2010.11.20.
Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék
A klasszikus biológiai szennyvíztisztítás Mechanikai fokozat Nagy sűrűségű szervetlen anyagok Úszó anyagok (zsír, olaj) Ülepedő szervesanyagok TSS, KOI, BOI, TP
Biológiai fokozat Szervesanyag lebontás Nitrifikáció a szervesanyag terhelés függvényében KOI, BOI, NH4-N, PO4-P, TP
1
2010.11.20.
A kémiai szennyvíztisztítás Def: A szennyvizek kémiai módszerekkel való tisztítása –
szűkebben: Fe, Al, Ca, Mg tartalmú sók adagolása Célja: 1. Foszfor eltávolítás (foszfát kicsapás) Fe3+ + PO43- → FePO4 (<0,1 mg/L TP)
2. Lebegőanyag és szervesanyag eltávolítás koaguláció-flokkuláció: Fe3+ ⇒ vas(III)-hidroxidok
3. Szulfid kicsapás (bűz csökkentése)
Foszfor eltávolítás (egyszerűsített reakciók) Foszfát kicsapás Fe3+ + PO43- → FePO4 Al3+ + PO43- → AlPO4
Me/P arány elméletileg 1,0 – a valóságban több kicsapószer kell (környezeti tényezőktől függően) Párhuzamos reakciók – hidroxid képződés [Fe(H2O)6]3+ + H2O → Fe(OH)3⋅3H2O + 3H3O+ [Al(H2O)6]3+ + H2O → Al(OH)3⋅3H2O + 3H3O+
2
2010.11.20.
Foszfor eltávolítás Több folyamat kombinációja Fém-hidroxid kicsapódás (enyhén pozitív töltés) Foszfátot és hidroxidot is tartalmazó csapadék képződése PO43- adszorpciója a képződött csapadék felületén Fázisszétválasztás!
Foszfor eltávolítás - Alkalmazott vegyszerek Egyszerű v. háromértékű fém-sók (Fe, Al) Fe2(SO4)3, FeCl3, (Al2(SO4)3)
Előpolimerizált fém-sók a hidrolízis egy része a koaguláns gyártása közben lezajlik
Ca, Mg tartalmú sók, kétértékű Fe-sók (kisebb
jelentőségűek)
3
2010.11.20.
Foszfor eltávolítás Az összes foszfor tartalom átlagosan 50-60%-a oldott
ortofoszfát-foszfor (kommunális nyers szennyvíz) A kicsapás önmagában még nem elegendő, szükséges a hatékony ülepítés is - koaguláció nem nélkülözhető Hatékony foszfát-kicsapás viszonylag kis dózisoknál A háromértékű egyszerű fémsók lényegesen hatékonyabbak, mint az előpolimerizált sók Egyszerű fém-sók hatása lényegében azonos (Fe/Al, szulfát/klorid) Hatóanyag tartalom (molekulatömegek)!
Foszfor eltávolítás Vegyszeresen kezelt szennyvíz PO4-P koncentrációja 2001. július 17. Baja
PO4-P [mg/L]
2,0 1,8
Prefloc Al2(SO4)3 Bopac
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
3+
Koaguláns dózis [mmol Me /L]
4
2010.11.20.
Foszfor eltávolítás TP és PO4-P a koagulálószer dózis függvényében - 2004.11.23. DP 10,0
P [mg/L]
9,0 8,0
PO4-P - Vas-klorid
7,0
PO4-P - Prefloc
6,0
TP - Vas-klorid
5,0
TP - Prefloc
4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Me/PO4-P0 [mol/mol]
Dózis növelésével a hidroxid képződés jelentősége megnő (PO4-P nagy
része szilárd formába került – további fém a hidroxid-képződésre fordítódik (költség-hatékonyság!)
Kicsapás/fázis-szétválasztás
Környezeti tényezők hatása a foszfát kicsapásra A P kicsapás hatékonyságát számos paraméter befolyásolja: Koaguláns minősége és mennyisége Aktuális pH érték Nyers szennyvíz összetétel (dinamikusan változik) (PO4-P, KOI, oldott KOI, TSS, lúgosság, Ca, Mg stb.) Keverési intenzitás Kontakt idő
A nyers szennyvíz összetétel ismeretében általános ökölszabályok
adhatók a várható P (és egyéb szennyezőanyag) eltávolításra Az egyéb környezeti tényezők szabályozhatók Kérdés: mit érdemes figyelembe venni/szabályozni?
