2011.11.15.
Dr. Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Építőmérnöki Kar Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék
Dr. Szabó Anita Kf39 463-2666
[email protected] Letölthető anyagok: Tanszéki honlap: www.vkkt.bme.hu Oktatás menüpont Tantárgyak MSc képzések Víz- és szennyvíztisztítási technológiák
1
2011.11.15.
Mi a szennyvíz? Mi a vízszennyezés? A szennyvíz (wastewater, sewage) olyan emberi használatból
származó hulladékvíz, amely szennyezőanyagokat tartalmaz. Szennyezőanyagok (pollutants, contaminants) azok az
anyagok, melyek a befogadóba jutva az ott lejátszódó biológiai folyamatokat jelentős mértékben megváltoztatják, illetve a befogadó további emberi célú felhasználhatóságát csökkentik, vagy lehetetlenné teszik. Vízszennyezés (water pollution) minden olyan hatás, amely
felszíni és felszínalatti vizeink minőségét úgy változtatja meg, hogy a víz alkalmassága emberi használatra és benne végbemenő természetes életfolyamatok fenntartására csökken, vagy megszűnik.
Miért kell a szennyvizeket tisztítani? Befogadó védelme Élővilág (toxikus anyagok – szabad ammónia) Oxigénháztartás (szervesanyagok) Eutrofizáció (növényi tápanyagok – P (és N)) Esztétika, bűz A víz használhatósága (rekreáció, ipari, ivóvíz célú)
Szennyezőanyag mennyiség és minőség? g, mg, µg, ng, vagy még kisebb ???
A fejlődés iránya: egyre kisebb mennyiségek eltávolítása,
egyre bonyolultabb folyamatokkal és reaktor elrendezéssel – Irányítástechnika, szimuláció!
2
2011.11.15.
Szennyvizek típusai Ipari szennyvizek Összetétel változatos (az ipari tevékenység függvénye)
Házi/háztartási szennyvizek
Az emberi metabolizmus termékei Vizelet, fekália, használati vizek stb. Szennyvíz összetétele az étkezési, kulturális szokásoktól függ Mennyiség: vízhasználati szokások, berendezések vízfogyasztása Fekete és szürke szennyvizek: szétvál. Mo.-n még nem elterjedt
Intézményi szennyvíz Mezőgazdasági szennyvíz (Csapadékvíz) Kommunális (kevert városi - házi jellegű) szennyvíz Háztartási, intézményi, ipari, csapadék, infiltráció (5-40%), exfiltráció (5-15%)
Házi és intézményi szennyvíz mennyisége A felhasznált ivóvíz 80-95 százalékából szennyvíz
keletkezik A mennyiség a műszaki és kultúráltsági szint függvénye (ivóvízellátás és fogyasztás) Fejlett országok: 100-160 l/fő/d Magyarország: 60-140 l/fő/d (országos átlag: 100 l/fő/d) Budapest: 150 l/fő/d Kistelepülések: 50-80 l/fő/d Vízdíjak emelkedése, víztakarékos berendezések terjedése, fúrt kutak
3
2011.11.15.
Települési vízgazdálkodás Csapadék Tározó
Forrás
Ipar Település Záporkiömlő Víztisztítás Beszivárgás
Szennyvíztisztító
Felszíni lefolyás
Felszíni víz
Befogadó Mélységi víz
Talajvíz, parti szűrésű víz
Mi van a szennyvízben?
Válasz: minden
4
2011.11.15.
Mit kell eltávolítanunk? Szilárd állapotú anyagokat (lebegőanyag) - X Oldott anyagokat - S Szervetlen anyagokat (viszonylag kevés) Szerves anyagokat (sok) Biológiailag jól bontható Biológiailag közepesen bontható Biológiailag nehezen (vagy nem) bontható
Hogyan tudjuk eltávolítani? Fázisszétválasztás Gáz-folyadék
Stripping
Szilárd-folyadék
Ülepítés
Flotálás
Szűrés
Adszorpció
5
2011.11.15.
Mérési lehetőségek - Kémiai jellemzők 1. Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom 2. Nitrogén háztartás 3. Foszfor forgalom 4. Szerves oldószer extrakt (SZOE) – olaj és zsírtartalom 5. Lebegőanyag tartalom (öLA v. TSS) 6. pH érték 7. Lúgosság 8. Elektromos vezetőképesség (sótartalom) 9. Szárazanyag tartalom 10. Izzítási veszteség
Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Oldott oxigén
(dissolved oxygen: DO)
A víz poláros, míg az oxigén apoláros molekula Vízben rosszul oldódik Oxigén a vízbe juthat
A levegőből (természetes diffúzió) – viszonylag kis mértékű
Növényi termelésből (fotoszintézis) – természetes vizek (tisztítatlan szennyvízben nem!)
