2010.11.20.
Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék
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
1
2010.11.20.
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
2
2010.11.20.
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.
3
2010.11.20.
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
4
2010.11.20.
Biológiai szervesanyag konverzió Biológiai növekedés Hidrolízis Pusztulás
Nehezen bontható szervesanyag Hidrolízis Könnyen bontható szervesanyag Biológiai növekedés Biomassza Pusztulás Inert anyag
5
2010.11.20.
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
6
2010.11.20.
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
7
2010.11.20.
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
8
2010.11.20.
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
9
2010.11.20.
Levegőztető berendezések feladata Baktériumok oxigénigényének folyamatos kielégítése A sejttömeg kiülepedés-mentes, egyenletes elosztással történő
lebegésben tartása (tápanyagok és végtermékek egyenletes elosztása)
Levegőztető rendszerek Mélylevegőztetés hatása az áramlásra
10
2010.11.20.
Levegőztető rendszerek Áramlás hatása a légbefúvásra
Áramlás iránya
Tömlős levegőztető
11
2010.11.20.
Anoxikus/anaerob Anoxikus /anaerob medencemedence- keverők
A biológiai szennyvíztisztítás elvi sémája
Levegôztetô
Ülepítô
Szennyvíz Tisztított elfolyóvíz
Iszaprecirkuláció
Fölösiszap
Kárpáti Árpád: Eleveniszapos szennyvíztisztítás fejlesztésének irányai
12
2010.11.20.
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)
Q0, S0, X0
Xm, Sm
Qe, Se, Xe
Vm, Xm, Sm
O2 Qr, Sr, Xr
Qw, Sw, Xw
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
13
2010.11.20.
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qw, S, Xr
Qr, 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%)
Q, S0, X0
X, S
(Q-Qw), S, Xe
V, X, S
O2 Qr, S, Xr
Qw, S, Xr
Térfogati szervesanyag terhelés: Egységnyi levegőztető térfogatra eső szervesanyag terhelés BV= Q×S0/V = 0,3-3 kg BOI5/m3d
14
2010.11.20.
Q, S0, X0
(Q-Qw), S, Xe
X, S 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
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
15
2010.11.20.
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
Rövid iszapkor (1(1-2 nap nap)) Nagyterhelésű rendszer Cél: a szervesanyag eltávolítás BOI5, KOI eltávolítás: 75-90% Predátor aktivitás (legelés) viszonylag kicsi Jelentős nitrifikáció nincs
16
2010.11.20.
Közepes iszapkor (2-7 nap nap)) Közepes terhelésű rendszer Elfolyó KOI már nem tervezési igény (mind átalakul, ami
biológiailag hozzáférhető) Az iszapkor értékét a szükséges nitrifikációs hatásfok befolyásolja A nitrifikáció pH csökkenést okoz (pH=5 is lehet) Ha denitrifikáció is szükséges, ált. 10-15 napnál nagyobb iszapkor kell A nagyterhelésű rendszerhez képest az oxigén igény (per kg KOI) kb. kétszeres, a reaktortérfogat 3-4 szeres BOI5, KOI eltávolítás: >90%
Közepes iszapkor (2-7 nap nap)) Denitrifikáció az utóülepítőben, iszapfelúszás (nitrogén gáz buborékok) Az utóülepítőben a sűrítés már nem megoldható Iszaprecirkuláció növelendő, az iszap tartózkodási idő csökkentése érdekében
17
2010.11.20.
Nagy iszapkor (>7 nap nap)) Ha csak aerob körülmények vannak Hosszú idejű levegőztetés / teljes oxidációs telep (extended aeration) Iszap stabilizáció Összehasonlítva a közepes iszapkorú rendszerekkel az összes oxigén
igény hasonló, miközben a reaktortérfogat 50-60%-kal nagyobb Kis lúgosságú szennyvíz esetén probléma lehet az alacsony pH Iszap-felúszási problémák megjelenése (szétlevegőztetett iszap) Alacsony elfolyó KOI, de magas nitrát koncentráció Anoxikus zónával a pH csökkenés elkerülhető és a nitrát koncentráció is csökkenthető BOI5, KOI eltávolítás: >95%
Közepes iszapkor (2-7 nap nap)) Ha aerob és anoxikus körülmények is vannak Nitrifikáció/denitrifikáció megvalósul Elfolyó nitrát koncentráció csökken Összes oxigén igény (levegőztetés) csökkenthető 15-25%kal a csak nitrifikációra tervezetthez képest Felúszó iszap problémája elkerülhető Az alacsony pH problémája elkerülhető
18
2010.11.20.