5
2010.11.20.
pH érték A pH 5,0-7,0
intervallumban a P kicsapás hatékonysága ~ állandó Közepes dózissal 7,0
körüli pH alakul ki
Maradék PO4-P [mg/L]
Modell szennyvíz; P0 = 0,5 -1,0 mg/L; L0 = 2,5 Fe/P=2,5-3,1 Fe/P=3,9-4,6 Fe/P=9,4-14,7
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5 10
pH érték a koaguláció után
A semleges körüli pH tartomány megfelelő a biológiai folyamatok és a P kicsapás szempontjából is
A pH érték szabályozása hazai körülmények között nem szükséges
Residual soluble P [mg/L]
Keverési intenzitás hatása a P eltávolításra 0.6 0.5
Time of sampling = 1 min
0.4
Time of sampling = 60 min 0.3 0.2 0.1 0.0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
G-value during 1 min coagulation [1/s] Pini = 1.0 mg/L Fe/P = 3.0
6
2010.11.20.
Keverési intenzitás és kontakt idő hatása a P eltávolításra
Pini = 1.0 mg/L Fe/P = 3.0
Lebegőanyag eltávolítás Nagy része a sikeres koaguláció és flokkuláció következtében
ülepíthető lesz A lebegőanyag eltávolítás hatásfoka nagy mértékben befolyásolja a szervesanyag és a foszfor eltávolítás mértékét
7
2010.11.20.
Koaguláció--flokkuláció Koaguláció Koaguláció: A folyadékban kolloid, kvázi-kolloid mérettartományba sorolható
részecskék aggregálódási hajlamának létrehozása vegyszer (általában fém-sók) hozzáadásával.
Flokkuláció: Az aggregálódásra alkalmas kolloid, kvázi-kolloid részecskék
aggregálódási sebességének növelése (pelyhesedés, pehely növekedés).
Vegyszeresen kezelt szennyvíz lebegőanyag koncentrációja 2001. Győr 160 140
TSS [mg/L]
120 100
Prefloc
80
Alumínium-szulfát
60 40 20 0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
3+
Koaguláns dózis [mmol Me /L]
8
2010.11.20.
Szervesanyag (KOI eltávolítás) A szervesanyagok nagy része lebegőanyag formájában van
jelen, ami eredetileg nehezen ülepíthető (kolloid, kvázi-kolloid állapotú) és a koaguláció-flokkuláció révén könnyen ülepíthetővé válik A kémiai kezelést követően megmaradó KOI érték megközelítően azonos az oldott állapotú szerves vegyületek okozta KOI-val (150-250 mg/L) Esetenként az oldott állapotú szerves anyagok 10-20%-a is eltávolításra kerül
Szervesanyag (KOI eltávolítás) A szervesanyag eltávolítás hatásfoka 55-75% a nyers
szennyvíz minőségének függvényében Azonos szervesanyag eltávolításhoz megközelítően azonos koaguláns dózisok szükségesek – az anyagi minőségtől csaknem függetlenül
9
2010.11.20.
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Prefloc Alumínium-szulfát Bopac Nyers szennyvíz oldott KOI koncentrációja
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
3+
Koaguláns dózis [mmol Me /L]
90%
KOICr eltávolítási hatásfok
KOI [mg/L]
Vegyszeresen kezelt szennyvíz KOI koncentrációja 2001. július 17. Baja
80% 70% 60% 50% 40% 30%
Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,10-0,20 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,25-0,30 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,35-0,50 Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,55-0,75
20% 10% 0% 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Koaguláns dózis [mmol/l]
KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ
10
2010.11.20.
Szervesanyag (BOI5) eltávolítás A maradék BOI megközelítően azonos az oldott BOI-vel (80-
200 mg/L) 40-65% eltávolítási hatásfok Az alkalmazott vegyszerek hatása megközelítően azonos A vegyszeradagolás növelése csak egy adott pontig növeli a szervesanyag eltávolítás hatásfokát
Vegyszeresen kezelt szennyvíz BOI5 koncentrációja 2004.03.02. Ferencvárosi Átemelő 250
BOI5 [mg/L]
200 150 100 Alumínium-szulfát
50
Bopac Nyers szennyvíz oldott BOI koncentráció
0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
3+
Koagulálószer dózis (mmol Me /L)
11
2010.11.20.
