Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Zajzon Gergő BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Zajzon Gergő BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."— Előadás másolata:

1 Zajzon Gergő BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Eleveniszapos reaktor (Activated Sludge) Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények Fix filmes reaktor (biofilm) Felülethez kötött mikroorganizmusok Szervesanyag, tápanyag gradiensek a biofilmen belül Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők) Hibrid rendszerek (biofilm + eleveniszap) Természetes szennyvíztisztítás Alacsony költségű (BK, UK), nagy területigenyű, Kistelepüléseken vagy utótisztitásként Hibrid rendszerekben alkalmazott biofilm hordozó: belső felületein vastagabb, a külsőn a fokozott nyíróhatás következtében vékonyabb biofilm alakul ki. A folyadékkal a hordozó részecskék (10-20 mm átmérőjű és 10 mm hosszúságú) együtt mozognak, miközben a levegőbuborékok függőleges irányban áramlanak közöttük felfele, mozgatva a részecskéket is.

3 Baktériumok Gombák Algák Protozoa Metazoa

4 nagy számban fordulnak elő számuk: eleveniszap > biofilm az eleveniszap baktériumszáma literenként Szervesanyaglebontás – heterotróf baktériumok Nitrifikáció - autotróf baktériumok (szervetlen szénforrás (HCO - 3) Zoogloea sp. Aerob szervezet. A jó oxigén ellátottságú, magasabb terhelésű rendszerekben gyakori. Jobb ülepedéshez és a pelyhek zártságának javulásához járul hozzá. Felülete erősen szemcsésnek tűnik. Fonalas kénbaktérium. Leggyakrabban kommunális és ipari (sör-, tejüzem, vágóhíd, gyümölcsipar, papír-és cellulózipar) szennyvizekben fordul elő. Jellemzően a következők kedveznek szaporodásuknak: nagy tartózkodású idejű, anaerob beérkező nyers szennyvíz, oldott oxigén hiány, medencében alul levegőztetett terek, magas koncentrációjú organikus savak.

5 Gombák versenyeznek a baktériumokkal a táplálékért, amely verseny leginkább a baktériumok javára dől el, a baktériumok száma jóval nagyobb a gombáénál az eleveniszapos rendszerkben az alacsony pH érték a gombáknak kedvezőbb. A biofilterekben nagyobb számú gomba van jelen, mint az eleveniszapos rendszerekben Gombafonalak: Leggyakrabban savas szennyvízben jelennek meg, azonban előfordulásuk ritka. Cukorgyártás, zöldségfeldolgozás, sörgyártás szennyvizeiben gyakoriak. Nagy mennyiségű megjelenésük kis savkapacitásra utal. Vegyi kezeléssel szemben rendkívül ellenállóak, tömeges megjelenésük esetén a rendszerből nagyon nehezen távolíthatóak el. Túlterhelést jelez, iszapfelfúvódást, iszaepelúszást is okozhat.

6 Algák a biofilterek felületén helyezkednek el, ahol a körülmények (fény és tápanyag) számukra kedvezőbbek, megjelennek algatavakban, illetve szennyvíz utótisztító tavakban is A leggyakrabban a kovaalgák, fonalas zöldalgák, és cianobaktériumok jelennek meg

