FELHASZNÁLÓI JELENTÉS LABORATÓRIUMI ANALÍZIS & ÜZEMI MÉRÉSTECHNIKA SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TÁPANYAGOK
Optimális tápanyagarány szennyvíztisztításkor Ahhoz, hogy megfeleljenek a törvényes előírásoknak, a szennyvíztisztító kezelőjének nagy körültekintéssel kell vezetnie a tisztítási folyamatot, hogy azonnal közbeléphessenek, hogy megakadályozzák a ¾ határértékek átlépését. A ¾ kémiai és fizikai kezelés mellett a szennyvíztisztítás alapvetően ¾ mikroorganizmusok által végzett biológiai tisztítással történik az aktivált
iszapban. Ahhoz, hogy a telepet maximális hatékonysággal üzemeltethessék, tudni kell a ¾ tápanyagigényt és az aktív iszap összetételét. A ¾ kedvezőtlen tápanyagarányok okait és hatásait valamint azokat a lépéseket, amelyek megteendők, hogy megbirkózzunk velük, ebben a jelentésben foglaljuk össze.
Szerző: Michael Winkler mérnök - Projektvezető, Termékfejlesztés és Ügyfélszolgálat - BIOSERVE GmbH, Mainz
2
TÁPANYAGOK AKTIVÁLT ISZAP
Tápanyagok az aktivált iszapban Ahhoz, hogy a mikroorganizmusok maximális hatékonysággal dolgozzanak, elengedhetetlen a kiegyensúlyozott tápanyag arány. A tápanyagok közül a szén, a nitrogén és a foszfor a legfontosabb.
Laboratóriumi elemzés és az ipari méréstechnológia támogatják a határértékek betartását.
Szén A szén a szennyvízben található szerves vegyületek alapvető alkotója. Ezt bontják le biológiailag a mikroorganizmusok anaerob körülmények közt az aktív iszapban (Bio-P), egy oxigénhiányos környezetben (denitrifikációs zóna) és a biológiai kezelés levegőztetett szakaszában (nitrifikációs zóna). A mikroorganizmusok a szénvegyületeket saját sejtjeik felépítésére és energiatermelésre használják fel. ¾ A szénvegyületeket, mint KOI, BOI5 vagy TOC-ként határozzák meg
Egy analitikai laboratóriumi munkahely egy fotométerből, reagensekből és a mérendő paramétertől függően egy termosztátból áll.
Nitrogén A víztisztító telepek belépő áramában a nitrogén szerves formában kötve (szerves N) és mint ammónium nitrogén van jelen (NH4-N). A biológiai szennyvíztisztí-
tás során a szerves N-t NH4-N-né alakítják át a baktériumok az aktivált iszapban. Ezt az NH4-N-t és az eredeti belépő NH4-N-t alakítják nitritté, amit később nitráttá alakítanak (nitrifikáció). Azokat a nitrogénvegyületeket, amelyek biológiailag nem bonthatók le az aktivált iszapban, oxigénhiányos körülmények között (oldott O2 távollétében) elemi nitrogénné alakítják (denitrifikáció). Ez azután a légkörbe távozik N2 formájában. ¾ A nitrogénvegyületeket, mint NH4-N, NO2-N, NO3-N vagy TN (teljes nitrogén, ami nagyon fontos az anyagmérleg és a kilépőáram ellenőrzése miatt) formájában határozzák meg. Foszfor A belépőáram P terhelése ortofoszfát foszforból (PO4-P), polifoszfátokból és szerves foszfátokból tevődik össze. Együtt a „teljes foszfor“ (Ptot.) integrált paramétert adják.