Bűz problémák Csökkenő szennyvízhozam – szennyvíz növekvő tartózkodási
ideje a hálózatban Anaerob mikrobiológiai folyamatok Bűz-hatással járó anyagok képződése (elsősorban a csatornaiszapból) Kén-hidrogén, merkaptánok, dimetil-szulfid Lakossági panaszok gyakoribbak iszap kiülepedés csökkentése, egyes csatornaszakaszok felülvizsgálata tisztítási gyakoriságának (iszap kiemelés) növelése az oxigénhiányos állapot megakadályozására oxidálószer adagolásával (oxigén, hidrogén-peroxid, stb.)
Bűz problémák 2 1.8
Prefloc1/2
1.6
Prefloc3/1 Alumínium-szulfát3/1
1.4
Prefloc3/2 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.0
0.1
0.2
0.3
Ko a g uláns dó zis [mmo l Me
0.4 3+
0.5
0.6
/ l]
Előkicsapatás a bűz-problémák megoldásában is szerepet
játszhat a szennyvíztisztító telepen Hatékony szulfid eltávolítás (Fe tartalmú vegyszerek)
12
2010.11.20.
Kémiai szennyvíztisztítás Önállóan vagy biológiai szennyvíztisztítással kombináltan CEPT Közvetlen kicsapás Előkicsapás Szimultán kicsapás Utókicsapás
CEPT eljárás (Chemically (Chemically Enhanced Mechanical Treatment Treatment))
Fém só
(P o lim e r)
2 0 p e rc
Rács
H o m o k fo g ó
3 h
Ü le p ítő
TSS eltávolítás: 70% TP eltávolítás: 75% BOI eltávolítás: 50%
13
2010.11.20.
Közvetlen kicsapás Fémsó 15 perc 20 perc
Rács
Homokfogó
Flokkulátor
3h
Ülepítő
TSS eltávolítás: 85% TP eltávolítás: 90% BOI eltávolítás: 70%
Elő Elő--kicsapás Fémsó 20 perc 15 perc
Rács
Homokfogó Flokkulátor
3h
Előlepítő
2h
Eleveniszapos medence
3h
Utóülepítő
TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 95% BOI eltávolítás: >90%
14
2010.11.20.
Szimultán kicsapás Fémsó 3h
20 perc
Rács
Homokfogó
Előlepítő
5h
3h
Eleveniszapos medence
Utóülepítő
TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 90% BOI eltávolítás: >90%
Utó--kicsapás Utó
Fémsó 20 perc
3h
4h
15 perc
2h
3h
Vegyszerbekeverő Rács
Homokfogó
Előlepítő
Eleveniszapos medence
Ülepítő
Flokkulátor
Utólepítő
TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: >95% BOI eltávolítás: >90%
15
2010.11.20.
Kombinált kémiai és biológiai szvt - intenzifikálás Meglévő telepek intenzifikálása Hidraulikai kapacitás Felületi szervesanyag terhelés Szennyezőanyag eltávolítási hatékonyság Előkicsapás, szimultán kicsapás, utókicsapás
Előkicsapás Cél: P eltávolítás (befogadók eutrofizáció elleni védelme) Biológiai tisztítási fokozat terhelésének csökkentése
(lebegőanyagok és szervesanyagok eltávolítása, nitrifikáció hatékonyságának növelése) Hatások: Foszfor, szilárd állapotú, nehezen bontható szervesanyag
csökkentése Nitrifikációra pozitív hatás Potenciális hátrányok: pH, iszapmennyiség, C:N:P arány megváltozása – denitrifikációs problémák
16
2010.11.20.
Cél: lebegıanyag és szervesanyag eltávolítás nitrifikáció, kapacitásnövelés Fe3+ ⇒ vas(III)-hidroxidok (FeOOH v. Fe(OH)3)
elıülepítı
felületi terhelés TSS eltávolítás mennyiség
fém-hidroxid képzıdés (koagulációflokkuláció, adszorpció)
koaguláns adagolás
bekeverés
iszap
pH és lúgosság csökkenés
összetétel vízteleníthetıség
szilárd állapotú szennyezıanyagok (TSS) eltávolítása
rothaszthatóság, gázkihozatal mezıgazdasági elhelyezés
KOICr, BOI5
költségek (+)
szervesanyag lebontás
TN TP
biológiai folyamatok
nitrifikáció denitrifikáció
kicsapás, adszorpció
PO43biológiai P eltávolítás S2folyamatok stabilitása
Cél: P eltávolítás Fe3+ + PO43- → FePO4 (<0,1 mg/L TP) gyakorlatban FerPO4(OH)3r-3
költségek (+/-)
Technológiai célok Elegendő P maradjon a mikroorganizmusoknak Nitrifikálóknak megfelelő pH és pufferkapacitás Maximális szervesanyag eltávolítás (szervesanyag
eltávolítás és nitrifikáció esetén) Denitrifikációhoz hasznosítható C-forrás minimális eltávolítása (elődenitrifikáció esetén)
17
2010.11.20.
Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz – pH csökkenés pH érték a koagulálószer dózis függvényében 2004.11.23. DP 8,2 8,0
pH
7,8 7,6 Vas-klorid
7,4
Prefloc
7,2
Bopac
7,0 6,8 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
Koagulálószer (mmol Me3+/L)
A pH hatása a mikrobiológiai folyamatokra A hazai szennyvizek pH értéke viszonylag nagy (8,0 körüli érték), és
nagy a pufferkapacitás is Kémiai kezelést követően csak extrém nagy adagoknál csökken a pH
7,0-nél kisebb értékre Az előpolimerizált sók lényegesen kisebb mértékben változtatják meg a pH értékét mint az egyszerű háromértékű sók
Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz nitrifikációra gyakorolt hatás 30 Kis terhelés - 0,8 mmol/L vas(III)-szulfát
Nagy terhelés - 0,5 mmol/L vas(III)-szulfát
NH4-N [mg/L]
25 Kémiai előkezelés + biológiai tisztítás (1. sz. rendszer) Csak biológiai tisztítás (2. sz. rendszer)
20 15 10 5
5/14
5/12
5/10
5/8
5/6
5/4
5/2
4/30
4/28
4/26
4/24
4/22
4/20
4/18
4/16
4/14
4/12
0
Dátum
1. 0,12 kgBOI5/kgMLSS/d 2. 0,26 kgBOI5/kgMLSS/d
1. 0,18 kgBOI5/kgMLSS/d 2. 0,40 kgBOI5/kgMLSS/d
18
2010.11.20.
Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz denitrifikációra gyakorolt hatás
NOx-N [mg/L]
100 Vegyszeresen kezelt, ülepített
80
Ülepített
60 40
oldott és partikulált szervesanyagok
20
endogén szakasz
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Kísérlet indításától eltelt idő [h]
Szennyvízben levő oldott és partikulált szervesanyagok felhasználásával
történő denitrifikáció hatékonysága 5-10% -kal csökkenhet A nyers szennyvíz minőségétől és a kémiai kezeléssel megvalósított
szervesanyag eltávolítástól függ – adott szennyvízre kell meghatározni Ha jelentős csökkenés ⇒ a szilárd szervesanyag eltávolítás mértékét
szabályozni kell!
Szervesanyag eltávolítás szerkezeti átrendeződése Tisztított szennyvíz
Tisztított szennyvíz 10%
10% 15%
Biológiai tisztítás
60% 30%
Előülepítés
Biológiai tisztítás 75%
Kémiai előkezeléssel intenzifikált előülepítés
19
2010.11.20.
Keletkező iszapmennyiség 1000 Nyersiszap
Szennyvíziszap [mg/L]
900
Fölösiszap
Összes iszap
800 700
+7%
+18%
+10%
600 500 400
+17%
+22%
-22%
-25%
+38%
300 200
-39%
100 0 0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Koaguláns (vas(III)-klorid) dózis [mmol/L]
Biológiai tisztítás
KémiaiKémiaibiológiai tisztítás
Összes oxigénbeviteli igény
1 370
1 000
kg O2/h
Levegıztetés energiaigénye
685
500
kWh
Tisztított szennyvíz KOI konc.
65
45
mg/L
Tisztított szennyvíz TP konc.
11
1,5
mg/L
120
88
M Ft/év
74
21
M Ft/év
33
M Ft/év
142
M Ft/év
52
M Ft/év
Eleveniszapos szennyvíztisztítás nitrifikációval (13 000 m3/d)
Energia költség Vízterhelési díj (KOI, TP) Vegyszerköltség Üzemeltetési költség Megtakarítás
194
20
2010.11.20.
