Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

17. fejezet - A nitrogén és foszfor eltávolítás biológiai eljárásai

17. fejezet - A nitrogén és foszfor eltávolítás biológiai eljárásai

Bevezetés

A hagyományos technológiákkal (mechanikai előtisztítással és biológiai eljárásokkal) tisztított szennyvíz minősége a környezetre általában kedvezőtlen hatású, mivel a szerves anyag biológiai lebontásának a végtermékei a vizekbe kerülve eutrofirációt okoznak.

A harmadik tisztítási fokozat célja a mechanikai és biológiai tisztítás után a tisztított szennyvízben maradó tápanyagok eltávolítása. Ezek a tápanyagok a biológiai lebontás végtermékei, elsősorban nitrogén- és foszforvegyületek.

Utótisztításnak is nevezzük a harmadik tisztítási fokozatot. A harmadik tisztítási fokozatban a nitrogén és foszfor eltávolítás történhet biológiai vagy kémiai eljárásokkal.

Kémiai nitrogéneltávolítás

A nitrogén, pontosabban az ammónium eltávolítására háromféle kémiai lehetőség is adódna. Sajnos ezek fajlagos költsége sokkal nagyobb, mint a biológiai módszeré, ezért a gyakorlatban egyik sem terjedt el.

  1. A legegyszerűbb lenne az ammónium MgNH4PO4 formában történő kicsapatása. Ez 8 körüli pH-nál jó hatásfokkal lehetséges, azonban a hozzá szükséges magnézium ára ezt mégsem teszi gazdaságossá. A MAP (magnézium-ammónium-foszfát), vagy ásványi nevén struvit, a mezőgazdaságban műtrágyaként is felhasználható lehetne, mégsem lehet a folyamatot versenyképessé tenni.

  2. Más megoldás lehetne az ammónium ioncserével történő kivonása a szennyvízből. Sajnos az ioncsere az a művelet, amely a kívánt komponenssel történt telítés után annak leszorítását, az ioncserélő regenerálását is igényli. Ekkor viszont nem kívánt szennyezőanyag kerül a mosóvízbe. Ezen túl az is gondot jelent, hogy az ioncserélő a biológiailag tisztított szennyvíz lebegő és oldott szerves szennyezőire is érzékeny, azok mechanikailag is eltömíthetik, sőt kémiailag is elszennyezhetik (adszorpció). Ezért az ioncsere is csupán kutatások tárgya a megoldás tekintetében.

  3. Gyakorlatban is kipróbált megoldás ugyanakkor a víz lúgosítását (pH mintegy 10) követő ammónia sztrippelés, kifúvatás. Ennek is csak koncentrált, meleg ammónium oldatok esetében van azonban csak realitása.

Egyéb: a desztilláció olyan drága, hogy az ammónia savas megkötésével, s ezzel ammónium-szulfát műtrágya előállításával kombináltan sem válik rentábilissá.

A jelenlegi szennyvíztisztítási ismeretek alapján egyértelműen kijelenthetjük, hogy kommunális szennyvíz esetében az ammónia és származékainak vegyszeres eltávolítása üzemi méretekben gazdaságosan nem megoldott. A kérdéssel foglalkozó szakemberek teljes mértékben egyetértenek ma abban, hogy a szennyvízben lévő ammónium eltávolítását egy biológiai nitrifikációval kell kezdeni és a keletkező nitrát kivonására a denitrifikálás biológiai folyamatát kell alkalmazni

Biológiai nitrogéneltávolítás

Nitrogéneltávolítás általában a nagyobb vízminőség igényű befogadók esetében követelmény, mivel a legtöbb befogadó esetében a foszfor az eutrofizációt korlátozó tényező.

A nitrogéntartalmú vegyületek esetén a következő káros hatásokkal számolhatunk.

  • Ammónia toxikus a halakra,

  • Ammónia toxikus a halakra,

  • káros közegészségügyi-hatás (elsősorban nitráttartalmú ivóvizek esetében),

  • szennyvíz-újrahasznosítási lehetőségeinek csökkenése.

Az egyes szennyvíztisztítási technológiákban végbemenő nitrogén eltávolítás hatásfokát mutatja be a 108. ábra.

108. ábra. A nitrogéneltávolítás hatékonysága a kezelés függvényében

A nitrogénvegyületek a települési szennyvízben, illetve a tisztított szennyvízben különböző formában találhatók. Lehet:

  • szerves nitrogén,

  • ammónia nitrogén, ami két formában fordul elő: szabad ammónia (NH3) formában, amely gáz halmazállapotú és különösebb tisztítási problémát nem jelent,

  • ammónium-ion formában,

  • nitrit-ion,

  • nitrát-ion.

Az utóülepítőből elfolyó szennyvíz nitrogén tartalmának csökkentése nitrifikáló és denitrifikáló folyamatok beépítésével történik, ahol a végtermék valamilyen nitrogén gáz, ami a szennyvízből kidiffundál. Az üzemeltetés során gondoskodni kell a szénforrás biztosításáról a nitrát nitrogéngázzá és oxigénné alakításához, de a túl sok C forrás a BOI5, KOI szint növekedéséhez vezethet. A szabad oxigén az anaerob folyamatok hatásfokát rontja, így a szennyvíztérbe jutását meg kell akadályozni. Az ideális C:N arány települési szennyvizek estében 12:1, de a gyakorlatban lényegesen ez alatt van. A felesleges nitrogén rész a befogadóba kerülhet.

A nitrogéneltávolítási eljárások közül a nitrifikáció-denitrifikáció-eljárás tekinthető talán a legkedvezőbbnek, a következő okok miatt:

  • nagy a potenciális eltávolító hatékonysága,

  • nagy a folyamat stabilitása és megbízhatósága,

  • a folyamat könnyen szabályozható,

  • a berendezések térfogatigénye kicsi,

  • a költségek mérsékeltek.

