VÍZGAZDÁLKODÁS ÉS SZENNYVIZEK
3.1 3.5
A szennyvíz felhasználása öntözésre Tárgyszavak: talaj; öntözés; szennyvíz; szennyvízkezelés; fertőtlenítés.
A szennyvíz öntözésre történő felhasználásával a száraz éghajlatú vidékeken víz takarítható meg. Ezeken a területeken a mezőgazdaság vízfelhasználása nagy, a minőségi követelmények az öntözésre használt vízzel szemben kicsik. Az Egyesült Államokban, Dél-Európában, a Földközi-tenger és a Mexikói-öböl térségében kezelt szennyvízzel öntöznek mezőgazdasági területeket, zöldterületeket és golfpályákat. Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) mikrobiológiai szabványok betartását ajánlja, de Kaliforniában ezen túlmenően a nehézfém- és a sótartalomra vonatkozó határértékeket is be kell tartani. A Földközi-tenger és a Mexikói-öböl térségének országaiban a szennyvíz nitrogén- és foszfortartalmát trágyaként hasznosítják, ahelyett, hogy költséges eljárással eltávolítanák a szennyvízből és műtrágyává feldolgozva szórnák ki a földekre. Öntözni nem kell egész évben, ezért a szennyvízkezelő berendezéseket az évszakok függvényében, eltérően kell üzemeltetni. Nyáron, amikor öntözni kell, a tápanyagokat a szennyvízben kell hagyni és a szennyvizet fertőtleníteni kell, ugyanakkor télen a tápanyagot az eutrofizáció elkerülése érdekében el kell távolítani, fertőtlenítés pedig nem szükséges.
Az öntözésre használt, kezelt szennyvíz minőségi követelményei A szennyvíz oldott és szuszpendált, szerves és szervetlen alkotórészeket tartalmaz. Az öntözésre használt szennyvíz nem veszélyeztetheti az emberek egészségét, a talaj minőségét és az öntözőrendszereket, és a benne levő tápanyagokat is hasznosítani kell. Az öntözésre használt szennyvíz a csíraszám, a kórokozók fertőzőképessége és az emberek, ill. az állatok ellenálló képessége függvényében fertőzésveszélyt jelenthet. A fertőző megbetegedést okozó kórokozók
– a nyers, szennyvízzel szennyezett élelmiszert fogyasztó lakosságra – a szennyvízzel bőrön keresztül vagy belélegzés útján érintkező mezőgazdasági dolgozókra és – a szennyvízzel öntözött területek mellett élőkre jelentenek veszélyt. A fertőzésveszély kockázatának minimálisra csökkentése érdekében több belföldi és nemzetközi törvény és irányelvek szabályozzák az öntözésre használt szennyvíz mikrobiológiai minőségét. Három öntözési kategóriát alakítottak ki: a) a nyersen fogyasztható növények termesztési területének, a sportpályáknak és a közparkoknak az öntözése, b) a gabonaföldek, az iparilag termesztett növények, az állati takarmányok, a legelők és a fák növekedési területének öntözése, c) a b) pont szerinti területek helyileg korlátozott öntözése. A szennyvíz mezőgazdasági célokra történő felhasználásának egészségügyi irányelveit az 1. táblázat foglalja össze. Az irányelvek előírásai a fejlett országokra vonatkoznak, a határértékek nagyobb ráfordítás nélkül a szegényebb országokban is betarthatók. Legszigorúbbak az előírások Kaliforniában, ahol a szennyvíz mezőgazdasági felhasználása során a „nulla kockázat” elvét követik: a WHO által megengedett 1000/100 ml max. kólibaktérium számával szemben az irányelv 2,2/100 ml értéket engedélyez. 1. táblázat Az öntözésre felhasznált szennyvíz mikrobiológiai minőségi követelményei (WHO, 1989) Bélfonálférgek mennyisége életképes tojásfehérjében literenként
Fekália kólibaktériumok száma 100 ml-ben
Ajánlott szennyvízkezelési eljárás
a)
≤1
≤ 1000
stabilizálás szükséges a mikrobiológiai minőségi adatok eléréséhez vagy az ezzel egyenértékű kezeléshez
b)
≤1
nincs szabványos érték
8–10 napos tárolás stabilizáló medencékben, vagy a paraziták és a kólibaktériumok kezelése
c)
nem alkalmazható
nem alkalmazható
előkezelés, de legalább elsődleges ülepítés
A szennyvíz szerves és szervetlen anyag tartalma toxikus lehet az emberekre, a növényekre és a talajbaktériumokra nézve. Egyes alkotórészek növényi tápanyagok, mások rontják a talaj tulajdonságait.