7 Auto- és heterotróf egysejtű, valódi sejtmaggal rendelkező (eukarióta) élőlények csoportja. Biofilterekre jellemző. Eleveniszapos telepeken a terhelés függvényében jelenik meg. Kisterhelésű telepen nagy számban fordulnak elő. A protozoa baktériummal táplálkozik, gombákat, algát szuszpendált szerves anyagot is fogyaszt és a szennyvíz utóülepítésében is fontos szerepet játszik. Az eleveniszapok vizsgálatakor a mikroszkóppal azonosítható indikátorszervezetek zöme ebbe a csoportba tartozik (Csillósok, Ostorosok, Gyökérlábúak, Szívókások). Amphileptus sp. : Szabadon úszó csillós egysejtű élőlény. Alacsony és közepes terhelésű rendszerekben, 0,15 - 0,2 kg/(kgd) iszapterhelés esetén fordul elő. Alacsony oldott oxigéntartalom esetén is megél.A jól bedolgozott, jól működő berendezések stabilizálódott iszapjában találhatók. Egyes szerzők szerint a nitrátképződés megindulása után jelennek meg. Aspidisca cicada (Járólábas csillós): Járólábas csillós faj, ami „lelegeli” a pelyhek felszínéről a rosszul kötődő szerves anyagokat és bakteriális sejteket. Száma tisztán nitrifikáló rendszerekben éri el a maximumot. Csak pehelytől pehelyig úsznak, az iszappelyheken mászkálva legelnek. Megjelenésük a nitrifikációs folyamatok kezdetét jelzi. Eltűnésük terhelésnövekedést, elégtelen oxigénbevitelt, vagy mérgező anyagok rendszerbe kerülését jelzi. Helytülő (szeszilis) szájkoszorús csillós. Nem képez telepet, magányosan, hosszú, csavarmenetben összehúzódó nyélen ülnek. Ezen élőlények jelenléte a jó minőségű, érett iszap jellemzője. Általában az alacsony terhelésű, jó oxigén ellátottságú rendszerekben fordulnak elő. Csak akkor jelenik meg, ha a nitrifikáció tartós. Ha az oldott oxigéntartalom 4mg/l alá csökken leszakad a száráról (nyeléről), betokozódik és elpusztul. A túllevegőztetést nem viseli el.

8 Metazoa magasabb rendű élőlény. Az eloszlásuk a protozoához hasonló, biofilterekben és eleveniszapos telepeken egyaránt előfordulnak. Többféle faj előfordulhat úgymint Rotifera, Crustacea, egyéb állatfajok és rovarok. Medveállatka (Tardigrada sp.) Többsejtű élőlény. Alacsony terhelésű rendszerekben jellemző. A latin név jelentése: ”lassan lépkedő”. Széles hőmérsékleti spektrumot is elvisel (0-150 C °). A generációs idejük nagy, ezért a szennyvíziszapban csak akkor tudnak elszaporodni, ha az iszapkor kellően nagy. A stabil, idős iszap indikátorai. Rotaria sp.: A kerekesférgek (Rotatoria) Bdelloidea rendjébe tartozó faja. Igénytelen faj, 0,2 kg/(kgd) terhelésű és 1 mg/l alatti oxigéntartalmú vizekben is megél. Baktériumokkal, algákkal, szerves törmelékkel táplálkozik. Generációs ideje nagy (több nap). A stabil, idős iszap indikátora.

9 Iszap el/felúszást legyakarabbi okai: Alacsony F/M (Food/Microorganism) arány Alacsony oldott oxigén koncentráció Alacsony pH Szeptikus (berothadt) szennyvíz Denitrifikáció az utóülepítőben Tápanyaghiány Számos telepen okoznak problémát az üzemeltetés során, mikroszkópos vizsgálatokkal a pehely szerkezetből, indikátor fajok jelenlétéből ill. hiányából következtetéseket lehet levonni, hogy a fenti okok közül melyik okozhatja az elúszást.

10 Szelekció a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma csökken. alapja a fajok megfelelő diverzitása

11 Szelekció eleveniszapos telepeken Elektron akceptor (például oxigén vagy nitrát) Szubsztrát Ülepítési, vagy flokkulációs karakterisztikák Hőmérséklet Növekedési sebesség Szabadon szuszpendált életformák Fixfilmes (biofilm) szennyvíztisztítás: A fenti tényezőkön kívül: Adhézió Biofilmben rögzült mikroorganizmusok

