DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS TÉZISFÜZETE
AZ ANAEROB ISZAPROTHASZTÁS UTÁN KELETKEZİ ISZAPVÍZ MINİSÉGE, ÉS ANNAK HATÁSA A TISZTÍTÁS FİÁGÁRA
Írta: THURY PÉTER Pannon Egyetem Vegyészmérnöki Tudományok és Anyagtudományok doktori iskola
Témavezetı: Dr. Kárpáti Árpád Egyetemi docens
Környezetmérnöki Intézet Pannon Egyetem Veszprém 2009
1
BEVEZETÉS Napjaink szennyvíztisztításának egyik kiemelkedı feladata a tisztítás során keletkezı melléktermékek hasznosítható anyagokká történı átalakítása. Ez egyes esetekben anaerob szennyvíziszap rothasztók telepítését, üzemeltetését jelenti. Az anaerob rothasztók megjelenésével azonban – a hagyományos szennyvíztisztító telepeken megjelenı belsı terhelések mellett – egy újabb meghatározó belsı terhelését okozó részáram keletkezik, melynek kezelése, de legalább figyelembe vétele a kialakított szennyvíztisztítási technológia üzemeltethetıségének egyik kulcsfontosságú pontja. Disszertációmban részletesen foglalkozom az anaerob rothasztóval rendelkezı hazai szennyvíztisztító telepek mőködési paramétereinek felülvizsgálatával, valamint az ugyanott keletkezı iszapvizek speciális analitikai vizsgálatával. A vizsgálatok célja, hogy • komplex, összefoglaló felmérés készüljön a hazai szennyvíztisztító telepek rothasztóinak üzemi paramétereirıl, • ugyanezen telepek esetén a hazai körülmények között elérhetı biogáz termelési lehetıségeket, villamos energia használatot és termelést összegezze, • alapadatokat szolgáltasson késıbbi mellékkörös, speciális iszapvíz nitrogénmentesítési eljárások lehetıségeinek megítéléséhez, annak indokoltságáról, • alapadatokat szolgáltasson a késıbbi mellékkörös speciális iszapvíz nitrogénmentesítési eljáráshoz illeszthetı struvitképzés lehetıségérıl, indokoltságáról, • alapadatokat szolgáltasson a nitriten keresztül történı nitrogéneltávolítást megvalósító rendszerek szoftveres szimulációval támogatott felülvizsgálatához, tervezéséhez. KÍSÉRLETI VIZSGÁLATI MÓDSZEREK A dolgozat elkészítése során számos egyedi és összegzı kémiai paramétert vizsgáltam, valamint a biológiai oxigénigényt is meghatároztam. A paraméterek meghatározáshoz szabványos és nem szabványos módszereket alkalmaztam. Az iszapvizek esetén mértem azok kémiai és biológiai oxigénigényét, összes-, és ammónium-nitrogén tartalmát, összes-, és ortofoszfát-foszfor, valamint magnézium koncentrációját, pH-ját. A frakcionáláshoz különbözı pórusátmérıjő (15 µm, 2 µm, 0,45 µm) szőrıközegen történı szőrést alkalmaztam. A KOI frakciók meghatározásához a biokémiai oxigénigény, valamint az inert frakciók meghatározásán alapuló módszert alkalmaztam. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. A hagyományos biológiai oxigénigény alapú, a BOItot érték alapján történı SBKOI frakció meghatározás az iszapvíz esetében módosításra szorul. Ezt az iszapvíz lassan bontható KOI frakcióját alkotó szerves anyagok nyers szennyvízétıl eltérı minısége miatt kell elvégezni.
2
1.1.
1.2.
