VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.5
Tejfeldolgozási szennyvíz tisztítása membránszűrős bioreaktorral Tárgyszavak: szennyvíztisztítás; tejipar; membránszűrés; eleveniszap; üzemköltség.
A tejiparban régóta alkalmazásban levő hagyományos szennyvíztisztítókban ülepítéssel választják le az eleveniszapot, amit megnehezít az erre az ágazatra jellemző úszóiszap-képződés, csökkentve az utóderítő medence szilárdanyag-visszatartó képességét és megnövelve az elfolyó víz koncentrációját. Ezáltal kevesebb a biológiai rendszerben a biomassza-koncentráció, csökken a lebontó teljesítmény és megnő az oldott KOI. A biomassza-elválasztással kapcsolatos gondokat megoldja a membránszűrés. A membrán lehet merülő vagy külső elhelyezésű, de a tejfeldolgozás szennyizében levő kalcium karbonátos kiválása miatt automatikus öblítésre van szükség, amely külső rendszerben jobban alkalmazható.
A membránszűrős eljárás elve, a berendezés felépítése A német mérnökök által membránszűrős bioreaktorra kidolgozott eljárásban a kívül felállított tubuláris membránokon szivattyúk préselik át az eleveniszapot, miközben a keletkező nyomáscsökkenés a membránon áthajtó nyomásként működik (1. ábra). A berendezés biológiai része nitrifikálásból és eléje kapcsolt denitrifikálásból áll. A szennyvíz foszfátjai beépülnek a biomasszába, de ha a szennyvíz – mint a tejfeldolgozásé is – sok foszfátot tartalmaz, előzetes lecsapást kell a folyamatba beiktatni.
bemenő szennyvízáram
denitrifikálás
nitrifikálás
ultraszűrés
szennylevegő iszapfölösleg
tisztított szennyvíz
levegő
1. ábra A membránszűrős bioreaktor működési vázlata A nitrifikálóreaktorból az eleveniszap a membránszűrőre jut, ahol ülepítés helyett ultraszűrés választja le a feloldatlan szennyezéseket 0,02 µm-es nagyságú szemcsenagyságig. A szűrő által visszatartott iszapkoncentrátum folyamatosan áramlik vissza a denitrifikálóba. A berendezésben fenntartott áramlási sebesség folyamatosan bontja le a membránon kialakuló fedőréteget. Ez nagy és stabil szűrőteljesítményt eredményez kisméretű szűrőfelületek alkalmazásának lehetőségével. A nagy tisztítóteljesítmény mellett a membránszűrős bioreaktor kitűnik csekély helyigényével, amelyet a nagy biomassza-koncentráció is elősegít. A kompakt felépítéssel így az elfoglalt térfogatra számított nagy fajlagos feldolgozási rátát lehet elérni. A szennyvíz intenzív keveréséről ejektorrendszerbe bevitt levegő gondoskodik, a viszonylag nagy szilárdanyag-koncentráció ellenére is jó oxigénhasznosítással.