12 igen Potenciálisan elszaporodni képes baktérium Aerob? Elpusztul Elsődleges szubsztrát felvétele? nem Másodlagos szubsztrát felvétele? nem Ülepedési tul. Elpusztul nem igen Hőmérséklet Növekedési sebesség Szuszpendált mikororg. Eleveniszapos baktérium igen Kimosodás Elpusztul Kimosodás Elpusztul nem

13

14

15

16

17 Fajlagos szaporodási sebesség  fajlagos szaporodási sebesség [t -1 ]  max maximum fajlagos szaporodási sebesség [t -1 ] S limitáló szubsztrát koncentráció [M*L -3 ] K S szubsztrát féltelítési állandó [M*L -3 ]

18 Biológiailag bontható toxikus anyagok: Andrews kinetika

19

20 -Biológiai növekedés -Hidrolízis -Pusztulás

21 Biológiai növekedés A szennyvíztisztítási folyamatban előforduló baktériumok a növekedésükhöz kicsi, és egyszerű felépítésű molekulák lebontását végzik el. Ilyenek lehetnek például az ecetsav, etanol, metanol, propionsav, glükóz, ammónium, nitrit stb.

22 Baktériumok szaporodási sebessége  fajlagos szaporodási sebesség [t -1 ] Xmikroorganizmus koncentráció [M*L -3 ]

23 Biológiai növekedés: r V,XB =  max ·f(S)·X B r V,XB a térfogati biológiai növekedés (dimenzió M·L -3 ·T -1, mértékegység például kg KOI(B)/(m 3 ·d))  max a maximum fajlagos szaporodási ráta (dimenzió T - 1, mértékegység például h -1, vagy d -1 ) f(S)a szaporodás kinetikáját írja le (például nullad- vagy elsőrendű, vagy Monod-kinetika) X B biomassza koncentráció (dimenzió M X ·L -3, egység kg KOI(B)/m 3 vagy kg SS(B)/m 3 )

24 Baktérium szaporodási sebesség (tápanyaglimitált környezetben), felhasználva a Monod kinetikát:

25 A hozamkonstans a tápanyagok részleges felhasználása: új sejtek létrehozása szerves és szervetlen végtermékek kialakulása Pl.: szervesanyag lebontás: CO 2 + sejtenyag Yhozamkonstans [M/M] pl.: kgKOI(biomassza)/kgKOI(szubsztrát)

26 Szubsztrát fogyasztás: r V,S = (r V,XB )/Y max Y max a legnagyobb hozamkonstans (dimenzió M XB ·M S -1, egység például kg KOI(B)/KOI(S) vagy kg VSS(B)/kg KOI(S)) A hozamkonstans kismértékű ingadozást mutathat, melyet a telepre érkező szennyvíz minősége és a telep terhelésének változása okoz.

27 A szubsztrátfogyasztás sebessége: Több szubsztrát esetén (Nitrogén, foszfor…)

28 Hidrolízis: Elsőrendű kinetikával: r V,XS = k h ·X S A nagyméretű molekulák kisebb méretű molekulákká konvertálódnak (lehet partikulált, kolloid vagy oldott anyag is) A hidrolízis sebessége általában kisebb mint a biológiai növekedésé A hidrolízis gyakran a sebesség-limitáló tényező a biológiai szennyvíztisztítási folyamatokban.

29 Hidrolizis Monod-kinetikával leírva: k hX hidrolízis konstans (dimenzió M XS ·M XB -1 ·T -1 ) K x hidrolízis szaturációs konstans (dimenzió M XS ·M XB -1 ).

30

31 Pusztulás (elsőrendű kinetika): r V,XB = b·X B b konstans (dimenzió T -1, egység például d -1 ). bizonyos mennyiségű lassan bontható anyag kerül be a rendszerbe. Ez az anyag hidrolizál, és következésképpen növekedést, vagy oxigén illetve nitrát fogyasztást okoz.

