Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban Fleit Ernő, Somlyódy László, Licskó István és Szabó Anita BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék 1113, Budapest Műegyetem rakpart 3.

Az előadás céljai A szennyvíztechnológia fejlődéstörténete A technika történet tanulságai Esettanulmányok és példák a hazai fejlesztési lehetőségekre

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

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???

Problémák – probléma megoldási lehetőségek HagyományosHagyományosan nem hagyományos Nem hagyományos Technológiák

Egy hazai példa a kémiai előkezelés fortélyaira Cél, illetve megoldandó problémákCél, illetve megoldandó problémák –csatornahálózat fejlesztése miatt megnövekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés kezelése –konzervgyári szennyvíz esetleges újbóli kezelése –szigorúbb határértékek betartása (P eltávolítás) –nitrifikáció javítása (téli időszak) –biogáz termelés fokozása

Kecskeméti Szennyvíztisztító Telep Hazai példa a kémiai előkezelés alkalmazására Kecskeméti Szennyvíztisztító Telep Jelenlegi terhelés ~ m 3 /d; 180 ezer LEÉ Határértékek: KOI: 75 mg/L BOI 5 : 25 mg/L TN: 50 mg/L TP: 10 mg/L (5 mg/L – 2010-től) NH 4 -N: 10 mg/L TSS: 50 mg/L

Kémiai előkezelés üzemi kísérlet: május-június vas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba oldat formájában propeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredést O2O2 D3 A2 C2 Fe(III) C1 C3 C4 D4 D1 A3 A4 O2O2 O2O2 O2O2

Specialitások egyben általánosítható jellemzők Hidraulikai alulterheltség (19 e m 3 /d a 48 e m3/d helyett)Hidraulikai alulterheltség (19 e m 3 /d a 48 e m3/d helyett) Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOI 5 /kgTSS/d)Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOI 5 /kgTSS/d) Élelmiszeripari, vágóhídi szennyvízÉlelmiszeripari, vágóhídi szennyvíz Magas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízbenMagas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízben A nyers szennyvíz szervesanyag tartalmának nagyobb része (60- 80%) a szilárd KOI frakcióban vanA nyers szennyvíz szervesanyag tartalmának nagyobb része (60- 80%) a szilárd KOI frakcióban van Előülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magasElőülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magas Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak  20% határérték túllépés)Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak  20% határérték túllépés) Meglepően hatékony szimultán denitrifikációMeglepően hatékony szimultán denitrifikáció Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés)Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés)

A kémiai kezelés eredményessége TSSKOI BOI 5 NH 4 -N NO 3 -N TP Nyers n.d.14,7 Csak biológia 40956,54,90,96,3 + Kémiailag kezelt 76383,291,1

A foszfor határérték betartása stabilan garantálható

Biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelése csökkenthető Nyers szennyvíz KOI : mg/L ( mg/L oldott) BOI: mg/L

A szervesanyag terhelés csökkentése következtében 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)

Nyersiszap termelés [m 3 /d]: +27% Nyersiszap termelés [kg/d]: +21% Biogáz termelés [m 3 /d]: +30% Összes energia fogyasztás [kW/d]: -10% A kémiai kezelés előre jelzett hatásai az iszapvonalon

A kémiai kezelés járulékos hatása: javuló iszapszerkezet

Relatív becsült költségek % Vegyszeradagolás89 Iszapkezelés9 Iszap elhelyezés 2 Összes költség 100 Biogáz termelés 37 Energia fogyasztás csökkenése 19 Bírság130 Ktd 50% 87 Összes megtakarítás 273 Egyenleg (megtakarítás) 173

Főbb eredmények: Vas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedikVas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedik Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére csökkent (KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt)Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére csökkent (KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt) Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt)Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt) Denitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy határérték problémát nem okoz) – oldott KOI eltávolításDenitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy határérték problémát nem okoz) – oldott KOI eltávolítás Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, környezetterhelési díj minimalizálható)Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, környezetterhelési díj minimalizálható) Biogáz termelés 30%-kal megnőttBiogáz termelés 30%-kal megnőtt Telep energia fogyasztása 10%-kal csökkentTelep energia fogyasztása 10%-kal csökkent Keletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőttKeletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőtt Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd)Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd)