Alkalmazási példák Az új berendezés mindkét ismertetendő alkalmazási példájában a meglevő tejipari egységet utólagosan egészítették ki membránszűrős rendszerrel. Dairy Gold Food Products Az írországi Mitchelstown telephelyű Dairy Gold Food Products, Európa egyik vezető tejfeldolgozó üzeme tejport, vajat és sajtokat állít elő,
ezen kívül húsfeldolgozót is működtet. A tejüzem napi 5000 m3, kb. 2000 mg/l KOI-koncentrációjú szennyvizét hagyományos biológiai tisztításnak vetik alá. A márciustól novemberig tartó „tejszezonban” ezen kívül további napi mintegy 2000 m3 tejsavót kezelnek, amelynek KOI-értéke elérheti a 3600 mg/l-t is. Ez a többlet rendszeresen túlterhelte a biológiai tisztítófokozatot, ezért 1999-ben a savófeldolgozási szennyvíz membránbiológiai tisztítása és a hagyományos tisztítómű elfolyó vizével közös elvezetése mellett döntöttek. Ennek eredményeképpen főleg csúcsterhelések alkalmával látványos a kimenő szilárdanyag-koncentráció csökkenése. A 2000-ben felállított kiegészítés részei: – 2000 m3 térfogatú eleveniszapos nitrifikálóreaktor, – eléje kapcsolt, 400 m3-es denitrifikáló és – a biomasszát leválasztó négyutas keresztáramú ultraszűrő rendszer. A befolyó szennyvíz részáramának kezelése a membrán-bioreaktorban megkívánta az előzetes semlegesítést. A négy szűrőmodul szükség szerint be- és kikapcsolható, függetlenül az egyes modulok automatikus tisztításától is. A biológiai tisztítófokozat levegőztetését végző ejektorrendszer megtervezésekor arra törekedtek, hogy – ne legyen szükség karbantartásra, – működését ne zavarja kalcium-karbonát-kiválás és – az oxigénbevitel nagy szilárdanyag-koncentráció esetén is elegendő legyen. Az ejektorrendszer fúvócsövei levegő, eleveniszap és szubsztrátum keverékét továbbítják a reaktortérbe. A levegőbevitelt forgódugattyús kompresszor végzi. Üzemi tapasztalatok A membránszűrős rendszer üzembe helyezése után már néhány héttel kialakult a várt tisztítóteljesítmény. Az üzemelés első évében (2001) a kifolyó vízben – a KOI átlaga 46 mg/l, – az összes nitrogéné 6,4 mg/l volt, kiemelkedő értékstabilitással. Az évszakos tejhozamváltozásoknak megfelelően a téli hónapokon szünetel a membrán-bioreaktor üzeme. Tavasszal a régi berendezés
iszapjával beoltott reaktor teljesítménye kb. két hét alatt beáll a kívánt szintre. A membránszűrőket télen karbantartják és fagymentesen tárolják. Az átlagos iszaptermelődés 1 kg lebontott KOI-ra számítva kb. 0,15 kg száraz anyag. Az ultraszűrés után a 20–30 g/l-es koncentrációjú iszapfölösleget kiemelik, és a hagyományos berendezés eleveniszapjával együtt víztelenítik. 2000 és 2003 között a biológiai tisztítás a szennyvíz fokozott károsanyag-terhelése miatt időszakosan 30 g/l-ig terjedő eleveniszapkoncentrációval működött. A merülő szűrős változattal ellentétben a külső szűrő még ilyen nagy szilárdanyag-koncentrációval is kellő szűrőteljesítményt nyújt. A szárazon felállított keresztáramú membránok nagy üzemi stabilitása az eleveniszap állandó áramlási sebességének és ezzel összefüggésben a tisztított vízfelületről ugyancsak állandó mértékű fedőréteg-lehordásnak köszönhető. Az említett idő alatt a fajlagos energiafelhasználás mintegy 5 kWh/m3 volt. A levegőztetés és az ejektorok működése 2,8, a membránszűrés 2,2 kWh/m3-t igényelt. Az eleveniszap ejektoros levegőztetésének előnye a felületi levegőztetéssel szemben az, hogy nincs szükség a kiválások miatti rendszeres karbantartásra. A biológiai tisztítófokozat energiafelhasználása a KOI- és a nitrogénterheléstől függ, az ultraszűrés energiafelvételét pedig a fajlagos szűrőteljesítmény határozza meg. A szűrőteljesítmény állandósága érdekében az egyes szűrőmodulokat kb. hathetenként kémiai tisztításnak kell alávetni. Az egyes modulok szükség szerinti be-, ill. kikapcsolásával elérhető rugalmasság, valamint a szellőzés automatikus szabályozása energiatakarékos üzemmódot tesz lehetővé. Költségmegoszlás A fix költség a karbantartási/javítási, a biztosítási és a személyi költségtételeket foglalja magába, a változó költségek a szennyvíz mindenkori terhelésétől függnek (2. ábra). Az ultraszűrés energiaszükséglete és az öt-hat évente esedékes membráncsere együtt az üzemköltség 23%-át képezi. A szennyvízkezelő fajlagos üzemköltsége a feldolgozott szennyvíztérfogatra számítva 0,90 EUR/m3, de a tényleges hét hónap helyett egész évi üzemelés esetén a fix költség csökkenő aránya folytán csak 0,70 EUR/m3 volna. A Dairy Goldnál a beruházás mintegy 1,4 M EUR-ba került, de itt figyelembe kell venni az egyes meglevő hagyományos berendezések együttes használatával járó megtakarítást.