Kémiai kezelés hazai alkalmazása Csak foszfor eltávolítás céljából Elsősorban szimultán kicsapás Csak elvétve találunk előkicsapást Indokok: idegenkedés a vegyszerek adagolásától elődenitrifikációra gyakorolt potenciális kedvezőtlen hatás az iszapmennyiség növekedése esetleges problémák az iszap kezelésekor (víztelenítés, rothasztás) a pH változás mértéke
Esettanulmány: Intenzifikálás kémiai előkezeléssel Cél: •
csatornahálózat fejlesztése miatt megnövekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés kezelése
•
szigorúbb határértékek betartása (P eltávolítás)
•
nitrifikáció javítása (téli időszak)
•
biogáz termelés fokozása 19 000 m3/d; 180 ezer leé határértékek: KOI: BOI5: TN:
75 mg/L 25 mg/L 50 mg/L
TP: NH4-N: TSS:
5 mg/L 10 mg/L 50 mg/L
21
2010.11.20.
C2 Fe(III)
O2
A2
A3
D1
C1
C3
O2
D3 O2
A4
D4
C4 O2
kémiai előkezelés üzemi kísérlet vas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba oldat formájában propeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredést
Specialitások
Hidraulikai alulterheltség (19 e m3/d a 48 e helyett) Eredetileg nagyterhelésű telep Jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOI5/kgTSS/d) Élelmiszeripari, vágóhídi szennyvíz Magas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízben
22
2010.11.20.
Specialitások Szervesanyag 60-80%-a szilárd (nyers szv) Előülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magas Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak ⇒ 20%
határérték túllépés) Meglepően hatékony szimultán denitrifikáció Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés)
A nyers és előkezelt szennyvíz minősége az üzemi kísérletekben KOI mg/L nyers
oldott KOI PO4-P mg/L
TP
TSS
BOI5
TKN
mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L
1080
300
10
15
480
580
95
ülepített
580
320
8
12
170
350
80
0,20,2-0,7 mmol/L
260
170
1,5
2,2
60
150
65
23
2010.11.20.
14 Fe adagolás
10 8
Előülepített szennyvíz
6
Tisztított szennyvíz
4 2 6/12
6/8
6/4
5/31
5/27
5/23
5/19
5/15
5/11
0
Dátum
Biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelésének csökkenése 1000 Fe adagolás
800 600
KOI
BOI
400 200
6/12
6/8
6/4
5/31
5/27
5/23
5/19
5/15
0 5/11
BOI5, KOICr [mg/L]
TP [mg/L]
12
Dátum Nyers szennyvíz KOI : 800-1400 mg/L (200-400 mg/L oldott) BOI: 400-800 mg/L
24
2010.11.20.
Denitrifikáció üzemi körülmények között
NO3-N [mg/L]
20 Fe adagolás
15 10 5
6/12
6/8
6/4
5/31
5/27
5/23
5/19
5/15
5/11
0
Dátum
A tisztított szennyvíz NO3–N koncentrációja a többszörösére nő Ok: a megnövekedő szervesanyag eltávolítás (összes és oldott KOI is!)
NO3-N [mg/L]
15 10 5 0 2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
oKOICr/TKN
2006. ápr. - jún. referencia időszak + kísérlet TSS
KOI BOI5 NH4-N
NO3-N
nyers
480
1100 580
tisztított
40
95
6,5
4,9
0,9
6,3
k.k. tiszt.
7
63
8
3,2
9
1,1
64
TP 14,7
25
2010.11.20.
Nyersiszap termelés [m3/d]: Nyersiszap termelés [kg/d]: Biogáz termelés [m3/d]: Összes energia fogyasztás [kW/d]:
+27% +21% +30% -10%
6000
3
Termelt biogáz [m /d]
Fe adagolás
5000 4000 3000 2000 Napi biogáz termelés Átlagos biogáz termelés - Fe adagolás nélkül Átlagos biogáz termelés - Fe adagolással
1000
6/14
6/9
6/4
5/30
5/25
5/20
5/15
5/10
5/5
4/30
4/25
4/20
4/15
0
Főbb eredmények (1) Vas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedik Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére
csökkent (KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt) Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt) Denitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy határérték problémát nem okoz) – oldott KOI eltávolítás
26
2010.11.20.
Főbb eredmények (2) Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, ktd
minimalizálható) Biogáz termelés 30%-kal megnőtt Telep energia fogyasztása 10%-kal csökkent Keletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőtt Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd)
27