A nitrogén eltávolítása ezzel az eljárással egy vagy két képcsőben valósítható meg, a szennyvíz minőségi sajátosságaitól függően. Ha szennyvíz a nitrogént ammónia formájában tartalmazza, két tisztítási lépcső szükséges. Az első lépcsőben aerob úton nitráttá, alakítandó (nitrifikáció). A második lépcsőben a nitrát-nitrogén gázzá alakítandó (denitrifikáció). Ha a szennyvíz a nitrogént már nitrát formában tartalmazza, csak a denitrifikációs lépés a szükséges.

A nitrogén eltávolítása ezzel az eljárással egy vagy két képcsőben valósítható meg, a szennyvíz minőségi sajátosságaitól függően. Ha szennyvíz a nitrogént ammónia formájában tartalmazza, két tisztítási lépcső szükséges. Az első lépcsőben aerob úton nitráttá, alakítandó (nitrifikáció). A második lépcsőben a nitrát-nitrogén gázzá alakítandó (denitrifikáció). Ha a szennyvíz a nitrogént már nitrát formában tartalmazza, csak a denitrifikációs lépés a szükséges.

A nitrát vegyületek redukciója a denitrifikáció. Az elődenitrifikációval 50-60%, az utó-denitrifikációval pedig 70-85%-os hatásfokot lehet elérni (nitrátra vonatkoztatva). A denitrifikáció anoxikus környezetben játszódik le, amit az oldott oxigén hiánya és az NO3-/NO2- jelenléte jellemez. A denitrifikáló baktériumok, mint elektron akceptorok, pseudomonas és a micrococcus baktériumtörzsek segítségével az oldott oxigén helyett a nitrátok oxigénjét használják fel. A denitrifikációt ún. fakultatív anaerob mikroorganizmusok végzik, melyek ezimatikusan oxigén távollétében a nitrátot nitrogén gázzá redukálják. Oxigén jelenléte a denitrifikációt részben metabolikusan részben kinetikailag gátolja.

A denitrifikációra kétféle baktérium populáció képes

A heterotróf baktériumok a denitrifikáció során számukra értékesíthető szénvegyületeket igényelnek. Ezek mennyisége az ivóvízben nem elegendő - a szennyvizeknél is előfordulhat, ha az előülepítés nagyon hatékony -, ezért könnyen oxidálható szerves szénforrás (mint pl. metanol, etanol, glükóz, ecetsav, nátrium-acetát, metán, földgáz stb.) adagolása szükséges. Mivel a hidrolízis sebessége az anoxikus zónában csökken, a denitrifikációhoz (elődenitrifikáció) fontos a könnyen hasznosítható szerves tápanyag jelenléte az érkező szennyvízben. A denitrifikáció tápanyag-igényének a biztosítására azonban szilárd formájú szerves tápanyagokat is fel lehet használni szénforrásként. Ezeknél azok hidrolízisének a sebessége határozza meg a denitrifikáció sebességét. A baktériumok szaporodásához a sztöchiometrikus mennyiséghez képest kb. 30%-os szénforrás felesleget valamint foszfátot is biztosítani kell.

A denitrifikációra képes heterotrófok (az összes heterotrófok mintegy 60-70%-a) kevésbé érzékeny a hőmérséklet hatására, mint a nitrifikálók. Ezzel együtt a denitrifikáció sebessége jobban csökken a hőmérséklettel, mint a szerves anyag oxidációjáé.

Anoxikus körülményekről akkor beszélünk, ha nincs oldott oxigén, de van nitrit, nitrát, ahonnan a denitrifikáló baktériumok az oxigénszükségletüket biztosítani tudják.

A denitrifikáció a fentiekben leírtak miatt csak anoxikus körülmények között mehet végbe.

Ha a víz oldott oxigént tartalmaz, akkor az adalékanyag az oxigénnel reakcióba lép.

Pl. metanol esetén:

Az autotróf baktériumok a szaporodásukhoz szükséges szénvegyület-igényüket a vízben lévő szervetlen vegyületekből fedezik (hidrogén-karbonát-ion, oldott szén-dioxid stb.). A denitrifikációhoz azonban hidrogén, kén vagy kéntartalmú redukálószereket használnak fel.

A baktériumok energiájukat a hidrogén oxidálásából fedezik, erre az oxidációra a vízben oldott oxigén is képes:

Ezen reakcióegyenletek alapján a minimális hidrogén igény sztöchiometriailag számítható:

                                             [H2] = 0,081[NO3-] + 0,066[NO2-] + 0,126[O2],

a koncentráció értékek mg/dm3-ben értendők.

A 90%-os denitrifikációs hatékonyság eléréséhez az alábbi feltételeket kell fenntartani?

  • nagy hatásfokú nitrifikáció,

  • magas iszapkor (nagy tartózkodási idő),

  • magas iszapkor (nagy tartózkodási idő),

  • nagy legyen a BOI/KOI arány, mert ekkor sok a szén, aminek az oxidációjához használják a nitrátból elvont oxigént a denitrifikálók. Ha nincs elég szén a szennyeződésben, ezt pótolni kell (pl. metanol vagy hidrolizált nyersiszap adagolással), mert leáll a denitrifikáció.

A denitrifikáció technikai kialakításának lehetőségeit mutatja be a 109 ábra.

109. ábra. A nitrifikáció és denitrifikáció folyamatai, ahol mintázott területek a levegőztetett tereket jelölik

Videó: Denitrifikáló medence

Az utánkapcsolt denitrifikációs zóna a könnyen lebontható tápanyagok adagolását igényli. Az előrekapcsolt rendszer változatai a kaszkád - denitrifikáció, amelyben a denitrifikáció és nitrifikáció váltakozik és az alternáló denitrifikáció. A kaszkád-technológia hatásfokát a jó és szabályozható levegőztetés mellett a kaszkádok száma és a recirkulációs iszap hányada is befolyásolja.

