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 – hulladék víz Abwasser – kilépő víz
Wastewater
Fekáliás szennyvíz
Kommunális szennyvizek eredete
2
Kommunális szennyvizek eredete
A vízfogyasztásban nagy különbségek vannak 10 9
Telepek száma
8 7 6 5 4 3 2 1
140 felett
120-140
100-120
80-100
60-80
60 alatt
0 Vízfogy. l/fő,nap
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 m3/s
Ráckevei-Soroksári Duna-ág 25 m3/s
5
Biodegradáció jelentősége a környezetben
Kommunális
Jól biodegradálható
Tisztítás
Tisztítás
Ipari
Jól vagy rosszul biodegradálható
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)
H3C-CH- CH2-CH-CH2-CH-CH2-CH-
CH3
CH3
CH3
- SO3-
Na+ : 60% para
CH3
H3C-CH- CH2-CH-CH2-CH-CH2-CHCH3
CH3
CH3
CH3
: 8% meta SO3-
H3C-CH- CH2-CH-CH2-CH-CH2-CHCH3
CH3
CH3
CH3 SO 3
Na+ : 32% orto
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 CO2, H2O, 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 : mikroorganizmus
M
: környezet
egyéb tápanyagok
Táptalaj komponensek: • S : szubsztrát
S
(genotípus, fenotípus)
másik S
(mikroorganizmusok által hozzáférhető anyag)
• másik S
(kometabolízis)
• egyéb tápanyagok: N, P, ásványi sók
A biológiai bonthatóságot befolyásoló tényezők
M
Hagyományos környezeti tényezők:
egyéb tápanyagok
(genotípus, fenotípus)
• hőfok • pH
S
• oldott oxigén elérhetősége
másik S
8
A hőfok és a pH hatása
OPTIMUM
Egyedsűrűség (anyagcsere sebesség)
Tolerancia tartomány
T, pH
Mikroorganizmus típusok anyagcseréjének hőfokfüggése Mezofil
Termofil
Anyagcsere sebesség
Pszichrofil
Ökológiai tényező (hőfok)
Környezet oldott oxigén elérhetőség szerint
Aerob: oxigén megfelelő mennyiségben elérhető Anoxikus: oxigén nincs, de van NO3- és/vagy NO2Anaerob: oxigén nincs, NO3- és NO2- nincs, de lehet SO42-
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
A „kiszűrt” lebegőanyagot és az elszaporodott biomasszát el kell távolítani: visszamosás
hordozó
Reaktor kialakítás – önállóan aggregálva vagy kötött ágyon
Diszperz- biofilm rendszerek (fixen beépített hordozó) hordozó Pl.: szennyvíz
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 Se Se
Befolyó
Párhuzamos:
So
Se
Elfolyó
Se
Soros:
Koncentráció gradiens Befolyó
Elfolyó
So
Se S1 > S2 > S3 > S e
III. A biodegradáció kinetikája
11
A biodegradáció kinetikája Szennyezőanyag lebontás:
Szubsztrát (C,H,O,esetleg N) + szervetlen anyagok M többlet biomassza + CO2 + H2O + anyagcsere termékek
Megfelelő környezetben
Biodegradáció koncentráció függése
ANT – Anyagcseresebesség Növelő Tényező levegőztetés
oxigén elektród
ANT
szubsztrát anyagcsere sebessége alapanyagcsere sebessége (endogén metabolízis)
S (konc.: S1, S2, ….Sn)
oldott O2 konc.
S
M, tápsó
idő
A biodegradáció kinetikája ANT
ANT – Anyagcseresebesség Növelő Tényező
Biológiailag bontható, nem toxikus
Biológiailag nem bontható, nem toxikus
1 Biológiailag nem bontható, toxikus
Biológiailag bontható, toxikus Szennyezőanyag koncentráció (S)
12
Monod kinetika a nem toxikus anyagokra dx x dt x – mikroorganizmusok koncentrációja [g/l]
ahol :
μ – fajlagos szaporodási (növekedési) sebesség [d-1]
Fajlagos szaporodási sebesség:
max
S KS S
μmax – maximális fajlagos szaporodási sebesség [d-1]
ahol :
S – szubsztrát koncentráció [mg/l] KS – féltelítési koefficiens [mg/l]
Monod kinetika a nem toxikus anyagokra Szaporodási sebesség:
max
S KS S
max max
Szimulációs modellek alapja
2
KS
Szervesanyag koncentráció (S)
Többlet biomassza keletkezése
x Yx S S
(függ a reakciótól)
Ahol: ∆x: keletkező biomassza mennyisége ∆S: eliminált szubsztrát mennyisége Yx/s: hozam (függ: C-forrás, mikroorganizmus, körülmények)
13
Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Szubsztrát: 5 ecetsav o
o
o
o
Keletkező energia (kJ/reakció)
5 CH3COOH + 10 O2 M1 → 10 CO2 + 10 H2O + M1
~4400
5 CH3COOH + 8NO3- + 8 H → 4N2 + 10 CO2 + 14H2O
~4000
2- M2
5 CH3COOH + 5 SO4 → 5 H2S + 10 HCO3-
~210
M3
5 CH3COOH → CH4 + CO2
~140
IV. A szennyvíz lebomlása a csatornarendszerben, bűzképződés és -megelőzés
A szennyvíz útja Tisztítótelep
Szennyvíz
Háztartási
(Kommunális)
Befogadó
Ipari
14
Csatornázottság növelésének lehetőségei
Helyi tisztító telepek építése Regionális rendszerek kialakítása
Kistelepülések összekapcsolása
Becsatlakozás meglévő hálózatra
Szennyvíztisztító telep
Bűzképződés
Biodegradáció a csatornában biofilm Kilépő
Befolyó szennyvíz
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
H2S + 2 O2 H2SO4
16
Bűzpanaszok a Balaton környezetében VII. VI. V./a I. IV.
