A szennyvíztisztítás biokinetikai problémái a gyakorlatban. Kárpáti Árpád1 - Hajós Gábor2 1-Pannon Egyetem, Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék 2-Dunaújvárosi Főiskola, Természettudományi és Környezetvédelmi Tanszék
Bevezetés A lakossági szennyvíz fajlagos mennyisége és szennyezettsége A szennyvíz biológiai tisztítási folyamatai Biológiai átalakítás Mikroorganizmus fajok Az átalakítási folyamatok kinetikája Michaelis-Menten féle kinetika Haldene-kinetika A nitrifikáció különleges környezet-érzékenysége Összefoglalás
Bevezetés Az eleveniszapos szennyvíztisztítás aerob biológiai átalakítás. A mindenkori oxigénkoncentráció meghatározója. Rajta kívül azonban maga a tápanyag is meghatározó (esetlegesen rosszul bomló, toxikus anyagok is) az átalakítási folyamatok sebességére. Ez utóbbi a mikroorganizmusok szaporodási sebességével jellemezhető.
A lakossági szennyvíz fajlagos mennyisége és szennyezettsége Településeink szennyvizei részben a lakossági, részben az ipari jellegű vízfelhasználásból keletkeznek. A lakossági szennyvíz összetételét a LEÉ behatárolja. Ipari szennyvizekét a mindenkori gyártási szerkezet. A lebegőanyagok, többletfoszfor és a nem kívánatos szennyezők eltávolításában a vegyszeres kicsapásának és egyéb módszereknek is komoly szerep jut (kicsapatás, desztilláció, adszorpció, oxidáció, redukció, stb).
A szennyvíz biológiai tisztítási folyamatai (1 és 2 ábra) Szerves anyag biol. átalakítása a leggyorsabb folyamat (heterotrofok végzik). Redukált nitrogén oxidációja 1 nagyságrenddel lassúbb (autotrofok végzik). Nitrát redukció sebessége segédtápanyag függő (heterotrofok nagyobb része képes rá).
Biológiai átalakítás Mikroorganizmus fajok Szerves anyag beépítés és oxodáció I BOI5 + O2 (MOH ) MOH + CO2 + H2O az átalakításokat végző MO-k (heterotrofok-H-) Többletnitrogén eltávolítás II/a NH4++O2 +CO2 (MOA ) MOA + NOx + 2 H+az átalakításokat végző MO-k (autotrofok-A-) II/b NOx + BOI5 + H+ (MOH ) MOH + N2 + CO2 az átalakításokat végző Többletfoszfor eltávolítás III/a PO43- + O2 (MOPAH (MOPAHP ) + CO2 többletfoszfor akkumuláló heterotrof (-PAH-) III/b acetát (MOPAHP ) (MOPAH ) + PO43- 1 ábra Az eleveniszapos szennyvíztisztítás szerves anyag és növényi tápanyag (többlet nitrogén és foszfor) eltávolítási folyamatai és az átalakításokért felelős mikroorganizmus csoportjai.
Biológiai átalakítás Fázis szeparáció MO-k elválasztása a vizes fázisból, recirkuláltatása
Az átalakítási folyamatok kinetikája Az ábrán bemutatott valamennyi folyamatra általánosan a Michaelis-Menten féle kinetikát alkalmazzák (3 ábra) S μ = μmax --------------- (1) Ks +S μmax (autotrof) = μmax (heterotrof) / 10 a keletkező mikroorganizmus tömeg is többszörös a heterotrofoknál. Si μ = μmax x ---------------- x f (T) x f (pH) x f (toxicitás) (2) Ksi +Si Minden tényező hatására a nitrifikálók a legérzékenyebbek. Nekik az oxidációból sokkal kisebb az energianyereségük.
3. ábra: A fajlagos szaporodási sebesség [] és a rendelkezésre álló tápanyag koncentrációja közötti összefüggés
Környezeti tényezők hatása a nitrifikációra Oka, hogy az utóbbiaknak sokkal kisebb az energianyeresége az oxidációból (Hanaki et al, 1980) Oldott oxigén a nitrifikálóknál kritikus (> 2 mgDO/l kell), Ammónium nem limitáló, A pH azonban az ammónium és nitrit kapcsán kritikus. (Disszociálatlan formáik toxicitást eredményeznek) Hasonló toxicitást okoz sok szervetlen és szerves anyag. S μ = μmax ----------------------- (3) Ks + S + (S2/Ki)
4. ábra: A toxikus anyagok koncentrációjának hatása a fajlagos szaporodási sebességre.
A nitrifikáció különleges környezet-érzékenysége Az ammónium féltelítési állandója (KNH) 1 mg/l körüli. Az oxigéné is hasonló, így 2 mg/l DO körül a nitrifikáció jó ha az iszappelyhekbe is jut elég oxigén, ha iszap szerves anyag terhelése nem túlzott, a teljes levegőztetett tér homogén DO eloszlású, más terekben sem rothad be az iszap, nem savanyodik le mértéktelenül a rendszer, megfelelő a hőmérséklet, megfelelő az iszapkor (autotrofok részaránya).
Hőmérséklet és iszapkor függés μmax = 0,47 e0,098 (T-15) Minden 7 oC hőmérséklet növekedés a nitrifikációs sebesség megduplázódását eredményezi. A nitrifikáció ugyanakkor 40-41 oC körül leáll. A szükséges iszapkor - Rich (1980) -: Θ = 3,5 x e1,127(20-T)
5. ábra A nitrifikációra kedvező pH tartomány (Anthoisen, 1976)
Toxicitás nitrifikációra Nehézfém ionoknak, cianátoknak, fenoloknak, policiklikus aromás vegyületeknek, hasonló kén és nitrogéntartalmú vegyületeknek.
Összefoglalás I Eleveniszapos szennyvíztisztításnál a nitrifikáció különlegesen érzékeny a környezeti hatásokra. Közülük a hőmérséklet rendszerint adott, hatását megfelelő tervezéssel, méretezéssel kell ellensúlyozni. Az oxidációnál keletkező savat esetleg semlegesíteni kell. Megfelelő oxidációs sebességhez kellő oxigénellátottságot (oxigénkoncentráció) és az autotróf biomassza a kellő arányát (iszapkor) kell biztosítani
Összefoglalás II A toxikus hatásokat sokkal nehezebb kivédeni a tisztításnál. A tisztítás több lépcsőben történő kialakítása célszerű lehet. A második iszapkörben már kisebb a lökésszerű lemérgezések, nagyobb a kellő környezet biztosításának, a kialakuló nitrifikáló iszap adaptációjának lehetősége.