Nitrogén-eltávolítás az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen Kassai Zsófia Fővárosi Csatornázási Művek Zrt.
Bevezetés A növényi tápanyagok eltávolítása a szennyvízből, azon belül is a nitrogén-eltávolítás kiemelt fontosságú feladat. A Fekete-tenger eutrofizációtól való védelme érdekében a Duna vízgyűjtő területén található szennyvíztisztító telepeknek fejleszteniük kell a tisztítási technológiát. Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telep tápanyag eltávolítási fokozata, mely a Világbank „Global Environmental Facility” programjának keretein belül, a Fővárosi Önkormányzat beruházásában létesült, 2011 tavaszától működik üzemszerűen. A bővítés során a meglévő levegőztető medencék („A” vonal) átalakítása és egy új biológiai műtárgysor („B” vonal) létesítése valósult meg. Az előülepített szennyvíz kb. 5050%-ban elosztva kerül az „A” illetve a „B” biológiai vonal műtárgyaira, melyeken előkapcsolt denitrifikációval kombinált szakaszos levegőztetéssel ellátott eleveniszapos medencékben zajlik a szerves anyag és a nitrogén eltávolítása. Ily módon külső szénforrás adagolása nélkül játszódnak le a folyamatok.
Nitrifikáció – denitrifikáció rövid ismertetése Kommunális szennyvizek esetében a szerves nitrogén hidrolízise nagyrészt a csatornahálózatban megtörténik, így a nyers szennyvízben a nitrogén döntően redukált formában, ammónium-nitrogénként van jelen. A csatornahálózaton keresztül érkező szennyvíz nitrogén tartalmát jelentősen növelheti az iszapkezelésből származó csurgalékvizek nitrogén tartalma is. A nitrogéneltávolítás első lépcsője a nitrifikáció, amikor a redukált ammóniumnitrogénből autotróf mikroorganizmusok által két lépcsőben nitrit, majd nitrát keletkezik: NH4++O2 +CO2 → (MOA) → (MOA) + NOx + 2 H+ A nitrifikáló mikroorganizmusok szaporodási sebessége és fajlagos iszaphozama is elmarad a heterotróf baktériumokétól, ezért fontos, hogy az autotrófok a szennyvíz összetételének és az iszaphozamoknak megfelelő arányban elszaporodjanak az iszapban (Kárpáti, 2002; Kárpáti et al., 2004). Az iszapterhelés megfelelő csökkentése esetén a két csoport egyensúlyba tud kerülni. Nagyobb iszapkorral, továbbá az iszap fajlagos szerves anyag terhelésének csökkentésével a nitrifikálók hátránya kiegyenlítődhet (Grady-Lim, 1990; Henze et al., 1995).
1
A második lépcső a denitrifikáció, amikor heterotróf baktériumok oldott oxigén helyett a nitrát oxigénjét használják elektron akceptorként, így a nitrát több redukciós lépcsőn keresztül nitrogéngázzá alakul: NOx + BOI5 + H+→ (MOH) → (MOH) + N2 + CO2 Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen is működő előkapcsolt denitrifikációs rendszerben belső recirkuláció juttatja vissza a nitrátban gazdag vizet a levegőztető medencék végéről az anoxikus zóna elejére. Ahhoz, hogy a denitrifikáció a kívánt hatásfokkal végbemenjen, nagyon fontos az anoxikus térrész mérete az eleveniszapos medencéhez képest, a relatív iszapterhelés és az anoxikus térbe érkező szennyvíz TN/KOI aránya, különös tekintettel a könnyen bontható szerves anyag mennyiségére.
Nitrogén-eltávolítás az észak-pesti telepen Műtárgyak kialakítása A tápanyag-eltávolítási fokozat kiépítése során mind az „A”, mind pedig a „B” vonalon anoxikus zónákat alakítottak ki a levegőztető medencék elé. Mindkét ágon szekciónként 2-2 sorba kapcsolt, hosszanti átfolyású, egyenként teljesen átkevert reaktor létesült.
Az „A” vonalon a már meglévő 4 szekció levegőztető medencéinek elejéről választották le az egyenként 2625 m3-es (hasznos térfogat: 2466 m3/szekció), keverőkkel ellátott anoxikus zónákat (1. ábra). Így az alábbi térfogatok alakultak ki: Anoxikus medencék:
2 625 m3/szekció
Összes térfogat: 10 500 m3
Levegőztető medencék:
11 950 m3/szekció
Összes térfogat: 47 800 m3
Összesen:
14 575 m3/szekció
Összes térfogat: 58 300 m3
Tehát az „A” vonalon az anoxikus térfogat az eleveniszapos medencék összes térfogatához viszonyítva 18%.
2
1. ábra: Anoxikus térrész kialakítása az „A” vonalon
A „B” vonal is négy párhuzamos szekcióból áll. Minden szekció két sorba kapcsolt, egyenként 1110 m3 térfogatú anoxikus medencéből és Caroussel típusú levegőztető medencéből áll (2. ábra). A megfelelő áramlást keverők biztosítják mind az anoxikus, mind pedig a levegőztető medencékben: szekciónként négy keverő minden egyes levegőztető medencéhez és két keverő minden egyes anoxikus zónához (anoxikus medencékként 1-1).
