Szennyvíztisztítás (szakmérnöki kurzus) Melicz Zoltán EJF Vízellátási és Környezetmérnöki Intézet
[email protected] Tel.: 06-20-2676060
Vizsgakérdések 1.
A csatornahálózat-szennyvíztisztítás-befogadó kapcsolata. A szükséges tisztítási hatásfok, jogszabályok. A csatornahálózat kialakításából eredő hatások a szennyvíz összetételére (kémiai, biológiai, fizikai folyamatok csatornarendszerekben).
2.
A mechanikai tisztítás gépei. Finomrácsok, makrosziták, kotró szerkezetek.
3.
Légbefúvásos homokfogók áramlástani-konstrukciós kialakítási szempontjai. Légbefúvásos homokfogók üzemének technológiai hatásai
4.
Az eleveniszapos szennyvíztisztítás működésének alapjai. Fogalmak, definíciók, alap-összefüggések. A nitrifikáció/denitrifikáció folyamata, a sebességet befolyásoló tényezők. Nitrogéneltávolítás, a reaktorelrendezések, elő-, utó-, szimultán denitrifikáció: feltételek, előnyök, hátrányok. Az iszapkezelés főbb lépései.
Vizsgakérdések 1.
Növényi tápanyag (N+P) eltávolításra alkalmas eleveniszapos rendszerek. A kémiai és biológiai foszforeltávolítás lehetőségei. Kinetika: a szaporodás jellemzői, Monod-görbe, hőmérsékleti hatások, a reaktorelrendezés hatása, szubsztrát gátlás.
2.
Az immobilizált biomassza (biofilm) működési mechanizmusa, alkalmazási módszerei. A biofilmes szennyvíztisztítás (a csepegtetőtestektől a bioszűrőkig).
3.
Kombinált eleveniszapos-biofilmes (hibrid) rendszerek kialakítása. Műanyag töltőtestes (lebegőtestes) rendszerek alkalmazása. IFAS, egyéb szubmerz alkalmazások eleveniszapos hibrid rendszerekben. A hibrid rendszerek előnyei és hátrányai. Eleveniszapos rendszer hibrid rendszerré történő átalakításának műszaki megoldásai.
4.
Hasonlítsa össze az extenzív és intenzív szennyvízkezelési eljárásokat! Milyen esetekben lehetnek az extenzív szennyvízkezelési eljárások versenyképes alternatívái az intenzív eljárásoknak?
Tematika
Rövid ismétlés ◦ Technológiai alapfogalmak ◦ Nitrogén és foszforeltávolítás a szennyvíztisztításban
Kinetikai ismeretek Tisztítástechnológia intenzifikálási lehetőségek Új szennyvíztisztítási technológiák
Néhány tudnivaló...
Az anyagok az intézeti honlapról letölthető lesznek (http://vki.ejf.hu) a Szennyvíztisztítás szakmérnöki fül alatt ◦ ◦ ◦ ◦
Előadás ppt-k, Szakirodalom, néhány irodalom letölthetően Vizsgaidőpontok
A félév végi vizsga szóbeli!
5
Eleveniszapos szennyvíztisztítás alapfogalmak
6
Szennyvíztisztítás alapfogalmak
7
Szennyvíztisztítás alapfogalmak
Tisztítási hatásfok:
E=(C1-C3)/C1
Recirkulációs arány:
R = Q4/Q1
Térfogati terhelés:
BV = Q1·C1/V2
Iszapkoncentráció:
X
X: szervetlen és szerves lebegőanyagok XB,H a heterotróf biomassza koncentráció, XB,A az autotróf biomassza (nitrifikáló baktériumok) koncentráció. 8
A biomassza főbb komponensei: (Eleveniszapban) ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
szén (50%) oxigén (20%) nitrogén (10-15%) hidrogén (8-10%) foszfor (1-3%) kén (0,5-1,5%)
◦ kálium, kalcium, magnézium, nátrium, vas, + egyéb nyomelemek
Szennyvíztisztítás alapfogalmak MX = V·X
Iszaptömeg:
Iszapterhelés:
BX = Q1·C1/(V2·X2)
Nagyterhelésű:
0,8-1,5 kg BOI7/kg SS/nap
Normál terhelésű.:
0,3-0,7 kg BOI7/kg SS/nap
Kisterhelésű:
0,05-0,2 kg BOI7/kg SS/nap
Iszapprodukció:
FSP = Q3·X3 + Q5·X5-(Q1·X1) FSP = Yobs·(C1 - C3)·Q1 10
Szennyvíztisztítás alapfogalmak
Fölösiszap produkció: Q5·X5
Iszapkor:
X = MX/FSP
nagyterhelésű: < 2-3 nap
normál:
3-6 nap
kisterhelésű:
> 7 nap
Aerob iszapkor: X,aerob = MX,aerob/FSP
11
Szennyvíztisztítás alapfogalmak
Iszapindex: ◦ SVI=1/X0.5 (ml/g)
Iszapsűrűségi index: ◦ iszap fázis iszapkoncentrációja: SDI= X0.5
Hidraulikai tartózkodási idő (valós):
Nagyterhelés: Normál: Kis: Hosszúidejű levegőztetés:
