelyet azonban feltehetően ugyanúgy lehet kiküszöbölni, mint az anaerob granulált iszap esetében, megfelelő átoltással. Elvileg az utóbbiak mindegyike alkalmas ugyanakkor akár egy, akár két terhelési lépcsős tisztításnál is, mint ahogyan azt a 4. és 5. ábrák mutatják. A két iszaplépcsős változat talán azért lehet kedvezőbb, mert az első lépcső nagy terhelésű eleveniszapos változatánál (iszapkor mintegy 3 nap) megfelelő tervezés és üzemeltetés esetén mind a szerves, mind a lebegő szennyezések döntő része eltávolítható. Ez egyrészt maximálja az energia-visszanyerés lehetőségét, másrészt jelentős versenyelőnybe hozhatja a nitrifikálókat a második lépcsőben. Abban ilyenkor valószínűsíthetően bármelyik auotróf denitrifikációs változat (granulált iszap, airliftes szuszpendált filmes vagy RBC) egyaránt jó hatásfokkal alkalmazható. Egyetlen kritikus pont a nitritáció sebességénék növelhetősége a hígabb vízáramban.
-
4. ábra Aerob granulált iszapos autotróf nitrogéneltávolítás a főáramkörben a teljes szennyvízmennyiségből
-
5. ábra Aerob granulált iszapos autotróf nitrogéneltávolítás két terhelési lépcsős szennyvíztisztító második iszaplépcsőjében
Aerob granulált iszap Ez egyértelműen főáramkörös megoldás, amely jelenleg kísérleti üzemben ciklikus levegőztetéssel (air-lift) és betáplálással (SBR) már működik. Alkalmas mind a nagy, mind a közepes méretű szennyvíztisztítókba a többletnitrogén-terhelés döntő részének autotróf úton való eltávolítására. Kisebb telepek esetén is szóba jöhet, ott azonban a fajlagos költsége már alig jobb a hagyományos megoldásénak, és azon túl az automatizáltsága miatt sokkal nagyobb szervizköltséget, ellenőrzésigényt is jelenthet. Az előülepített lakossági szennyvízből aerob granulálással előállítható iszap sűrűsége olyan, hogy a reaktorban a teljes térfogatra számítható koncentrációja 15–20 g/l. Ez értelemszerűen a fajlagos térfogati nitritáló kapacitás növekedését is jelenti. Mivel az 1–1,5 mm körüli átmérőjű iszapgolyócskák belsejében (limitált tápanyag és oxigénellátás mellett élő, elszaporodó) anammox mikroorganizmusok a denitritáló kapacitást is hasonlóan növelik, nem jelentkezik nitritfelhalmozódás a rendszerben, miközben a teljes térfogatra számítható nitrogéneltávolítás az 1–1,5 kg N/m3d érték körül stabilizálódhat. Ezzel egyidejűleg a KOIterhelés 7 kg/m3d, a relatív iszapterhelés pedig 0,3 kg KOI/kg iszap szá-
raz anyag körül stabilizálható. Ez a nitrogéneltávolító kapacitás ugyan a hagyományos kis terhelésű (teljes tápanyag-eltávolítást biztosító) eleveniszapos rendszerekének mintegy 10–15-szöröse, a reaktortérfogatban ekkora csökkentés mégsem érhető el ilyen megoldással a szakaszos betáplálás és ciklikus üzemeltetés miatt. Az ülepítés eltérő kialakítása ugyanakkor szintén csökkenti a berendezés térfogatigényét, hiszen a granulált iszap ülepedési sebessége is mintegy 10–15-szöröse a hagyományos eleveniszapénak. Az SBR betáplálás miatt szükségszerűen több párhuzamos egységként telepítendő, úgynevezett 3-fázisú (air-lift) levegőztetőtornyok tetején végzik az iszapülepítést. Mindezekkel az előnyökkel az aerob granulált iszapos technológia a hagyományos eleveniszapos rendszerekhez szükséges alapterület 25%-án kiépíthető. Ez különösen kedvező lehet a sűrűn lakott térségekben, ahol a telekárak nagyok. A lényegesen kisebb levegőztetési költség jelentős villamosenergiamegtakarítást jelent, de ma már ez a szennyvíztisztítás költségében nem nagyobb a teljes költség 20%-ánál. Ezzel szemben többletköltség lehet a ciklikus üzem miatt beépítendő nagyobb fúvóteljesítmény, illetőleg a nagyobb berendezésmagasságnál a nagyobb nyomású levegőbevitel, és a megfelelő vezérlés, szabályozás kiépítésének a költsége. A granulálódó iszapos rendszer kialakítása mindenképpen bonyolultabb, ami a beruházás vonatkozásában többletköltség. Az ilyen megoldású szennyvíztisztítás