A denitrifikáló reaktorokban a reakciók lassúak, ezért a még elfogadható tartózkodási idő biztosítása céljából a vízben a baktérium-koncentrációt nagyra kell választani, ami nagy fajlagos felületet nyújtó töltőanyaggal (pl. homok, kavics, szén, aktív szén, juta, gyöngy (CaCO3), vulkáni eredetű föld, műanyag formatestek) biztosíthatók.

A biológiai szűrőkön kívül gyors homokszűrőkkel és aktív szén ágyakkal is megvalósítható a denitrifikáció, mivel e két rendszer a baktériumok számára kedvező közeget biztosít. A gyakorlatban különösen a fluidágyas valamint az úszó, kontakt-katalizátoros szűrők váltak be.

Kutatások folynak a talajban kivitelezhető heterotróf denitrifikáció technológiájának kidolgozására, azaz a természetes folyamatok közvetlenebb hasznosítására is. Van olyan eljárás, amely a talajba széntartalmú szilárd anyagot (pl. tőzeg) rétegez, majd a vizet átvezetik az ily módon előkészített talajon. Más eljárások a vizet szénforrással (pl. előkészített szennyvíz) elegyítik, majd visszaszivárogtatják a talajba. (Ezen módszerek hátránya, hogy vezérlésük még nem megoldott.)

Ammóniumion eltávolítás biológiai oxidációval (Nitrifikáció)

A nyersvízben az NH4+-koncentráció gyakran elég nagy ahhoz, hogy jelentős biológiai instabilitást okozzon, azaz fokozza a bakteriális szaporodást az elosztó rendszerben. Az ammónium-ion nem toxikus hatású, de ha nem távolítják el a vízből, és a fertőtlenítést klórral végzik, akkor klórfogyasztása és a melléktermékek képződése jelentős lehet (ld. fertőtlenítési eljárások, töréspontig történő klórozás folyamata).

Az ismert ammónium-eltávolító módszerek közül a zeolitos ioncsere az ivóvíz kezelésében a gyakrabban alkalmazott, de az ammónium-ion biológiai oxidációja (nitrifikáció) is megvalósítható. A nitrifikálást autotróf baktériumok végzik.

Nitrifikációnak nevezzük az ammónia vegyületek nitráttá történő oxidációját (ammónium → nitrit → nitrát). A folyamat oxidációs hatásfoka ammónia nitrogénre vonatkoztatva 90-95%. Összes nitrogénre vonatkoztatott hatásfok 70-85% között változik.

Az oxidáció két lépésben játszódik le, mindkét folyamat energiát termel:

Ezt az első oxidációs lépést Nitrosomonas baktériumok végzik, de Nitrosococcus, Nitrosospira és Nitrosolobus populációk és képesek erre.

A második lépcsőben a nitritet Nitrobacter populáció oxidálja nitráttá, de Nitrospira és Nitrocystis baktériumok is végre tudják hajtani az oxidációt.

Nitrifikációt befolyásoló tényezők

Koncentráció: a folyamat sebességét – állandó hőmérsékletet feltételezve – elsősorban a rendszerben jelenlévő tápanyag és baktérium koncentráció határozza meg. A tápanyag szerepét az ammónia és az oxigén koncentráció tölti be. A baktérium koncentrációval a lebontási sebesség arányos. A baktérium koncentrációt az eleveniszap koncentráció megfelelő értéken történő tartásával lehet biztosítani.

pH: A nitrifikálás optimális pH értéke 8,0-8,5 érték közé esik. Az alacsonyabb pH értéken a nitrifikálás során keletkező nitrát, ill. főképpen H+ ionok a nitrifikáló baktériumokra gátló hatást fejtenek ki. A rendszer elsavanyodása a szabad széndioxid tartalom (bikarbonát csökkenése) a nitrifikálók szénforrásának csökkenésével is jár. A nagyobb pH értékeknél (> 8,5) a nitrifikálók energia forrása az NH4+ ion részben NH3 formába van jelen és az ammónia a nitrifikálókra mérgező hatást fejt ki.

Oldott oxigén koncentráció: tapasztalat azt mutatta, hogy ha az oldott oxigén koncentrációját 2,0 mg/l értékről 3,0 mg/l-re emelték, a nitrifikáció sebessége megduplázódott. Gyakorlatban a nitrifikáló szennyvíztelepen az oldott oxigén koncentrációját legalább 2,0 mg/l értéken célszerű tartani.

Iszapkor: a nitrifikáló baktériumok szaporodási sebessége lényegesen lassúbb, mint a szerves anyag bontóké, ugyanakkor a fölös-iszappal a nitrifikálók jelentős részét is eltávolítják. A nitrifikáció és a szerves anyag-lebontás egyidejű lefolyásának biztosítása céljából az iszapkor értékét kommunális szennyvíz esetében 15 °C körüli hőmérsékleten legalább 5-7 nap értéken kell tartani. A téli időszakban +5-7 °C víz hőmérséklet esetén az iszapkort (a 15 °C-os állapothoz képest) legalább háromszorosára kell növelni.

Inhibitor anyagok: miután a nitrifikációs folyamat hallatlanul érzékeny a mérgező anyagokra, ez azt jelenti, hogy a kommunális szennyvízzel is érkezhetnek olyan szerves anyagok (olajszennyeződés, növényvédő szer, festékmaradék stb.), amelyek mérgező hatást fejtenek ki a folyamatra. Nem ritka jelenség, hogy kommunális szennyvíztelepen a nitrifikáció sebessége – a hőmérséklet csökkenéstől függetlenül – is jelentősen csökken. Ez inhibíciós hatásokra vezethető vissza. Ez az inhibíciós hatás gyakran csak átmenetileg jelentkezik, de elegendő ez a behatás arra, hogy a telep üzemét megzavarja.