Szerves anyagok + O2 + Tápanyagok Mikroorganizmusok
Új sejtek anyaga + CO2‹ + H2O
I. Táblázat: A szennyvíztisztítás fontos integrált paraméterei KOI (Kémiai OxigénIgény), ez nagyjából annak az oxigénmennyiségnek felel meg, amely ahhoz szükséges, hogy teljesen oxidáljuk a szénvegyületeket, beleértve a redukált állapotú szervetlen vegyületeket is. BOI5 (Biológiai OxigénIgény), ez azt jelzi, hogy standard körülmények közt, mennyi oxigént használnak fel öt nap alatt a mikroorganizmusok a biológiai lebontáshoz. TOC (Teljes Szerves Szén) a szerves formában kötött szén mennyiségének a mértéke, a BOI5-tel ellentétben a TOC tartalmazza a biológiailag nehezen lebontható vegyületeket is. TKN (Teljes Kjeldahl Nitrogén) a szerves formában kötött nitrogén (szerves N) és az ammónium nitrogén (NH4-N) mennyiségének a mértéke. Teljes nitrogén TN (LATON) tartalmazza a szerves formában kötött, az ammónium (NH4-N), a nitrit (NO2-N) és a nitrát (NO3-N) nitrogént.
www.hach-lange.hu
3
Nitrifikáció
Denitrifikáció
Szerves N vegyületek (karbamid, fehérjék stb.) Hidrolízis és ammonifikáció Ammónium nitrogén NH4-N
Nitrát nitrogén NO3-N Nitrát reduktáz – oxigén Nitrit nitrogén NO2-N
Nitrosomonas + oxigén Nitrit nitrogén NO2-N
Nitrit reduktáz – oxigén
Nitrát nitrogén NO3-N
Oxigén Széndioxid CO2‹
NO, N2O
Nitrogén baktérium + oxigén
Szerves C vegyületek
NO, N2O reduktáz – oxigén Elemi nitrogén N2‹
1. ábra: Lebontási folyamatok a nitrifikáció és a denitrifikáció során
A biológiai víztisztítás során a polifoszfátokat és a szervesen kötött foszfort ortofoszfáttá alakítják. Az organizmusok P igénye abból ered, hogy a foszfornak speciális szerepe van az energiaháztartásukban, metabolizmusukban. P szükséges a sejtmembránok kialakításához, és a DNS-hez. A szennyvízben lévő foszfor egy részét biológiailag vonják ki (Bio-P). A maradék eltávolítható fizikai kémiai foszfátlecsapással. ¾ A foszforvegyületeket (a lecsapás irányításához) orto-PO4-P formájában, (az anyagmérleghez és a kilépőáram ellenőrzéséhez) Ptot. formájában határozzák meg. Nyomelemek Más nyomelemek, amelyek szükségesek a sejt felépítéséhez – pl. kálium, magnézium, mangán, vas, réz, cink, nikkel, vitaminok és növekedési faktorok – általában jelen vannak a lakossági szennyvízben, vagy az aktivált iszapban lévő mikroorganizmusok maguk biztosítják azokat.
Kén Rothadó háztartási szennyvíz és néhány ipari szennyvíz tartalmaz redukált kénvegyületeket (kénhidrogén, szulfidok, tioszulfátok). A kén a fehérjék elengedhetetlen alkotója. A víztisztító telepeken a redukált kénvegyületeket nemcsak kémiailag szulfáttá oxidálják, de néhány baktérium is kénné oxidálja, és mivel ez a folyamat energiát termel, ezért a sejteken belül, mint tápanyagtartalékot tárolják őket. Redukált kénvegyületek magas koncentrációja a szennyvízben ugyanakkor számos problémát is okozhat (2. Táblázat). C:N:P arány (BOI5:TN:Ptot.) A szennyvíz egyes tápanyagainak a koncentrációja meg kell, hogy feleljen az aktivált iszapban lévő baktériumok igényeinek, és egy kiegyensúlyozott viszonynak kell lennie a C, N és a P között. Ez döntő fontosságú a biológiai lebontás hatékonyságához. Folyamatok: Aerob szennyvíztisztítás alatt a C:N:P aránynak 100:10:1 és 100:5:1 között kell lennie.
Reagensmentes érzékelőket használnak a folyamatos követéshez.
A modern analizátorokat közvetlenül a medence szélére rögzítik és nem igényelnek védőburkolatot.