0,6-1,5 óra 1,5-3,5 óra 3,5-8 óra 8-24 óra
12
Növényi tápanyageltávolítás N+P 1970-es évek, Dél-Afrika, USA
◦ Nitrogén: nitrifikáció-denitrifikáció ◦ Foszfor: biológiai és kémiai módszerek
Bonyolult reaktorelrendezések
13
Nitrifikáció Több lépéses mikrobiológiai oxidáció 3 + + + + NH4 O2 NO2 H 2O 2H 2 1 NO2 + O2 NO3 2 +
14
Nitrifikáció az ammónium ion oxidálódik nitritté egy baktériumcsoport, a Nitrosomonas által, a nitrit nitráttá oxidálódik a Nitrobacter baktériumok segítségével., az ammónium oxidációja nitritté több lépcsőben játszódik le, míg a nitrit egy lépésben válik nitráttá. Az átmenet a hidroxilamin és a nitrit között nem ismert. +
a
b
-
NH 4 NH 2OH ? NO2 NO3
-
15
Nitrifikáció
A nitrifikáció reakciói ◦ lassú és érzékeny folyamat ◦ a sebessége erősen hőmérsékletfüggő (min 6-8 °C) ◦ toxikus anyagok ◦ aerob (oldott oxigént tartalmazó) közegben
16
Nitrifikáció
A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ◦ C:N arány eltérő szaporodási sebességek (heterotróf kontra autotróf)
◦ oldott oxigén (DO) konc. pehely (biofilm) anyagtranszport, pehelyméret, diffúziós tulajdonságok, iszapkor kis DO ---------- nagy iszapkor sokk-szerű C terhelés növeli a limitáló DO szintet DO mennyiség és várható nitrif. közötti összefüggés? Dugattyús áramú kontra tökéletesen kevert reaktor?
17
Nitrifikáció
A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ◦ szubsztrát (NH4-N) mennyisége néhány 100 mg/L-ig maximális szap. seb, néhány 1000 mg/L szubsztrát gátlás lehetséges
◦ nitrifikálók túlélése (anoxikus, aerob körülmények változása) szelektorok (általában 10-30 perc) 5h anoxikus, 4h anaerob (EPA)
18
Nitrifikáció
A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ◦ pH a nitrif. csökkenti a pH-t a folyamat „lemérgezheti” magát optimális pH? - rendszerfüggő, de biztosan az enyhén lúgos tartományban (pH 7-9) 8,5-nél nagyobb pH-n ammónia (NH3) gátlás biofilmes rendszerekben pH gradiens a biol. hártyában
19
Nitrifikáció
A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ◦ hőmérséklet általában +10 Celsius növekedés szap. seb duplázódását eredményezi Arrhenius-szabály
20
Nitrifikáció
A nitrifikáció sebességét befolyásoló tényezők ◦ toxikus anyagok inhibitor mennyisége expozíciós idő Sokféle anyag
cink, réz, cianid, higany, arzénIII, egyes kromátok, cianátok aceton, anilin, fenol, szén-diszulfid olajszármazékok, növényvédő szerek, háztartási vegyipari termékek szabad ammónia
21
Denitrifikáció anoxikus közegben NO2-N, NO3-N redukció, végtermék N2 heterotróf mikroorg: (szerves szénforrás, elektron donor)
22
Denitrifikáció Sebességet befolyásoló tényezők oldott oxigén gátol pehelystruktúra (baktérium mikrokörnyezet) fontos
szénforrás minősége külső, vagy belső, jelentősen eltérő denitr. Sebességek
szennyvíz hőmérséklet csökkenő hőmérséklet, növekvő C igény különböző C forrás, különböző hőm. függőség
23
C, N és P eltávolítás bonyolult rendszerek eltérő makro- és mikrokörnyezetek
N eltávolítás: elő- utó és szimultán denitrifikáció (kombinációk)
P eltávolítás kémiai (kicsapásos) és biológiai módszerek
manapság: bonyolult biológiájú eljárások (Anammox, Sharon, Innitro) 24
Reaktor konfigurációk
aerob
anoxikus
anaerob
25
Reaktor konfigurációk Egyszerű eleveniszapos aerob
A/O eljárás
anoxikus
anaerob A2/O eljárás
26
Reaktor konfigurációk 4 fokozatú Bardenpho
aerob
anoxikus 5 fokozatú Bardenpho anaerob
27
Reaktor konfigurációk UCT eljárás
aerob
anoxikus
MUCT eljárás anaerob
28
Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás
aerob
anoxikus
Johannesburg Északi telep anaerob
29
Reaktor konfigurációk Johannesburg eljárás
aerob
PhoStrip eljárás
anoxikus
anaerob
Kémiai iszap
Szóda adagolás
30
Biokinetika
Biológiai növekedés...