Az öntözésre használt szennyvíz minőségi előírásait azokban az országokban fejlesztették ki, ahol kevés a víz mennyisége és lehetőség van a szennyvíz kezelésére. A fejlett országokban a „nulla kockázat” elvének a megvalósítására törekednek, míg a szegényebb országokban a WHO által ajánlott előírásokat alkalmazzák.
Öntözés A száraz éghajlatú országokban öntözéssel jelentősen növelhetők a terméseredmények. A szennyvizes öntözés során figyelembe kell venni a szennyvíz összetételének hatását a talajra és a növények növekedésére. Megfelelő öntözéssel minimálisra kell csökkenteni a veszélyes anyagok talajba kerülését és a talaj elsózódását. Az 1. ábrán az öntözés hidrológiai részfolyamatai láthatók. öntözővíz
párologtatás
felszíni elfolyás talajba történő elfolyás
intercepció (befogadás)
párolgás beszűrődés
gyökerekkel átszőtt talajzóna
perkolálás
gyökerek nélküli talajzóna
alapelfolyás talajvíz
1. ábra Az öntözés hidrológiai részfolyamatai Az öntözővíz különböző módokon kerülhet a földekre. A legelterjedtebb öntözési eljárások a duzzasztó és csörgedeztető eljárás, az altalaj öntözése, a csepegtetéses eljárás és az esőztetés.
Az öntözési eljárás kiválasztásához a helyszíni körülményeket, a terület jellemzőit, a talaj minőségét, a növények vízigényét és az öntözési eljárást kell vizsgálni. A szennyvízzel történő optimális öntözés kialakításához mérleget kell készíteni. Az öntözővíz mennyiségét a növények vízigénye, a talaj állapota és az öntözőrendszer tulajdonságai alapján határozzák meg. A vízigény az évszaknak, a növény fajtájának és a növekedési fázisának a függvénye. Az öntözésre használt szennyvíz minősége az évszakok függvényében változik. A víz- és a tápanyagigény a növények növekedési fázisaiban jelentősen változik.
Az öntözésre használt szennyvíz tisztítási technológiái Az öntözésre használt szennyvíz kezelésének technológiáját a gazdaságossági szempontok jelentősen befolyásolják. A tisztítás során a szennyvízből el kell távolítani a szűrhető anyagokat, a toxikus alkotórészeket, a sókat és a nehézfémeket. A szerves alkotórészeket le kell bontani. A szennyvíz nem lehet kellemetlen szagú. Az alkotórészek nem korrodeálhatják az öntözőrendszert. A tisztítás paramétereit a növények vegetációs fázisára kell meghatározni. A szerves alkotórészeket minden esetben el kell távolítani, a tápanyagokat a növények növekedési fázisának a függvényében. A mikrobiológiai szennyeződés csökkentése érdekében a szennyvizet fertőtleníteni kell. A fenti peremfeltételek teljesítésére az eleveniszapos eljárás a legalkalmasabb technológia, mert segítségével az időszakos nitrogéneltávolítás jól megvalósítható. Egy szennyvízkezelő berendezés üzemvitele szempontjából döntő, hogy télen a nitrogéntartalmat el kell távolítani, nyáron pedig nem. Az alábbi három kezelési eljárás az évszakok függvényében különböző módon üzemel. Üzemeltetésük 100 000 lakos felett gazdaságos. A szennyvízkezelés lépései: mechanikai és biológiai kezelés, illetve fertőtlenítés. A vizsgált berendezéseket 500 000 lakosra, 75 000 m3/nap betáplálásra és 22 500 kg/nap BOI értékre méretezték. Az eleveniszap szilárdanyag-tartalma 3,5 g/l lehet.