4
TÁPANYAG_SZÁMÍTÁS
Kedvező és kedvezőtlen tápanyag arányok
SC 1000 vezérlő, akár nyolc érzékelőhöz is – alkalmasak hálózatban való használatra is, pl. Profibus-szal
Ugyanakkor a különböző ipari üzemek, az étkezési szokások területi különbségei (a különböző konyhai hulladékok lefolyón keresztüli eltávolítása) valamint a talaj és az ivóvíz tulajdonságaiban lévő különbségek miatt, a szennyvíz összetétele széles határok közt változhat. A tapasztalat azt mutatja, hogy a C:N:P arány a kommunális szennyvizekben kb. 100:20:5. A N és P vegyületek feleslege modern módszerekkel minden különösebb gond nélkül eltávolítható.
Ha biológiai szakaszba belépő szennyvíz árama hiányos valamelyik fő tápanyagban, akkor problémák széles skálája léphet fel (3. Táblázat). Hatásos denitrifikáláshoz a biológiailag könnyen lebontható C vegyületeknek egy bizonyos arányba kell jelen lennie. Miután a kommunális szennyvíz áthaladt az elsődleges ülepítő medencén, a BOI5:N arány 100:25 (=4). Ha az arány 100:40 (=2,5) alá esik, a denitrifikációs folyamat hatékonysága romlik, ami magasabb nitrát értékeket eredményez a kilépő áramban. Ha az elsődleges tisztító kikerülése és a denitrifikációs térfogat növelése nem hoz semmi javulást, akkor biológia-
2. Táblázat a magas kéntartalom okai és következményei
Részben bemerített NITRATAX sc érzékelő, on-line nitrát méréshez
Okok/A szennyvíz eredete • Kémiai vagy fehérje feldolgozó üzemből származó kéntartalmú vegyületek magas koncentrációja (hús- vagy baromfifeldolgozás) • A szennyvízgyűjtő rendszerben lejátszódó anaerob folyamatok, amelyek a kénvegyületek kénhidrogénné való redukcióját eredményezik
Lehetséges következmények Helyesbítő lépések • A csatorna és a szennyvíztisz- • Akadályozzák meg a szennyvízgyűjtő hálózatban a dugutító telepi medencefalak korlásokat. róziója. • A szomszédság bűztől szen- • Adagoljanak vas sókat a csatornába (pl. a ved. szivattyúállomásokon). • A ként oxidáló fonalas baktériumok gyorsított növekedése (Típus: 021 N)
3. Táblázat: A szennyvíztisztítási eljárás biológiai szakaszában fellépő tápanyaghiány okai és következményei Hiány van Szénből
Nitrogénből
Foszforból
Okok/A szennyvíz eredete • Hosszú tartózkodási idő a szennyvízgyűjtő rendszerben • Nehezen elérhető elsődleges szennyvízkezelés • Magas nitrogéntartalmú ipari szennyvíz, pl. tej- vagy húsfeldolgozóból Alacsony nitrogéntartalmú szennyvíz: • papíriparból • gyümölcs és zöldségfeldolgozóból
Lehetséges következmények Helyesbítő lépések • Kerülje meg az elsődleges tisztítót • Fonalas baktériumok bőséges • Növelje a denitrifikációs térfogatot, miközben fejlődése (iszapduzzadás és hab) megfelelő térfogatot tart fent a nitrifikálásra • Alacsony hatékonyságú denitrifikáció (minimum 9 napos iszap)
• Szeméttelepi csapadékvíz, szennyvíz gyümölcs- és zöldségfeldolgozóból
• Magas KOI/TOC értékek a kilépő áramban • Fonalas baktériumok
www.hach-lange.hu
• Magas KOI/TOC értékek a szennyvíztisztító telep belépő áramában • Fonalas baktériumok
Egyensúlyozza a tápláló arányt: • Adagoljon N vegyületeket (olyan olcsó ipari termékeket, mint pl. karbamid) • Adagoljon háztartási szennyvizet, vagy zavaros vizet az emésztőből. Egyensúlyozza ki a tápanyag arányt: • P vegyületek hozzáadásával (olyan olcsó ipari termékeket, mint foszforsav vagy mezőgazdasági foszfát műtrágyák) • Háztartási szennyvíz hozzáadásával
5
ilag könnyen lebontható tápanyag (külső szénforrás) hozzáadását kell megfontolni. A tápanyag kiegyensúlyozásra szolgáló szénforrások magukba foglalják: - belső C = hidrolizált vagy savazott elsődleges iszap - külső C = ipari maradékok (sörfőzőkből, tejüzemekből, cukoriparból) és ipari termékek (metil-, etilalkohol, ecetsav). KOI:BOI5 arány Ennek a két integrális paraméter mértékének aránya mutatja meg, hogy a szennyvíz szennytartalma biológiai szempontból mennyire lebontható. Ha a KOI:BOI5 arány nem haladja meg a 2:1-et, a biológiai lebonthatóságot jónak nevezik. Magas értékek biológiailag nehezen lebontható anyagok jelenlétét jelzik.