= m
S Ks + S
Fajlagos szaporodási sebesség ( µ)
Monod kinetika µm
Max. sebesség
µm/2
ks
Szubsztrát koncentráció (S)
Biológiai növekedés... Haldane kinetika
= m
S K s + S + S . i / Ki
Fajlagos szeporodási sebesség( µ)
(toxikus hatások)
i
Szubsztrát koncentráció (S)
A nitrifikálók szaporodási sebessége hőmérsékletfüggés
Az iszapkor és a nitrifikáció mértéke (a reaktorelrendezés hatása)
Az elfolyó ammónium koncentrációja a sorba kötött reaktorokszámától függően (modellszámítások)
A nitrifikáció feltételei Hőmérséklet µnmT = µnm20 1.123 K nT = K n20 1.123 b nT = b n20 1.029
T-20
T-20
T-20
Arrhenius-egyenlet Minden 6°C hőmérsékletcsökkenésnél, a µ érték kb. feleződik. • A nitrifikáció tervezése a minimális hőmérsékleti értékre történjen.
A nitrifikáció feltételei pH Optimális pH: 7,2 < pH < 8,5 Ha 7,2 < pH < 8,5 µ nmpH = µ nm7.2; K npH = K n7.2
Ha 5 < pH < 7.2 µnmpH = µnm7.2 2.35
pH-7.2
; K npH = K n7.2 2.35 7.2-pH
A nitrifikáció feltételei Lúgosság (CaCO3) Ha a lúgosság < 40 mg/L (CaCO3); fennáll a nitrifikáció gátlás lehetősége. Ha a kezdeti lúgosság = 200 mg/L as CaCO3; és a nitrát termelés = 24 mg N/L. A lúgosság a nitrifikáció végén = 200 – 7,14•24 = 29 mg/L (CaCO3.)
A nitrifikáció feltételei Oldott oxigén koncentráció nagysága O µno = µnmo Ko + O O = oxigén koncentráció a víztestben (mg O/L) Ko = Ox. féltelítési állandó (mg O/L) µnmo = max. szaporodási sebesség (1/d) µno = szaporodási sebesség (1/d)
Ko: 0,3 ~ 2 mg O/L
Minimum oxigén konc.: 1-2 mg O/L
A nitrifikáció feltételei 8. Nitrifikáció inhibíció és toxicitás A szennyvíztisztító telepre érkező szennyvizek esetén Teljes gátlás (Nitrosomonas) Nikkel 0,25 ~ 3,0 mg/L Króm 0,25 mg/L Réz 0,1 ~ 0,5 mg/L Cink 3,0 mg/L Néhány szervesanyag is lehet toxikus. NH4+ és NO2- gátló szennyezőanyag koncentráció pH NH4+-N, mg/L NO2--N, mg/L 6,0 210 ~ 2100 30 ~ 330 6,5 70 ~ 700 88 ~ 1050 7,0 20 ~ 210 260 ~ 3320 7,5 7 ~ 70 8,0 2 ~ 20
A nitrifikáció feltételei Változó hidraulikai és szennyezőanyag terhelés
Nitrosomonas kinetikai állandók Konstans Fajlagos hozam. Endogén légzés sebesség Féltelítési állandó.
Szimb. Yn bn Kn
érték
Hőm.
0,01 0,04 1,00
1,000 1,029 1,123
.
Fajlagos szaporodási sebesség EPA nmT = nm20 e 0.098•(T-15)
O 1 - 0.833 (7.2 - pH) Ko + O
Dél-afrikai módszer nmT = nm20 1.123 T-20 2.35 pH-7.2 nmT = nmT7.2
O ha pH < 7,2 Ko + O ha 7,2 pH < 8.5
Az EPA nagyobb µnmT nagyobb értéket ad, ami rövidebb iszapkort igényel.
Nitrát fogyási görbe A könnyen bontható szervesanyagok a kezdeti (1 st, a meredek egyenes) szakaszban fogynak Ezt követően a lassan bontható anyagok bontásával folyik a denitrifikáció
Lúgosság változás A denitrifikáció lúgosság növekedést okoz. 3,57 mg/L (CaCO3) lúgosság növekedés következik be 1 mg NO3-N denitrifikációja során
(A nitrifikáció során, 7,14 mg/L CaCO3 lúgosság fogyás valósul meg 1 mg NH3-N átalakításánál).
N+P eltávolítás
