Kommunális technológiák I. 4. előadás PTE PMMK Környezetmérnöki Szak Kommunális technológiák I. 4. előadás Biológiai szennyvízkezelés alapfogalmai, eleveniszapos szennyvíztisztítás Dittrich Ernő egyetemi adjunktus PTE-PMMK Környezetmérnöki Tanszék Pécs, Boszorkány u. 2. B ép. 039. dittrich@witch.pmmf.hu 1 1

A biológia szennyvíztisztítás I. Cél: a szennyvízben található finom lebegő, kolloidális illetve oldatban lévő (biológiai úton lebontható, vagy hasznosítható) anyagok eltávolítása a mikroorganizmusok irányított tevékenysége (fermentáció) által. Alapelv: A biológiai reaktor és a fázisszétválasztó egység szerves egységet alkot. Az egyikben történik az anyagok átalakítása, míg a másikban a fázisszétválasztás a mikroorganizmusok által lebontott anyagok (reakciótermékek): gáz halmazállapotúak és kidiffundálnak a víztérből (pl. CO2, CH4, H2S, NH3, N2) teljesen mineralizálódott anyag (pl. H2O, HCO3-) baktérium szaporulat, amely fizikai eljárásokkal már leválasztható Biológiai reaktor (fermentor) Fázisszétválasztás

Biológiai reaktorok alaptípusai Csőreaktor Keverős tartályreaktor Töltött torony Aerob fermentor sejt visszatáplálással

Reakció-kinetikai alapfogalmak I. Szubsztrát: olyan anyagok összessége melyek biokémiai lebontását enzimek katalizálják Elsőrendű lebontási reakció esetén a szubsztrát lebontás alapegyenlete szakaszos táplálású reaktor esetén: S0: a kezdeti szubsztrát koncentráció St: a t időpillanatban mért szubsztr.-konc. k: reakció állandó

Reakció-kinetikai alapfogalmak II. Folyamatos táplálású reaktor esetén a lebontási sebesség: Th: térfogati hidraulikai terhelés [1/nap] Se: elfolyó szubsztrát koncentráció Szakaszos és folyamatos reaktorok esetén is jellemző paraméter az egységnyi baktérium koncentrációra (Xb)vonatkoztatott fajlagos lebontási sebesség:

A tápanyag-koncentráció hatása a lebontási folyamatra nézve A tápanyagok minnél bőségesebben állnak rendelkezésre, annál intenzívebb a mikroorganizmusok szaporádsa, és így annál nagyobb a tápanyaglebontás fajlagos sebessége (vs). Ez azonban csak egy felső határig van így (inhibitor koncentráció). Monod-szerint: Km: féltelítési állandó (molekula ill. részecskeméret függő különdbözóő anyagok esetében

Hidraulikai tartózkodási idő I. Definíció: A hidraulikai tartózkodási idő (t)a vízrészecskék reaktorbeli tartózkodási idejének eloszlásfüggvényéből számított számtani középérték. Szakaszos reaktoroknál a ciklusidővel egyenlő.

Hidraulikai tartózkodási idő II. A hidraulikai tartózkodási idő meghatározása: zt: a nyomjelző anyag relatív koncentrációja t időpillanatban M: bejuttatott nyomjelző anyag tömege ct: mért pillanatnyi nyomjelző anyag koncentráció a kifolyási szelvényben Cháttér: a nyomjelző anyag háttér koncentrációja tmért: a koncentráció impulzusra adott válaszfüggvény alatti terület függőleges kiegyenlítő vonala

Hidraulikai hatásfok Csőreaktor esetén: ηh=1 A valóságban tökéletesen elkevert reaktor nem létezik → beavatkozási módok: Nagyobb térfogat alkalmazása Keverési hatékonyság fokozása Terelőfalak Hidraulikus reaktor formák Stb…

A hidraulikai hatásfok és a szubsztrát lebontás mértékének kapcsolata

Mikroorganizmusok szennyvíztisztítás szempontú csoportosítása Baktériumok légzési mód szerinti csoportosítása: Obligát aerob baktériumok Fakultatív aerob baktériumok Anaerob bakériumok Baktériumok táplálék szerinti csoportosítása: Autotróf mikroorganizmusok Kemoautotrófok (pl. nitrifikálók) Fotoszintetizáló autotrófok Heterotróf mikroorganizmusok (szerveanyag lebontók)

Sejtanyag szintézis Heterotrófok: Autotrófok: Szerves anyagok + Tápanyagok + Mikroorganizmus + Oxigén →Új mikroorganizmus + CO2 + H2O NH4-N+CO2 +HCO3-+Mikroorganizmus + Oxyigén →Új mikroorganizmus + CO2 + H2O+H++NO3-

Szerves anyag mikrobiológiai lebontásának folyamata Szubsztrátum anyagcsere termékek: a sejtek saját sejtanyagának képződése közben (szaporodás) a víztérbe diffundálódó szerves termékek Endogén anyagcsere: a sejt rendezett szerkezetének fenntartást célzó anyagcsere. Külső tápanyag hiányában ekkor a sejt saját tartalék tápanyagait használja fel. Endogén anyagcser termékek: az endogén anyagcsere során a víztérbe diffundálódó szerves termékek ATP (adenozin-trifoszfát): a sejtek a lebontás során nyert kémiai energiát energiadús szerves foszfátokban, leggyakrabban ATP-ben tárolják Hozam-konstans: egységnyi tápanyaglebontás után képződött biomassza tömeg

Biológiai lebontást befolyásoló további tényezők Hőmérsékletfüggés (nitrifikáció hőmérsékletfüggése jelentős, szerves anyag lebontásé kevésbé) pH hatása (ideális a semleges közeli pH tartomány: 6,5-8) Tápanyagigény (a mikroorganizmusok szaporodásához szükség van ásványi tápanyagokra (P,N) és nyomelemekre (réz, vas, kobalt, molibdén, stb..)) Nehézfémek hatása (mérgező hatás) Biológiai bonthatóság (egyáltalán nem bontható, részlegesen bontható és bontható szerves anyagok)

Biológiai reaktorok főbb típusai Szuszpendált bio-reaktorok: Szennyvíztisztító tavak Aerob Anaerob Fakultatív Eleveniszapos reaktorok Oxidációs árkok Stb.. Fixfilmes bio-reaktorok: Csepegtetőtestes reaktorok Merülőtárcsás reaktorok Elárasztott fixfilmes reaktorok (aerob, anaerob, anoxikus) Gyökérzónás műtárgyak Biológiai szűrők Stb.. Vegyes rendszerek: Eleveniszapos reaktorok kontakt elemekkel Szennyvíztisztító wetland-ek Stb..

Fázisszétválasztási lehetőségek Feladat: a reakciótermékek (biomassza) leválasztása Fázisszétválasztási eljárások: Ülepítők Membránszűrők (Mélységi szűrők) (Flotálók) (Centrifugák)

Eleveniszapos szennyvíztisztítás I. – Alap-technológia

Eleveniszapos szennyvíztisztítás II. – Alap-technológia II. Keverés céljai: - Eleveniszap és egyéb lebegő anyagok lebegésben tartása - Az oldott anyagok, a mikroorganizmusok és az oxigén elegyítése a medencében Eleveniszap kiülepítése Air supply Kevert rendszer: szennyvíz + mikroorganizmusok + biodegradálható anyagok + nem biodegradálható anyagok + kolloidok + lebegő anyagok MLSS: A kevert anyagok ülepíthető hányada Xr: fölösiszap

Eltérő tartózkodási idők Szilárd anyagok tartózkodási ideje (iszapkor) Hidraulikus tartózkodási idő θC: iszapkor(d) V: reaktor térfogat (m3) X: iszapkoncentráció a levegőztető medencében (g/L) Qw: fölösiszap hozam (L/d) Xw: fölösiszap koncentráció (g/L) Qe: elfolyó vízhozam Xe: elfolyó lebegő anyag koncentráció t: hidraulikus tartózkodási idő (d) V: reaktor térfogat (m3) Q: szennyvíz hozam (hidraulikai-terhelés) (m3/d)

Szerves bontás méretezése I. Better to use empirical data to estimate Θc Sejt növekedési egyenlet: b: endogén lebomlási ráta a levegőztető térben (1/d) Y: hozam-konstans Se: elfolyó szubsztrát koncentráció Ks: féltelítési állandó μmax: tápanyag lebontás fajlagos sebessége Észlelhető hozam-konstans az eleveniszapban: Teljes biomassza tömeg a levegőztető medencében:

Szerves anyag lebontás méretezése II. MLSS a levegőztető medencében: Zio: szerves inert lebegő anyagok Zno: szervetlen lebegő anyagok Fölös iszap mennyisége: Recirkulációs ráta:

Oxigén igény számítása. Szerves bontás oxigén igénye: B: biomassza oxigén egyenértéke (~1,42kgO2/kg szerves lebegő anyag) Nitrifikáció oxigén igénye: N: elfolyó redukált nitrogén mennyiség (KjN) N0: befolyó redukált nitrogén mennyiség (KjN) Teljes oxigén igény:

Tervezés során meghatározandó fő paraméterek Reaktor térfogat (V) Fölösiszap hozam(Px) Oxigén igény (R) – oxigén beviteli kapacitás Recirkulációs arány (R) Utóülepítő mérete

Iszapkor hatása az eleveniszap ülepedő képességére Ülepítési hatásfok Endogén lebomlás az utóülepítőben – oxigén koncentráció

Néhány tervezési paraméter Iszapkor: Meleg klímájú országokban: 1 < Θc < 5 nap Nálunk: 3 < Θc < 18 days Nálunk nitrifikációval: 6-8 nap < Θc 2000 < MLSS < 5000 mg/l (ha utóülepítés van) Recirkulációs arány: 20 – 200 % Minimum és átlagos oldott oxigén koncentráció: Minimum értékek: Normál terhelés: 0,5 mg/l Csúcs terhelés: 2 mg/l Átlagos érték: 2,0 mg/l

SVI-MLSS SVI = Iszap térfogati index, mL/g SV = 1 literes mérőedényben 30 perc ülepedés után az ülepített hányad térfogata, mL/L

Iszap termelődés és iszapkor közötti kapcsolat Előülepítővel Előülepítő nélkül

Eleveniszapos szennyvíztisztítás III. - Nitrifikáció Nitrifikáció a levegőztető medencében Minnél kisebb a BOI5/kjedahlN arány annál több nitrifkiáló tud elszaporodni a rendszerben (minden más tényező megfelelősége esetén) → Nitrifikációt csak alacsony szervesanyag terheklésű rendszertől várhatunk el. A nitrifikáció oxigénigénye: 1 kg NH4-N nitrifikációjához 4,6 kg O2 szükséges 1 kg Kjedahl-N oxidálásához közelítőleg 2,66 kgO2 szükséges → jelentős a többletoxigén mennyisége A nitrifikációt végző autotróf baktériumok szaporodó képessége jóval lassabb a szerves-anyag lebontó heterotrófokénál → iszapkort ehhez kell igazítani (min. 6 nap) A nitrifkikáció során H+-ion képződik, mely savasodáshoz vezethet. 1 kg NH4+ nitrfikiálásából keletkező savmennyiség 7,14 CaO-val semlegesíthető! Nitrifikáció erősen hőmérsékletfüggő (m: nitrifikáló baktérium tömeg arány) 1 gramm NH4+ nitrfikiálásából átlagosan 0,17 gramm új sejttömeg keletkezik.

Eleveniszapos szennyvíztisztítás II. – Terhelési változatok

Eleveniszapos szennyvíztisztítás IV. – Anoxikus szelektor Anoxikus szelektor feladata: denitrifikáció + részleges szerves anyag eltávolítás Működése: a nitrát-nitrogén denitrifikációja során felszabaduló oxigént használják fel légzésre a fakultatív aerob baktériumok a szerves anyag lebontás során

Eleveniszapos szennyvíztisztítás V. – Anaerob szelektor Anaerob szelektor feladata: Hosszú szénláncú szerves vegyületek tördelése → aerob környezetben könnyebben bonthatóvá válik Biológiai foszforeltávolítás Foszfor előfordulási formái szennyvízben: Orto-foszfát Szervetlen poli-foszfát Szerves kötésű foszfát Anaerob környezetben a poli-foszfátok a sejtek energiaforrásául szolgálnak Az anerob szelektorban foszfát felszabadulás jön létre, majd ezt követően a levegőztető medencében foszfát felvétel → foszforban gazdag eleveniszap kerül eltávolításra a fölösiszap hozamban

Eleveniszapos szennyvíztisztítás VI. – Aerob szelektor Aerob szelektor céljai: A széles Cbe-Cki szerves-anyag spektrum szűkítése → baktérium specifikáció Fonalasodás féken tartása Több lépcsős eljárásoknál a tisztítási hatékonyság fokozása Nitrifikáció feltételeinek biztosítása a következő aerob reaktor térben

Eleveniszapos szennyvíztisztítás VII. – Néhány kombinált eljárás

Eleveniszapos szennyvíztisztítás VIII Eleveniszapos szennyvíztisztítás VIII. – Fázisszétválasztás membráneljárással

Eleveniszapos szennyvíztisztítás IX. – Oroszlányi szennyvíztisztító

Felhasznált irodalom Benedek Pál, Valló Sándor: Víztisztítás- szennyvíztisztítás zsebkönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1990. Benedek Pál: Biotechnológia a környezetvédelemben. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1990. Öllős Géza: Szennyvíztisztítás I. BME-Mérnöktovábbképző Intézet, Budapest, 1992. R.J. Servour and L.L.Blackall: The Microbiology of Activated Sludge. Kluwer Academic Publisher, London, 1999. Serény József: VÍZMINŐSÉGJAVÍTÁS ÉS KAPACITÁSBŐVÍTÉS ZENON MEMBRÁN-BIO-REAKTOROS SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TECHNOLÓGIÁVAL. MHT Vándorgyűlés, 2006. http://www.hidrologia.hu/vandorgyules/24/2szekcio/242208.doc

Köszönöm a figyelmet!