Hőmérséklet hatása: 10 °C-ról 20 °C-ra történő hőmérsékletnöveléssel a szaporodási sebesség, vagyis a nitrifikáció sebessége 2,1-3,7-szorossára nő. Természetesen a téli üzemeltetés során fordított folyamat játszódik le, amikor a nitrifikáció sebessége 10 °C hőmérsékletcsökkenés hatására közel harmadára csökken. A hőmérsékletcsökkenéssel egyidejűleg egyre növekvő aerob iszapkor beállítása válik szükségessé.

Ismeretes, hogy ha egy folyamat több egymást követő reakcióból tevődik össze, az eredő reakció sebességét a leglassúbb reakció sebessége szabja meg. A nitrifikálás összetett folyamatában a leglassúbb reakció a Nitrosomonasok által ammóniának nitritté történő oxidálása. Ennek következtében a tisztított szennyvízben a nitrit sohasem szaporodik fel, mivel a nitrátképző (Nitrobacter) baktériumok gyorsan nitráttá oxidálják. Nitrosomonasok szaporodási sebessége lényegesen kisebb, mint a Nitrobacter baktériumoké. Ez egyértelműen jelzi, hogy a nitrifikációs folyamatban a nitrit ionok képződése a meghatározó lépés. Az eleveniszapban élő nitrifikáló baktériumok tömegének az összes iszap tömegéhez viszonyított aránya a függ a szennyvíz BOI5/összes-N arányától. Amennyiben a heterotróf baktériumok szaporodási sebessége (illetve az ezzel egyensúlyt tartó iszap eltávolítás) meghaladja a nitrifikálók maximális lehetséges szaporodási sebességét a nitrifikálók a fölösiszap eltávolítással kimosódnak a rendszerből. A heterotróf baktériumok szaporodását le kell csökkenteni, hogy a nitrifikáló baktériumok aránya (> 0,1) a heterotróf baktériumokhoz képest kedvező legyen. Ezt két módon lehet kézben tartani, vagy az eleveniszapos telepre befolyó szennyvíz szerves tápanyag koncentrációját csökkentve, vagy a hidraulikus tartózkodási időt növelve. A tápanyag csökkentés hatására csökken a lebontási sebesség, azaz az iszap eltávolítás sebessége, ugyanezt a hatást lehet elérni a hidraulikus tartózkodási idő növelésével is. Mindkét esetben rövid, egy-két hetes üzem alatt beáll az egyensúly a teljes iszaptömeg, valamint a nitrifikálók tömegének szaporodási sebessége között.

A sikeres nitrifikálás kritikus része a lassan szaporodó nitrifikáló baktériumok megfelelő koncentrációban való előállítása, és ennek fenntartása. Ez - a denitrifikációhoz hasonlóan - biológiai reaktorokban, aktívszenes, illetve gyors homokszűrőkben, eleveniszapos medencékben, csepegtetőtesteken valósítható meg.

A nitrifikáció az aerob rendszerekben, a második tisztítási fokozatban, a szerves anyag lebontást végző műtárgyakban elkezdődik, hatásfokát azonban sok tényező befolyásolja (oldott oxigén, tartózkodási idő, hőmérséklet stb.). Kis szervesanyag-terhelés és megfelelő tartózkodási idő esetén általában tökéletes a nitrifikáció, vagyis a tisztított szennyvízben (oldatban), túlnyomórészt nitrát formában található a nitrogén.

Foszforeltávolítás

Kémiai foszforeltávolítás

A befogadó eutrofizációjának megakadályozása céljából a foszfor kivonása a biológiailag tisztított szennyvízből még fontosabb, mint a nitrogén eltávolítása, mert nitrogén termelődhet a befogadóban, míg a foszfor csak kívülről (szennyezéssel) érkezhet.

A hagyományos rendszerekben tisztított szennyvíz fő tápanyagai a nitrogén és a foszfor. A foszfor oldott formában található a vízben, ezért a kémiai foszforeltávolítás elve megegyezik bármely más oldott szennyezőanyag eltávolításának legelterjedtebb módjával, a kicsapatással. A víz- és szennyvíz-technológiában a kémiai foszforeltávolítással főként a szennyvíz-tisztító telepeken, a harmadik tisztítási fokozat részeként találkozhatunk.

Az átlagos szennyvíz összes foszfor-koncentrációja 6 és 20 mg/l között változik, a lakosság vízhasználati szokásaitól függően. A tisztított szennyvíz összes foszfor-koncentrációja az előírások szerint általában 2 mg/l lehet. A hagyományos biológiai szennyvíztisztítás jól működő telepek esetén is csupán a foszfor 20-30%-ának eltávolítására alkalmas. Az elfolyó víz foszforkoncentrációjának csökkentése legegyszerűbb módon a kémiai foszforeltávolítással oldható meg.

A legtöbb szennyvíz esetében az oldhatatlan foszfor kb. 10%-a távolítható el az előülepítővel. A hagyományos biológiai rendszerekkel a sejtekbe beépült foszfor révén csak kis mennyiségű foszfor távolítható el. A foszforeltávolítás kémiai, biológiai és fizikai módszerekkel lehetséges. Az egyes technológia fázisok foszfor eltávolítási hatásfokát mutatja be a 110. ábra.

A polifoszfátok és szerves foszfor az ortofoszfátnál nehezebben távolíthatóak el. A leghatásosabb foszforeltávolítást az alumíniumsók utóülepítő utáni (ahol a szerves és polifoszfor már ortofoszfát formájában van jelen) adagolása biztosít.

110. ábra. A foszforeltávolítás hatásfoka az egyes technológiai fázisokban

A foszfor a szennyvízben többféle formában (ortofoszfát, polifoszfát és szerves foszforvegyületek) fordul elő, általában együtt. A biológiai tisztítást követően a szerves anyagok lebomlanak, és a szerves foszforvegyületekből is ortofoszfát keletkezik. Így a tisztított szennyvízben túlnyomórészt ortofoszfát található, ami kedvező, mivel ez a foszforforma csapható ki legkönnyebben.