32 OUR (oxgen ultilization rate) teszt oldott oxigén koncentráció fogyása NUR (nitrate ultilization rate) teszt nitrát koncentráció fogyása Eleveniszap átlagos oxigén fogyasztási sebessége: gO2/(kg*VSS*h) A kísérlet eredményeből számolt fogyási sebességek jellemzik a a biomassza biológiai aktivitását Szennyvíz biológiailag könnyen és nehezen bontható szervesanyag tartalmának meghatározására alkalmas Alacsony aktivitás oka lehet toxikus szennyvíz Szennyvíz toxkiuságának vizsgálatára is használják A kísérletet egy néhány literes reaktorban végezzük, eleveniszapot és szennyvizet keverünk össze és figyeljük az oldott oxigén (OUR teszt), nitrát (NUR teszt) koncentráció fogyását. A reaktorban megmérve a biomassza koncentrációját számítható az egységnyi biomassza tömeg által egységnyi idő alatt fogyasztott oxigén ill. nitrát.

33

34 Nyers szennyvíz szervesvegyületeinaek aerob biológiai tisztítása: Szervesanyag CO 2 (aerob, anaerob) CH 4 (anaerob) Biomassza Biológiailag nem bontható (inert) anyagok Könnyen bontható szervesanyaggá történő átalakítás (hidrolizis) Különböző tápanyagok: Nitrogén, foszfor, kén vegyületek

35 Kinetika, aerob heterotróf átalakulás Az aerob mikroorganizmusok szubsztrát konverziója elsősorban a biomassza vonatkozásában írható le. µ obs telepre jellemző szaporodási sebesség, értéke szakirodalomban megtalálható, pontosítása az adott telepre mérésekkel meghatározható

36 A környezeti tényezők hatása, aerob heterotróf konverziók -Hőmérséklet -Szubsztrát (szervesanyag) -Oxigén -pH -Toxikus anyagok -Nitrogén -Foszfor

37 Hőmérséklet hatása az alábbi módon írható le  max (T) =  max (20  C)·exp (  (T-20)) A fenti egyenlet 0-32 °C között érvényes ° C között nincs számottevő hatása a hőmérsékletnek 40 ° C felett gyors csökkenés tapasztalható 45 ° C foknál nullára csökken a biológiai aktivitás

38 Oldott oxigén koncentráció hatása: Monod-képlet szerint: S O2.2 oxigénkoncentráció a reaktorban K S,O2 oxigén szaturációs állandója.

39 Az oldott koncentráció jelenlétét befolyásolja a pehely szerkezete is, így az oldott oxigén koncentráció hatása pontosabban leírható: “kettős” Monod-képlet: A szaturációs konstans, K S,O2, függ a pehelymérettől a hőmérséklettől, amennyiben annak hatása van az oxigén pelyhekbe történő diffúziójára

40 K pH pH állandó I=10 (optimum pH) -1 Általában az alacsony pH okoz problémákat a biológiai folyamatokban

41 Tapasztalat Növekedés pH modell pH

42 Toxikus anyagok jelenléte (számos vegyület gátolhatja, az aerob szervesanyag lebontást, azonban ez a gyakorlatban ritkábban okoz problémát köszönhetően az aerob szervesanyag lebontók gyors szaporodásának Nitrogén és foszforvegyületek hiánya: A baktériumok szervesanyag mellett nitrogént és foszfort is felhasználnak növekedésük során, ha nincs megfelelő koncentrációban jelen ez is gátolhatja a növekedésüket.

43

44 Reakciók, átalakulások

45 Fogalom A nitrifikáció olyan mikrobiológiai folyamat, mely az ammóniumot nitritté, majd végül nitráttá alakítja. A nitrifikáció reakciói Lényegesen lassabb a szaporodási sebességük mint a hetrotrófoknak a sebessége erősen hőmérsékletfüggő toxikus anyagok limitálhatnak autotróf mikroorganizmuscsoport tevékenységével két lépésben zajlik le

46 az ammónium ion oxidálódik nitritté egy baktériumcsoport által, melynek neve Nitrosomonas a nitrit nitráttá oxidálódik a Nitrobacter baktériumok segítségével.