személyi 13%
iszapkezelés 28%
karbantartás 9% szűrőcsere 9% vegyszer 3%
energia 22%
energia az ultraszűréshez 14%
biztosítás 2%
2. ábra Üzemköltség-megoszlás a Dairy Gold Ltd.-nél 10 000
tisztított szennyvíz bemenő szennyvízáram
1 000
mg/l
1 700
100
43 18
16
10 3 1,2
1 foszfát
NH4(N) NH4(N)
KOI
3. ábra Be- és kimenő koncentrációk a Dairy Crest Ltd.-nél (középértékek)
Dairy Crest Ltd. A Dairy Crest Ltd.-nél, amely Nagy-Britannia egyik legnagyobb tejfeldolgozó vállalata, a termelőkapacitás bővítésével együtt a szennyvíztisztításét is meg kellett növelni. A meglevő két hagyományos tisztítómű egyikét megszüntették és membrán-bioreaktorral helyettesítették. Ezen kívül a biológiai tisztítófokozat elé flotálást iktattak be, amely a zsíros és a lebegő szennyezések lefejtésével hivatva volt tehermentesíteni a
további tisztítófázisokat. A flotálás bemenő áramában szabályozzák a pH-t, a kiegyenlítettebb szennyvíz- és károsanyag-terhelésről pedig az üzemből kivont eleveniszapos medence mint puffertartály gondoskodik. A flotálás után a szennyvízáram 1200/800 m3/nap arányban megoszlik az új membránbiológiai és a hagyományos egység között. A tisztítófokozatok után ismét egyesítik a két áramot és a TOC- (összes szerves vegyületek), az ammóniumnitrogén-koncentráció, a zavarosság, a pH és a hőmérséklet állandó ellenőrzésével vezetik a befogadó élővízbe. Az első üzemi eredmények sikeres beruházásról tanúskodnak (3. ábra). Összeállította: Dr. Boros Tiborné Wienands, H.; Streif, G.: Abwasserreinigung mit Membranbioreaktoren bei der Milchverarbeitenden Industrie. = Korrepondenz Abwasser – Abwasser Abfall, 52. k. 1. sz. 2005. p. 58–62. Carta-Escobar, F.; Pereda-Marin, J. stb.: Aerobic purification of dairy wastewater in continuous regime: Part I.: Analysis of the biodegradation process in two reactor configurations. = Biochemical Engineering Journal, 21. k. 2. sz. 2004. okt. p. 183– 191. Bae, T. H.; Han, S. S.; Tak, T. M.: Membrane sequencing batch reactor system for the treatment of dairy industry wastewater. = Process Biochemistry, 39. k. 2. sz. 2003. okt. 31. p. 221–231.