Csapadékképzéshez alumíniumsók, vas-sók, valamint mész alkalmazható.

A kicsapatáshoz alkalmazott ún. derítőszerek:

  • Alumínium-szulfát: Al2(SO4)3 12 H2O

  • Ferri-szulfát: Fe2(SO4)3

  • Mész: Ca(OH)2

A derítés általános egyenlete:

Foszforkicsapatás alumíniumsókkal

Az alumínium a foszfátionnal reakcióba lép és ennek eredményeként alumínium-foszfát (AlPO4) csapadék képződik. Alumínium-szulfátot alkalmaznak kicsapató szerként. (Ugyanezt használják derítőszerként a nem ülepedő lebegőanyagok ülepíthetővé tételére és a derítési folyamatban).

Az alumínium-szulfáttal történő foszforeltávolítás optimális pH értéke 5,5-6,5 között van. 1 gramm foszfor kicsapatásához az üzemi tapasztalatok szerint 75% hatásfoknál mintegy 15 gramm, 85% hatásfoknál 19 gramm, 95% hatásfoknál 25 gramm alumínium-szulfát adagolás szükséges.

Magyarországon a szennyvizek foszfortartalma 7-12 g/m3 közötti leggyakrabban. 85%-os hatásfokú foszforeltávolításnál 10 g/m3 foszfortartalom esetén a szükséges alumínium-szulfát adag 10 g/m3 x 19 gramm, vagyis 190 g/m3.

Foszforkicsapatás vas-sókkal

Nagyon sokféle vas-só felhasználható az oldott foszfor kicsapatására (vas(II)-klorid, vas(III)-klorid, páclé). Az optimális pH-tartomány 4,5-5 közötti, amelyet természetesen a szennyvíznél nem lehet elérni. Elfogadható a hatásuk azonban pH 7-8 között is, és inkább ebben a tartományban történik az alkalmazásuk. Ekkor a pH emeléshez pótlólagosan meszet vagy nátrium-hidroxidot is kell adni. 1 g foszfor kicsapáshoz 90%-os hatásfoknál 6-8 g vas-sót kell adagolni.

Foszforkicsapatás mésszel

A praktikus kezelhetőség miatt leggyakrabban mészhidrátot alkalmaznak. Mész használatakor lényegesebben nagyobb mennyiségű csapadék és ebből következően kezelendő iszap keletkezik, mint az előző eljárásoknál, a fémsók adagolásakor.

A technológiai megvalósítás lehetőségei

Attól függően, hogy a szennyvíztisztítási technológiában hol adagoljuk be a csapadékképző anyagot, megkülönböztetünk:

  • előkicsapási eljárást: amikor a csapadékképző anyagot az előülepítőig bárhol adagoljuk (pl. homokfogóban, osztóaknában stb.),

  • szimultán kicsapást: amikor az adagolás a biológiai lépcsőre történik,

  • utókicsapást: amikor az adagolás a biológiai lépcső után történik.

111. ábra. Kémiai foszforeltávolítás: a) előkicsapatás, b) szimultán foszfát kicsapatás, c) utókicsapatás

Előkicsapatás

Abban az esetben, ha a foszfátot a tisztítás során előzetesen kívánják eltávolítani a szennyvízből, a vegyszert vagy a levegőztetett homokfogó előtt, vagy közvetlenül az előülepítő előtt kell a szennyvízhez adagolni.

Az előkicsapatás előnye, hogy azzal egyidejűleg az előülepítő medencében, ahol a vegyszeres foszfát eltávolítására sor kerül, további szerves anyag eltávolítás is várható a vegyszerek hatása következtében. Ilyenkor az előülepítést követő levegőztető medencénél kisebb fajlagos szerves anyag terhelés, és azzal egyenértékű oxigénigény jelentkezik. Gondot jelenthet az előkicsapatásnál a befejező biológiai lépcsőben a denitrifikáció teljessé tétele, hiszen ilyen esetben nagyobb szerves anyag mennyiség kerül eltávolításra az előülepítésnél, és a denitrifikációhoz még kevesebb tápanyag marad a szennyvízben. Néhány eleveniszapos üzemnél az előkicsapatás az iszapindex növekedését is eredményezte, amely esetenként úszó iszap keletkezéséhez vezetett az utóülepítőben.

Előkicsapatás során valamennyi felsorolt vegyszer felhasználható, kivéve a vas(II)-sókat. Ezeket egy előzetes lépcsőben oxidálni kell, hogy kellő hatékonysággal eltávolításra kerülhessenek az előülepítő medencében.

Videó: Előülepítő

Szimultán foszforkicsapatás

A szimultán foszforkicsapatás a legáltalánosabban használt módszer a vegyszeres többletfoszfor eltávolításra. A vegyszert rendszerint a levegőztető medencét megelőzően adják az iszaphoz. Lehetséges az is, hogy a fémsókat a recirkuláltatott iszaphoz adagolják

A kalcium kivételével valamennyi fémsó, ami a táblázatban felsorolásra került, felhasználható a szimultán foszforkicsapatáshoz.

Utókicsapatás

Az utólagos foszfor kicsapatás használata a kommunális szennyvizek tisztításánál meglehetősen ritka. Ez három lépésből tevődik össze: vegyszeradagolás, vegyszer elkeverés, és az iszap elválasztása a szennyvízből. Ezt gyakran egyetlen lépcsőbe koncentrálják.

Leggyakrabban ilyenkor kalcium-sót, nevezetesen mész-hidrátot adagolnak a foszfát kicsapatása érdekében. Rendszerint nincs semmilyen kapcsolat ennél a megoldásnál a biológiai és kémiai foszforeltávolítás között, mivel az utóbbi egy teljesen elkülönített folyamat. Ennek megfelelően, akkor érhetők el kis tisztított víz foszfor-koncentráció értékek, amikor az utólagos fázisszétválasztás is megfelelő.

