VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5
Húsipari szennyvíz fertőtlenítése ózonnal Tárgyszavak: húsfeldolgozás; szennyvíz; fertőtlenítés; ózon; szennyvízkezelés; szennyvíztisztítás.
A vágóhidakon és húsfeldolgozókban nagy mennyiségű káros szennyvíz keletkezik. Az Egyesült Államokban engedélyezik a baromfifeldolgozás szennyvízének visszaforgatását, a marha- és sertéshúsét (vörös hús) azonban nem. A visszaforgatott víz felhasználása előtt hatástalanítani kell a potenciálisan patogén és káros baktériumokat, hogy ne rontsák a hús mikrobiológiai minőségét. A fertőtlenítést rendszerint klórral végzik, ennek során azonban rákkeltő anyag képződhet. Az ózon erősebb oxidálószer, szélesebb a hatásspektruma. Előnye, hogy maradékmentesen oxidál. Az amerikai Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatal (FDA) engedélyezte az ózon használatát az élelmiszeriparban. Az eddigi kísérletek azonban tiszta vízzel folytak, szennyvízzel nem. Pedig ez befolyásolja a hatékonyságot és a mikroorganizmusok ellenállását. Az alábbi összeállítás a vágóhídi szennyvíz ózonos fertőtlenítéséről számol be, félszakaszos reaktorban, nem helyhez kötött feltételek mellett.
Kísérleti rész Anyagok A szennyvíz kanadai vágóhídi szennyvíz volt, amelyet 4 órával az üzemeltetés után gyűjtöttek, és szűréssel eltávolították az 1 mm-nél nagyobb részeket. A szennyvizet 30 perc alatt, hűtve szállították a laboratóriumba, és 4 °C alatt tárolták. A vegyszerek reagens tisztaságúak voltak.
Módszerek Az aerob lemezszámlálást szabványos módszerrel, tripton–glükóz– élesztő–agar tápközegben végezték. Mivel a szakembereket a teljesen károsodott baktériumok mennyisége érdekelte, a VRBA/MUG módszerrel számlálták az E. coli és a coliform baktériumokat. Az eredmények öt replikátum átlagai voltak, a kolóniaképző egység CFU/cm3-ben volt kifejezve. Az oldott ózon koncentrációját indigós módszerrel, a KOI (kémiai oxigénigény), BOI (biológiai oxigénigény) és TSS (összes szuszpendált szilárd anyag) értékeket szabványos módszerekkel határozták meg. Berendezés és eljárás Az ózont oxigénből, ózongenerátorral állították elő. A reaktort elhagyó ózonfelesleget katalitikus oszlopon bontották el. A reaktor 350 cm3es, folytonosan táplált gázmosó palack volt. A 300 cm3 szennyvíz ózonozása az ózon és oxigén betáplálása után kezdődött. Szabályozták a gáz nyomását és mennyiségét. A reakció 20 °C-on ment végbe, időközönként mintát vettek.