Példa Ipari szennyvizet magas arányban feldolgozó kommunális szennyvíztisztító telepen a biológiai szakasz belépő áramát a következő tápanyag paraméterek jellemzik (5. táblázat). A BOI5:N arány 2,45, túl alacsony a megfelelő denitrifikációhoz. Külső szénforrást kell tehát adagolni. Ugyanakkor sokat kell számolni mielőtt ezt megteszik.
A praktikus LANGE küvettatesztek rendelkezésre állnak minden kulcsparaméterhez.
1. Annak a nitrogénnek a mennyisége, amit nem fognak denitrifikálni (ΣNn.d.): ¾ Lásd 6. Táblázat 2. Számítsa ki annak a nitrogénnek a mennyiségét, amit a szennyvízzel lehet denitrifikálni: Felvízi denitrifikálással és a VD:VAT 0,5-ös aránnyal a denitrifikációs kapacitás (a 7. Táblázat szerint) CDeni = 0,15 kg NO3-ND/kg BOI5. SNO3-N, D = CDeni × BOI5 belép. ter. = 0,15 × 110 mg/L = 16,5 mg/L
Analitikai minőségbiztosítással kombinálva a mérési eredmények hivatalosan is elfogadottak.
Ami azt jelenti, hogy 16,5 mg/L NO3-N-t lehet denitrifikálni a meglévő biológiai kezeléssel.
4. Táblázat: A kedvezőtlen KOI: BOI5 arány okai és hatásai Okok/A szennyvíz eredete • Szeméttelepi csapadékvíz, szennyvíz komposztáló és visszamaradó hulladékot feldolgozó üzemekből, valamint vegyiparból • A BOI5 jelentős csökkenése nyáron, a hosszú szennyvízgyűjtő rendszerben • A szennyvíz intenzív elsődleges kezelése
Lehetséges következmények Helyesbítő lépések • Nem megfelelő denitrifikáció • C forrás adagolása, hogy javítsa a denitrifikációt (magas nitrátértékek a kilépő • Használjon fizikai kémiai áramban) • Magas KOI a szennyvíztisztító eljárásokat (ózonkezelés, aktív szénszűrő, membrántelep kilépő áramában technológia) a gyengén, vagy • A Bio-P csökkenése biológiailag nem lebontható anyagokhoz
Ha nagyszámú mintát kell elemezni, akkor az automatikus laboratóriumi berendezések értékes támogatást nyújtanak.
6
TÁPANYAG SZABÁLYZÁS
A tápanyag adagolás vezérlése NO3-N mérésekkel 5. Táblázat: Egy kommunális szennyvíztisztító telep átlagos napi értékei Tagesmittelwerte Belépő áram [m3/d] BOI5 belép. ter. [mg/L] TNbelép. ter. LATON [mg/L] Ptot. belép. ter. [mg/L] BOI5 belép. ter. : TNbelép. ter. = 110:45 =
10.000 110 45 3,5 2,45
6. Táblázat: A nem denitrifikálható nitrogén mennyiségének a számítása (UNn.d.) A biomasszában lévő N (a BOI5 belép. ter. 5 %-a) Nszerv.,e (e = feltételezett célmennyiség a kilépő áramban) NH4-Ne (e = célmennyiség a kilépő áramból) NO3-Ne (e = célmennyiség a kilépő áramból) Összesen
5,5 mg/L 2 mg/L 0 mg/L 8 mg/L 15,5 mg/L
7. Táblázat: Az ATV-A131-nek megfelelő denitrifikációs kapacitás (irányadó értékek száraz időjárásra és 10-12 °C közötti hőmérsékletre) CDeni (Denitrifikációs kapacitás kg NO3-ND / kg BOI5-ben) Felvizi denitrifikáció Szimultán és szakaszos denitrifikáció
VD/VAT Denitrifikációs térfogat/ Levegőztetési térfogat
0,2 0,11 0,3 0,13 0,4 0,14 0,5 0,15 VD: A levegőztető medence denitrifikációra használt térfogata VAT: A levegőztető medence térfogata
0,06 0,09 0,12 0,15
8. Táblázat: Külső szénforrások a szükséges adagolás kiszámításához Ecetsav
Metilalkohol
KOI kg/kg 1,07 1,50 TOC kg/kg 0,40 0,38 BOI5 kg/kg 0,70 0,96 Sűrűség kg/m3 1.060 790 Ebben a példában 1 kg ecetsav egyenértékű 1,07 kg KOI-val.