Anoxikus medencék:
2 220 m3/szekció
Összes térfogat: 8 880 m3
Levegőztető medencék:
10 400 m3/szekció
Összes térfogat: 41 600 m3
Összesen:
12 620 m3/szekció
Összes térfogat: 50 480 m3
Tehát az anoxikus térfogat az eleveniszapos medencék össztérfogatához viszonyítva a „B” vonalon is 18%.
3
2. ábra: „B” vonal
Szakaszos levegőztetéssel kombinált előkapcsolt denitrifikáció Az Észak-pesti Szennyvíztisztító Telepen a nitrogén eltávolításon belül a nagyobb hangsúlyt nem a minél hatékonyabb nitrifikáció – ezzel a lehető legkisebb elfolyó NH4-N – hanem az elfolyó vízben elérhető legkisebb összes nitrogén kapja. Ennek érdekében találnunk kellett egy olyan üzemállapotot, amivel a nitrifikáció-denitrifikáció együttes hatása a legnagyobb. Először a „B” vonalon tértünk át a szakaszos levegőztetésre a hatékonyabb denitrifikáció érdekében. Ez egy szükséges lépés volt, mivel a rendkívül kis anoxikus terekben nem állt rendelkezésre elegendő idő ahhoz, hogy a denitrifikáció megfelelően végbemenjen. Ennek oka, hogy a befolyó szennyvíz a tervezett arányokhoz képest jelentősen több nitrogént tartalmazott, mint szerves anyagot, a könnyen bontható szerves anyag tekintetében pedig még rosszabb volt az arány.
4
A tervezéskor figyelembe vett és a tényleges terheléseket mutatja az 1. táblázat. Tényleges [kg/d]
Eltérés
Tervezett [kg/d]
2012
2013.05.31-ig
2012
2013.05.31-ig
KOI
133 406
54 958
70 429
41,2%
52,8%
BOI5 Lebegő anyag
72 800 63 336
34 296 24 283
40 788 36 061
47,1% 38,3%
56,0% 56,9%
NH4-N TN TP
7 553 11 575 1 984
5 902 7 563 743
6 290 8 533 946
78,1% 65,3% 37,4%
83,3% 73,7% 47,7%
1. táblázat: Tervezett és valós terhelések
Jól látható, hogy a tervezett értékekhez képest a befolyó szennyvíz jelentősen felhígult, továbbá a mennyisége is csökkent. Ugyanakkor a nitrogén-formák tekintetében jelentősen kisebb a csökkenés, mint a szerves anyag szempontjából. Ennek egyik oka a rothasztott iszap víztelenítéséből származó csurgalékvíz minőségében keresendő (2. táblázat).
2010 2011 2012 2013. 06-ig
KOI [mg/l]
N(NH3-NH4) [mg/l]
TN [mg/l]
KOI:TN
1 349 1 153 974 778
1 174 1 208 926 1 215
1 355 1 359 1 083 1 367
~ 1:1 ~ 1:1,2 ~ 1:1,1 ~ 1:1,8
2. táblázat: Tervezett és valós terhelések
Míg a kommunális eredetű nyers szennyvízben a KOI/TKN arány 10 körüli érték, addig a préselésből származó csurgalékvízben a két paraméter közel megegyező koncentrációban van jelen, sőt, az összes nitrogén tartalom akár meg is haladhatja a szerves anyagét. Ez főleg olyan időszakokban fordul elő, amikor a rothasztó tornyokba jelentős mennyiségű állati eredetű hulladék kerül. 2013 első fele ilyen időszak volt, ezért is látható a táblázatban, hogy majdnem kétszer akkora a csurgalékvíz összes nitrogén tartalma, mint a KOI. Mivel a telepen keletkező csurgalékvizek egyenesen a befolyó szennyvízhez kerülnek visszavezetésre, a hatás már a telep elején jelentkezik. A 3. táblázat mutatja, hogy milyenarányok alakultak ki a befolyó szennyvízben a telepbővítésekor figyelembe vett értékekhez képest.
Tervezett 2012 2013. 06-ig
KOI [kg/d]
NH4-N [kg/d]
TN [kg/d]
KOI:TN
133 406 54 958 70 429
7 553 5 902 6 290
11 575 7 563 8 533
~ 11:1 ~ 7:1 ~ 8:1
3. táblázat: Tervezett és tényleges KOI/TN arányok
5
Az adatokból egyértelműen látszik, hogy a befolyó szennyvízben nem áll rendelkezésre olyan mennyiségű szerves anyag, amivel a denitrifikáció a viszonylag kis anoxikus terekben le tud játszódni. Ezért először a „B”, majd pedig az „A” vonalon is átálltunk a szakaszos levegőztetésre (3. ábra), így biztosítva nagyobb térfogatot és több időt a denitrifikációnak. Ennek köszönhetően a denitrifikálók nemcsak a szennyvízzel érkező könnyen bontható szerves anyagot tudják hasznosítani, hanem a hidrolízis során keletkezőt is.