1. modell: eleveniszapos eljárás meleg éghajlati viszonyokra A kezelő rendszert meleg nyári és viszonylag hideg téli időszakra tervezték (pl. Törökország). A hideg évszakban a tápanyagokat teljesen el kell távolítani, nyáron pedig fontos a tápanyag jelenléte. A kezelőberendezés többutas kialakítású. Az eleveniszapos medence térfogata 12 oC hőmérsékleten és 30% denitrifikálási foknál 60 000 m3, ezáltal a nitrogén eltávolítása a hideg évszakban biztosított. Nyáron 25 oC-on az eleveniszapos medence térfogata 6000 m3 (az össztérfogat 10%-a), a nyári oxigénigény a téli oxigénigény 40%-a.
Nehéz a téli és a nyári üzemvitel közötti átmenet biztosítása, mert a vegetációs fázishoz kapcsolódóan nitrifikáló/denitrifikáló folyamatot kell alkalmazni. Az az üzemvitel, amely során az egyik úton megvalósul a szénhidrogének eltávolítása, a másikon a medencék tárolóként szolgálnak, nem lehetséges, mert nincsenek nitrifikáló baktériumok az eleveniszapban. Ha az egyik út tápanyag-eltávolítással üzemel, a többi pedig szénhidrogén-eltávolítással, a nitrifikáló baktériumok rendelkezésre fognak állni. A vegetációs fázisban az utak az alábbiak szerint üzemelnek: – 1. út: tápanyag-eltávolítás (C, N és P lebontása) – 2. út: tápanyag a szén kivételével nem kerül eltávolításra – 3. út: tárolás. Ehhez az üzemvitelhez függetlenül szabályozható utak kialakítása szükséges, a visszafolyó iszap recirkulációjával. Az üzemvitel előnye, hogy a két, különböző nitrogén- és foszforkoncentrációjú elfolyás összekeverhető, és a keverék trágyázáshoz felhasználható. Tunézia száraz területein nyáron 1 l/s,ha vízmennyiség szükséges az öntözéshez, ami 80 m3 szennyvíz/ha,nap vízmennyiségnek felel meg. A víz felosztása 2/3 részben öntözésre, 1/3 részben a tápanyag eltávolítására naponta 50 000 m3 tápanyagban gazdag vizet biztosít, ami 625 ha földterület öntözésére használható fel. Ha a szennyvíz nitrogéntartalma 30 mg/l, naponta 2,4 kg/ha nitrogén kerül a földekre, így az átlagos 100 kg nitrogén/ha, év trágyamennyiséget már 40 napos öntözés után eléri. Az öntözővíz összekeverése a hagyományosan tisztított szennyvízzel és ezzel a tápanyag felhígítása több hónapos öntözéshez előnyös, a talaj és a talajvíz védelme érdekében. A vegetációs fázis végén a hőmérséklet 18 oC. Feltételezve, hogy a nitrifikáló baktériumok a száraz massza 3%-át alkotják, 2100 kg nitrifikáló baktérium található a tápanyag-eltávolításra kialakított úton. Ezen útból származó 240 kg száraz, autotrof biomassza biztosítja a többi medencében a nitrifikáló baktériumok feldúsulását. 0,17/nap nettó növekedési sebességnél már 8 nap alatt megfelelő mennyiségű nitrifikáló baktérium növekedik és mind a három út felhasználható a nitrogén eltávolítására. Több út kialakításakor az üzemeltetés rugalmasabb és jobban szabályozható. A felépítés hátránya az egyedi iszap-visszavezetés nagyobb infrastrukturális igénye. 2. modell: eleveniszapos eljárás meleg éghajlati viszonyokra 1999-ben kutatók a biológiai lépcsőre egy többutas rendszer kialakítását ajánlották, amelyben a vegetációs fázis során egy utat az iszapvíz nitrifikálására használnak. A rendszer elemeinek megfelelő illesztése a 2. ábrán látható elrendezés esetén valósítható meg. A téli üzemvitel hőmérséklete 12 oC. A vegetációs fázis kezdetére időjárásfüggő hőmérséklet-növekedésnél a szilárdanyag-