Abban az esetben, ha a tisztított elfolyó víz foszfát-koncentrációjára nagyon kis értékeket követel meg a hatóság, vagy az előírások, további foszfor-eltávolítás is szükséges lehet. Ezt általában vegyszeres koagulációval, flokkulációval és szűréssel lehet biztosítani. Az elfolyó tisztított víz foszfor-koncentrációja ekkor rendszerint 0,5 mg/l alatt tartható.

Mindegyik megoldásnak van előnye is, hátránya is. Az előkicsapás pl. kevesebb beruházást igényel, mivel csak vegyszertárolóra, esetleg flokkulátorra (pelyhesítőre), valamint vegyszeradagolóra van csak szükség, ellenben tartani lehet a kicsapató szernek a biológiai lépcsőre gyakorolt hatásától.

Az, hogy melyik kicsapató szert válasszuk, alapjában véve gazdaságossági kérdés.

A vegyszeradagolás segítségével nagy biztonsággal távolítható el a szennyvízből a foszfor, de ugyanakkor egy jelentős mennyiségű – mintegy 20-30% nagyságrendű – fölösiszap mennyiség növekedés is jelentkezik. Ez a probléma a nagyobb iszaptömeg költségesebb iszapkezelő rendszerének kiépítésén és üzemeltetésén kívül, az igen nagymennyiségű vas-, esetleg alumíniumion tartalmú kezelt szennyvíziszap környezetbarát elhelyezését, hasznosíthatóságát megnehezítő, szélső esetben ellehetetlenítő nehézségekkel is együtt jár.

A kezelt szennyvíziszap a mezőgazdaságban sokkal könnyebben elhelyezhető abban az esetben, ha a foszforeltávolítás kalcium típusú sókkal, például kalcium-hidroxiddal történik. Ezt az eljárást nehezíti azonban az a tény, hogy a kalcium-hidroxid csak pH 9 feletti tartományban fejti ki hatását és itt a foszforeltávolító képesség hatásfoka is elmarad a vas- és alumínium sókétól.

A vegyszeres beavatkozások előnyös tulajdonsága az, hogy a folyamat igen jól automatizálható. A mai modern PLC-s, PC-s üzemirányító rendszereken, az adagolt vegyszerek mennyisége, az oldatok koncentrációja, az adagolás mértéke, pH-ja, stb. jól mérhető, szabályozható, a szennyvíztisztító telepek diszpécser helyiségében, az üzemeltetést végző – akár regionális kiterjeszkedésű – vállalat központi székházának üzemirányítást összefogó központi helyiségében – a táv-adatátvitel során – szemléletesen és hatásosan megjeleníthető.

Biológiai foszforeltávolítás

A foszfor nem csak kémiai, hanem biológiai eljárással is eltávolítható a vízből. A biológiai módszer során a mikroorganizmusokat arra kényszerítik, hogy a sejtanyaguk felépítéséhez a szokásosnál nagyobb mennyiségű foszfort használjanak fel. A biológiai szennyvíztisztítás során a mikrobiális szervezetek foszfort elsősorban nukleinsavainak és foszfolipidjeinek felépítéséhez, továbbá az energiaforgalmat befolyásoló ATP ciklusban használnak fel. A biológiai foszforeltávolítás azon alapul, hogy a mikroszervezeteknek testük felépítéséhez a szerves vegyületeken kívül foszforra is szükségünk van.

Aerob körülmények között a mikroszervezetek felveszik a szennyvízben oldott formában található foszfort, majd ez az utóülepítőben, a kiülepedett eleveniszapban (a biomasszában) kerül a víztő elválasztásra.

Anaerob körülmények között, ahol a víz sem oldott oxigént, sem pedig nitrogénhez kötött oxigént (nitritet, nitrátot) nem tartalmazhat, a mikroszervezetek kiürítik sejtjeikből a foszfort, ami oldott formában a szennyvízbe kerül.

A biológiai foszforeltávolítás elve hogy az anaerob és aerob környezetet felváltva biztosítsák a mikroorganizmusok számára egyfajta stresszállapotot létrehozva, melynek során foszfátok oldódnak vissza polifoszfátokból. A mikroorganizmusok a normálisnál 6-7%-kal nagyobb mennyiségű foszfor felvételére kényszerülnek, és azt tárolják. Amikor az utóülepítőből az aerob baktériumok az anaerob környezetben elhalással néznek szembe, sejtszerkezetükből nagy mennyiségű foszfort bocsátanak a szennyvíztérbe. Ezt a foszfort egy további lépcsőben meszes kicsapatással szeparálják. Miután a baktériumok foszfor tartalmuk jelentős hányadát már leadták így számukra a recirkuláció révén aerob miliőben jelentősebb mennyiségű foszfort vesznek fel, amely elérheti a 70-90%-os foszforeltávolítási hatásfokot is.

A biológiai foszfor és a nitrogén eltávolítás ugyanabban a technológiában valósul meg, mely két alaptípust foglal magába.

"Főáramú technológia", ahol az anaerob-aerob oxigénfelvételek változtatásával a foszfátot a foszforban feldúsult fölösiszapból választják ki. Mivel az iszapülepítőben mindig anaerob állapotok uralkodnak, a foszforban gazdag fölös iszapot "oxigénaktív" flotációs berendezésbe vezetik.

Amennyiben a szennyvíztisztítási technológiai láncban az anaerob, anoxikus, aerob folyamatok térben elkülönülve - rendszerint egymást követően - kerülnek elhelyezésre, akkor a biológiai tisztítást – mely már így magában foglalja a III. tisztítási fokozatot is – főáramú tápanyag eltávolítási láncnak nevezzük.

Egy eleveniszapos reakciótérben időben egymás után is kialakíthatók az anaerob, anoxikus, aerob – sőt még a biológiai szennyvíztisztítástól elválaszthatatlan fázisszétválasztást szolgáló ülepítéses – állapotok. Ezt a szennyvíztisztítási technológiát a szakaszos jelleg miatt – az angol rövidítést nemzetközileg átvéve – SBR rendszernek hívják.