amortizációt és üzemeltetést is tartalmazó fajlagos költségében így már csak 7–17% költségmegtakarítás jelentkezik a gyakorlatilag hasonló hatásfokú, hagyományos eleveniszapos rendszerekéhez képest. Ezeknél is nagyobb problémája az aerob granulált iszapos technológiának, hogy a granulált iszapnak gyenge a szűrőhatása. Elfolyó vizeiket ezért a kihordott lebegőanyagtól (mintegy 50 mg/l, ami a többi paramétert is rontja) homokszűrővel vagy membránszűréssel kell tisztítani. Az első kevésbé kedvelt, az utóbbi viszont még ma is elég drága. Ennek ellenére hosszabb távon bizonyára a membránszűrés jelenti a megoldást, hiszen a membránok ára az elmúlt évtizedben a tizedére esett viszsza, és ez a tendencia talán még folytatódhat.
Nitrogéneltávolítás egyéb intenzifikálási lehetősége főáramban, kétlépcsős kialakításban A nitrifikálók/denitrifikálók granulációja ugyanígy főágban a már említett, második lépcsőben is elképzelhető. Erre még nem végeztek célirányos kísérleteket, de az ipari anaerob rothasztók lebegőanyag-
mentesített elfolyó vizeinek az eddigi tapasztalatai ezt látszanak bizonyítani. Ezeknél ugyan többnyire hordozóra rögzített biofilmben lehetett elszaporítani, immobilizálni a szükséges tenyészetet, ez talán hordozó nélkül granulálva is lehetséges. A bemutatott nitrifikációs/denitrifikációs megoldásoknál a folyadékfázis ammóniumkoncentrációja, pH-ja, hőmérséklete, oxigénellátottsága fontos tényezőnek bizonyult. Mindenképpen meghatározónak tűnik az ammónium koncentrációja a gyors és stabil nitrifikáció és denitrifikáció kialakulásában, bár az előző részfejezetben ismertetett aerob granulált iszap esetében 60 mg/l NH4-N koncentrációval is jól megy a főág hidegebb vízével a nitrogéneltávolítás (1–1,5 kgN/m3d). A kétlépcsős főági kialakítás előtt azt kell pontosítani, hogy ez a nitrogéneltávolítási térfogati teljesítmény tovább növelhető-e a szerves anyag előzetes eltávolításával. A közlemények adataiban a denitritálás nagyobb sebességére is találhatók adatok, de a nitritálás biofilmekben a legkedvezőbb esetben is csak mintegy 2–2,5 kgN/m3d sebességet ért el. Ez arra utal, hogy a szükséges reaktortérfogat a második lépcsőben sem csökkenthető lényegesen. Ugyanakkor mégis kedvező lehet az ilyen kiépítés például a biofilmes RBC, vagy ahhoz hasonló, egyszerű visszamosási lehetőséggel kiépülő expandált ágyas szűrős kialakításoknál, amelyeknek talán sem a beruházási, sem az üzemeltetési költségei nem annyira magasak, mint a granulálódó iszap kialakításához szükséges megoldásé. A második lépcső kis szerves anyag tartalmú szennyvizeinél a jelenlegi filmhordozóknál kedvezőbb anyagok használata is előrelépést jelenthet (mind a fluidizált, mind az expandált ágyas, szűrős megoldások). A kis felületi ammóniumkoncentráció problémáján segíthet olyan hordozó vagy segédanyag, amely felületén ammóniummegkötésre képes. Régóta alkalmazott ilyen anyag a szennyvíztisztításban a zeolit. Kellő finomságú frakciója kettős feladatot is teljesíthet, ioncserélő és filmhordozó is lehet. Különösen kedvező lehet a zeolitos megoldás expandált ágyas, szűrős változata a második lépcsőben, mert a minimális mennyiségben keletkező iszap visszatartása, kiszűrése is javítható azzal. Ilyenkor persze az ágy időszakos visszamosásigénye növelheti meg a költségeket. Ez a költségtöbblet azonban a granulált iszapos változat homokszűrős vagy membrános lebegőanyag-eltávolításánál is jelentkezik. Sajnos a nitrifikáló/denitrifikáló szűrőkre vonatkozóan olyan tapasztalatok vannak, hogy a nitritációja instabil, s könnyen továbbfut nitratációba. Ez viszont a nitrogéneltávolítás hatását időszakosan jelentősen lerontja, az autotróf
úton nem redukálódó nitrát keletkezése miatt. A nitritáló és anammox kultúra visszaállítása hosszabb időt vesz ilyenkor igénybe. Az üzemeltetés pontos szabályozása ezért jelenleg még nem látszik megoldottnak.