Mesterséges levegőztetéssel
A szervesanyag bontó (heterotróf) baktériumok az oxigént
felhasználják Anaerob körülmények – bűz, korrózió stb. Nyers szennyvízben: ≈ 0 mg/l Levegőztető medencében: 0,5-3 mg/l Természetes vizekben: 5-15 mg/l
6
2011.11.15.
Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Kémiai oxigénigény (KOI)
(chemical oxygen demand: COD)
A szervesanyagok kémiai oxidációjához szükséges oxigén
mennyisége Minden kémiailag oxidálható szervesanyag, még a biológiailag nem
lebonthatók is Kálium-permanganátos (KOIps v. KOIMn) - KMnO4
elsősorban ivóvíz, felszíni és felszínalatti, és csak másodsorban szennyvizek jellemzése
Bikromátos (KOIk v. KOICr) - K2Cr2O7
elsősorban szennyvizek, és csak másodsorban felszíni vizek jellemzése
KOIk
Kommunális nyers szennyvízben: 500 – 1000 mg/l
Tisztított szennyvízben: 70 – 150 mg/l
Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Szerves szén tartalom = szerves vegyületekben
megkötött szén mennyisége Összes szerves szén (Total Organic Carbon: TOC) Oldott szerves szén (Dissolved Organic Carbon: DOC) – 0,45 µm
Meghatározás: égetéssel, UV oxidáció, kémiai oxidáció BOI5 és TOC között nincs pontos összefüggés KOIk>KOIps oKOIk>oKOIps
7
2011.11.15.
Biológiai bonthatóság Vegyületek biológiai folyamatok révén (egyszerűbb vegyületekké) történő átalakítása Szervesanyagok:
Csak egy részük biológiailag bontható
A bontás sebessége nagymértékben változhat
Oldott és szilárd formában vannak jelen
Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Biokémiai oxigénigény
(biochemical oxygen demand: BOD)
BOI5 - biológiailag bontható szervesanyag BOI7 - biológiailag bontható szerve anyag BOI20 - a biológiailag bontható szervesanyag mellett tartalmazza
a nitrifikációhoz szükséges oxigén mennyiségét is A mikroorganizmusok részéről fellépő oxigénigény mérése Standard mérési körülmények: 20 °C-on 5, 7, 20 napig Nirifikáció inhibíció: N-Allylthiourea (C4H8N2S) BOI5/BOI∞=0,6-0,7 BOI7/BOI5=1,15
8
2011.11.15.
Oxigénháztartás és szervesanyag tartalom Biokémiai oxigénigény
KOI / BOI5 : Nyers (kommunális) szennyvízben kb. 1,5 – 3,0 Tisztított szennyvízben kb. 5
Szervesanyagok a szennyvízben KOI frakciók CKOI=SS+SI+XS+XI
SS
könnyen bontható (oldott) szervesanyag
SI
oldott, biológiailag inert szervesanyag
XS
lassan bontható (szuszpendált) szervesanyag
XI
biológiailag inert (szuszpendált) szervesanyag
KOI>BOI∞>BOI7>BOI5
9
2011.11.15.
Foszfor háztartás CTP = SPO4+Sp-P+Sorg.P+Xorg.P CTP
összes foszfor (TP, ÖP)
SPO4
oldott szervetlen orto-foszfát (PO43- v. PO4-P) – 40-70%
Sp-P
oldott szervetlen poli-foszfát
Sorg.P
oldott szerves foszfor
Xorg.P
szuszpendált szerves foszfor
19
Nitrogén háztartás Szerves nitrogén (oldott, szilárd) Ammónium ion, vagy NH4-N (szervetlen) – nyers szv: 65-80% Kjeldahl-nitrogén (a szerves nitrogén és az ammónium-nitrogén
összege) – nyers szv-ben ≈ TN Nitrit-ion, vagy NO2-N (szervetlen) – nyers szv-ben minimális Nitrát-ion, vagy NO3-N (szervetlen) – nyers szv-ben minimális Összes nitrogén (a szerves nitrogén, az NH4-N, a NO2-N és a NO3-N összege) Fehérjékben található sok N Fő forrás a vizelet Nitrogén mindig kerülhet a vízbe (N-fixálók) – nem limitál, de a
tengerek eutrofizációjánál fontos szerepet játszik
10
2011.11.15.