tartalom vagy az eleveniszap térfogata csökken. 20 oC-on az eleveniszap térfogatának 50%-os rendelkezésre állása szükséges. Mivel az oxigéntartalom kismértékben csökken, a levegőztető berendezéseket minden medencében üzemeltetni kell. A berendezést a szén eltávolítására és a foszfát leválasztására alakították ki. A nitrogén nitrát formájában történő hasznosításánál a medencetérfogat 16,4%-a szükséges, ezáltal a medencék egyike más célra (pl. az iszapvíz nitrifikálására) használható. iszapvíz
a derítő betáplálása
előderítés
előderítés
iszapvíz nitrifikálása
a szénhidrogének lebomlása
tárolás
tárolás
elvezetés és hasznosítás utóderítés
utóderítés
utóderítés
utóderítés
2. ábra Üzemvitel a növények vegetációs fázisában a 2. modell esetén Miután az iszapvíz visszavezetése a nitrogénfrakció 20%-át, illetve a BOI 10%-át adja, az iszapvíz nitrifikálásához rendelkezésre álló 25% medencetérfogat megfelelő. A számítások szerint télen az oxigénigény 22%-a szükséges az iszap kezeléséhez. Medencénként 25%-os kezelési teljesítmény kielégítő, utóderítő medence kialakítása szükséges. A nitrifikáló baktériumok lassú növekedése miatt nehézséget jelent a „tápanyagmegtartás” üzemvitel átváltása a „tápanyag-eltávolítás” üzemvitelre. A 100%-os iszapvíz-visszavezetés nagy iszapfelesleget okoz, kis nitrifikáló baktérium részaránnyal. Ajánlatos a szárazanyag-visszavezetés 50%-ra csökkentése a nitrifikáló baktérium részarány növelése érdekében. 100% szárazanyag-visszavezetés esetén a feleslegben keletkező iszap két hetes tárolása
után a szükséges nitrifikáló baktériumok 52%-a rendelkezésre áll. 50 %-os visszavezetés esetén ugyanez az érték 62%. A nitrifikáló baktériumok gyors növekedése megkönnyíti a tápanyag eltávolítását. 3. modell: derítőtó kialakítása meleg éghajlati viszonyokra A derítőtavak felületigénye nagy, költségük kicsi és egyszerűen üzemeltethetők. A „tápanyag-eltávolítás” és a „tápanyagmegtartás” közötti üzemvitel nem létezik. Vannak országok, ahol egész évben használnak szennyvizet öntözésre, itt a három modult (mechanikus és biológiai tisztítás és fertőtlenítés) egy folyamatba integrálják. Két anaerob ülepítőtóban leválasztják a szennyvíz nem oldott anyag tartalmát. A 75 000 m3/nap szennyvíz mennyiség kezeléséhez szükséges tó térfogata 125 000 m3, felülete 31 250 m2, a tartózkodási idő 3 nap. Az ülepítőtavakból a szennyvíz 1,5 m mély aerob tavakba folyik, ahol a tartózkodási ideje 20 napnál hosszabb. A tó térfogata 1 500 000 m3-nél, a felszíne 100 ha-nál nagyobb. 5, egyenként 20 ha-os anaerob medence üzemel. Ezt követően a szennyvizet megtisztítják a fekáliától. Ehhez a tartózkodási idő 5 nap, a vízmélység 2 m. A feladat végrehajtásához három, egyenként 6,2 ha-os, 2 m mély tó elegendő. A nagy felületigény miatt fennáll a párolgási veszteség veszélye, amelynek értéke nyáron, 10 mm/napnál nagyobb párolgás esetén naponta 12 500 m3 (azaz a napi betáplálás 17%-a). A felület csökkentése érdekében a mélyebb tavakat levegőztető berendezéssel szerelik fel, amelyek energiáját napkollektorokból nyerik. Az elfolyás kólibaktérium-koncentrációját - amelyre a WHO 1000 kóli/100 cm3 határértéket ír elő – számítással határozzák meg. Esetünkben 12 oC-on a betáplálás kólibaktérium-koncentrációja 108, az elfolyásé 6×106 /100 cm3, ezért a WHO által előírt határérték nem tartható be. 30 oC-on a határérték ezen számítás alapján betartható, ekkor a szennyvíz korlátozás nélkül felhasználható öntözésre.