www.hach-lange.hu
Etilalkohol 2,09 0,52 1,35 780
3. A külső tápanyagszükséglet kiszámítása A még denitrifikálandó N tartalom a teljes hozzáadott nitrogén, és a nem denitrifikálandó nitrogén mennyiségének, és annak a nitrogén mennyiségének a különbsége, amit a telep denitrifikálni tud. SNO3-N, D, küls = TNbelép - ΣNn.d. - SNO3-N, D = 45 mg/L - 15,5 mg/L - 16,5 mg/L = 13 mg/L Ahhoz, hogy a maradék 13 mg/L nitrogént denitrifikáljuk, az aktivált iszapban lévő mikroorganizmusoknak további szénforrást kell biztosítani. Napi 10.000 m3 szennyvíztérfogat mellett a nitrogénterhelés 130 kg. A DWA A131 Munkalapja szerint a külső szénforrás igény 5 kg KOI/1 kg NO3-N. Ez azt jelenti, hogy a teljes denitrifikáláshoz, 650 kg KOI szükséges naponta. Ha a többlet szenet ecetsav formájában biztosítják, akkor a 8. Táblázatban megadott adatok szerint 607 kg-ot kellene minden nap hozzáadni. A megcélzott adagolás a NO3-N értékeken alapul. Következtetések Kedvezőtlen tápanyag arányok és az egyes anyagok magas koncentrációja csökkenti a biológiai szennyvíztisztító folyamatok hatékonyságát. A korai előrejelzés és a kritikus paraméterek folyamatos követése emiatt alapvetően fontos, hogy a telepkezelők számára biztosítsa a gyors helyesbítő lépések megtételét, ha szükségesek. Csak ezen az úton lehet a törvényben előírt kilépő árambeli értékeket biztosítani, és így kerülhetjük el a szükségtelenül magas szennyvízszámlákat. A LANGE küvettatesztek és a folyamatosan működő ipari mérőberendezések már bizonyították, hogy nélkülözhetetlenek ahhoz, hogy jobb átláthatóságot és megbízhatóságot érjünk el.
