Kémiai szennyvíztisztítás

Az előadások a következő témára: "Kémiai szennyvíztisztítás"— Előadás másolata:

1 Kémiai szennyvíztisztítás
Szabó Anita Egyetemi adjunktus BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 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

3 A kémiai szennyvíztisztítás
Def: A szennyvizek kémiai módszerekkel való tisztítása – szűkebben: Fe, Al, Ca, Mg tartalmú sók adagolása Célja: Foszfor eltávolítás (foszfát kicsapás) Fe3+ + PO43-  FePO4 (<0,1 mg/L TP) Lebegőanyag és szervesanyag eltávolítás koaguláció-flokkuláció: Fe3+  vas(III)-hidroxidok Szulfid kicsapás (bűz csökkentése)

4 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+

5 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!

6 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)

7 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)!

8 Foszfor eltávolítás

9 Foszfor eltávolítás 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

10 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?

11 pH érték A pH 5,0-7,0 intervallumban a P kicsapás hatékonysága ~ állandó Közepes dózissal 7,0 körüli pH alakul ki A semleges körüli pH tartomány megfelelő a biológiai folyamatok és a P kicsapás szempontjából is A pH érték szabályozása hazai körülmények között nem szükséges

12 Keverési intenzitás hatása a P eltávolításra
Pini = 1.0 mg/L Fe/P = 3.0

13 Keverési intenzitás és kontakt idő hatása a P eltávolításra
Pini = 1.0 mg/L Fe/P = 3.0

14 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

15 Koaguláció-flokkuláció
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).

16

17 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 ( mg/L) Esetenként az oldott állapotú szerves anyagok 10-20%-a is eltávolításra kerül

18 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

19

20 KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ

21 Szervesanyag (BOI5) eltávolítás
A maradék BOI megközelítően azonos az oldott BOI-vel ( mg/L) 40-65% eltávolítási hatásfok Az alkalmazott vegyszerek hatása megközelítően azonos A vegyszeradagolás növelése csak egy adott pontig növeli a szervesanyag eltávolítás hatásfokát

22

23 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.)

24 Bűz problémák Előkicsapatás a bűz-problémák megoldásában is szerepet játszhat a szennyvíztisztító telepen Hatékony szulfid eltávolítás (Fe tartalmú vegyszerek)

25 Kémiai szennyvíztisztítás
Önállóan vagy biológiai szennyvíztisztítással kombináltan CEPT Közvetlen kicsapás Előkicsapás Szimultán kicsapás Utókicsapás

26 CEPT eljárás (Chemically Enhanced Mechanical Treatment)
TSS eltávolítás: 70% TP eltávolítás: 75% BOI eltávolítás: 50%

27 Közvetlen kicsapás TSS eltávolítás: 85% TP eltávolítás: 90%
BOI eltávolítás: 70%

28 Elő-kicsapás TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 95%
BOI eltávolítás: >90%

29 Szimultán kicsapás TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: 90%
BOI eltávolítás: >90%

30 Utó-kicsapás TSS eltávolítás: >90% TP eltávolítás: >95%
BOI eltávolítás: >90%

31 Kombinált kémiai és biológiai szvt - intenzifikálás
Meglévő telepek intenzifikálása Hidraulikai kapacitás Felületi szervesanyag terhelés Szennyezőanyag eltávolítási hatékonyság Előkicsapás, szimultán kicsapás, utókicsapás

32 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

33 Fe3+ + PO43-  FePO4 (<0,1 mg/L TP) gyakorlatban FerPO4(OH)3r-3
Cél: P eltávolítás Fe3+ + PO43-  FePO4 (<0,1 mg/L TP) gyakorlatban FerPO4(OH)3r-3 Cél: lebegőanyag és szervesanyag eltávolítás nitrifikáció, kapacitásnövelés Fe3+  vas(III)-hidroxidok (FeOOH v. Fe(OH)3) kicsapás, adszorpció fém-hidroxid képződés (koaguláció-flokkuláció, adszorpció) szilárd állapotú szennyező-anyagok (TSS) eltávolítása KOICr, BOI5 TN TP PO43- S2- biológiai folyamatok költségek (+/-) vízteleníthetőség mezőgazdasági elhelyezés rothaszthatóság, gázkihozatal mennyiség pH és lúgosság csökkenés összetétel szervesanyag lebontás nitrifikáció denitrifikáció biológiai P eltávolítás folyamatok stabilitása koaguláns adagolás előülepítő iszap felületi terhelés TSS eltávolítás költségek (+) bekeverés

34 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)

35 Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz – pH csökkenés
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

36 Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz - nitrifikációra gyakorolt hatás
1. 0,12 kgBOI5/kgMLSS/d 2. 0,26 kgBOI5/kgMLSS/d 1. 0,18 kgBOI5/kgMLSS/d 2. 0,40 kgBOI5/kgMLSS/d

37 Kapcsolódások a biológiai tisztítási folyamatokhoz - denitrifikációra gyakorolt hatás
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!

38 Szervesanyag eltávolítás szerkezeti átrendeződése
Előülepítés Biológiai tisztítás Tisztított szennyvíz Kémiai előkezeléssel intenzifikált előülepítés 10% 30% 60% 75% 15%

39 Keletkező iszapmennyiség

40 Eleveniszapos szennyvíztisztítás nitrifikációval (13 000 m3/d)
Biológiai tisztítás Kémiai-biológiai tisztítás Összes oxigénbeviteli igény 1 370 1 000 kg O2/h Levegőztetés energiaigénye 685 500 kWh Tisztított szennyvíz KOI konc. 65 45 mg/L Tisztított szennyvíz TP konc. 11 1,5 Energia költség 120 88 M Ft/év Vízterhelési díj (KOI, TP) 74 21 Vegyszerköltség 33 Üzemeltetési költség 194 142 Megtakarítás 52

41 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

42 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 m3/d; 180 ezer leé határértékek: KOI: 75 mg/L BOI5: 25 mg/L TN: 50 mg/L TP: 5 mg/L NH4-N: 10 mg/L TSS: 50 mg/L

43 kémiai előkezelés üzemi kísérlet
O2 D3 A2 C2 Fe(III) C1 C3 C4 D4 D1 A3 A4 kémiai előkezelés üzemi kísérlet vas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba oldat formájában propeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredést

44 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

45 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)

46 A nyers és előkezelt szennyvíz minősége az üzemi kísérletekben
KOI oldott KOI PO4-P TP TSS BOI5 TKN mg/L nyers 1080 300 10 15 480 580 95 ülepített 320 8 12 170 350 80 0,2-0,7 mmol/L 260 1,5 2,2 60 150 65

47

48 Biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelésének csökkenése
Nyers szennyvíz KOI : mg/L ( mg/L oldott) BOI: mg/L

49 Denitrifikáció üzemi körülmények között
A tisztított szennyvíz NO3–N koncentrációja a többszörösére nő Ok: a megnövekedő szervesanyag eltávolítás (összes és oldott KOI is!)

50 2006. ápr. - jún. referencia időszak + kísérlet
TSS KOI BOI5 NH4-N NO3-N TP nyers 480 1100 580 64 14,7 tisztított 40 95 6,5 4,9 0,9 6,3 k.k. tiszt. 7 63 8 3,2 9 1,1

51 Nyersiszap termelés [m3/d]: +27%
Nyersiszap termelés [kg/d]: +21% Biogáz termelés [m3/d]: % Összes energia fogyasztás [kW/d]: -10%

52 05.23. 05.18. 06.06.

53 05.23. 05.17. 06.06.

54 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

55 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)