A modellek vizsgálata Az 1. és a 2. modellt meleg éghajlatra fejlesztették ki és mindkét esetben többutas eleveniszapos berendezést telepítettek. Mindkét módszerre a vegetációs fázisban a tápanyagmegtartás, a téli időszakban a tápanyag-eltávolítás jellemző. A nitrifikáció menete a tápanyagmegtartásból a tápanyag eltávolításba való átmenet során eltérő módon került kialakításra: az 1. modell esetében egy utat a tápanyag eltávolítására, a többi utat a szén eltávolítására és tárolásra használnak. A 2. modell esetében az egyik úton az iszapvizet nitrifikálják, és ezzel megtartják a nitrifikáló baktériumok egy részét a rendszerben. A többi utat a szén eltávolítására, illetve tárolómedenceként hasznosítják. Az 1. mo-
dell hátránya, hogy kis mennyiségű, tápanyagban gazdag víz keletkezik, amelynek 2/3 részét öntözésre használják. Előnye a nitrifikáló baktériumok gyors növekedése és az elfolyások összekeverésének a lehetősége. A 2. modell előnye a teljes tápanyagmegtartás, hátránya, hogy a nitrifikáló baktériumok nagy részét tenyészteni kell. A 3. modellben derítőtó üzemel, amelyet a déli országokban alkalmaznak elterjedten. A csíraszám csökkentése lehetséges ugyan, de nem nagyságrendekkel, mint a fertőtlenítés során. Az eljárás előnye az egyszerűség és az alacsony költségek, hátránya a nagy felületigény és az ebből adódó párolgási veszteségek. Fertőtlenítés A mechanikai és a biológiai tisztítás után a csíraszám 10–20-adára csökken, ez azonban nem elegendő az öntözésre használatos szennyvíz minőségi követelményeinek a teljesítésére. A tisztított szennyvízzel történő öntözés során az emberek, az állatok, a talaj és a növények védelme érdekében a biológiailag tisztított szennyvizet fertőtleníteni kell, amely fizikai (UI-besugárzás, mikroszűrés, termikus kezelés, ionizáló sugárral történő kezelés) és kémiai (ózonkezelés, klórozás, perecetsav vagy hidrogén-peroxid alkalmazása) eljárásokkal történhet. A fertőtlenítési eljárás kiválasztása a szennyvíz minőségétől, a műszaki felszereltségtől és a személyzet képzettségétől függ. A legjobb fertőtlenítő hatás membránszűréssel biztosítható, és a csaknem teljes csíramentesítéssel a legkisebb újrafertőződés érhető el, az eljárás azonban energiaigényes. Az UI-besugárzás kipróbált, biztos, gazdaságos és környezetkímélő eljárás. Vizsgálni kell az újrafertőződés lehetőségét nagy tápanyag-koncentrációk estén. Az Izraelben már kipróbált, napsugárral történő fertőtlenítés hasonló problémákkal küzd. Számos országban alkalmaznak klórt fertőtlenítésre, ami hatékony fertőtlenítést biztosít ugyan, de fennáll a szerves klórvegyületek képződésének a veszélye. (Regősné Knoska Judit) Cornel, P.; Wagner, M.: Verwendung von Abwasser zur Bewässerung. = KA – Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall, 49. k. 1. sz. 2002. p. 84–93. Lewis, D. L.; Gattie, D. K.: Pathogen risks from applying. Sewage sludge to land. = Environmental Science and Technology, 36. k. 13. sz. 2002. júl. 1. p. 287A–293A.