Eredmények A kiindulási szennyvíz jellemzői az 1. táblázatban láthatók. 1. táblázat A sertésvágóhídi szennyvíz minősége Paraméter pH Fényáteresztés, % KOI, mg/dm-3 BOI, mg/dm-3 TSS, mg/dm3 APC (aerob lemezszámlálás), CFU/cm3 TC (összes koliform), CFU/cm3 Escherichia coli, CFU/dm3
Érték 6,4–6,6 9,3–9,6 1900–2200 2000–2400 1300–1700 (6,7–8,8) × 104 (4,6–7,0) × 103 290–340
Előzetes kísérletekkel állapították meg, hogy hatékonyan fertőtleníte az ózon. A válasz igen volt. A fertőtlenítési kísérletek eredményei a 2. táblázatban láthatók. 2. táblázat 75,84 kPa nyomáson, 20 °C-on végzett fertőtlenítés előzetes eredményei Idő, min
APCx10-4 CFU/cm3
TCx10-3 CFU/cm3
0,2 %(m/m) ózon a betáplált gázban, amelynek áramlási sebessége 0,63 SLPM*
0 2 4 8
6,7 5,1 3,5 1,5
6,3 3,5 2,4 1,0
295 178 130 58
0,8 %(m/m) ózon a betáplált gázban, amelynek áramlási sebessége 0,63 SLPM
0 2 4 8
8,4 2,2 0,7 0,07
4,6 1,3 0,5 0,03
325 110 40 5
Ózonozás feltételei
E. coli CFU/cm3
* SLPM – standard liter/perc
A mikroorganizmusok inaktiválási sebessége nőtt a betáplált gáz ózonkoncentrációjával. Az EPA (az USA környezetvédelmi Hivatala) bevezette a CT fogalmát a fertőtlenítés mértékének jellemzésére. A CT (mg · min/dm3) az oldott ózon koncentrációjának (C, mg/dm3) és az ózon érintkezési idejének (t, min) szorzata: t
CT = ∫ C( t )dt
(1)
0
Az ózonos fertőtlenítés hatékonysága függ a CT értékétől, amely viszont az üzemeltetési feltételek és a szennyvíz minőségének függvénye. Oldottózon-koncentráció
Nem stacionárius üzemeltetéskor a CT kiszámításához ismerni kell a C és a t értékét. Ezért vizsgálták az oldott ózon koncentrációjának változását az ózonozási idővel, különböző ózonadagok mellett. Azt tapasztalták, hogy az oldott ózon koncentrációja az idővel fokozatosan nőtt egy maximális mértékig.
Az eredmény a következő modellel írható le: C = C0 (1–e–kt)
(2)
ahol: C0 az egyensúlyi oldott oxigén koncentrációja; k kísérleti állandó. Mindkét paraméter az alkalmazott ózonadag függvénye. A modell standardhiba-értéke 5% alatt van. Az ózon a szennyvízben három reakción ment át: fertőtlenítés, kémiai oxidáció és autobomlás. Valódi szennyvízben számos ózonfogyasztó anyag van jelen a baktériumok mellett. A fertőtlenítés előrehaladásával a baktériumok inaktiválódnak; közben az ózonfogyasztó anyagok intermedierekké alakulnak, amelyek ellenállnak a további oxidációnak. Tehát az oldott ózon felhasználása csökken, és beáll az adott ózonadagra jellemző egyensúly. Az adag változtatásakor az egyensúly más ózonkoncentrációnál áll be. CT-értékek
Az (1) és (2) egyenletekből következően: t
(
)
1 ⎡ ⎤ CT = ∫ Cdt = C0 ⎢t + e −kt − 1 ⎥ ⎣ k ⎦ 0
(3)
Az indikátor mikroorganizmusok inaktiválódása
Valódi szennyvízben az inaktiválódást kettősfalú bepárlóban, 20 °C-on, 0,63 l/min (SLPM) és 75,84 kPa nyomás mellett vizsgálták. Az ózon koncentrációja 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 és 1,2% volt, az alkalmazott ózonadag: 5,77; 11,55; 17,32; 23,09 és 34,64 mg/min/dm3 volt. Időközönként vett mintákban vizsgálták a mikrobák számát és az oldott oxigén koncentrációját. 2 mg · min/dm3 CT mellett több mint 90%-os inaktiválást értek el az APC, TC és E. coli értékekben. A CT további növelésével már csak enyhe emelkedést lehetett elérni. Nagyobb CT-értékeknél a mikroorganizmusok aggregálódhattak, vagy a mikroorganizmushoz kötődött idegen anyag nyújthatott védelmet az inaktiválódás ellen. Amikor a túlélő mikroorganizmusok számának (N) és az aktív mikroorganizmusok kezdeti számának (N0) hányadosa, N/N0 korrelált a CT értékkel, nem volt lineáris összefüggés a CT és az N/N0 logaritmusa kö-
zött. Ehelyett bármilyen valódi vöröshús-feldolgozási szennyvízre a következő empirikus összefüggéseket találták érvényesnek az APC-re, TCre és E. colira vonatkozóan: ⎛N ⎞ 0,2046 ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ N0 ⎠ APC 0,2046 + CT
(4)
⎛N ⎞ 0,1774 ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ N0 ⎠ APC 0,1774 + CT
(5)
⎛N ⎞ 0,2344 ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎝ N0 ⎠ APC 0,2344 + CT
(6)
Ezekben a standard hiba 6%-nál kisebb volt. Az egyenletek eltérnek a tiszta víz fertőtlenítésére kapottaktól, mert szennyvíz esetében az ózon koncentrációja változik a folyamat során. Mikrobainaktiválódás és az alkalmazott ózonadag
Az inaktiválás hatékonysága függ a CT-értékektől, amelyek viszont szoros kapcsolatban vannak az alkalmazott ózonadaggal, D-vel, mivel az ózonkoncentráció, C adott szennyvíz-összetétel és adott érintkezési idő mellett a D függvénye. Az ózonadag beállítható és monitorozható, ezért jó lenne a CT-értéket a D-érték alapján becsülni. Erre a következő lineáris összefüggést találták az összes érintkezési időre (R2 > 0,95): CT = bD
(7)
ahol: b az egyenes vonal meredeksége. A b az ózonozási idő függvénye; a legkisebb négyzetek regressziója alapján megkapták a CT-érték kiszámítására szolgáló egyenletet: CT = (1,2×10–3t2 + 1,06×10–2t)D
(8)
Az egyenletet óvatosan kell alkalmazni, mert a C érzékeny a szennyvíz összetételére. Célszerű hasonló szennyvizek esetében használni a CT megközelítő értékének kiszámítására. Az ózonozás hatása a szennyvíz egyéb minőségi paramétereire
A KOI, BOI, fényáteresztés és TSS értékeket 23,09 mg/min/dm3 ózonadag, 0,8 %(m/m) ózonkoncentráció és 0,63 SLPM áramlási sebesség mellett 8 perc után vizsgálták. A kapott 4,13 mg · min/dm3 CT-érték mellett 99%-os inaktiválást értek el az aerob baktériumok, összes koliform és E. coli esetében. A 3. táblázat bemutatja a három replikátum átlagából kapott eredményeket. A fényáteresztés nem javult, és a TSS nem csökkent, bár a szennyvíz elszíntelenedett. 3. táblázat Az ózonozás hatása a vágóhídi szennyvíz egyes minőségi mutatóira Paraméter
Nettó változás kezelés után, %
KOI
–10,7
BOI
–23,6
Fényáteresztés
∼0
TSS
∼0
Következtetések 1. Az ózon igen hatékony a vöröshús-feldolgozási szennyvíz fertőtlenítésére. 8 perces kezelés után 23,09 mg/min/dm3 adag 99%ban inaktiválta az aerob baktériumokat, az összes koliform baktériumot és az E. colit. 2. Empirikus modelleket állítottak fel az ózon mikrobiális inaktiválási hatékonyságának előrejelzésére a CT-értékekből, valódi vöröshús-feldolgozási szennyvízre, nem stacionárius folyamatra, félszakaszos reaktorban. A modellek az összes ilyen szennyvíz jellemzésére megfelelnek.
3. Korrelációt javasoltak a CT becslésére az alkalmazott ózonadag és ózonérintkezési idő alapján. Ez hasonló típusú szennyvizeknél alkalmazható. 4. 99%-os mikrobiális inaktiválás mellett a KOI, BOI5 csökkenése 10,7 és 23,6% volt. A fényáteresztés és a TSS azonban nem javult. Összeállította: Fazekasné Horváth Zsuzsanna Wu, J.; Doan, H.: Disinfection of recycled red-meat-processing wastewater by ozone. = Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 80. k. 7. sz. 2005. p. 828–833. Amirsardari, Y.; Yu, Q.; Williams, P.: Effect of ozonation and UV iradiation with direct filtration on disinfection and disinfection by-product precursors in drinking water treatment. = Environmental Technology, 2001. 22. sz. p. 1015–1025.