Ammónium--ion Ammónium Emberi eredet (fehérje, vizelet) A szerves vegyületekben kötött nitrogén részben már a
csatornahálózatban ammónium-ionná alakul Az ammóniagáz molekulája vízben hidrolizál:
NH3+H2O ↔ OH- + NH4+ NH4++H2O = H3O++ NH3 Az oldat pH-jától függő arányban két forma: Ammónium-ion Disszociálatlan, ún. szabad ammónia (NH3)
– sejtmembránon áthatol (sejtméreg)
Semleges pH értéken döntő hányadban (99,5-99,88%) NH4+ Nyers szennyvíz: 50 – 100 mg/l Tisztított szennyvíz: 5 – 10 mg/l
Ammónium Ammónia
11
2011.11.15.
Nyers szennyvíz minősége Tág határok között változhat étkezési szokások detergensek mennyisége, minősége beépítettség csatornarendszer kialakítása, hossza ipari vállalatok (előtisztítás) infiltrációs víz települési folyékony hulladék (TFH) Szezonális és napszakos változások (mennyiség, minőség)
Nyers szennyvíz minősége Hidraulikai terhelés
pH
m3/d 30 város, jellemző tartomány
6000-20000
TSS
KOI
BOI5
mg/L
mg/L
mg/L
KOI/BOI5
oKOI
oKOI/KOI
mg/L
170-780 500-1300 200-900
8 nagyváros 10000-20000 7,9
360
700
330
1,8
200
37%
300
30%
Város1
20000
7,7
480
1080
583
2,0
Város2
13000
7,8
330
630
340
2,3
Város3
14000
8,1
300
990
330
2,9
Falu
40
7,9
590
500
330
2,7
12
2011.11.15.
Nyers szennyvíz minősége TP
PO4-P PO -P TN NH4-N NH -N/ 4 4 /TP TN mg/L mg/L mg/L mg/L 30 város, jellemző tartomány
8-27
8 nagyváros
9
4
48%
70
Város1
15
11
75%
95
65
69%
Város2
9
95
50
67%
Város3
16
80
60
73%
Falu
7
171
130
78%
KOI/ TN
31%
lúg mmol/L
35-120
16
BOI5/ NH4-N
2,5-15 9 12 9 12 5
9
12
8 6 2,8
Lakosegyenérték (population equivalent) equivalent) 60 g/fő/d BOI5-nek megfelelő szervesanyag Mérések és számítások alapján egy felnőtt egy nap alatt
60 g BOI5-ben kifejezhető szervesanyagot juttat a szennyvízbe A lakosegyenérték fogalmának bevezetését az tette szükségessé, hogy az ipari szennyvizek szennyezőanyag tartalma összehasonlítható legyen a házi szennyvizekével (g/fő/d BOI5-nek megfelelő szervesanyag)
13
2011.11.15.
Átlagos szennyezőanyag kibocsátás
60 g/fő/d BOI5 120 g/fő/d KOI 70 g/fő/d TSS 11 g/fő/d TN 2,5 g/fő/d TP
Alkalmazása: ha nincs más információ! A különböző szennyvíztisztító telepekre érkező
kommunális szennyvízben nagy különbségek! (lásd később)
Szennyvíztisztítási technológiák Cél: szennyezőanyagok mennyiségének csökkentése Fizikai/kémiai/biológiai módszerekkel Változatos technológiai alternatívák Jellemzők: Gazdaságos legyen (építés és üzemelés) Átalakítás (bővítés) lehetősége Rugalmas üzemelés (a folyamatos változásoknak való
megfelelés lehetősége) Üzemirányítás, szimuláció!
14
2011.11.15.
Mit tudunk eltávolítani? Amit ma el tudunk távolítani (nem a teljes mennyiséget) Szervesanyagok (C) Nitrogénformák (N) Foszforformák (P) Egyéb „beépülő” anyagok
A szennyvíztisztítás célja: Első szennyvíztisztítók: Lebegőanyagok, szervesanyagok eltávolítása A biológia művi (irányított) környezetben történő működtetése Kis térfogatban sok mikroorganizmus
Eljárások: Mechanikai Kémiai Biológiai
Csepegtetőtestek, 1800-as évek végétől
Eleveniszapos rendszerek, 1900-as évektől
15
2011.11.15.