47 -Szubsztrát koncentráció -Hőmérséklet -Oxigén -pH -Toxikus anyagok Ammónium oxidációja a folyamat fő limitáló tényezője, mivel e nélkül nitrit se jelenik meg

48 10 és 22 °C között azonos az aerob hetrotrofokéval 40 ° C fok felett már nincsen 4 °C alatt az aktivitás már csak nagyon kismértékű Érzékeny a hirtelen hőmérsékletváltozásra, emiatt gyors hőmérséklet emelkedés esetén az aktivitás emelkedése elmaradhat a képlet szerint várhatótól

49 Oxigén koncentráció: Monod kinetikával írható le Érzékenyebb, mint az aerob hetrotrófok pH: 6-10 között fordulhat elő nitrifikáció Optimum 8-9 között van A nitrifikáció során a pH csökken, ha a szennyvíz lúgossága (karbonát ion) nem elég nagy, akkor gátolhatja a folyamatot a túlzottan lecsökkent pH Hazai vizek karbonát ion koncentrációja magas, ezért nem szükséges a víz puffer kapacitásának növelése.

50 SzimbólumMértékegységNitrosomonasNitrobacterTeljes folyamat Max. fajl. Szap. sebbeség µmax,Ad-10,6-0,80,6-1,00,6-0,8 Szaturációs konstans KS,NH4,AgNH4-N/m30,3-0,70,8-1,20,3-0,7 Szaturációs konstans KS,O2,AgO2/m30,5-1,00,5-1,50,5-1,0 Hozam konstans Ymax,AgVSS/gN0,10-0,120,05-0,070,15-0,20 Pusztulási konstans bAd-10,03-0,06

51 Reakciók, átalakulások

52 A denitrifikáció során a nitrát nitrogén gázzá vagy dinitrogén oxiddá alakul A folyamathoz szükséges megfelelő mennyiségű könnyen bontható szervesanyag szükséges. A legtöbb heterotróf szervesanyag lebontó baktérium fakultatív, vagyis anoxikus körülmények között nitrátot használ fel elektron akceptorként, aerob körülmények között pedig oxigént, ha mindkettő jelen van az oxigént részesítik előnyben a baktériumok Emellett vannak csak aerob és csak anoxikus körülmények között élő baktériumok is

53 A környezeti tényezők hatása: -Hőmérséklet -Szusztrát (szervesanyag) -Oxigén -pH -Toxikus anyagok -Nitrogén -Foszfor

54 Hőmérséklet függés azonos mint az aerob heterotrófoknál Oxigén: 0,2 mg/l alatti oldott oxigén koncentráció alatt hatékony a denitrifikáció, efölött rohamosan csökken a hatásfoka Itt is jelentős hatása van a pehely szerkezetnek, ha a pehely elég sűrű a belsejében anoxikus zóna jöhet létre a levegőztett medencében is pH: 6-10 között jön létre 7-9 között van az optimum A denitrifikáció során a lúgosság növekszik, vagyis a pH értéke is nő

55 A rendelkezésre álló szervesanyag forrás biológiai bonthatósága jelentős mértékben befolyásolja a denitrifikáció sebességét Metanol, vagy ecetsav Nyers szennyvíz szervesanyag Szervesanyag endogén légzésből Denitrifikációs sebesség (gNO3-N*kg VSS*h ) Hőmérséklet

56

57

58 Biomassza növekedés és szubsztrát fogyás: Tömeg megmaradás:

59 Activated Sludge Model No 1(ASM1) International Association on Water Quality (IWAQ, ma International Water Association, IWA) kutatócsoportja megalkotta az első eleveniszapos modellt, a későbbiekben ez került továbbfejlesztésre. Kommunális szennyvíztisztítás biológiai folyamatainak modellezésére fejlesztették ki Szervesanyag eltávolítás és nitrogén eltávolítás modellezésére használják