A főáramú rendszereket általában a nagyobb méretű (1000 m3/d, illetve 5000 lakosegyenérték (LE) feletti) szennyvízmennyiségek megtisztítására alkalmazzák, de számos példát találunk a 100 m3/d, illetve 500 LE szennyvízterhelést alig meghaladó szennyvíztisztítási igények kezelésére is.

A főáramú rendszerekben alapvető fontosságú az anaerob, anoxikus és aerob terek - mikrobiológiai folyamatok által valóban az ezen terekre jellemzően megkövetelt - állapotainak kialakítása. Leegyszerűsítve: az anaerob terekben egyáltalán nem megengedhető az oldott oxigén és a nitrát jelenléte. Az anoxikus terekben nulla, vagy csak egy-két tized mg/l koncentrációval jellemezhető oldott oxigén tűrhető meg, ugyanakkor a nitrát jelenlétére itt természetesen szükség van. Az aerob medencerészekben pedig mindenütt kb. 2 mg/l oldott oxigén jelenlétét kell biztosítanunk.

Általános szennyvíz-technológiai tapasztalat az, hogy egy adott főáramú biológiai tápanyag eltávolítást nyújtó szennyvíztisztítási lánc hatásfokát, tisztítási stabilitását előnyösen befolyásolja az, ha az anaerob, anoxikus, aerob jellegű reaktorokat is mind-mind további 2-3 db medencére, rekeszre bontjuk. Ezzel a sokmedencés kialakítással lényegében a szennyvíztisztító telep csőreaktor (112. ábra) hatását növeljük, mely mind az adott jellegű (anaerob, anoxikus, aerob) medence, mind a tisztítási technológiai láncban hátrébb elhelyezkedő medencék (anoxikus, aerob) számára - egy sokkal egyenletesebb bemenő terhelést biztosítva - kedvező hatású.

112. ábra. Csőreaktorszerű eleveniszapos rendszer lépcsőzetes levegőbetáplálással

A kevert medencékből álló csőreaktor-hatás kialakítása, a szennyvíztisztítást biztosító anaerob, anoxikus, aerob jellegű baktériumok jobb szelektálódása érdekében nem ritka a tápanyag eltávolítást biztosító biológiai blokkon belül a 8-9 darab, különböző jellegű medencetér alkalmazása sem.

113. ábra. A módosított öt lépcsős Bardenpho eljárás

Az egy rendszerben kiépített elő-és utódenitrifikáció tovább növelte a nitrogéneltávolítás hatásfokát szinte, teljesen nitrátmentes az elfolyó víz.

Az utódenitrifikáció során tápanyaghiány (a denitrifikációhoz már nem áll rendelkezésre elegendő, biológiailag könnyen bontható szerves tápanyag) pótlása szükséges pl. metanollal, ecetsavval.

A második levegőztető medence funkciója:

  • pótlevegőztetéssel kiűzhető a rendszerből a felgyülemlett nitrogéngáz (így az nem okoz problémát az utóülepítőben).

  • a második anoxikus reaktorban esetlegesen képződő NH3 nitrifikációját is biztosítja.

114. ábra. A három lépcsős Phoredox eljárás

Az anoxikus medencében az anaerob medencéből elfolyó szennyvíz a recirkuláltatott nitrifikált szennyvízzel keveredik. A harmadik medencében BOI lebontás, nitrifikáció és a foszfát aerob sejtekbe épülése következik be. Az anaerob medence után nitrifikáció és teljes denitrifikáció valósul meg, így a recirkulációs iszappal az anaerob medencébe sem nitrit, sem nitrát nem kerül. Elsősorban kisterhelésű telepeken alkalmazzák.

115. ábra. A University of Cape Town- (UCT-) eljárás (a háromlépcsős módosított Phoredox rendszer alapján)

Ebben a konfigurációban a recirkuláltatott iszap előbb az anoxikus medencébe kerül, majd innen történik egy vegyes fázisú recirkuláció az anaerob zónába (´r´áram). Ezzel az elrendezéssel azt kívánták elérni, hogy az összes recirkuláltatott nitrát biztosan eltávolításra (denitrifikálásra) kerüljön, nehogy az a fővonalon kedvezőtlen hatással legyen az anaerob reaktorban.

Az UTC-eljárást később módosították, s az anoxikus zóna kettéosztásával elérték, hogy külön-külön ellenőrizhetővé vált mind a recirkuláltatott iszap (RAS), mind a vegyes fázisú recirkulációs áram (116. ábra). Az ilyen rendszerek az egész világon elterjedtek és sikeresen működnek.

116. ábra. Módosított UCT eljárás

A mellékáramú technológiákban a biológiai eljárások mellett kémiai eljárást is alkalmaznak, ugyanis az oldatban lévő foszfort vegyszerrel (pl. mészadagolással) kicsapatják (az oldott anyagból vízben nem oldódó, ülepíthető vagy szűrhető csapadékot hoznak létre). Az utóülepítő iszapját egy 10-20 órás tartózkodási idejű anaerob medencébe vezetik, ahol a mikroszervezetek kiürítik sejtjeikből a foszfort. Az oldott foszfort a vízből ezután kicsapatják mészadagolással. A foszformentes eleveniszapot visszavezetik az aerob medencébe, ahol a „stresszhatás” miatt a mikroszervezetek nagymennyiségű foszfort fognak ismét felvenni. A technológia onnan kapta a nevét, hogy a foszforeltávolítás nem a szennyvíztisztítási technológiai soron, hanem mellékágon (az iszapágon) történik.