NKFP eredmények: Adott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd arányától függAdott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd arányától függ Koaguláns dózistól függ a maradék szervesanyagok részecskeméret eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem)Koaguláns dózistól függ a maradék szervesanyagok részecskeméret eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem) Előpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednekElőpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednek Előpolimerizált fém-sók:Előpolimerizált fém-sók: pH változtató hatásuk kisebbpH változtató hatásuk kisebb P kicsapásban kevésé hatékonyakP kicsapásban kevésé hatékonyak Szervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobbSzervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobb  kombinációjukkal változtatható a kezelt szennyvíz C/P aránya

KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ

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

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

Problémák – probléma megoldási lehetőségek HagyományosHagyományosan nem hagyományos Nem hagyományos Technológiák

Újonnan felfedezett reakciómechanizmusok anaerob ammónium oxidáció - ANAMMOX Anaerob kemolitoautotróf mikroorganizmusok

Új reaktor típusok és technológiák

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 Komponensek száma: 4 (egyetlen kovalens szerkezetben) Atomok száma: 3,846 Szélesség: 3.8 nm Magasság: 3.8 nm Hossz: 6.4 nm (tengelyek nélkül)

Problémák – probléma megoldási lehetőségek HagyományosHagyományosan nem hagyományos Nem hagyományos Technológiák

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

Mit tudnak a nanoszerkezetek? Időmérés – időzíthetőség a nanoszerkezet képes érzékelni az időt vagy időzíthető reakciói vannak. Kommunikáció – adatok továbbítása vagy fogadása. Komputáció – számítógépes rendszer részeként működhet. Energia – energia konverziós képesség, ill. energia előállítása. Motilitás – mozgásképesség különböző környezetekben. Érzékelés – a nanoszerkezet képes a környezeti hatásokat regisztrálni, és azokra válaszolni. Mozgatás – a nanoszerkezet tárgyakat képes mozgatni. Biztonság – a nanoszerkezetekkel kapcsolatos megfontolás, különös tekintettel a replikációra, környezeti hatásokra és biológiai kockázatokra.

A nanoszerkezetek kutatásának céljai (CBEN/Rice University and US EPA)  Kárelhárítás/szervesanyag lebontás (TCE, PCB talaj- takavíz 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….

3. How Will Nanotechnology Change Water Technology?  But, remember, nanoparticles are already used for cosmetics! While we want to improve our technologies, do not we produce new EDSs? ”Every solution breeds new problems”  Health, safety and environmental impacts? Good sign: precaution already addressed by the scientific community A breakthrough? The future likely will be based on "nanoreactor" solutions. IWA members play a leading role.

Intelligens anyagok és nanoszerkezetek?

Problémák – probléma megoldási lehetőségek HagyományosHagyományosan nem hagyományos Nem hagyományos Technológiák

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?

Gél-mikrogömbök előállítása interpenetráló térhálóval (kiragadott példa) polimer alginát váz Interpenetráló térhálók Pórusos szerkezetű gél-mikrogömbök interpenetráló térhálókban

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

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

Egyes technológiai funkciókra szelektált bakteriális konzorciumok irányított szaporítása a gélek felszínén és belsejében Nitrifikáló baktériumok, 100x

A nitrifikációs hatásfok kialakulása PVA-PAS géleken rögzített biomasszával

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 – ezért voltak és lehetnek meglepetés forgatókönyvek, későn felismert tanulságok A műszaki tudományok (pl. nano-, biotechnológia) nagyon gyors fejlődésben van: –Ezt ki kell és lehet használni a szennyvíztechnológiai fejlesztésekben –Környezeti hatásait azonban nem, vagy alig ismerjük