Könnyen és nehezen biodegradálható szervesanyagok eloszlásvizsgálata előülepítő medencékben és ülepedési kísérleteknél Kiss Katalin (tanársegéd, SZIE YMÉK , lev. doktorandusz, BME VKKT2,
[email protected]), Patziger Miklós (egyetemi adjunktus, BME VKKT,
[email protected]), Bakos Vince (egyetemi tanársegéd, BME ABÉT3,
[email protected]), Jobbágy Andrea (egyetemi docens, BME ABÉT,
[email protected]): 1
Rövid kivonat Az előülepítés hagyományos célja a szennyvíztisztító telepre érkező, mechanikailag előtisztított, tehát a rácsszűrésen illetve homok- és zsírfogón átáramlott szennyvíz „előkészítése” a biológiai szennyvíztisztítási fokozatra. Ez elsősorban a nitrogén eltávolítás nitrifikálási lépését nehezítő, lebegőanyag terhelés csökkentésére vonatkozott. Az előülepítés egyre inkább előtérbe kerülő, fontos feladata tulajdonképpen ezzel összhangban a lehető legnagyobb mennyiségben leválasztott nyersiszappal a rothasztásos biogáz termelés hatékonyságának minél nagyobb mértékű növelése. Ugyanakkor azonban a BME Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszékén végzett kutatások (Tardy et al., 2012.) szerint a hazai szennyvizek sok esetben szűkösek a nitrogén eltávolítás befejező lépésének, a denitrifikációnak megfelelő hatékonyságú végrehajtásához. Így a két folyamatnak, a nitrogén eltávolításnak és a biogáz termelésnek egymással ellentétes irányú alapfeltétele a tisztítandó szennyvíz szerves szénvegyületein belül is a könnyen bontható szénforrás elérhetősége. Egy 2013. évben induló MTA által támogatott, a BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszékén megkezdett kutatás (Patziger M.: Ülepítő műtárgyak áramlási folyamatok vezérelte hatásfoknövelése) egyik fő elemeként az előülepítő medencék hatékonyság-növelése, valamint hatékonyabban működő új előülepítő medencék tervezési elveinek kidolgozása került célkitűzésre. Ennek fontos mérföldkövéhez érkezve arra keressük a választ, hogy az előülepítőben található lebegőanyag szemcseösszetétele, jellemző koncentrációtartományai, illetve a könnyen bontható szervesanyag aránya között milyen összefüggések állnak fenn. Ezek ismeretében hidrodinamikai modellezéssel „könnyen bontható szervesanyag térképet” készíthetünk előülepítő medencékről, megkönnyítve a medencék geometriájának, üzemvitelének vizsgálatát, valamint a „kis beruházási igényű” hatékonyság növelést. Dolgozatunkban bemutatjuk a könnyen bontható szervesanyag arány és az előülepítőben található lebegőanyag tartalom fent említett jellemzői között fennálló összefüggések feltárására irányuló vizsgálatainkat.
1
Szent István Egyetem Ybl Miklós Építéstudományi Kar, 1146 Budapest, Thököly út 74. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. 3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék, 1111 Budapest, Szent Gellért tér 4. 2
1
Bevezetés Korábbi tanulmányunkban (Kiss, 2013.) bemutatásra került egy négyszög alaprajzú előülepítő áramlási struktúrájának, leválasztási hatásfokának mérése. A grazi nagy szennyvíztisztító telep (továbbiakban: Grazi SZVTT) egyik előülepítő medencéjében végeztünk vizsgálatokat az egyesített rendszerű csatornahálózatból érkező szennyvíz sebesség- és turbulens kinetikai energia eloszlásának meghatározására. A mérésekhez egy akusztikus Doppler elven működő műszert (Nortek Vector, Nortek AS, 2005.) használtunk. Mérési kampányokat végeztünk három különböző felületi terhelésen (q=5, 9,5 és 13 m/h), melyek a tervezési irányelvektől (pl. ATV-A 131) jóval a magasabb értékekig húzódtak. Az 1. és 2. ábra a 13 m/h felületi terhelésen mért áramlási sajátosságokat mutatja. q [m/h]
Átl. HRT [min]
13
14,4
Sebességeloszlás a medence egy hossz- és egy horizontális metszetén
Sebesség [cm/s]
1. ábra: Előülepítő medence mért sebességeloszlása különböző felületi terhelésen
A vizsgált medencében igen nagy inhomogenitás figyelhető meg az áramlási és turbulencia képeken, a nagy sebesség- és turbulens kinetikai energia értékek főleg a bevezető műtárgy közelében alakulnak ki. Az előülepítő medence ülepítés szempontjából hasznos térfogata csökken a mérésekkel tapasztalt nagymértékű visszaáramlás miatt, azaz nagyobb arányú lebegőanyag mennyiség közelítheti meg az elvezető vályút, mely terhelést jelenthet a következő (biológiai) tisztítási fokozatra. q [m/h]