A települési vizektıl eltérı anaerob rothasztó iszapvize esetén a BOI alapú mérést, valamint az inert frakciók meghatározását biztosító hosszú idıtartamú BOI mérést párhuzamosan kell elvégezni. Az fBOI faktor mellé egy újabb faktor bevezetését kell megtenni, amelyet fISZ-nek neveztem el (1. Egyenlet). fISZ értéke a hazai iszapvizeket megvizsgálva átlagosan 0,31-nek adódott (0,14-0,6 tartományban). Az iszapvizek esetén késıbbiekben végezni kívánt BKOI meghatározások esetén fISZ értéke használható, BKOI értéke az egyenlet átrendezésével és egyszerő BOI mérés alapján kiszámítható. fISZ =
ahol: fISZ BKOI fBOI BOItot
BKOI − BOI tot − fBOI BKOI
(1)
Iszapvíz biológiailag bontható szerves anyagaira jellemzı faktor Biológiailag bontható KOI Települési vizek esetén javasolt érték (0,15) BOI mérés körülményeibıl számítható teljes BOI
2. Az iszapvizek tisztítására alkalmazott technológiák szoftveres tervezéséhez a hazai telepekrıl begyőjtött iszapvizek esetén az általam módosított eljárással határoztam meg a KOI frakciókat: 2.1. Az átlagos oldott inert (SI) frakció koncentrációja 95 mg/l-nek adódott (20,9 %-os részaránnyal), amelyhez 72 mg/l-es (14,4 %-os részarányú) oldott könnyen bontható (SS) frakció tartozott. A lebegı inert frakció (XI) 156 mg/l-es átlagértékő (30,3 %-os részarány), a lebegı, biológiailag lassan bontható frakció átlagosan 178 mg/l koncentrációjú (34,4 %-os részarányt). 2.2. A hazai iszapvizek KOI frakciói a települési szennyvizek esetén tapasztalható 15-35%-os inert frakció aránynál nagyobb, mintegy 50%-os biológiailag nem bontható részaránnyal rendelkeznek. A nagyobb inert részarány ugyanúgy igaz mind a lebegıanyag, mind pedig az oldott komponensek esetén is. A lebegı frakció aránya gyakorlatilag megegyezik a települési elıülepített szennyvizével, azonban a biológiailag bontható oldott frakció részaránya messze elmarad a települési elıülepített szennyvíz hasonló komponensétıl. 2.3. A hazai iszapvizek biológiailag bontható KOI frakciója (BKOI/KOItot) 0,49, BOI5/KOI aránya pedig átlagosan 0,23 értékő, a TN/NH4-N arány 1,27, a KOI/TN 0,45, a KOI/NH4-N 0,57-es átlagértékő. 2.4. A TN tartalom mintegy 88%-a, az NH4-N tartalom mintegy 89%-a oldott formában van jelen. 3. Az anaerob rothasztást követıen keletkezı iszapvizek foszfor, illetve ammónium tartalmának struvitként történı eltávolítási lehetıségének elvi tisztázása érdekében a hazai iszapvizekbıl megvizsgáltam azok foszfor/ortofoszfát, ammónium-nitrogén és magnézium tartalmát. Az eredmények alapján megállapítottam, hogy a hazai anaerob rothasztást követıen keletkezı iszapvizek esetén nincs realitása azok
3
nitrogén és foszfor tartalmának struvitként történı mesterséges eltávolításának. Erre a megállapításra az alábbi mérési adatokból jutottam: 3.1. az oldott formában mérhetı ortofoszfát koncentrációja átlagosan 28,8 mg/l (2,8-128,7 mg/l minimum és maximum értékekkel), 3.2. az oldott ortofoszfát mennyisége az iszapvízben a szennyvíztisztítás során alkalmazott fémsódózis növelésével csökken, 3.3. a limitáló tényezı az oldott formában lévı ortofoszfát. Az 1:1:1 Mg2+:NH4+:PO43- mólarány nem biztosított a víztelenítı berendezések után vett mintákból, 3.4. az ammónium:magnézium mólarányt átlagosan 17-nek, az ammónium:ortofoszfát mólarányt átlagosan 89-nek, a magnézium:ortofoszfát mólarányt 5-nek mértem, 3.5. az iszapvíz minták ortofoszfát-foszfor tartalmának mintegy 5-szöröse összes foszfort tartalmaznak, melynek átlagos értéke 54,4 mg/l. 4. A hazai anaerob rothasztóval rendelkezı telepek általános üzemelési adatainak összegyőjtése, valamint az iszapvíz fıágra történı visszavezetésének eredményeként kialakuló belsı terhelés meghatározása, a telepeken nyerhetı biogáz mennyisége, annak hasznosítása, és a tisztítás általános villamosenergia igényének összefoglalása érdekében üzemeltetıi adatszolgáltatáson alapuló felülvizsgálatot végeztem. A felülvizsgálat eredményeivel adatokat szolgáltatok hazai anaerob rothasztók mőszaki és üzemeltetési költség-tervezéséhez. Megállapítottam, hogy: 