V./b II. III. Csatornarendszer Szennyvíztisztító telep Regional limits
Napközben…
Este…
17
Bűzmegelőző eljárások
Tüneti kezelések Pl.:
Fedőszag
H2S kiáramlás meggátlása
Kiszívás és feloxidálás
Kénhidrogén termelés elnyomása oxigén vagy nitrát adagolással
A biofilmben nem bűztermelő baktériumok szaporodnak el
Biodegradáció iránya az oxigén elérhetőség szerint Szubsztrát: 5 ecetsav
Keletkező energia (kJ/reakció)
o
5 CH3COOH + 10 O2 M1 → 10 CO2 + 10 H2O
o
5 CH3COOH + 8NO3- + 8 H+ → 4N2 + 10 CO2 + 14H2O
o
o
~4400
M1
2- M2
5 CH3COOH + 5 SO4 → 5 H2S + 10 HCO3-
~4000 ~210
M3
5 CH3COOH → CH4 + CO2
~140
A bűzképzés nitrát adagolással való gátlásának alapja A nitrát felhasználás metabolikus előnye M1
Keletkező energia (kJ/reakció)
o
5 CH3COOH + 8NO3- + 8 H+ → 4N2 + 10 CO2 + 14H2O
~4000
o
5 CH3COOH + 5 SO42- M2 → 5 H2S + 10 HCO3-
~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
Másodlagos anaerob réteg kialakulása Kezelt Befolyó szennyvíz
szennyvíz NO3- N2 H2S
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-VIII R-VIII R-V Rz-VII
R-VII
Siófok SzVT
Átemelő
Nyomócső
R-VI
Gravitációs csatorna
R-IX
42 Átemelő
Nitrát adagolóhely
13 Adagolóhely
26 km
Az R-VIII. átemelő kritikus helyzete
Nyaralók
20
A Tanszéken kifejlesztett eljárás eredménye (R-VIII. átemelő légterében, 1992): HH2S koncentráció [ppm] ppm 2S koncentráció,
400 350 300 250 200 150
nitrátadagolás nélkül aug. 17-én, nitrátadagolással aug. 16-án.
100 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 O2/l szennyvíz]
BOI – biokémiai oxigén igény: A vízben levő szerves anyagok baktériumok által, adott idő alatt, adott hőmérsékleten történő aerob oxidációjához szükséges oldott oxigén mennyisége [mg O2/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.
Meghatározás (respirometriás módszerrel): A műszer regisztrálja a mérőedények gázterének a mintában elszaporodott biomassza O2 fogyasztása miatti nyomás változását. (A keletkező CO2-ot NaOH pasztillával nyeletjük el).