A mechanikai szennyvíztisztítás Ülepíthető/felúsztatható szilárd szennyezők eltávolítása (sűrűség-különbség) Gépek, berendezések védelme Biológiai egységek tehermentesítése Rács, kőfogó, homokfogó, előülepítő Eltávolított anyagok kezelése (rácsszemét – hulladéklerakó, homok – tisztítás után felhasználható, nyersiszap – stabilizáció)
A kémiai szennyvíztisztítás Lebegőanyag, szervesanyag eltávolítás (koaguláció, flokkuláció, fázis-szétválasztás) Foszfor eltávolítás (kicsapás, koaguláció, flokkuláció, fázis-szétválasztás) Fémsók Mechanikai vagy mechanikai és biológiai eljárásokkal kombinálva
16
2011.11.15.
A biológiai szennyvíztisztítás A mechanikailag eltávolítható szennyezés után a még magas
szerves- és lebegőanyag tartalmú szennyvizet mesterséges vagy természetes biológiai folyamatok révén tisztítják tovább. A biológiai szennyvíztisztítás a mikroorganizmusokban lejátszódó biokémiai reakciókon alapul. A biológiai tisztítás lényegében az élővizekben, illetve a talajban lejátszódó tisztításhoz hasonlít. Elsődleges cél a szervesanyag eltávolítás Technológiailag elfogadható időn belül nem ülepíthető (szilárd, kolloid és oldott)
szervesanyagok eltávolítása
Mikroorganizmusok (baktériumok) segítségével a szervesanyag ülepíthető
formába hozása, majd fázis-szétválasztás
Általában aerob lebontás, melynek során a fő végtermék biomassza és CO2
További cél a növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása Nitrifikáció, denitrifikáció, foszfor akkumuláció
A biológiai szennyvíztisztítás céljai Oldott és nem ülepíthető kolloid szervesanyagok eltávolítása
(második fokozatú szennyvíztisztítás) TSS, KOI, BOI5, TOC Ammónium-eltávolítás (átalakítás) NH4+ A növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása (harmadik fokozatú
szennyvíztisztítás) TN, TP, NO3 Természetes és mesterséges körülmények között Élő szervezetek működésén alapul A természetben is megtalálható mikroorganizmusok mesterséges elszaporítása Kedvező életfeltételek biztosítása
17
2011.11.15.
A biológiai szennyvíztisztítás Eleveniszapos reaktor (Activated Sludge) Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények
Fix filmes reaktor (biofilm) Felülethez kötött mikroorganizmusok Gradiensek a biofilmen belül Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők)
Természetes szennyvíztisztítás Alacsony költségű (BK, ÜK), nagy területigényű, a levegőztetést
természeti folyamatok révén biztosító rendszerek Kistelepüléseken vagy utótisztításként
Szennyvizek tisztítása Nincs 100%-os szennyvíztisztítás! A tisztítás mértéke akkora, hogy az adott befogadó öntisztító
képessége segítségével saját állapotát ne károsítsa Jogszabályi követelmények: EU szabályozás: 91/271EEC Direktíva (1991. május 21.) Minden 2000 lakosegyenértéknél nagyobb szennyvízkibocsátással
rendelkező településen meg kell oldani a szennyvizek tisztítását (2015-ig)
18
2011.11.15.
91/271/EEC Direktíva Komponens
Kibocsátási koncentráció
Eltávolítási hatásfok [%]
BOI5
25 mg/L
70-90
KOI
125 mg/L
70-90
öLA
35-60 mg/L
70-90
TP
10e-100e Leé: 2 mg/L >100e Leé: 1 mg/L
80
TN
10e-100e Leé: 15 mg/L >100e Leé: 10 mg/L
70-80
28/2004 KvVM rendelet Ez a jelenleg érvényes szabályozás, öt határérték kategória a nyers
szennyvíz lakosegyenértékben (Leé) kifejezett szennyezőanyag tartalma függvényében Leé<600 601
100.000 Technológiai, területi határértékek, egyedi határértékek megengedhető tartománya, közcsatornába bocsáthatóság kritériumai
19
2011.11.15.
Technológiai határérték
Területi határérték
M
20
2011.11.15.
Egyedi határérték
M
21
2011.11.15.
Szennyvíztisztítás technológiai egységei Mechanikai tisztítás Rács Nyers szv.
Homok- Zsírfogó fogó
Előülepítő
Biológiai tisztítás Eleveniszapos medence
Utóülepítő Tisztított szv.
Iszap recirkuláció
Rácsszem. Homok Elszállítás Csurgalékvíz
Nyersiszap
Zsír
Fölösiszap
Sűrítő Biogáz Higienizálás Iszap Rothasztó 35°C
Iszaptároló
Gáztartály
Használat (mezőgazdaság víztelenítés, szárítás, égetés, depónia)
Iszapkezelés
Néhány alapfogalom Mechanikai tisztítás (fizikai folyamatok) Elő-mechanikai tisztítás
Durva fázisszétválasztás, többnyire a szilárd és a folyadék fázisok
Még az előülepítés előtt található
22
2011.11.15.
Elő Elő--mechanikai kezelés célja A nagyméretű, durva szennyezőanyagok eltávolítása Tipikus anyagok:
Háztartási eredetű (rongyok, műanyag zsákok, intim betétek, óvszerek stb.)
Tetőhéjalásról és útburkolatról a csatornába kerülő szilárd anyagok
Homok (szilárd burkolatról)
Elő Elő--mechanikai berendezések Rácsok, szűrők (screens) Kőfogók és kavicsfogók (grit tank, grit separator, degritting unit) Homokfogók (sand removal devices)
23
2011.11.15.
Kőfogók Cél: a rács védelme (egyesített rendszernél) Egyszerű, általában gúla alakú műtárgy, a befolyó csatorna medenceszerű lemélyülése, ahol a görgetett anyagok (kövek, más nagysűrűségű durva anyagok) kiülepednek Az összegyűlt szilárdanyagokat markológéppel távolítják el
Rácsok Cél: dugulások elleni védelem, rácsszemét kiszűrése Durvarács: 6 - 60 mm Finomrács: 4 - 6 mm (egyre kisebb pálcaközű rácsokat
alkalmaznak) Rácsszemét: 10 mm pálcaköznél 10–15 dm3/leé/év vagy 3-5 g TS/leé/d
A rácsok által visszatartott BOI5: 6–7%
24
2011.11.15.
Síkrács (bar (bar screen) screen)
Homokfogó Cél: kiülepedések, lerakódások elleni védelem, gépészeti berendezések kopásának megakadályozása Ülepedési sebesség > 0,01 m/s Szemcse-átmérő: 0,1 – 0,2 mm Áramlási sebesség: vh = 0,3 m/s
25
2011.11.15.
Hosszanti átfolyású homokfogó
Levegőztetett homokfogó
26
2011.11.15.
Levegőztetett homokfogó Cél: a homokot szinte teljesen, de a kisebb fajsúlyú ülepedő anyagokat nem leülepíteni Pozitív mellékhatás: az érkező szennyvíz „felfrissítése” a beoldódó oxigén által Merülőfal mögött áramlási holttér → itt a felúszó anyagok (zsírok, olajok, hab) felúsznak és összegyűjthetők → iszapkezelés
Ülepítés A legnagyobb méretű reaktorok Cél: szilárd anyagok eltávolítása ülepítéssel Nyersiszap, eleveniszap, kémiai iszap
Ülepítőből távozik az iszap és ülepített víz
27
2011.11.15.
Ülepítő medencék Alak: Kör, vagy négyszög alaprajzú műtárgyak Horizontális vagy vertikális átfolyás
Anyag: vasbeton, acél
Üzem: Gravitációs üzem (néhányszor tíz cm nyomáseséssel)
Előülepítők célja általában biológiai fokozat tehermentesítése, de
önálló egységként is működhet - nyersiszap (ülepedő szerves anyagok) leválasztása „kevert” iszapok (nyers és eleveniszap) együttes ülepítésére (javítja az ülepítés hatásfokát) kismértékben tározóként is, de a késleltetés csupán néhány*10 perc Ülepedési sebesség tartomány: vS > 2 - 4 m/h Méretezés alapja a hidraulikai tartózkodási idő (t = 0,5 –
1,5 h) és a felületi terhelés (qA)
28
2011.11.15.
Előülepítő
Előülepítők leválasztási hatásfoka Sierp diagramm
Leválasztási hatásfok%
100 80 60 40 20 0
LA BOI5 0
1
2
3
4
5
Hidraulikai tartózkodási idő h
Négyszög alaprajzú előülepítő
Elfolyás
Befolyó szv.
Iszapzsomp
láncos kotró pajzsos kotró kotróhíddal
29
2011.11.15.
Kör alaprajzú előülepítő
Elvezetés
Bevezetés
Elvezetés
Nyersiszap
Bevezetés
Előülepítő
30
2011.11.15.
Előülepítő
Előülepítő
31
2011.11.15.
Szennyvíztisztítás technológiai egységei Mechanikai tisztítás Nyers szv.
Homok- ZsírRács fogó fogó
Előülepítő
Biológiai tisztítás Eleveniszapos medence
Utóülepítő Tisztított szv.
Iszap recirkuláció
Rácsszem. Homok Elszállítás Csurgalékvíz
Zsír Nyersiszap Fölösiszap
Sűrítő Biogáz Higienizálás Iszap Rothasztó 35°C
Iszaptároló
Gáztartály
Használat (mezőgazdaság víztelenítés, szárítás, égetés, depónia)
Iszapkezelés
32
2011.11.15.
A biológiai szennyvíztisztítás céljai Oldott és nem ülepíthető kolloid szervesanyagok eltávolítása
(második fokozatú szennyvíztisztítás) TSS, KOI, BOI5, TOC Ammónium-eltávolítás NH4+ A növényi tápanyagok (N, P) eltávolítása (harmadik fokozatú
szennyvíztisztítás) TN, TP, NO3 Természetes és mesterséges körülmények között Élő szervezetek működésén alapul A természetben is megtalálható mikroorganizmusok mesterséges elszaporítása Kedvező életfeltételek biztosítása
A biológiai szennyvíztisztítás Eleveniszapos reaktor (Activated Sludge) Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények
Fix filmes reaktor (biofilm) Felülethez kötött mikroorganizmusok Gradiensek a biofilmen belül Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők)
Természetes szennyvíztisztítás Alacsony költségű (BK, ÜK), nagy területigényű, a levegőztetést
természeti folyamatok révén biztosító rendszerek Kistelepüléseken vagy utótisztításként
33
2011.11.15.
Baktériumok csoportosítása szénforrás szempontjából Heterotrófok: A környezetükben található szerves szénvegyületeket használják szén- és
energiaforrásként (szubsztrát) - szervesanyag bontók, denitrifikálók)
Autotrófok: Szénforrásként a környezet szén-dioxidját (HCO3-) használják Autotróf sok kemolitotróf faj is, mint például a nitrifikáló és a kénoxidáló
baktériumok
A magasabb rendű organizmusokkal szemben a baktériumok anyagcseréje nagyon változatos képet mutat!
Baktériumok csoportosítása energiaforrás szempontjából Fotoszintetizálók (fotoszintézis útján a fényből nyerik az energiát) Kemoszintetizálók (kémiai vegyületekből nyerik az energiát) Kemolitotrófok (a légzéshez szervetlen elektron-donort használnak)
a leggyakoribb energiaforrás a hidrogén, szén-monoxid, ammónia/ammónium (ennek eredménye a nitrifikáció), esetleg vas-ion, vagy más redukált fém-ion, és számos kénvegyület
Kemoorganotrófok (a légzéshez szerves elektron-donort
használnak) – szervesanyag bontók
A legtöbb kemolitotróf szervezet autotróf, míg a kemoorganotróf szervezetek heterotrófok.
34
2011.11.15.
Baktériumok csoportosítása az elektronelektronakceptorok (elektron(elektron-felvevők) szempontjából A kémiai vegyületek energiaforrásként történő felhasználása során az oxidálódó anyagból az elektronok a végső elektronfelvevőnek kerülnek átadásra, redukciós folyamat során. Ebben a reakcióban energia szabadul fel, mely az anyagcsere során felhasználható. Az aerob élőlények esetében az oxigén az elektronfelvevő. Anaerob élőlények esetében más szervetlen vegyület, például
nitrát, szulfát, vagy CO2 az elektronfelvevő (pl. denitrifikáció, kéntelenítés és acetogenezis).
Fakultatív anaerob baktériumok: ha nem áll rendelkezésre végső
elektronfelvevő, erjedéssel biztosítják életműködésüket.
Szervesanyag eltávolítása Aerob (kommunális szennyvíztisztítás – EI, fix filmes) Aerob légzés O2 (DO) jelenléte (levegőztetés) Elektron akceptor: O2 → H2O
Anaerob (pl. élelmiszeripar v. kommunális szennyvíziszap
kezelés - rothasztás) Fermentáció
Nincs O2 , NO3- , NO2- , vagy SO42 Elektron akceptor: endogén - a mikroorganizmusok termelik
Anoxikus (denitrifikáció során történő szervesanyag-
bontás)
Anaerob (nincs O2 ), de van nitrát, nitrit Elektron akceptor: NO3- és NO2- → N2
Ismétlésként lásd Vízkémia – oxidáció/redukció
35
2011.11.15.
Biológiai szervesanyag konverzió Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás
Nehezen bontható szervesanyag Hidrolízis Könnyen bontható szervesanyag Biológiai növekedés Biomassza Pusztulás Inert anyag
36
2011.11.15.
Aerob szervesanyag eltávolítás Mikroorganizmusok koncentrálása (megfelelő körülmények – pH,
tápanyag, hőmérséklet stb., iszap recirkuláció: aktív biomassza visszavezetése) Aerob szervesanyag eltávolításhoz szükséges oldott oxigén
biztosítása – levegőztetés mesterséges módon (gépészeti berendezések) - energia! A szennyvíz kontaktusba kerül a biomasszával
(mikroorganizmusokkal) - bioreaktor Mikroorganizmusok elválasztása a víz fázistól (ülepítés/flotálás) Biológiai tisztítóegységek tehermentesítése (előülepítő – TSS,
nehezen bontható szervesanyagok eltávolítása)
Nitrifikáció NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + H2O + 2H+ + energia Nitrosomonas NO2 + 0,5 O2 → NO3- + energia Nitrobacter kétlépcsős folyamat szükséges: ammónium-N aerob környezet (DO ~ 2 mg/l) aerob autotróf mikroorganizmusok (pH, T, toxikus anyagok, üzemeltetés –
iszapkor, szaporodási előny – kis szervesanyag-terhelés) 1 mól N (14 g) oxidálásához 2 mól O2 (64 g) kell: 4,6 g O2 / NH4-N
37
2011.11.15.
Denitrifikáció 2 NO3- + org C + 2H+ → CO2 + H2O + N2+ energia NO3- → NO2- → NO → N2O → N2 többlépcsős folyamat szükséges: könnyen bontható szervesanyag anoxikus körülmények (DO=0, NO3-, NO2-) fakultatív heterotróf mikroorganizmusok (pH, T, toxikus anyagok,
üzemeltetés)
Biológiai foszfor eltávolítás Anaerob körülmények között foszfát leadás és C felvétel Aerob körülmények között többlet P felvétel és szervesanyag oxidáció
szükséges: váltakozó aerob/anaerob környezet heterotróf foszfor akkumuláló mikroorganizmusok (PAO) pH, T, toxikus anyagok, üzemeltetés, nitrát kizárása
38
2011.11.15.
Biológiai foszfor eltávolítás
Biológiai folyamatok a szennyvíztisztításban Mikroorganizmusok
Tápanyagok
Tevékenység
Szaporodási sebesség
Szerves C + O2 + (N és P)
Szerves C oxidáció
nagy
Szerves C + NO3- + (N és P)
NO3- redukció
nagy
Autotróf
HCO3- + NH4+ + O2 + (N és P)
NH4+ oxidáció
kicsi
Heterotróf foszfátakkumuláló
Szerves C (acetát)
P leadás, C felvétel
kicsi
O2 + (N és P)
P felvétel, C oxidáció
kicsi
Heterotróf
Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai
39
2011.11.15.
Eleveniszapos szennyvíztisztítás A lebontást végző szervezetek pehely formájában vannak jelen (1-1
iszappehely több százezer elő szervezetet tartalmaz) A mikroorganizmusok a szennyvízben jelen levő, biológiailag
bontható, oldott és partikulált szennyezőanyagainak egy részét használják fel Az oxidációs folyamatok során CO2 keletkezik, az így nyert energiát
a mikroorganizmusok életfunkcióik fenntartásához használják fel A kedvező körülmények hatására a mikroorganizmusok
elszaporodnak, a sejtfelépítésükhöz felhasználják a szennyvízben található tápanyagok (N, P) egy részét, majd elpusztulnak
Az eleveniszapos tisztítás működése függ
szervesanyagok mennyisége, bonthatósága(BOI5) tápanyagok (N és P) mennyisége oldott oxigén (DO) tartózkodási idő (HRT, SRT) pH (6,5-8,0) toxicitás (akut, krónikus) hőmérséklet (20-30 °C) keverés (lerakódások) hidraulikai viszonyok
40
2011.11.15.
Eleveniszapos levegőztetett reaktor
Levegőztető berendezések feladata Baktériumok oxigénigényének folyamatos kielégítése A sejttömeg kiülepedés-mentes, egyenletes elosztással történő
lebegésben tartása (tápanyagok és végtermékek egyenletes elosztása)
41
2011.11.15.
Tányéros levegőztető
Tömlős levegőztető
42
2011.11.15.
Anoxikus/anaerob Anoxikus /anaerob medencemedence- keverők
Keverés és mélylégbefúvás kombinációja
43
2011.11.15.
A biológiai szennyvíztisztítás elvi sémája
Levegôztetô
Ülepítô
Szennyvíz Tisztított elfolyóvíz
Iszaprecirkuláció
Fölösiszap
Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai
Szennyvíztisztítási alapfogalmak (EI) Q0, S0, X0
levegőztető medence
Xm, Sm
utóülepítő
befolyó
Qe, Se, Xe elfolyó
Vm, Xm, Sm
O2 Qr, Sr, Xr Recirkuláció (RAS: return activated sludge)
Qw, Sw, Xw Fölösiszap (excess/wasted sludge)
Q: hidraulikai terhelés (m3/d) S: oldott szubsztrát X: biomassza koncentráció (iszap) (mg/L, g/L ⇒ Xm=3-6 g/L) MLSS (mixed liquor suspended solids) V: térfogat (m3)
44
2011.11.15.
Q0, S0, X0
Xm, Sm
Qe, Se, Xe
Vm, Xm, Sm
O2 Qw, Sw, Xw
Qr, Sr, Xr Anyagmegmaradás: befolyó = elfolyó Q0 = Q = Qe+Qw ⇒ Qe = Q0-Qw (Qe = Q-Qw)
Az oldott szubsztrát mennyisége ugyanaz a levegőztető medencében, az elfolyóban és a recirkuláltatott iszapban (ha az utóülepítő nem viselkedik reaktorként) Sr = Sw = Se = Sm = S Iszapágakban ugyanaz a biomassza koncentráció Xr = Xw
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qr, S, Xr
Qw, S, Xr
Eltávolítási hatékonyság (removal rate): E = (S0-S)/S0
Recirkulációs ráta (recirkulációs arány): Recirkuláltatott térfogatáram és befolyó szennyvízhozam hányadosa R = Qr/Q (50-100%)
45
2011.11.15.
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qw, S, Xr
Qr, S, Xr
Térfogati szervesanyag terhelés: Egységnyi levegőztető térfogatra eső szervesanyag terhelés BV= Q×S0/V = 0,3-3 kg BOI5/m3d
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qw, S, Xr
Qr, S, Xr
Iszap szervesanyag terhelése (food to microorganism F/M ratio) Egységnyi biomasszára (iszapra) jutó szervesanyag terhelés BX = Q × S0 / (V × X)
[kg BOI5/kg MLSS/d]
0.6-2.5 kg BOI5/kg TSS/d
⇒ nagy terhelés
0.2-0.6 kg BOI5/kg TSS/d
⇒ közepes terhelés
0.03-0.2 kg BOI5/kg TSS/d
⇒ kis terhelés
46
2011.11.15.
Q, S0, X0
(Q-Qw), S, Xe
X, S V, X, S
O2 Qw, S, Xr
Qr, S, Xr
Iszaptermelés: FSP = Xe×(Q-Qw)+ Xr×Qw – (X0×Q)
≈0
Fölösiszap produkció (FI): Qw×Xr
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qr, S, Xr
Qw, S, Xr
Iszapkor (iszap tartózkodási idő = sludge retention time): SRT = ΘX = (V × X) / (Xe×(Q-Qw) + Xr×Qw)) = (V × X) / FSP [d] • Az az idő, amennyit az iszap átlagosan a rendszerben tartózkodik • Levegőztető medencében levő iszap tömege (kg) / a rendszert elhagyó iszap mennyisége (kg/d) • Meghatározza, hogy mely szervezetek képesek elszaporodni a bioreaktorban • Reciproka megadja azt a minimális fajlagos növekedési sebességet, amely ahhoz szükséges, hogy ne mosódjon ki a mikroorganizmus
47