Összefoglalás A fentiek ismeretében megállapítható, hogy a szennyvíztisztítás nitrogéneltávolítási folyamatainak pontosítása, és az új lehetőségek gyors műszaki megvalósítása napjaink fejlődése. A nagy ammóniumkoncentrációjú és meleg rothasztói iszapvizek teljesen autotróf úton végzett nitrifikálása/denitrifikálása mindenképpen célszerű, olcsóbb megoldás lehet. A lakossági szennyvizek tisztításánál ez azonban csak az ammóniumterhelés 15, maximálisan 20%-ára jelent megoldást. A főáramban a nitrogén autotróf eltávolítására jelenleg többféle üzemesíthető változat is ígérkezik, de közülük napjainkig csak az aerob granulált iszapos megoldás jutott el a nagyüzemi vizsgálatokig. Ez feltehetően nagy terhelésű eleveniszapos szerves anyag eltávolítás után is kiépíthető, de ilyen kísérletek napjainkig még nem történtek. A nagy és közepes méretű üzemeknél lehetnek ezek a megoldások igazán kedvezőek. Az utóbbi változatnál (két iszapterhelési lépcső) persze az egyéb rögzített biofilmes megoldások is szóba jöhetnek, azonban eddig még azokat sem próbálták ki félüzemi, üzemi méretekben. Hazánkban a hódmezővásárhelyi lakossági szennyvíztisztító adottságai kedvezőek a nagy telepek közül és az écsié a kisebbek közül ilyen rendkívül új, költségtakarékos megoldások kísérleti üzemi, vagy nagyüzemi kipróbálására. Hivatkozások Abelling, U., Seyfried, C. F. (1992) Anaerobic-aerobic treatment of high strength ammonium wastewater-nitrogen removal using nitrite. Wat. Sci. Tech., 26, 1007-15. Bruin, L. M. M. de, Kreuk, M. K. de, Roest, H. F. R. van der, Uijterlinde, C, Loosdrecht, M. C. M. van (2004). Aerobic granular sludge technology: an alternative to activated sludge? Wat. Sci. Tech., 49 (11-12) 1-7. Dapena-Mora, A., Campos, J. L., Mosquera-Corral, A., Jetten, M. S. M., MendezPampin, R. (2004) Stability of the ANAMMOX process in a gas-lift reactor and a SBR. J. of Biotechnology Vol. 110 (2) 159-170.