TOC – összes szerves szén [mg/l]
Meghatározás: A készülék a mintát 1050C-on CeO2 katalizátor jelenlétében elégeti és IR detektorral méri a keletkező CO2 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 (NH4+,NO3-,NO2-, szerves-N, TN) [mg/l]
P formák (PO43-, 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 vízhozam [million m3]
300
200
szennyvíz díj [HUF/m3]
millió m3/év
250 150
200 150
100
100 50 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
0
év
A tanszéki felmérés eredménye Rendkívül nagy eltérések a fogyasztott vízmennyiségben 10 9
Telepek száma
8 7 6 5 4 3 2 1 120-140
140 felett
100-120
60-80
80-100
60 alatt
0 Vízfogy. l/fő, nap
23
A tanszéki felmérés eredménye Nagy különbségek a befolyó szervesanyag tartalomban 14
Telepek száma
12 10 8 6 4 2
1700 felett
1400-1700
1100-1400
500-800
800-1100
500 alatt
0
KOI (mg/l)
A tanszéki felmérés eredménye Nagy eltérések az általában magas ammónia tartalomban 12
Telepek száma
10
Nemzetközi modellezési gyakorlatban tipikus érték:
8 6 4
25-30 mg/l NH4-N
2
110 felett
90-110
70-90
50-70
30-50
30 alatt
0
NH4-N (mg/l)
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)
Előülepítő
Biológia
Utóülepítő
Tisztított szennyvíz
Rács
Homokfogó
Fölös iszap Nyers 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
Előülepítő
Nyersiszap
Tisztított elfolyó
Eleveniszapos bioreaktor
Utóülepítő
Fölösiszap
27
Lassan szaporodó mikroorganizmusoknak hosszú reaktorbeli tartózkodási időre van szüksége Biomassza reaktorbeli tartózkodási ideje:
QC
(iszapkor)
SRT = Solids Residence Time
1 1 d
SRT =
QC d
Rendszerbeli biomassza mennyisége
kg X 3 V m 3 m kg Iszapelvét el d
Fajlagos szaporodási sebesség
Iszapelvét el szaporodás V
dx 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
S0
SS
S0 Fajlagos szaporodási sebesség (μ)
Szelektor Flokkulens
Ss
Se
Se Se
Fonalas
Se Tagolatlan reaktor
Se Tagolt reaktor
Szennyezőanyag koncentráció (S)
Monod kinetika
28
A szelektor hatásának szemléltetése modell szennyvízzel Szelektor nélküli rendszer
Szelektoros rendszer
Szelektoros rendszer
Laborkísérlet szelektorral és anélkül
Szelektor nélküli rendszer
Ülepedés a két rendszerben
A mikroszkopikus szerkezet és az ülepedés összefüggése Szelektor nélküli rendszer
Szelektoros rendszer
Szelektoros rendszer
Szelektor nélküli rendszer
Ülepedés a két rendszerben
A biológiai nitrogéneltávolítás
29
A biológiai nitrogéneltávolítás lépései Ammonifikáció: ammónia-N
szerves N Nitrifikáció: ammónia-N
nitrát-N
Denitrifikáció: nitrát-N
nitrogén gáz
A tisztítandó szennyvíz nitrogén tartalma
TN = NH4-N + szerves N az oxidált szervetlen –N formák (NO3- és NO2-) mennyisége általában elhanyagolható
szerves N TN
~ 20-50 %
szennyvízfüggő, csatornafüggő, hőfokfüggő
Nitrifikáció NH4+ + 1,5 O2
Nitrosomonas
NO2- + 0,5 O2
Nitrobacter
NH4+ + 2 O2
Lassan szaporodó mikroorganizmusok
NO2- + 2H+ + H2O + 275 KJ NO3- + 75 KJ
NO3- + 2H+ + H2O + 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:
1 1 d
QC d
QC
(iszapkor)
Rendszerbeli biomassza mennyisége
kg X 3 Vaerob m 3 m kg Iszapelvét el d
Fajlagos szaporodási sebesség • nagy reaktortérfogat • nagy x (szelektorok, biofilm reaktorok, diszperz-biofilm reaktorok)
Nitrifikálók szaporodási sebességének hőfokfüggése Autotrófok maximális fajlagos szaporodási sebessége (1/nap)
1.8
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
Denitrifikáció Fakultatívan aerob Szerves C-forrás + NO3- mikroorganizmusok N2 gáz
• Oxigén távollétében • Denitrifikálható szénforrás igény
Nagy különbségek a hozzáférhető szervesanyag/eltávolítandó nitrogén arányban 14
Telepek száma
12 10 8 6 4 2 20 felett Súlyos nitrogén hiány
Hatékony denitrifikáció megfelelő mennyiségű szénforrással
15-20
8-15
6-8
4-6 Denitrifikáció korlátozott szénforrással
Súlyos szervesanyag hiány
4 alatt
0 BOI/NH4N
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 NO3-- recirkuláció
Tisztítandó
N2
szennyvíz
Tisztított szennyvíz
NO3-
(C-forrás és NH4+)
NH4+
N2
NO3-
Utóülepítő
Nitrifikáló tér
Denitrifikáló tér
Levegő Iszap-recirkuláció
Fölösiszap elvétel
Biológiai nitrogéneltávolítás kombinált elő- utódenitrifikációval pót C NO3-- recirkuláció
Tisztítandó
N2
N2
szennyvíz
Utóülepítő
(C-forrás és NH4+)
NO3-
N2
Denitrifikáló tér
NH4+
NO3- NO3-
Nitrifikáló tér
Levegő
Tisztított szennyvíz
N2
Denitrifikáló tér
Levegő
Iszap-recirkuláció Fölösiszap elvétel
Utódenitrifikációnál pótszénforrás adagolása szükséges
34