Mohlman--index (iszap Mohlman (iszap--ülepedési index)
Mohlman index (sludge (sludge volume index) index)
SVI = SV30/X [ml/g] SVI: iszap-ülepedési index SV30: az iszap térfogata 30 perc ülepítést követően (ml/l) = 30 perces ülepedés X: az iszap koncentrációja (g/l) SVI: 50-150 ml/g
19
2010.11.20.
Mohlman--index számítási példa Mohlman 5000 mg/l lebegőanyag tartalmú eleveniszap 30 perc után az iszaptérfogat az 1 l-es mérőhengerben 400 ml SVI = ? = SV30/X = 400 [ml/l] / 5 [g/l] = 80 [ml/g] – jól ülepedő iszap
Mechanikai/kémiai tisztítás CEPT: PC:
TSS: 80%, KOI, BOI5: 50% TN: 10%, TP: 60% TSS: 90%, KOI, BOI5: 70% TN: 10%, TP: 90% Me3+
t= 3-3,5 h
20
2010.11.20.
Biológiai tisztítás Nitr. nélkül: TSS: 90%, KOI, BOI5: 90% TN: 10%, TP: 10% Nitrifikációval: TSS: 90%, KOI, BOI5: 95% TN: 15%, TP: 15%
t= 3-3,5 h
t= 6,0h
Biológiai/kémiai tisztítás Előkicsapás: Szim. kics.:
TSS: 95%, KOI, BOI5: 95% TN: 15%, TP: 90% TSS: 95%, KOI, BOI5: 95% TN: 15%, TP: 90%
Me3+
Me3+
21
2010.11.20.
Biológiai/kémiai tisztítás (N eltávolítás) Előden, szim. kics.: Előkics., utóden.:
TSS: 90%, KOI, BOI5: 95% TN: 70%, TP: 90% TSS: 90%, KOI, BOI5: 95% TN: 85%, TP: 90%
Me3+
Me3+
+C
Reaktor konfigurációk Az aerob, anaerob és anoxikus körülmények
idő- és/vagy térbeli kombinálása Recirkulációs vezetékek kiépítése Reaktor alak (hidraulika) szerepe növekszik
22
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk
Dugattyú-szerű v. dugó áramlás (plug flow) A fonalasok elszaporodása mérsékelhető – jobban ülepíthető iszap nyerhető Biokémiai reakcióhoz relatíve kis tartózkodási idő szükséges Betáplálásnál nagy oxigén-igény – DO gyorsan elfogy
Dugó áramlás (plug (plug flow) Ck
C0 L C(t)
C(r) r=0
r=L
t
r L
A beadagolt C0 töménységű anyag tökéletes keveredése csak a csőirányra merőlegesen valósul meg, hosszirányú keveredés nincs. Ennek következtében a reakció során a töménység a cső hossza mentén folytonosan változik, de bármely pontban az időben állandó.
23
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk
Fokozatos levegőbetáplálás Kisebb levegőbetáplálásnál kisebb keverés – iszap kiülepedése
Reaktor konfigurációk
Lépcsőzetes levegőbetáplálás 2/3 – 1/3 arányú levegőztetés
24
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk
Több ponton történő levegő betáplálás Több ponton történő nyers szennyvíz betáplálás Több ponton történő recirkuláció
Reaktor konfigurációk
Complete stirred tank reactor (CSTR) Recirkuláltatott iszap és a nyers szennyvíz gyors elkeveredése Toxikus hatásokkal szemben nagyobb ellenállás Ha túl nagy iszapterhelés – nincs teljes nitrifikáció Több tökéletesen kevert reaktort sorbakötnek! (reaktor kaszkád)
25
2010.11.20.
Tökéletesen kevert reaktor (ideális tartályreaktor) C0
Ck C(t) C0
C(r) r=0
Ck t
r
A folyamatosan beadagolt C0 töménységű anyag a reakció során tökéletesen elkeveredik, és Ck kilépő töménységgel hagyja el a rendszert. A reaktorban tehát egy jól meghatározott C0-Ck töménységkülönbség és ennek megfelelő konverzió jön létre. A reaktor minden pontján az időtől függetlenül azonos a koncentráció, ami megegyezik a reaktorból kilépő elegy koncentrációjával.