60 Teljes KOI befolyó vízben Teljes biodegradálható KOI Teljes inert KOI Könnyen biodegradálható KOI (S S ) Lassan biodegradálható KOI (X S ) Oldott inert KOI (S I ) Partikulált inert KOI (X I ) Biomassza KOI Heterotróf (Xbh) Autrotróf (Xba)

61 Nitrát, nitrit Ammónium S NH Szerves nitrogén Biomasszában kötött nitrogén Oldott szerves nitrogén Partikulált szerves nitrogén Biológiailag nem bontható oldott nitrogén vegyületek Biológiailag nem bontható parikulált nitrogén Biológiailag bontható nitrogén Total Kjeldhal Nitrogén

62 Heterotróf biomassza növekedése aerob körülmények között (szervesanyag lebontás) Heterotróf biomassza növekedése anoxikus körülmények között (denitrifikáció + szervesanyag lebontás) Autotróf biomassza növekedése aerob körülmények között (nitrifikáció) Heterotrófok pusztulása Autotrófok pusztulása Oldott szerves nitrogén vegyületek ammonifikációja Biológiailag nehezen bontható szervesanyag hidrolizise Szerves nitrogén vegyületek hidrolizise

63 Ez a modell az ASM1 modell biológiai többletfoszfor- eltávolítással kiegészített variánsa. Ahhoz, hogy a PAOk (phosphate accumulating organisms azaz foszfor-felhalmozó organizmus) életműködését megfelelően leírhassuk szükség volt új összetevők bevezetésére: ecetsavhoz hasonlóan viselkedő anyagok, S A fermentálható tápanyag, S F nehezen bontható tápanyag, X S Az ASM 2-es modell feltételezi, hogy a növekedés ütemét a tápanyagok közül csak az S A befolyásolja, melyet a hidrolizált és fermentált tápanyagokból kapunk.

64 Ez a model egy alternatív lehetőséget kínál a heterotróf organizmusok leírására. Ezek az élőlények átmenetileg képesek polimer vegyületként – például polihidroxi-alkanoátként (PHA) vagy glykogénként (GLY) – szerves anyagot tárolni. Ezen tárolt anyagok képesek átsegíteni őket bizonyos tápanyaghiányos állapotokon. Mindehez jelentős oxigén felhasználás járul, ahogy azt az ábra is mutatja:

65 Predáció modellezése (protozoa, metazoa) Biofilmek vizsgálata és modellezése Példa 2D biofilm modellre: es2d.html (Java kiegészítő kell és nekem Exploreren futott) es2d.html A tantárgy oldalára még feltettem egy 8 oldalas írást (Kárpáti Árpád: szennyvíztisztítási technológiák fejlődési irányai)

66 Milyen organizmus csoportok jelenhetnek meg a szennyvíztelepen? Mik okozhatnak ülepedési problémákat? Mi a célja a fénymikroszkopós vizsgálatoknak? Mi a szelekció, eleveniszapos és biofilmes rendszerekben milyen környezeti tényezők befolyásolják? Nulladrendű és elsőrendű kinetika (képlet, feltételezések) Monod kinetika (grafikon, képlet, tagok neve értelmezése) Biológiai átalakulás (növekedés, hidrolizis, pusztulás kapcsolata,28 dia ábra) Növekedés és szubsztrát fogyasztás kapcsolata, hozamkonstans fogalma, mit fejez ki? Respirációs kísérletek célja, OUR, teszt, NUR teszt rövid ismertetése Aerob heterotrófokat befolyásásoló környezet tényezők (felsorolás) Nitrifikációt befolyásoló környezeti tényezők (felsorolás) Denitrifikációt befolyásoló környezeti tényezőt (felsorolás) Tökéletesen elkevert reaktor működési elve (ábra, tömegmegmaradás, növekedés, képletek)


Letölteni ppt "Zajzon Gergő BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések