Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban Fleit Ernő, Somlyódy László, Licskó István és Szabó Anita BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék http://www.vkkt.bme.hu

NAGY SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEK: A MAGYAR CSODA … WASTEWATER 2003 5th International Conference & Exhibition Olomouc, 13-15 May Budapest University of Technology and Economics II. Szennyvízágazati konferencia - 2005 NAGY SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEK: A MAGYAR CSODA … Somlyódy László Fleit Ernő Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, somlyody@vkkt.bme.hu, fleit@vkkt.bme.hu

SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MAGYARORSZÁGON: 2003

SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MAGYARORSZÁGON: 2015

Az előadás célkitűzései A hazai szennyvíz technológia kiemelt problémáinak bemutatása Szennyvíz összetétel és mennyiség változásai Meglévő telepek intenzifikálása Felzárkózás az EU követelményekhez A biológiai és kémiai kezelés fejlődése Esettanulmányok és példák a hazai fejlesztési lehetőségekre Áttörési lehetőségek és kihívások Következtetések

Fejlődéstörténet Könnyen bontható szervesanyagok eltávolítása Eleveniszapos telep nitrifikációval Eleveniszapos telep denitrifikációval Eleveniszapos telep denitrifikációval, biológiai foszforeltávolítással Integrált rendszerek (+ fixfilm, + MBR)

Könnyen bontható szervesanyagok eltávolítása Eleveniszapos medence Utóülepítő Nyers víz Tisztított víz Recirk. iszap Fölös iszap

Anoxikus reaktorterek Eleveniszapos telep elő-denitrifikációval és biológiai foszforeltávolítással Anaerob Anoxikus reaktorterek Utóülepítő Nyers víz Iszap recirkuláció Fölös iszap

Mire következtethetünk a több mint 100 éves történetből? Növekvő komplexitású Sztöchiometriai és kinetikai modellek; Reaktorok és reaktorelrendezések (UCT, UASB, MBR rendszerek, stb.) Integrált (és on-line) folyamatszabályozás Változó (ám egyre kisebb koncentrációkban értelmezett) szennyezők (EDS-EDC) KÖVETKEZTETÉS – bármely technológiai probléma megoldható, legfeljebb csak pénz kérdése ?

Fenntartható a szokásos üzletmenet? – Nem feltétlenül… Pénz és energiakorlátok LCA (életciklus) elemzések következtetései Szennyvíztelepek CO2 és NOX kibocsátásai Versenyfutás az idővel (és a szennyvíz minőséggel + mennyiséggel) Szemléletváltozás szükséges/várható?

Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz H HNH/ NH HNH A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű Kecskeméti szennyvíztisztító telep Névleges terhelés = 48 000 m3/d → jelenlegi terhelés ~ 20 000 m3/d; (ma: 180 ezer LEÉ) Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOI5/kgTSS/d)

Hagyományos problémák hagyományos módon történő jó megoldása Megoldandó problémák csatornahálózat fejlesztés miatt növekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés szigorodó határértékek (P eltávolítás) nitrifikáció javítása (téli időszak) biogáz termelés fokozása távlatosan a környezetterhelési díj minimalizálása

Kémiailag intenzifikált Melyek a problémák? TSS KOI BOI5 NH4-N NO3-N TP Nyers szvíz 480 1100 580 64 n.d. 14,7 Jelenlegi elfolyó 40 95 6,5 4,9 0,9 6,3 Kémiailag intenzifikált 7 63 8 3,2 9 1,1 Határértékek: KOI: 75 mg/L BOI5: 25 mg/L TN: 50 mg/L TP: 10 mg/L (5 mg/L – 2010-től) NH4-N: 10 mg/L TSS: 50 mg/L

Eredmények (1) A kémiai kezeléssel a biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelése jelentősen csökkenthető Nyers szennyvíz KOI : 800-1400 mg/L (200-400 mg/L oldott) BOI: 400-800 mg/L

A jövőbeni összes-foszfor határérték betartása stabilan garantálható Eredmények (2) A jövőbeni összes-foszfor határérték betartása stabilan garantálható

A kémiai kezelés pozitív hatású az iszapvonalra is Eredmények (3) A kémiai kezelés pozitív hatású az iszapvonalra is Nyersiszap termelés [m3/d]: +27% Nyersiszap termelés [kg/d]: +21% Biogáz termelés [m3/d]: +30% Összes energia fogyasztás [kW/d]: -10%

A kémiai kezelés járulékos hatása: javuló iszapszerkezet 05.16. 06.06.

Becsült relatív költségek % Vegyszeradagolás 89 Iszapkezelés 9 Iszap elhelyezés 2 Költség 100 Biogáz termelés 37 Energia fogyasztás csökkenése 19 Bírság 130 Ktd 50% 87 Haszon 273 Nettó haszon 173

A kémiai előkezelés eredményei Majdnem mindegy mit adagolunk (a FeCl2 és a FeSO4 hasonlóan viselkedik) Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, környezetterhelési díj minimalizálható) A képződő nyersiszap mennyisége 20%- kal megnő Jelentős megtakarítások érhetők el (ténylegesen fizetendő bírság/ktd)

A szervesanyag terhelés csökkentése következtében valószínűleg javul a nitrifikáció és kis mértékben romlik a denitrifikáció

A P eltávolítási célú kémiai kezelés erőteljesen befolyásolja a telep N forgalmát is (nitrifikáció és denitrifikáció)

Van-e (elődenitrifikáció) A telep N forgalmát tekintve a kecskeméti példa sem általánosítható: Döntő fontosságú a nyers szennyvízzel érkező szervesanyag terhelés jellemzése (KOI frakcionálás) Van-e (elődenitrifikáció) marad-e (utódenitrifikáció) elegendő C forrás?

A kémiai előkezelés során a KOI eltávolítás hatásfoka a KOI frakciók (oldott/szilárd) arányától függ

Frakcionált szervesanyag eltávolítás Elsősorban a nagyobb méretű szervesanyagok eltávolítása lehetséges Esetenként eltávolítható az oldott frakció (<0,45 m) 5-20 %-a is (nem, vagy nehezen szabályozható) Kis dózis: csak a nagyobb (>8 m) frakció eltávolítása lehetséges Nagyobb dózis: a finomabb KOI frakció is (200 nm-nél nagyobb) eltávolítható

A könnyen bontható (oldott) KOI frakciók jelentős része eltávolítható megfelelő dózisú kémiai kezeléssel

A kémiai kezeléssel kapcsolatos további eredmények (NKFP 2002 projekt) A kémiai előkezeléssel az adott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd arányától függ A kezelést követően megmaradó szervesanyagok részecskeméret eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem) a koaguláns dózistól függ Az előpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednek Előpolimerizált fém-sók: Hatásuk a pH változásra kisebb P kicsapásban kevésbé hatékonyak Szervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobb Kombinált alkalmazásukkal változtatható a kezelt szennyvíz C/P aránya

Egy évszázad tanulságai A klasszikus biológiai és kémiai eljárások integrált alkalmazásával olcsóbb, helykímélőbb és megbízhatóbb szennyvízkezelés valósítható meg A fejlett modellezési (ASM modellcsalád) és műszeres analitikai háttér rendelkezésre áll, ennek ellenére az egyes SZVT-k gondjainak megoldásához eseti labor- és/vagy helyi kísérleteket szükséges folytatni (finom hangolás) A fejlődés nem zárult le újabb technológiák térnyerése újabb problémák megjelenése

Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz H HNH/ NH HNH A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

Anaerob kemolitoautotróf mikroorganizmusok Újonnan felfedezett reakciómechanizmusok anaerob ammónium oxidáció - ANAMMOX Anaerob kemolitoautotróf mikroorganizmusok NH4+ + 1.32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ = 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O

Új szennyezőanyagok Ide Siegrist classification scheme Tokio-i EDS eredmények

Nem hagyományos szennyezőanyagok – lehetséges hagyományos technológiai válasz? Bizonyos szennyezőkre igen Bizonyos szennyezőkre igen, de feltétlenül gazdaságtalan Bizonyos szennyezőkre egyáltalán NEM

Nanotechnológia - nanoszennyező anyagok Design: K. Eric Drexler és Ralph Merkle 1995 Komponensek száma: 7 Atomok száma: 8,292 Szélesség: 5.8 nm Magasság: 5.8 nm Mélység: 5.8 nm

Várható-e az új technológiák betörése a szennyvíz (és víz) kezelésben? „Nanovilág” 2025: „All manufacturing industries can be totally restructured as we learn to build things from the molecular level”

Melyek lehetnek a nanorészecskék szennyvíz technológia szempontjából releváns tulajdonságai? Komponensek száma: 4 (egyetlen kovalens szerkezetben) Atomok száma: 3,846 Szélesség: 3.8 nm Magasság: 3.8 nm Hossz: 6.4 nm (tengelyek nélkül)  Megnövelt relatív felület  Megnövelt kvantum hatások  Változtatható viselkedés (optikai, elektromos, mechanikai, mágneses)  Változó és szabályozható reaktivitás (pl. szorpció)  Nanoszerkezetű katalizátorok, szorbensek és reaktív membránok

A nanoszerkezetek kutatásának céljai (CBEN/Rice University és US EPA) Kárelhárítás/szervesanyag lebontás (TCE, PCB talaj- talajvíz rendszerekben), nehézfémek szelektív eltávolítása Szennyezőanyag eltávolítás nagyon alacsony koncentráció tartományokban Alkalmazás szűrési és fertőtlenítési technológiákban Biofilmek és biológiai hártyák kialakulásának megelőzése és/vagy eltávolítása Egyéb…

Intelligens anyagok és nanoszerkezetek? Intelligens gélek működése

IASON – INTELLIGENS ISZAPPELYHEK NANOTECHNOLÓGIAI KONSTRUKCIÓJA ÉS ALKALMAZÁSA A BIOLÓGIAI SZENNYVÍZTISZTÍTÁSBAN (3/081/2004 NKFP) Mi az amit ma még nem tudunk szabályozni az eleveniszapos szennyvíztisztításban? I – Intelligent A – Artificial S – Sludge O – Operated by N – Nanotechnology

Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz H HNH/ NH HNH A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

Az első lépés(ek) – immobilizáció – tervezett iszappelyhek Immobilizáció egyszerű adszorpcióval Ionos kötésekkel Kovalens kötésekkel Kereszt-kötéssel Mátrixba ágyazással Mikrokapszuláció Kombinált módszerek Heterotróf szennyvízbaktériumok (Dél-Pesti SZVT-ről) PVA-PAs hidrogélen (400x)

PVA-PAA a betelepítés előtt és biomassza növekedés (1 hét alatt)

Nitrifikáló baktériumok, Technológiai funkciókra szelektált bakteriumok irányított szaporítása a hidrogéleken Nitrifikáló baktériumok, 100x FCsM Rt. Dél-Pesti SZVT

A nitrifikáció hatásfokának alakulása PVA-PAA géleken rögzített biomasszával (különböző beépített porozitás modulánsok - keményítő - alkalmazásával) nap

IASON- Távlati nanotechnológiai tervezési célok Mikroszkópos méretű reaktorok létrehozása (szabályozott gradiensek) Szubsztrát Oxigén Aerob réteg Anaerob/anoxikus réteg Végtermék Szilárd hordozóanyag (hidrogél)

Nem hagyományos szennyezőanyagok irányított lebontása

Következtetések és kitekintés A hagyományos technológiák alkalmasak és egyre költséghatékonyabbak a hagyományos szennyezőanyagok kezelésére A szennyvíz összetétele gyorsabban változik, mint a telepek/technológiák „átfutási” ideje/élettartama – ezért voltak és lehetnek meglepetés forgatókönyvek, későn felismert tanulságok A műszaki tudományok (pl. nano-, biotechnológia) gyors fejlődésben vannak: Ezt ki kell és lehet használni a szennyvíztechnológiai fejlesztésekben Környezeti hatásait azonban nem, vagy alig ismerjük

Következtetések és kitekintés Valószínű, hogy egyes szennyezőanyagok esetén szükséges lesz további NH megoldások keresése is (pl. szennyvíz összetétel tervezés és szabályozás) Ez azonban elsősorban nem technológiai, hanem oktatási, kulturális és nem utoljára hatósági/jogi kérdés