Reaktor kaszkád
• • • •
A gyakorlatban ideális csőreaktor nem valósítható meg Több, egymás után kötött, tökéletesen kevert reaktor Tagolás következtében csökken a szükséges tartózkodási idő Azonos méretű bioreaktorban, azonos befolyó árammal nagyobb hatékonyságú tisztítás valósítható meg • Azonos tisztítási hatékonyság mellett, azonos méretű reaktorban nagyobb befolyó szennyvízmennyiség tisztítható
26
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk
aerob anoxikus anaerob
Egyszerű eleveniszapos (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció)
Wuhrman eljárás Utó-denitrifikáció, külső szerves C nélkül (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, kismértékű denitrifikáció) denitrifikáció hatásfoka javítható kb. szervesanyag (pl. metanol) adagolásával
Módosított Ludzak-Ettinger (MLE ) eljárás (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, denitrifikáció) belső (nitrát) recirkuláció (300-400%) – oxigén is visszajut, energia
Reaktor konfigurációk
aerob anoxikus anaerob
Egyszerű eleveniszapos (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció)
A/O eljárás (szervesanyag eltávolítás, nitrifikáció, bio-P) - nagyterhelésű
A2/O eljárás (3 lépcsős Phoredox) (szervesanyag, nitrifikáció, elő-denitrifikáció, bio-P)
27
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk
aerob anoxikus anaerob
4 fokozatú Bardenpho
Elő- és utódenitrifikáció Utólevegőztető: N kiűzés, anoxikus reaktorban esetleg képződött NH4+ oxidáció
5 fokozatú Bardenpho (Phoredox)
Reaktor konfigurációk
Elő- és utódenitrifikáció + P eltávolítás
aerob anoxikus
UCT eljárás
anaerob
Recirk iszap az anox. medencébe, innen egy vegyes recirk az anaerob zónába
MUCT eljárás anox. medence kettébontásával recirk és vegyes recirk különválasztható
28
2010.11.20.
Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás
Denitrifikáció az iszap recirkuláció vonalán Kisebb térfogatú anaerob és aerob medencék
Johannesburg Északi telep
Szennyvíztisztítók tervezése Kétféle megközelítés 1. Hagyományos (mérnöki) Biológiai műtárgytérfogatok meghatározása
Tapasztalatok, összefüggések felhasználása („ökölszabályok”)
Méretezési segédletekben, irányelvekben
Ülepítők, meghatározása
Hidraulikai számításokkal, ellenőrzésekkel
Alkalmazása: Mo-n még gyakori, a nagyvilágban inkább a számítások ellenőrzésére
29
2010.11.20.
Szennyvíztisztítók tervezése Kétféle megközelítés 2. Modellszámításokkal, szimulációkkal Biológiai műtárgytérfogatok meghatározása
Reakciókinetikai ismeretek felhasználásával Mikroorganizmus szaporodás, pusztulás sebességek Különböző környezetben (levegőztetett vagy nem) Matematikai modellek (1984-től) Differenciál egyenletrendszerek Számítógépen Ülepítők, meghatározása A hidraulika szimulációjával
Összefoglalásként A szennyvíztisztítás: Környezetvédelmi szempontból fontos
Befogadó védelem, (emisszió csökkentés)
Epidemiológiai kockázat csökkentése
Nem old meg minden problémát
Mikroszennyezők, gyógyszermaradékok
Multidiszciplináris tudást igényel
Mérnöki tudás (gépészet, irányítástechnika, műtárgy méretezés, kémia, biológia ^)
Költséges (max. 30-50 év élettartam, energiaigény)
30
2010.11.20.
Ajánlott irodalom Csatornázás és szennyvíztisztítás rövid összefoglalása (Kivonat Dr.
Buzás Kálmán és Kovács Ádám „Környezetvédelmi technika és menedzsment - A települési vízgazdálkodás alapjai” c. jegyzetéből) Kárpáti Árpád (szerk.): Eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek és
ellenőrzése – Ismeretgyűjtemény 2. füzet Alapozó tantárgyak anyagai (Környezetmérnöki alapok, Víz- és környezeti
kémia és hidrobiológia, települési vízgazdálkodás és vízminőségvédelem stb.)
31