Átl. HRT [min]
13
14.4
Turbulens kinetikai energia eloszlása a medence egy hossz- és egy horizontális metszetén
Turbulens kinetikai energia [cm2/s2]
2. ábra: Előülepítő medence mért turbulens kinetikai energia eloszlása különböző felületi terhelésen
Az előülepítő lebegőanyag leválasztási hatásfokát (3. ábra, bal oldal) egy optikai elven működő műszerrel (Solitax ts line-sc, Hach-Lange, 2009.) mértük, a tömegáramokat a 2
szennyvíztisztító telep mágneses indukciós vízhozammérőjével határoztuk meg. A 3. ábra jobb oldali diagramja mutatja a medence lebegőanyag leválasztási hatásfokát a hidraulikus tartózkodási idő függvényében, összehasonlítva az egyes nyelvterületeken alkalmazott méretezési elvekkel (Greeley-diagram (1938.): angolszász nyelvterületen, Sierp-diagram (Gujer, 2007.): német nyelvterületen és hazánkban alkalmazott). Ezek a korábbi eredményeink az irányelvektől különböznek, alacsonyabb hidraulikai tartózkodási idő alatt nagyobb leválasztási hatásfokot tapasztaltunk a vizsgált előülepítőben.
3. ábra: Lebegőanyag eltávolítási hatásfok különböző felületi terhelésen (bal), a mért eredmények Greeley (1938.) és Sierp (Gujer, 2007.) diagramjához képest (jobb)
Az előülepítők leválasztási hatékonyságának hidraulikai tanulmányozása mellett vizsgálataink az előálló előülepített szennyvízminőség mélyebb tanulmányozására is kiterjedtek. Ennek indító oka az volt, hogy az előülepített szennyvíz a tisztítótelep biológiai fokozatának befolyó minőségét adja meg, amitől nagymértékben függhet a tisztítási hatékonyság, különös tekintettel a szennyvízre jellemző C:N arányra, ami alapvetően meghatározza a denitrifikáció hatásfokát (Grady et al., 1999.). A befolyó szennyvíz jellemző BOI5:TKN aránya hazánkban különösen nagymértékben eltérő lehet még a kommunális szennyvizek esetében is. A 4. ábra tanúsága szerint a hazai tapasztalatok azt mutatják, hogy a szennyvíztisztító telepek többsége szűkös szerves szénforrással rendelkezik, ami komoly kihívást jelent a biológiai tápanyageltávolítás hatékony megvalósításának szempontjából (Tardy et al., 2012.), és sok esetben csak költséges pótszénforrás adagolással oldható meg.
4. ábra: A befolyó szennyvízre jellemző BOI5/TKN arány eloszlása 55 felmért hazai szennyvíztisztító telepen (Tardy et al., 2012.)
3
Ennek megfelelően a befolyó szennyvízzel beérkező szervesanyag lehető legjobb anoxikus hasznosítása rendkívül fontos, amiben a jó előülepítésnek kulcsszerepe van. Ahhoz, hogy a biológiai fokozat szervesanyag terhelése a hatékony nitrifikáció érdekében ne legyen túl nagy és minél nagyobb mennyiségű rothasztható iszap keletkezzen, ugyanakkor a jól biodegradálható szénforrás szükséges hányada hasznosuljon az anoxikus folyamatokban, az előülepítők komplex optimalizációjára van szükség, amely során a hidraulikai vizsgálatok mellett szükséges feltérképezni a műtárgyban ülepedő anyag biokémiai mintázatát is. Az előülepítő medencében lévő TSS eloszlás vizsgálata Az előülepítő medence áramlástani sajátosságainak és lebegőanyag leválasztási hatásfokának ismeretét kiegészítendően kutatjuk a mechanikailag előtisztított szennyvíz szemcsenagyság eloszlását a medencében (5. ábra (Madarász, 2013.)). A vizsgált felületi terhelés értékeken Stokes törvénye alapján számolt szemcse ülepedési sebességekkel megadható a különböző lebegőanyagok eloszlása a medence hossza mentén. A méretezési irányelvek alapján a középértéknek tekintett 2 m/h felületi terhelésnél csak a 0,45 µm szemcsenagyság tartózkodik a medence második felében. Szakirodalmi források (Mamais et al., 1993., Xu et al., 1996., Orhon et al., 1997., Spérandio et al., 2000., Metcalf & Eddy, 2003., Lagarde et al., 2005., Dulekgurgen et al., 2006., Tas et al., 2009.) szerint a könnyen bontható szervesanyag tartalom körülbelül e szemcsenagyság (1,2, 1, 0,8, 0,45 µm) alatt nagy koncentrációban van jelen. Ennek