Derwort, J. L., Campos, J. L., Strous, M., Kuenen, J. G., Jetten, M. S. M. (2002) Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite in one single reactor. Wat. Res., 36, 2475-82. Egli, K., U. Fanger, P. J. J. Alvarez, H. Siegrist, J. R. van der Meer, Zehnder, A. J. B. (2001) Enrichment and characterization of an anammox bacterium from a rotating biological contactor treating ammonium-rich leachate. Arch. Microbiol., 175, 198-207. Fux, C. V., Huang, D., Monti, A., Siegrist, H. (2004a) Difficulties in maintaining longterm partial nitritation of ammonium-rich sludge digester liquids in a moving-bed biofilm reactor (MBBR). Wat. Sci. Tech., 49 (11-12) 53–60. Fux, C. V., Marchesi, V., Brunner, I., Siegrist, H. (2004b) Anaerobic ammonium oxidation of ammonium-rich waste streams in fixed-bed reactors. Wat. Sci. Tech., 49 (11-12) 77–82. Guven, D., Pas-Schoonen, K. van de, Schmid, M. C., Strous, M., Jetten, M. S. M., Sozen, S., Orhon, D., Schmidt, I. (2004). Implementation of the anammox process for improved nitrogen removal. Journal of Environmental Science and Health Part AToxic/ Hazardous Substances & Environmental Enging., 39 (7), 1729-1738. Hanaki, K., Wantawin, C., Ohgaki, S. (1990) Nitrification at low level DO with and without organic loading in a suspended growth reactor. Wat. Res., 24, 297-302. Hellinga, C. A., Schellen, J. W, Mulder, J. W., Loosdrecht, M. C. M. van, Heijnen, J. J. (1998) The SHARON process: an innovative method for nitrogen removal from ammonium-rich wastewater. Wat. Sci. Tech., 37, 135-142. Helmer, C. C., Tromm, A. Hippen, K. H. Rosenwinkel, C. F. Seyfried, M., Kunst, S. (2001) Single stage biological nitrogen removal by nitritation and anaerobic ammonium oxidation in biofilm systems. Wat. Sci. Tech., 43, 311-320. Helmer, C. M., Schmid, E. Filipov, T., Gaul, A., Hippen, K. H., Rosenwinkel, C. F., Seyfried, M., Kunst, S. (2002) Deammonification in biofilm systems: population structure and function. Wat. Sci. Tech., 46, 223-231. Imajo, U., Tokutomi, T., Furukawa, K. (2004) Granulation of Anammox microorganisms in up-flow reactors. Wat. Sci. Tech., 49 (5-6) 155 – 164. Joo, S. H., Kim, D. J., Yoo, I. K., Park, K., Cha, G. C. (2000) Partial nitrification in a biological aerated filter by oxygen limitation, Biotechnol. Lett., 22, 937. Kárpáti, Á. (2003) SHARON és Anammox eljárások – várható hatásuk a szennyvíztisztításban. A szennyvízgyűjtés, tisztítás és iszapkezelés általános problémái. Tanulmánygyűjtemény, Szerk: Kárpáti, Á., Veszprémi Egyetem, KmKTT, 41-55. Kárpáti, Á., Pásztor, I., Pulai, J. (2004) Nitrogéneltávolítás jelenlegi és távlati lehetőségei a szennyvíztisztításban. VÍZMŰ Panoráma, XII. évf. 2004/2. 17-22. Kárpáti, Á., Pulai, J. (2001): Nitrifikáció javításának a lehetőségei kommunális és ipari vegyes szennyvíz többlépcsős tisztításánál (esettanulmány). XV. Országos Környezetvédelmi Konferencia, 2001. Szept. 11-13. Siófok, Kiadványkötet, 94-103. Kreuk, M. K, de, & Bruin, L. M. M, de (2004). Aerobic granule reactor technology. Water and Wastewater Practitioner Series. London: IWA Publishing.