4.1. az iszapvízzel a fıágra kerülı KOI terhelés átlagosan mintegy 0,7, a TN terhelés átlagosan 10,3; a TP terhelés átlagosan mintegy 3,5 százalékban növeli annak terhelését, 4.2. az iszapvizek oldott inert KOI-je átlagosan mintegy 1,1 mg/l értékkel növeli az adott szennyvízteleprıl elfolyó KOI-t, 4.3. a rothasztás során mintegy 0,71 m3CH4/kg MLVSS, 0,47 m3CH4/kg KOI, 13,9 m3CH4/103LE, 102,8 m3CH4/103m3 szennyvíz biogáz fajlagos értékekkel számolhatunk, 4.4. a rothasztókban átlagosan 1,85 kg KOI/m3d és 1,23 kgMLVSS/m3d terhelés alakul ki a 26,3 napos HRT értékek mellett. EREDMÉNYEK IPARI ALKALMAZHATÓSÁGA Az elvégzett analitikai vizsgálatok eredményeként világossá vált, hogy az anaerob rothasztóval rendelkezı szennyvíztisztító telepek esetén az iszapvíz által okozott belsı biológiai terhelés az összes nitrogén tekintetében meghatározó paraméter. Új, anaerob szennyvíziszap rothasztóval létesülı szennyvíztisztító telepek tervezésénél, jelenlegiek optimalizálásánál a többletterhelés figyelembevétele szükséges. Az iszapvizek esetén meghatározott KOI frakciók a mellékkörös nitriten keresztül lejátszódó speciális nitrogéneltávolítási, de a hagyományos a fıágon lejátszódó nitráton keresztüli út megvalósításának szoftveres szimulációjában is hasznosíthatók. Bebizonyosodott, hogy az iszapvizek esetén hazánkban általában nincs realitása a foszfor, és/vagy ammónium tartalom struvitként történı eltávolításának, azonban az 4
adott technológiáról való döntés meghozatalához minden telepen egyedi, meghatározott vizsgálatok elvégzése szükséges. A folyamat megvalósításának lehetısége a vegyszeres foszforeltávolítást nem alkalmazó tisztítási technológiákban valószínőbb. A szennyvíztisztító telepek felülvizsgálatának eredményeként meghatározásra kerültek olyan fajlagosok, amelyek mind az üzemeltetık, mind pedig a felülvizsgálatokat, tervezéseket végzı szakemberek elsıdleges becsléseihez, ökölszabályok alapján történı számításaihoz megfelelı kiindulási alapot biztosítanak. KÖZLEMÉNYEK ÉS ELİADÁSOK Magyar nyelvő folyóirat/jegyzet: 1. Kárpáti Á., Thury P. (2004) Szennyvíziszap termelése és hasznosításának lehetısége, Veszprémi Egyetem, Oktatási segédlet, 9. Füzet, 82-92 old. 2. Thury P., Kárpáti Á. (2004) Az iszaphozam számítása az eleveniszapos szennyvíztisztításnál, MASZESZ hírcsatorna, máj.-jún., 14-18. old. 3. Kárpáti Á., Thury P. (2004) Szennyvíziszap keletkezése és hasznosításának lehetıségei, Vízmő panoráma, XII. évf., 4. sz., 19-22. old. 4. Radács A., Horváth A., Thury P., Kárpáti Á. (2004) A Nap energiájával történı iszapszárítás tapasztalatai Veszprémben, Veszprémi Egyetem, Oktatási segédlet, 10. Füzet, 63-69 old. 5. Thury P. Kárpáti Á. (2005) Autotróf nitrogéneltávolítás lehetıségei az iszaprothasztás vízébıl, valamint a szennyvíztisztítás fıáramából, Környezetvédelem 9-10, 55-72 old. 6. Thury, P., Kárpáti, Á. (2005) Autotróf nitrogéneltávolítás lehetıségei az iszaprothasztás vízébıl, valamint a szennyvíztisztítás fıáramából, Veszprémi Egyetem, Oktatási segédlet, 11. Füzet, 21-34 old. 7. Thury, P., Kárpáti, Á. (2005) Újfajta N-eltávolítási eljárások a szennyvíztisztításban, Veszprémi Egyetem, Oktatási segédlet, 11. Füzet, 34-42 old. 8. Thury, P., Fodor, M., Kárpáti, Á. (2005) Nitrogén eltávolítás a kétlépcsıs szennyvíztisztításban, Veszprémi Egyetem, Oktatási segédlet, 11. Füzet, 43-48 old. 9. Thury, P. – Kárpáti, Á. (2005): Újabb N-eltávolítási lehetıségek a szennyvíztisztításban. Környezetvédelem, Környezetvédelem 21-22, 47-61 old. 10. Kárpáti Á., Pulai J., Pásztor I., Thury P. (2005) A szennyvíztisztítás költségmegoszlása számítások és üzemi adatok alapján. Építési Piac, március, 47-50 old. 11. Kárpáti Árpád-Pulai Judit-Pásztor István-Thury Péter (2005) A szennyvíztisztítás költségmegoszlása számítási és üzemi adatok alapján II. rész., Építési Piac, április, 44-47 old. 12. Pitás V., Thury P., Kárpáti Á. (2007) Hazai szennyvíztisztító telep denitrifikációs problémái a 10 mg öN/l határérték kielégítése során, MASZESZ hírcsatorna, nov.-dec., 11-16. old.