Röviden… Esővízöblítéses WC-k A növekvő ivóvízfogyasztás, ezzel együtt a fogyatkozó vízkészletek védelme napjaink egyik égető problémája. Az esővíz újrahasznosítása jó megoldást jelenthet a gondok egy részére. Portlandben (Oregon állam, USA), ahol bár az éghajlat igen csapadékos, mégis keresik a takarékos vízkészlet-gazdálkodás új lehetőségeit, egy egyetemi beruházás kapcsán különösen nagy hangsúlyt fektettek az esővíz újrafelhasználására. A Portlandi Állami Egyetem új épületszárnyának építésekor a megbízó, az egyetem környezetkímélő technológiákat preferáló hagyományaihoz híven, a fenntartható használatot tűzte ki célul, amelynek egyik fontos eleme a vízfogyasztás csökkentése lett. A több céget és tanácsadót tömörítő tervező team olyan esővízgyűjtő rendszert dolgozott ki, amely az új épületre és a szomszédos már
meglévő egyetemi szárnyra hulló csapadékot egyaránt hasznosítja. Az egyetem új épületszárnyánál, amely tantermeket, irodákat és lakásokat is magába foglal, az ismertebb, öntözésre való újrahasznosítás mellett újdonságként alkalmazták az esővizet a WC-k öblítésére. Ezt a fajta felhasználást Oregon államban itt engedélyezték először. Az esővízújrahasznosító rendszer számos egymásra épülő elemből áll. Az elvezetett csapadék először folyami kaviccsal feltöltött felszíni gyűjtőkbe kerül, onnan egy „Öko-Allé”-nak nevezett közösségi téren csobog át, majd emelt, növénnyel betelepített szűrőkön halad keresztül. Egy része dísznövényeket öntöz, nagyobb része további szűrőkön át felszín alatti csapadékvíz-tározókba kerül. A WC-öblítésre használt vizet még egy további homok-, majd UI-szűrőn keresztül pumpálják vissza a rendszerbe. A viszonylag egyszerű megoldásokkal nagyon jó vízminőség érhető el. A felszín alatti csapadékvíz-tárolás kulcsfontosságú eleme a „Rainstore3” elnevezésű, sokrétűen alakítható elemes rendszer, amely variálhatóságának és viszonylag kisméretű, egymásra épülő elemeinek köszönhetően megoldotta a két egyetemi épület közötti igen szűk helyen a csapadéktározást, 94%-os helykihasználást téve lehetővé. A speciális hengeres tározóelemek 1 m2 alapterületűek, 10 cm magasak és 10–250 cm-es magasságig kapcsolhatók egymáshoz. Az egyetemi épületnél elkészült víztárolórendszer 2 m-es szélességével, 18 m-es hosszúságával és 90 cm-es magasságával több, mint 30 000 liter vizet tud befogadni. A komplex újrahasznosító rendszer további eleme az a speciális úszóval ellátott szabályozó, amely a vízgyűjtő víztartalékainak függvényében a tározott esővízből, illetve annak kifogyása után, nyári időszakban, a házi ivóvízvezetékről vételezi a szükséges vízmennyiséget. A projekt megvalósítása során a város ivóvízkészletének védelmére is igen nagy hangsúlyt fektettek. Az illetékes hatóságok képviselői folyamatosan a helyszínen tartózkodtak, nyomon követve a munkálatokat a PVC szigetelések forrasztásától a Rainstore3 rendszer beépítésén át a teljes kivitelezés befejezéséig, valamint ellenőrizték a fenntartási tervet is. Az elkészült visszaforgató-rendszer az első emeleti WC-ket látja el vízzel, a többi emeleten a WC-k az ivóvízvezetékre kötve működnek, két okból. Egyrészt az összes WC-t ellátó rendszer tárolói túlságosan nagyok lennének – figyelembe véve a kevésbé csapadékos időszakokat –, másrészt az építésügyi előírások alapján a WC-tartályokban tárolt víz egy részének ivóvíz-vésztartalékként is kell szolgálniuk katasztrófa esetén. A kezelt esővíz pedig majdnem, de nem tökéletesen ivóvíztisztaságú.
A vízvisszaforgató rendszernél rendszeres monitoring működik. A mért adatok és a további előrejelzések szerint az új beruházással az öntözővíznél majd 45 000 liter, a WC-k öblítésénél több mint 450 000 liter ivóvíz takarítható meg évente, amely jelentős költségcsökkenést jelent az üzemeltetésben. A tervezők a csapadékvíz újrahasznosítása mellett számos egyéb környezetbarát elemet alkalmaztak a beruházásnál: szél segítségével üzemelő léghűtést, napenergiával működő árnyékolórendszert, csekély káros anyag kibocsátású építőanyagokat, valamint egy hővisszanyerőt a szellőzőrendszernél. A környezetbarát technológiákat megvalósító komplex beruházáson belül maga az esővízgyűjtő/visszaforgató rendszer is példaértékű, többek között a tervező team több szakterületet (építészet, gépészet, hidrológia, tájépítészet) igen sikeresen ötvöző munkájának köszönhetően. (Pollution Engineering, 37. k. 4. sz. 2005. p. 40–41.)