Kreuk, M.K, de, & Loosdrecht, M.C.M. van (2004). Selection of slow growing organisms as a means for improving aerobic granular sludge stability. Wat. Sci. Tech., 49 (11-12), 9-17. McSwain, B. S., Irvine, R. L., Wilderer, P. A. (2004) The effect of intermittent feeding on aerobic granule structure. Wat. Sci. Tech., 49 (11-12) 19–25. Muller, N. (1998) Implementing biofilm carriers into activated sludge process – 15 years of experience. Wat. Sci. Tech., 37 (9) 167-174. Pulai, J., Kárpáti., Á. (2004) Hazai adatok, ismeretek a kétlépcsős eleveniszapos szennyvíztisztításról. Szennyvíztisztítás hazai tapasztalatai, és a szennyvíziszap kezelés, hasznosítás lehetőségei. Tanulmánygyűjtemény, No. 10. Szerk: Kárpáti, Á., Veszprémi Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék, Veszprém, 48-55. Salem, S., Berends, D.H.J.G., van der Roest, H.F., van der Kuij R.J., Loosdrecht, M.C.M. van (2004) Full-scale application of the BABE technology. Wat. Sci. Tech., 50 (7) 87–96. Schmid, M. U., Twachtmann, M. Klein, M. Strous, S. Juretschko, M., Jetten, J. W., Metzger, K. H. (2000) Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable of catalyzing anaerobic ammonium oxidation. Syst. Appl. Microbiol., 23, 93106. Schmidt I., Strous M., Jetten M. S. M. (2002) Microbiology of nitrogen removal. In Encyclopedia for Environmental Microbiology, Chapter 4, Wiley & Sons, NY. 54-62, Schmidt, I., Hermelink, C., Van de Pas-Schoonen, K., Strous, M., Op den Camp, H.J.M., Kuenen, J.G., Jetten, M.S.M. (2003a) Anaerobic ammonia oxidation in the presence of nitrogen Oxides by two different lithotrophs. Appl. Environ. Microbiol., 5351-5357. Schmidt, I., Sliekers, O., Schmid, M., Bock, E., Fuerst, J., Kuenen, J. G., Jetten, M. S. M., Strous, M. (2003b) New concepts of microbial treatment processes for the nitrogen removal in wastewater. FEMS Microbiol. Rev. 27, 481-492. Siegrist, H. S., Reithaar, G. Koch, P. Lais (1998) Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium-rich wastewater without organic carbon. Wat. Sci. Tech., 38, 241-248. Sliekers, A. O., Third, K., Abma, W., Kuenen, J. G. and Jetten, M. S. M. (2003) CANON and Anammox in a gas-lift reactor. FEMS Microbiol. Lett. 218, 339-344. Strous, M., Van Gerven, E., Zheng, P., Kuenen, J. G., Jetten, M. S. M. (1997) Ammonium removal from ammonium-rich waste streams with the Anammox process. Wat. Res., 31 (8) 1955-1962. Strous, M., Fuerst. J. A., Kramer, E. H. M., Logemann, S., Muyzer, G., et al., (1999) Missing lithotroph identified as new Planktomycete. Nature, 400: 446-449. Strous, M., Heijnen, J. J., Kuenen, J. G. Jetten, M. S. M. (1998) The sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of poorly culturable anaerobic ammonium oxiders. Appl. Microbiol. Biotechnol. 50, 589-596
Tay, J.H., Liu,Q.S., Liu,Y.(2004) The effect of up-flow air velocity on the structure of aerobic granules cultivated in a sequencing batch reactor. Wat. Sci. Tech., 49 (1112) 35–40. Khin, T., Annachhatre, A. J. (2004) Novel microbial nitrogen removal processes. Biotechnology Advances, 22, 519-532. Tsuneda, S., Ejiri, Y., Nagano, T., Hirata, A. (2004) Formation mechanism of nitrifying granules observed in an aerobic upflow fluidized bed (AUFB) reactor. Wat. Sci. Tech., 49 (11-12) 27–34. van Benthum, W. A. J., Derissen, B. P., Loosdrecht, M. C. M. van, Heijnen, J. J. (1998) Nitrogen removal using nitrifying biofilm growth and denitrifying suspended growth in a biofilm airlift suspension reactor coupled to a chemostat. Wat. Res., 32, 2009-2018. Van de Graaf, A. A., De Bruijn, P., Robertson, L. A., Jetten, M. S. M., Kuenen, J. G. (1996) Autotrophic growth of anaerobic ammonium oxidizing microorganisms in a fluidized bed reactor. Microbiology (UK) 142, 2187-2196. Van Dongen, L., Jetten, M.S.M., van Loosdrecht, M.C.M. (2001) The combined Sharon/anammox process. IWA Publishers, London UK. Van Loosdrecht, M. C. M., Hao, X., Jetten, M. S. M., Abma, W. (2003) Use of Anammox in urban wastewater treatment. Wat. Sci. Technol.: Water Supply 49 (1) 87-94.