5
13. Fazekas, B.,Thury, P.,Kárpáti, Á. (2008) A vízbıl történı ammónium eltávolítás múltja, jelene és távlatai, MASZESZ Hírcsatorna, január-február, 3-9 old. 14. Thury, P., Fazekas, B., Kárpáti, Á.: Anaerob ammónium oxidáció (ANAMMOX) és alkalmazása a szennyvíztisztításában, MASZESZ Hírcsatorna, novemberdecember, 9-14 old., 2008 Magyar nyelvő konferencia: 1. Thury P., Kárpáti Á., Horváth A., Radács A. (2004) Nitrifikáció iszapkorigénye A2/O típusú eleveniszapos tisztítóban, XXII. Országos Hidrológiai Vándorgyőlés, Keszthely, Konferencia cd-kiadvány 5. szekció/4. elıadás 2. Thury P., Pásztor I. (2004) Szennyvíziszap termelése és hasznosításának lehetıségei, XXII. Országos Hidrológiai Vándorgyőlés, Keszthely, Konferencia cd-kiadvány 5. szekció/5. elıadás 3. Thury P., Pásztor I. (2004) Szennyvíztisztás iszaphozama, X. Nemzetközi Környezetvédelmi és Vidékfejlesztési Diákköri Konferencia, Mezıtúr, Konferencia kiadvány 37. old. abstract 4. Pásztor I., Thury P (2004) A foszfor szerepe a szennyvíz-gazdálkodásban, X. Nemzetközi Környezetvédelmi és Vidékfejlesztési Diákköri Konferencia, Mezıtúr, Konferencia kiadvány 36. old. abstract 5. Kárpáti Á., Pulai J., Pásztor I., Thury P. (2004) A szennyvíztisztítás költségmegoszlása számítások és üzemi adatok alapján, XVIII. Országos Környezetvédelmi Konferenciára és Szakkiállítás, Siófok, Konferencia kiadvány 43-55. old. 6. Radács A., Horváth A., Thury P., Kárpáti Á. (2004) A Nap energiájával történı iszapszárítás tapasztalatai Veszprémben, XVIII. Országos Környezetvédelmi Konferenciára és Szakkiállítás, Siófok, Konferencia kiadvány 22-27. old. 7. Thury, P., Fodor, M., Kárpáti, Á (2005) Nitrogén eltávolítás a kétlépcsıs szennyvíztisztításban, XIX. Országos Környezetvédelmi Konferenciára és Szakkiállítás, Siófok , Konferencia kiadvány 180-185 old. 8. Thury, P., Kárpáti, Á (2005) Újabb N-eltávolítási lehetıségek a szennyvíztisztításban, XIX. Országos Környezetvédelmi Konferenciára és Szakkiállítás, Siófok, Konferencia kiadvány 193-201 old. 9. Thury P., Fodor M., Kárpáti Á. (2005) N-eltávolítás egy magyarországi kétlépcsıs szennyvíztisztítóban, XI. Nemzetközi Vegyészkonferencia, Kolozsvár, Konferencia kiadvány 267-270 old. 10. Scheffer R., Thury P., Kárpáti Á. (2006) Aerob szennyvíztisztítás iszapgranulációval, XXIV. Országos Hidrológiai Vándorgyőlés, Pécs, július 56. 11. Thury P., Dr. Kárpáti Á., Dr. Rédey Á., Szentgyörgyi L., Molnár F. (2006) Csatornázás és esızések hatása a kétlépcsıs szennyvíztisztításnál, Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, Siófok, szeptember 19-21., 229-234 old. 12. Thury P., Pulai J., Szentgyörgyi L., Molnár F., Molnár F., Oláh J., Patkó Gy., Kárpáti Á. (2006) Fajlagos iszaphozam alakulása nagyterheléső kétlépcsıs
6
rendszerekben, Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, Siófok, szeptember 19-21., 294-303 old. 13. Szentgyörgyi E., Thury P. (2006) Téli nitrifikáció tapasztalatai néhány Balaton környéki szennyvíztelepen, Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, Siófok, szeptember 19-21., 234-248. old. 14. Thury Péter, Pulai Judit, Schmalcz Béláné, Szentgyörgyi László, Molnár Ferenc, Kárpáti Árpád (2006) Nitrifikáló, utónitrifikáló egységek szezonális teljesítménye, Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, Siófok, szeptember 19-21., 256-267. old. 15. Scheffer R., Thury P., (2006) Nitrogéneltávolítás granulált eleveniszapos rendszerekben, Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, Siófok, szeptember 19-21., 313-323. old. 16. Thury Péter, Pásztor István, Kárpáti Árpád (2006) A Hódmezıvásárhelyi kétlépcsıs szennyvíztisztító egyedi iszaphozama, XII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, Csíkszereda, október 3-8. 