NAGY OXIGÉNIGÉNYŰ NEM TOXIKUS SZENNYVIZEK KÖRNYEZETKÉMIA ÉS TECHNOLÓGIA Vegyészmérnök B.Sc. hallgatók részére KÖRNYEZETI KÉMIA Környezetmérnök B.Sc. hallgatók részére Biomérnök M.Sc. hallgatók részére HAGYOMÁNYOS ÉS MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK KÖRNYEZETI HATÁSAI Műszaki menedzser B.Sc. hallgatók részére Dr. Bajnóczy Gábor egyetemi docens Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Vegyész- és Biomérnöki Kar Budapesti Műszaki Egyetem 2012

AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

a vízi élővilágra nem mérgező szerves anyagot tartalmaznak. NAGY OXIGÉNIGÉNYŰ, NEM TOXIKUS SZENNYVIZEK Olyan típusú szennyvizek, amelyek jelentős mennyiségű biológiailag bontható, a vízi élővilágra nem mérgező szerves anyagot tartalmaznak. Fő forrásai: állattartás élelmiszeripar hígtrágya lehúzás lakossági szennyvíz

NAGY OXIGÉNIGÉNYŰ, NEM TOXIKUS SZENNYVIZEK HATÁSA AZ ÉLŐVIZEKRE A természetes élővízben keletkező elhalt szerves anyagok (falevél, tetemek, stb.) a vízben élő baktériumok által bomlanak le, mineralizálódnak azaz a lebontás végén széndioxid és víz képződik. A szerves anyag lebontásához a baktériumok a vízben oldott oxigént használják fel. A vízben élő lebontó baktériumok számát az elérhető szerves anyag mennyisége korlátozza. nagy oxigénigényű szennyvíz beömlés az élővízbe jelentősen megnövekszik a lebontó baktériumok egyed száma a növekvő oxigén felhasználás miatt csökken az oldott oxigéntartalom megnő a víz tápanyag tartalma a lebontó baktériumok számára A víz egyre inkább aerob jellegét elvesztve anaerobbá válik

BIOLÓGIAI LEBONTÁS TERMÉKE AEROB ÉS ANAEROB KÖRÜLMÉNYEK KÖZÖTT Az élővíz szerves anyag terhelés hatására anaerob (oldott oxigén jelen van) állapotból anaerob (oldott oxigén nincs jelen) állapotba kerülhet. A változás az aerob élőlények pusztulásával jár, de az élet nem szűnik meg, az aerob baktérium populáció helyébe anaerob baktériumok lépnek és folytatják a biológiai lebontást. Aerob: oxigén jelenlét anaerob: oxigén semmilyen formában nincs jelen anoxikus: oxigén csak pl. nitrát, szulfát formában Aerob körülmények Anaerob körülmények szén nitrogén kén foszfor CO2 NH3 NO3- SO4- - PO4 - - - szén nitrogén kén foszfor CH4 NH3 aminok H2S PH3 egyéb foszfor vegyületek Mocsarakban fellobbanó lángocskák okozója. A foszforhidrogén levegővel érintkezve begyújtja a feltörekvő metángázt.

Lidérc fény

SZERVES VEGYÜLETEK BIOLÓGIAI LEBONTÁSA lépés láncvégi oxidáció az oxidációt a molekuláris oxigén és a mikroorganizmusokban található vastartalmú enzim a cytochrom-P450 végzi R – CH2 – CH2 – CH3 R – CH2 – CH2 – C - OH R – CH2 – CH2 – COOH Az egyszerűsített reakció alapján látható, hogy a mikroorganizmus általában a láncvégen támad és a metil végcsoportot karboxil csoporttá oxidálja. Ezért savas jellegű a lakossági Hulladéklerakókból távozó csurgalék víz. 2. lépés β – oxidáció a folyamatban szerepet játszó enzimek: koenzim – A : CoASH (a –SH tiolcsoport a reaktív centrum) Hidrogén átvivő enzimek: oxidált forma redukált forma FAD FADH2 NAD+ NADH

O R – CH2 – CH2 – C - OH O R – CH2 – CH2 – C - SCoA CoASH - H2O OH O FAD FADH2 OH O R – CH – CH2 – C - SCoA O R – CH = CH – C - SCoA H2O vízaddíció (Markovnyikov szabály) NAD+ NADH O O R – C – CH2 – C - SCoA O R – C - OH O CH3 – C - SCoA H2O + vízben instabil vegyület azonnal elbomlik acetil-koenzim A A mikroorganizmus saját szükségletnek megfelelő szénláncot épít visszafelé. Energiaigény esetén a citrát cikluson keresztül szén-dioxid és víz képződik.

SZERVES VEGYÜLETEK BIOLÓGIAI LEBONTHATÓSÁGA A hosszú szénláncú ( ≈ 32 tagszámnál hosszabb ) vegyületek nem vagy nehezen bomlanak le. A hosszabb szénlánc számára ez forma energetikailag kedvezőtlen. A gombolyag alakzat energetikailag sokkal kedvezőbb. ? a mikroorganizmus nem találja a láncvéget Bizonyos mikroorganizmusok rendelkeznek un. extracelluláris lánchasító enzimekkel, de a hasítás után a bonthatóság megáll, amikor a láncvég a gombolyag belsejébe kerül. ? A műanyagok jelentős része emiatt bomlik le lassan a természetben.

(Markovnyikov szabály) Tercier alkoholok nem oxidálhatók ketonná 2. Az elágazó szénláncú vegyületek nem vagy csak nagyon lassan bomlanak le. O R – CH – CH2 – C – OH CH3 O R – CH – CH2 – C – SCoA CH3 CoASH - H2O FAD FADH2 OH O R – C – CH2 – C – SCoA CH3 O R – C = CH2 – C – SCoA CH3 H2O vízaddíció (Markovnyikov szabály) Tercier alkoholok nem oxidálhatók ketonná O O R – C – CH2 – C – SCoA CH3 A motorolajok főleg elágazó szénhidrogéneket tartalmaznak, így kiömléskor hosszú ideig károsíthatják a környezetet.