figyelembe vételével átgondolandó egy szabályozható elvétel koncepciója előülepítő medencékre (Madarász, 2013.), mely segítségével szükség szerint többlet könnyen biodegradálható szervesanyag juttatható a következő tisztítási lépcsőre, a hatékonyabb denitrifikáció érdekében. Ülepedési kísérlet és biodegradálhatóság vizsgálata Vizsgáltuk a három különböző szennyvíztisztító telep előülepítő medencéjében lévő szennyvíz ülepedési tulajdonságait (6. és 7. ábra), széles koncentráció tartományban. Az 5. és 6. ábra diagramjai mutatják egy 1 m magas és 192 mm átmérőjű plexi hengerben lévő szennyvíz iszaptükör süllyedésének sebességét különböző lebegőanyag koncentrációk esetén. Az így előállított ülepedési függvények alkalmasak lehetnek a sebesség- és turbulencia mérésekre támaszkodó hidrodinamikai előülepítő modell ülepedési transzportegyenleteinek megalkotásában, kalibrálásában. Megfigyeléseinket kiterjesztettük ezt követően arra, hogy megtudjuk milyen TSS koncentrációk fordulnak elő az ülepítőhenger különböző, az ülepítés után előállt magasságban lévő rétegeiben. A Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telepen (továbbiakban: BKSZTT) (8. ábra) és az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen (továbbiakban: ÉP SZVTT) (9. ábra) végzett mérések eredménye egymáshoz képest eltérést mutat, mivel az előbbi esetében a vizsgált szennyvíz nyersiszapot, utóbbi esetében a szennyvíz kevertiszapot tartalmazott.
4
5. ábra: Szemcseeloszlás négyszög alaprajzú előülepítő medencében 2, 5 és 13 m/h felületi terhelésen (Madarász, 2013.)
6. ábra: Nyersiszap ülepedés mérés BKSZTT-n és Graz SZVTT-n
5
7. ábra: ÉP SZVTT kevertiszap ülepedés mérése
8. ábra: A hengerben ülepedés után kialakult három réteg TSS koncentráció eloszlása és átlag TSS értékei (BKSZTT)
A vizsgált nyers- és kevertiszapra egyaránt jellemző, hogy az ülepedés végén a legalsó leülepedett réteg a legtöményebb, itt fordul elő a legmagasabb TSS koncentráció, valamint a középső széles tartomány képviseli a legkisebb TSS tartalmat. A vizsgált henger legfelső vékony rétegében változó töménységű a szennyvíz, mely töménység a felúszó iszap megjelenésével egyenesen arányos. A 9. ábra diagramja mutatja, hogy vélhetően a kevertiszap koncentrációjának növekedésével nő a felúszó iszap koncentrációja is. Az előforduló eltérések további vizsgálatok elvégzését indokolják, a mérések számának növelésével. Vizsgálandó továbbá az ülepítés után előállt rétegek könnyen bontható szervesanyag-tartalma, aminek feltérképezésével az ülepített szennyvíz denitrifikáció szempontjából hatékonyabb részének elvétele szabályozható, ill. a nyersiszap biogáz-kihozatala növelhető.
6
9. ábra: A hengerben ülepedés után kialakult három réteg TSS koncentráció eloszlása és átlag TSS értékei (ÉP SZVTT)
Az előülepítés biokémiai mintázatának feltérképezésére további vizsgálatokat végeztünk az ülepítő henger különböző rétegeiből vett minták széleskörű analízisével. A vizsgálat szempontjából kulcsfontosságú volt a mintavétel, amire speciális eljárást fejlesztettünk ki, hogy biztosítani tudjuk az ülepítő henger tengelyének irányában nagymértékben különböző minőségű szennyvízrétegek reprezentatív mintázását. A vizsgálatokból előzetes eredmények születtek eddig, amelyek arra utalnak, hogy az előülepítés során fontos figyelembe venni a kiülepített szennyvízre vonatkozó biokémiai profilt, ami a hidraulikai vizsgálatok mellett és azokat kiegészítve nagymértékben hozzájárul az előülepítés olyan komplex hatékonyság növeléséhez, amely szem előtt tartja a biológiai fokozat jól biodegradálható szervesanyag igényét is. Konklúzió Az utóülepítőknél alkalmazott (Patziger, 2007., Patziger et al., 2012.) mérési módszert sikeresen adaptáltuk előülepítő medencék áramlási és leválasztási hatásfokának vizsgálatára (Kiss, 2013.). Az így mért sebesség- és turbulens kinetikai energia eloszlására támaszkodva további kutatási feladat egy előülepítő medence hidrodinamikai modelljének felépítése, kalibrálása, validálása, mely segítségével javaslatot tehetünk az előülepítő medencék hatékonyság-növelése, valamint hatékonyabban működő új előülepítő medencék tervezési elveinek kidolgozására. E cél érdekében vizsgálandó, hogy az előülepítőben található lebegőanyag szemcseösszetétele, jellemző koncentrációtartományai, ill. a könnyen bontható szervesanyag aránya között milyen összefüggések állnak fenn. Ezek ismeretében a hidraulikai és a biokémiai profilok kapcsolatának feltárásával lehetővé válhat az, hogy hidrodinamikai modellezéssel „könnyen bontható szervesanyag térképet” készítsünk előülepítő medencékről, megkönnyítve a medencék geometriájának, üzemvitelének vizsgálatát, valamint komplex szemlélettel lehetővé téve a „kis beruházási igényű” hatékonyság növelést. Köszönetnyilvánítás
7
A szerzők köszönetüket fejezik ki a Grazi, a Budapesti Központi és az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepek munkatársainak. Irodalomjegyzék ATV-DVWK (2000.) Dimensioning of Single-Stage Activated Sludge Plants. ATV-DVWK A 131E Standard, GFA Publishing Company of ATV-DVWK, Hennef. p. 57. Dulekgurgen, E., Dogruel, S., Karahan, Ö., Orhon, D. (2006.) Size distribution of wastewater COD fractions as an index for biodegradablity. Water Research Vol. 40, 273-282 Grady, C.P.L., Daigger, G.T., Lim, H.C. (1999.): Biological wastewater treatment, Marcel Dekker, Inc., New York, Basel, pp. 507-508. Greeley, S. A. (1938.). Sedimentation and Digestion in the Unated States. In L. P. (Ed.), Modern Disposal: Anniversary book of Federation of Sewage Works Associations. New York: Lancaster Press Inc. Gujer, W. (2007.). Siedlungswasserwirtschaft (Vol. 3.). Berlin: Springer. Hach-Lange Company. (2009.) SOLITAX sc User Manual. Germany. Kiss K. (2013.) Az előülepítés folyamatának részlet-gazdag vizsgálata. Hidrológiai Közlöny 93. évf. 1. szám. 2013. január-február-március. ISSN 0018--1323 Lagarde, F., Tusseau-Vuillemin, M-H., Lessard, P., Héduit, A., Dutrop, F., Mouchel, J-M. (2005.) Variability estimation of urban wastewater biodegradable fractions by respirometry. Water Research Vol. 39, pp. 4768-4778 Nortek AS (2005.) Vector Current Meter. Madarász E. (2013.) Nagyvárosi szennyvíztisztítók: szabályozható hatásfokú előülepítő koncepciója. TDK dolgozat. Szent István Egyetem Ybl Miklós Építéstudományi Kar, Budapest. Mamais, D., Jenkins, D., Pitt, P. P. (1993.) A rapid physical-chemical method for the determination of readily biodegradable soluble COD in Municipal Wastewater. Rapid Communication, Water Research Vol. 27, No. 1, pp. 195-197 Metcalf & Eddy, I. (2003.). Watsewater Engineering: Treatment and Reuse. New York: McGraw-Hill, Inc. Orhon, D., Ates, E., Sözen, S, Cokgör, E. U. (1997.) Characterization and COD fractionation of domestic wastewaters. Environmental Pollution Vol. 95, No. 2, pp. 194-204. Patziger M. (2007.). Untersuchung der Schlammbilanz in Belebungsstufen aufbauend auf den Prozessen im Nachklärbecken. Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft, Band 48, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau, Technische Universität Graz, pp. 210 Patziger M., Kainz H., Józsa J., Hunze M. (2012.) Influence of secondary settling tank performance on suspended solids mass balance in activated sludge systems, Water Research, Volume 46, Issue 7, May 2012, Pages 2415-2424 Spérandio, M., Etienne, P. (2000.) Estimation of wastewater biodegradable COD fractions by combining respirometric experiments in various S 0/X0 ratios. Water Research Vol. 34., No. 4., pp. 1233-1246 Tardy, G.M., Bakos, V., Jobbágy, A. (2012.): Conditions and technologies of biological wastewater treatment in Hungary, Water Science and Technology, Vol. 65, No. 9, pp. 16761683.
8
Tas, D. O., Karahan, Ö., Insel, G., Süleyman, Ö., Orhon, D., Spanjers, H. (2009.) Biodegradability and denitrification potential of settleable chemical oxygen demand in domestic wastewater. Water Environment Research, Vol. 81, No. 7, pp. 715-727 Xu, S., Hasselblad, S. (1996.) A simple biological method to estimate the readily biodegradable organic matter in wastewater. Water Research Vol. 30, No. 4, pp. 1023-1025
9