7
A mért tápanyag paraméterek (az önellenőrzési rendszer előírásaitól függően):
Tipikus szennyvíztisztító telepi mérőhelyek a tápanyagok mérésére
¾ KOI (vagy TOC) ¾ BOI5 ¾ orto PO4-P ¾ Ptot. ¾ NH4-N ¾ TKN (teljes Kjeldahl nitrogén, az NH4-N és a szerves N összege) ¾ Ntot. szvtlen..(szervetlen N: az NH4-N, a NO3-N és a NO2-N összege) ¾ TNb (teljes nitrogén: a szerves és a szervetlen N összege)
¬ Az elsődleges ülepítő medence belépő árama: a telep terhelésének meghatározása és követése ® A levegőztető medence befolyó árama: a tápanyagforrás optimalizálása A levegőztető medence kilépő árama: a szénlebontás hatékonyságának optimalizációja és követése, nitrifikálás/denitrifikálás és P eltávolításn A tisztítómű kilépő árama: a határértékek követése, a tisztítómű irányítása
Szűrő Utóülepítés
Sűrítő
Levegőztetés
Előülepítő
®
Védő / homokfogó kamra
Rothasztó
¬ Csatorna Esővíz tartály Iszap szikkasztás
Laboratórium / irányítőközpont
2. ábra: A tápanyagmennyiség követésére kiépített mérőhelyekkel ellátott víztisztító telep sematikus rajza
TÁPANYAGMÉRÉS MEGOLDÁSAI
Optimális tápanyagarányok – modern mérési technológiával Laboratóriumi analitikai mérőállomás DR 3900
LT 200
A másik lehetőség HT 200S
Küvettatesztek
Egyszerű és hatékony spektrofotométer (320–1100 nm) RFID technológiával a megbízható és visszakövethető mérési eredmények érdekében rutin mérésekhez és felhasználói eljárásokhoz; vonalkód olvasó a LANGE küvettatesztek automatikus kiértékeléséhez; háttérvilágítású grafikus érintőképernyő Száraz termosztát standard és speciális emésztési feladatokhoz, előre programozott emésztések KOI, teljes N, teljes P, szerves savak és fémek analíziséhez. Magas hőmérsékletű termosztát gyors emésztésekhez, KOI, teljes N, teljes P és fémanalízisek 35 perc alatt, standard emésztések TOC analízishez. Felhasználásra kész reagensek maximális felhasználói biztonsággal, nagyon pontos, elismert módszer több mint 50 paraméter és mérési tartomány
Rendszerek on-line mérésekhez
PHOSPHAX sc
AISE sc AN-ISE sc NISE sc
NITRATAX sc
SC 1000 vezérlő
A másik lehetőség SC 200 érzékelő
Ipari mérőberendezés ammóniumkoncentráció folyamatos méréséhez vízben és szennyvízben alacsony szilárdanyag tartalom mellett. A mérést gázérzékeny elektróddal végzi. Ipari mérőberendezés foszfát koncentráció folyamatos méréséhez vízben és szennyvízben alacsony szilárdanyag tartalom mellett. A mérést a vanadát-molibdát módszerrel végzi. ISE érzékelő, az ammónium koncentráció (AISE sc, AN-ISE sc) és nitrát koncentráció (NISE sc, AN-ISE sc) folyamatos mérésére fluid közegben. A méréseket egy ionszelektív elektród (ISE) segítségével végzi, automatikus kálium- és kloridkompenzáció mellett. A CARTRICAL plus érzékelő patron különösen egyszerű kezelést tesz lehetővé. Ipari érzékelő a nitráttartalom közvetlen meghatározásához vízben, szennyvízben vagy aktivált iszapban, nem kíván mintaelőkészítést, öntisztító, reagens nélküli módszer, számos mérési tartománnyal. Egy SC 1000 vezérlő egy képernyőmodulból és egy vagy több-as érzékelő-modulból áll. Modulárisan konfigurált, hogy megfelelhessen az ügyfél sajátos igényeinek és bármikor bővíthető, hogy további mérési helyszíneket, érzékelőket, kimeneteket és adatbusz adaptereket fogadhasson be. Minden modul akár nyolc érzékelőt is irányít. Akár két érzékelőt is irányít (AMTAX sc-hez vagy PHOSPHAX sc-hez nem alkalmazható)
Laboratóriumi analitikai mérőállomás DR 3900as fotométerrel, LT 200-as termosztáttal és LANGE küvettatesztekkel
Irodalom 1. ATV-Handbuch: Biologische und weitergehende Abwasserreinigung, Ernst & SohnVerlag 1997 2. K. Hänel: Biologische Abwasserreinigung mit Belebtschlamm, VEB Gustav Fischer Verlag, 1986 3. K. Mudrack, S. Kunst: Biologie der Abwasserreinigung, Gustav Fischer Verlag, 1994 4. Arbeitsblatt DWA A 131 5. S. Kunst, C. Helmer, S. Knoop: Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Schaum, Springer-Verlag 2000 6. D. Jenkins, M. G. Richard, G. T. Daigger: Manual on the causes and control of activated sludge bulking, foaming, and other solids separation problems, Lewis Publishers 2004 7. Poster Megbízható működés és költségmegtakarítás a HACH LANGE-val”, DOC140.86.00449
DOC040.86.10005.Oct12
AMTAX sc