3. Az aromás vegyületekben meglévő aromás váz lassan, de biológiailag bontható. COOH cytochrom OH O P-450 O O HO – C – C – CH2 - COOH COOH OH cytochrom + P-450 CH3 – COOH

4. Többszörösen kondenzált aromás gyűrű gyakorlatilag nem bontható. A többszörösen kondenzált aromás gyűrűt tartalmazó, rákkeltő vegyületek az atmoszférában napsütés hatására néhány óra alatt lebomlanak, azonban az ilyen típusú vegyületek vízbe, talajba kerülve hosszú ideig megőrzik toxikus tulajdonságaikat.

A nitrogén vegyületek bontása A VÍZ SZERVES ANYAG TARTALMÁT MÉRŐ BOI ÉS KOI BOI (biológiai oxigénigény) Egységnyi víz szerves anyag tartalmának 5 vagy 20 nap alatt 20 C-on megvalósult biológiai oxidációjához szükséges oxigén mennyisége. Mértékegység BOI5 vagy BOI20 [mg oxigén/dm3] A BOI5 a szerves szénvegyületek biológiai oxidációjához felhasznált oxigén mennyiségét méri A BOI20 a szerves szénvegyületek és nitrogén vegyületek oxidációjához szükséges oxigén mennyiségét méri A nitrogén vegyületek bontása később indul meg Szerves nitrogén tartalmú vegyületek dezamináció NH3 vizes közegben Nitrosomonas NH4+ + 1,5 O2 H2O + 2 H+ + NO2- lassú Nitrobacter NO2- + 0,5 O2 NO3- gyors

Az oxigén felhasználással történő szerves anyag lebontás közelítőleg elsőrendű reakcióval írható le. BOI t: t időpontban még meglévő oxigénigény BOI 0 : nulla időpontban a teljes biológiai oxigénigény k : levegő ellátási konstans adott hőmérsékleten BOI t = BOI 0 * e -kt BOI elhasznált: t időpontig elhasznált oxigén BOI 0 : nulla időpontban a teljes biológiai oxigénigény k : levegő ellátási konstans adott hőmérsékleten BOI elhasznált = BOI 0 *(1 – e -kt) levegő ellátási konstans Víz típus k [nap-1] 20°C Kis tavak, holt ágak 0,1 – 0,23 Lassú folyások 0,23 – 0,35 Nagy, lassú vízáram 0,35 – 0,46 Nagy, normál vízáram 0,46 – 0,69 Gyors folyások 0,69 – 1,15 Átszámítás más hőmérsékletre : k(T) = k(20°C)*1,024T-20

KOI (kémiai oxigénigény) Egységnyi víz oldott és szuszpendált szerves anyagtartalmának erős oxidálószerrel (kálium-dikromat vagy kálium-permanganát) történő eloxidálásához (végtermék: CO2 és H2O) szükséges oxigén mennyisége. Mértékegység KOI [mg oxigén/dm3] BOI és KOI viszonya BOI < KOI általában fennálló viszony mivel az oxidálószer minden szerves anyagot eloxidál a mikroorganizmusok azonban válogatósak BOI = KOI a vizsgált vízmintában csak biológiailag bontható szerves vegyület található BOI << KOI a vizsgált vízmintában a mikroorganizmusokra toxikus vegyületek lehetnek, vagy csak kevés biológiailag bontható szerves anyag van

folytonos táplálású aerob fermentorokban EGYSZERŰSÍTETT AEROB BIOLÓGIAI SZENNYVÍZ TISZTÍTÁS A szerves anyagok természetes biológiai lebontásának gyorsítása eleveniszapos folytonos táplálású aerob fermentorokban anoxikus medence: a.) a szerves anyag előbontása b.) ammonifikáció c.) a visszakevert tisztított szennyvíz denitrifikálása aerob medence: a.) levegő befuvatás b.) szerves szén oxidációja c.) az anoxikus medencében képződő ammónia oxidálása nitráttá d.) iszaptömeg növekedés

AEROB SZENNYVÍZTISZTÍTÓ MEDENCÉK

ANAEROB SZENNYVÍZKEZELÉS A szennyvíz szerves anyag tartalmát anaerob baktériumok bontják le metánná és széndioxiddá (biogáz). Gáz szennyezők (kénhidrogén, aminok, széntetraklorid

biogáz széntartalma 90-95 % metán : szén-dioxid ~ 50-50 % Szennyvíztisztítási technológiák összehasonlítása AEROB ANAEROB széntartalom szén-dioxid formában (~50%) biogáz széntartalma 90-95 % metán : szén-dioxid ~ 50-50 % iszap széntartalma ~50% iszap széntartalma ~1-5% szennyvíz szerves anyagtartalma (100%) szennyvíz szerves anyagtartalma (100%) elfolyó víz széntartalma ~ 1% elfolyó víz széntartalma ~ 1-5% - széleskörűen ismert technológia - viszonylag kevéssé ismert - energiaigényes levegőztetni - nagy víztömeget kell melegíteni - iszap elhelyezési probléma (nehézfémek) - kevesebb iszap képződik - iszap rothasztás → biogáz - éghető gáz képződik - iszapéghetőség - toxikus anyagokra érzékeny (hamutartalom: < 60%) - KOI > 2000 mg/dm3 (szerves anyag: > 25%) - nagyobb kapacitású (víztartalom: < 50 %) - 1 kg szerves anyagból ~ 1 m3 biogáz