3. ábra: A szakaszos levegőztetés elvi sémája
Mivel az „A” biológiai vonalon a levegőztető medencékben nincsenek keverők, a levegőztetést maximum 60 percre lehet leállítani az iszap ülepedése miatt. Jelenleg időalapú szabályozás működik, a laboradatok és a telepített szondák értékei alapján manuálisan állítjuk be, hogy a szekciókon hány levegőztetett és levegőztetés nélküli óra legyen egy nap és mikor.
6
1. kép: „A” vonal
Ezzel szemben a „B” vonalon keringetett levegőztető medencék találhatóak, így nem kell az eleveniszap ülepedésétől tartani. A szabályozás egy ammónium analizátor jele alapján történik, mely a levegőztető medencék közös elfolyási pontjára van telepítve, az utóülepítők elé. A folyamatirányításon meghatározható, hogy milyen ammónium szinteknél hány medencét levegőztessünk. Az aktuális beállításokat mutatja a 4. táblázat.
Mért ammónium-nitrogén [mg/l] < 1,5 1,5 – 3,5 3,5 – 5,0 > 5,0
Levegőztetett szekciók száma [db] 1 2 3 4
Kevert szekciók száma [db] 3 2 1 0
4. táblázat: Levegőztetés ammónium szonda alapján a „B” vonalon
A különböző ammónium-nitrogén szinteknél a szekciók közti váltás 60 percenként történik. Ezáltal a denitrifikációs térfogat jelentősen növekszik, és a denitrifikálóknak nemcsak a könnyen bontható szerves anyagot van lehetőségük felhasználni, hanem a hidrolízis során keletkező szerves anyagot is.
7
2. kép: Szakaszos levegőztetés a „B” vonalon
A szakaszos levegőzetésnek köszönhetően a telep stabilan tartani tudja a 10 mg/l körüli elfolyó összes nitrogént, az üzemeltetési engedélyben előírt 35 mg/l-rel szemben. A 2012-es átlag adatokat tartalmazza az 5. táblázat, a konkrét adatsorok pedig az 4. ábrán láthatóak.
2012 átlag adatok
Befolyó [mg/l]
Elfolyó [mg/l]
Határérték [mg/l]
KOI
441
37
125
BOI5 Lebegő anyag
282 195
<10 6
25 35
NH4-N TN TP
50,1 64,1 6,2
1,47 10,00 1,40
10 35 5
5. táblázat: Befolyó és elfolyó vízminőség 2012-ben
8
20 18
NH4-N
TN
NH4-N és TN [mg/l]
16 14 12 10 8 6 4 2
20 1
20 1
2. 01 .0 405 2. 02 . 10 20 -1 12 1 .0 3. 18 20 -1 12 9 .0 4. 19 20 -2 12 0 .0 5. 22 20 -2 12 3 .0 6. 28 20 -2 12 9 .0 8. 03 20 -0 12 4 .0 9. 09 20 -1 12 0 .1 0. 14 20 -1 12 5 .1 1. 15 20 -1 12 6 .1 2. 19 20 -2 13 0 .0 20 1. 13 23 .0 -2 2. 4 28 -0 20 3. 13 01 .0 3. 27 20 -2 13 8 .0 4. 24 20 -2 13 5 .0 5. 28 -2 9
0
4. ábra: Elfolyó ammónium-nitrogén és összes nitrogén koncentrációk 2012-2013.
Jelenleg is tart az „A” vonal fejlesztése, melynek keretén belül új ammónium analizátorokat telepítünk, így a szakaszos levegőztetés szabályozását ott is a tényleges ammónium-nitrogén mennyisége fogja meghatározni. További terv az „A” vonalon keverők telepítése a levegőztető medencékbe, ami megakadályozza az iszap leülepedését a levegőztetés nélküli időszakokban.
Irodalomjegyzék Grady, L. C. P., Lim, H. C. (1980): Biological wastewater treatment - Theory and applications. Marcel Dekker, NY Henze, M., Gujer, W., Mino, T., Matsuo, T., Wentzel, M. C., Marais, G. v. R. (1995): Activated Sludge Model No. 2. IAWQ Scientific and Technical Report No. 3. London IAWQ. Kárpáti, Á. (2002): Az eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai - I.BOI és nitrogéneltávolítás. – 1-14, II. Biológiai többletfoszfor eltávolítás és a szerves széntartalom optimális kihasználása. 14-27. Szerk.: Kárpáti, Á., Eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek és ellenőrzése. Ismeretgyűjtemény No. 2. Veszprémi Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék, pp. 97. Kárpáti, Á.; Pásztor, I., Pulai, J. (2004): Nitrogéneltávolítás jelenlegi és távlati lehetőségei a szennyvíz-tisztításban. VÍZMŰ Panoráma, XII. (2) 17-22.
9