17. Thury, P. Szentgyörgyi E., Fazekas B. (2007) A kétiszapkörös technológia és a nitrogéneltávolás kulcskérdései, lehetıségei a lakossági szennyvíztisztításban, "10 éves a MaSzeSz" jubileumi konferencia, Lajosmizse, május 22-23., poszter 18. Thury, P. Pascik I. (2007) Eleveniszapos szennyvíztisztás hatásfokának javítása új típusú, adszorbeáló, ioncserélı felületre biofilm beépítéssel - hibrid rendszerkén -, "10 éves a MaSzeSz" jubileumi konferencia, Lajosmizse, május 22-23., poszter 19. Pitás. V, Thury, P, Fazekas, B (2008) Koncentrált lakossági szennyvizek denitrifikációs problémái a kibocsátási határértékek teljesítésében, Nemzetközi Konferencia, Sopron, 2008. június 4-5. CD kiadvány, 13-20 old. 20. Szentgyörgyi, E, Thury, P (2008) Téli nitrifikáció a balatonfüredi és révfülöpi szennyvíztelepen, Nemzetközi Konferencia, Sopron, 2008. június 4-5. CD kiadvány, 21-29 old. 21. Thury Péter - Kárpáti Árpád - Fazekas Bence, Nagy ammóniumkoncentrációjú csurgalékvizek nitrogénmentesítése, Magyar Hidrológiai Társaság szakmai győlése, 2009. március 17., Budapest 22. Bányai Zsuzsanna, Thury Péter, Kárpáti Árpád Energiahatékonyság a szennyvíztisztításnál, X. Országos Konderencia, MASZESZ, Lajosmizse, 2009. május 26-27. Idegen nyelvő folyóirat: 1. P. Thury, M. Fodor, A. Karpati (2006) Unique n-removal int he Wastewater treatment, Environmental Engineering and Management Journal, ICEEM/ 03 Conference, Iasi, Romania, szeptember 21-24., ISSN:1582-9596, Vol. 5, No3. 359-366 pp. 2. I. Pasztor; P. Thury; J. Pulai (2008) Chemical oxygen demand fractions of municipal wastewater for modeling wastewater treatment, Int. J. Environ. Sci. Tech., 6 (1), Vol. 6, Number 1., pp: 51-56, Winter 2009
7
3. Maha Rafaey, Nora Kovats, A Karpati, P Thury (2009) Whole effluent risk estimation for a small recipient watercourse, Acta Biologica Hungarica 60 (3), pp. 293-299 4. P. Thury, B. Fazekas, I. Pasztor, V. Pitas, L. Balasko, A. Karpati (2009) Novel N removal with some industrial realisation in Hungary, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém Vol 37(1). pp. 5-9 5. B. Fazekas, V. Pitas, P. Thury, A. Karpati (2009) Examination of the use of support materials of natural origin in wastewater treatment, Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Veszprém Vol 37(1). pp. 1-4 Idegen nyelvő konferencia: 1. P, Thury, M., Fodor, Á., Kárpáti, (2005) Autotrophic Nitrogen Removal in Combination or Separately from Organic Carbon Removal, 10th EuCheMSDCE International Conference on Chemistry and the Environment, Abstract book, pp 149., abstract 2. Viktória Pitás, Bence Fazekas, Péter Thury (2008) Examination of the use of support materials of natural origin, NATO OTAN conference, Bulgaria Sofia, 2008.07.01-2008.07.10, poszter 3. Refaey, M., Kováts, N., Kárpáti, Á., Thury, P. (2008). Assessment of toxic effects of municipal wastewater for recipient freshwater systems. Természet-, Mőszaki- és Gazdaságtudományok Alkalmazása 7. Nemzetközi Konferenciája. 2008 május 17, Szombathely. Konferenciakiadvány. 4. Péter Thury –Bence Fazekas –Viktória Pitás – dr. Árpád Kárpáti (2009) Biomethane as vehicle fuel, International Sciences Conference for Environment, Várpalota, 12th June
8