Az SBR jellegű szennyvíztisztítási technológiát a lényegében egy medencében, azaz egy reaktor térben lejátszódó, időben szétválasztott és ciklikusan ismétlődő szennyvíztisztítási fázisok, folyamatok jellemzik. A rendszerbe a bemenet – azaz a kezelendő szennyvíz bevezetése - közel folyamatos jellegű, míg a kimenet – azaz a tisztított szennyvíz kivezetése – szakaszos. A nyers szennyvíz – egy egyszerűsített mechanikai előkezelés (finomrács és rendszerint egy homokfogó) után – egy adott idejű tartózkodási időt biztosító kiegyenlítő medencét követően kerül az SBR medencébe (reaktorba) beemelésre. Itt a tisztítási folyamatok időben rendre általában anaerob, aerob, anoxikus, aerob jellegűek. Ezt követi – az SBR medence összes gépészeti berendezésének átmeneti leállításával – az ülepítési fázis, majd a medence tetejéről a tisztított szennyvíz elvezetése, dekantálása.

A medence aljára leülepedett eleveniszapból búvárszivattyúval lehetséges – amennyiben a rendszer eleveniszap szintje megkívánja – a fölösiszap elvétel. A fölösiszap elvétele a dekantálási fázis alatt, rendszerint annak végén zajlik le. A SBR típusú szennyvíztisztító telepek üzeme teljesen automatikus.

Iker kialakítású SBR szennyvíztisztító telep esetén általában nem szükséges egy külön kiegyenlítő medencét létesíteni az SBR medence elé. A kiegyenlítő medence egyébként nem is tartozik az SBR szennyvíztisztítási technológia lényegéhez, csupán a tisztított szennyvízzel keveredő nyers szennyvíz dekantálási fázisban történő közvetlen kikerülésének lehetőségét – mely inkább elméleti, mint gyakorlati súlyú probléma! – akadályozza meg a szennyvíztisztító telepről. Az iker elrendezésű SBR szennyvíztisztító telepekkel könnyen biztosítható az, hogy mialatt az egyik SBR reaktorba történik a nyers szennyvíz folyamatos bevezetése, addig a másik reaktor végzi a szennyvíz tisztításának befejező folyamatait (levegőztetés, ülepítés), illetve a tisztított szennyvíz dekantálással történő leürítését.

A lényegében egymedencés jellege miatt – elsősorban kivitelezési szempontokat alapul véve – az SBR szennyvíztisztító telepeket a viszonylag kisebb – általában az 1000 m3/d, illetve 5000 LE alatti – szennyvízmennyiségek megtisztítására alkalmazzák a gyakorlatban. Az SBR rendszerű szennyvíztisztító telepeknek nagy előnye a rendkívüli egyszerűség, a teljesen automatikus üzemmód, a szennyvíz terhelések változásához történő viszonylag nagyfokú hozzáigazíthatóság, a rendkívül alacsony fajlagos energiafogyasztás.

A tisztán biológiai úton történő tápanyag-eltávolítást biztosító szennyvíztisztítási technológiák közös jellemzője az, hogy nagy mennyiségű szerves tápanyagra, szubsztrátumra van szükségük. Ezért az ilyen szennyvíztisztító telepeken nem indokolt – sőt egyenesen káros hatású is lehet! – a nyers szennyvíz túlzott mértékű mechanikai előtisztítása. A gyakorlatban egy finomrács, vagy szitaszűrő és maximum egy homokfogó alkalmazása javasolható, de kifejezetten negatív hatású, ha a mechanikai tisztítási fokozat egy hosszú tartózkodási időre méretezett előülepítőt is tartalmaz. (Ebben az esetben az előülepítő már általában olyan sok szerves anyagot is kivesz a nyers szennyvízből, hogy az már a következő anaerob, anoxikus medencék kellő szerves anyag ellátását veszélyezteti. Szerves anyag hiányában pedig a biológiai foszfor- és nitrogén eltávolítás nem fog a megfelelő hatásfokkal üzemelni. A szerves anyag problémán kívül az előülepítő a nyers szennyvíz további lehűlését is elősegíti a téli időszakokban, ami viszont a szennyvíztisztító telep téli üzemének mikrobiológiai lebontási folyamatait késlelteti, illetve gyengíti, egyértelműen rontva ezáltal a szennyvíztisztító telep tisztítási hatásfokát.) Az előülepítő(k) elhagyása a kiviteli költségek csökkentésén kívül, kevesebb fölösiszap termelődéshez – egyáltalán nincsen primer iszap! –, ezáltal alacsonyabb iszapkezelési költséghez, illetve üzemeltetési költséghez vezet.

A biológiai denitrifikálás során a nitrát formából felszabaduló oxigén, további energia-, rajta keresztül üzemelési költség megtakarítást jelent, mely akár a 25%-ot is elérheti.

A tisztán biológiai úton történő tápanyag-eltávolítás során – a gyakorlati tapasztalatok szerint – az egyes reaktorterekben az 5,5 - 6,0 kg/m3 összes szárazanyag-tartalom is megengedhető, mivel az ennek megfelelő keverési, oldott oxigénnel való ellátási lehetőségek ma már adva vannak. Ebből következik, hogy a mai korszerű, tisztán biológiai úton történő tápanyag-eltávolítást biztosító szennyvíztisztító telepek, sem a kivitelezési költségek, sem az üzemeltetési költségek vonatkozásában nem drágábbak a csupán nitrifikációt és biológiai teljes tisztítást nyújtó kommunális szennyvíztisztító telepeknél. Ugyanakkor a tisztán biológiai úton történő tápanyag-eltávolítást biztosító szennyvíztisztító telepek igen magas, stabil tisztítási hatásfokkal rendelkeznek – nem csak a szerves anyag, hanem a nitrogén és a foszfor vonatkozásában is! –, rendkívül jól ülepedő, felúszástól mentes iszapot eredményeznek, mely a magas foszfortartalom és a vegyszermentesség miatt a mezőgazdaságban is általában jól elhelyezhető.

A biológiai úton történő tápanyag-eltávolítást biztosító szennyvíztisztító telepek üzemeltetése egyszerű – a biológiai blokkjuk csak kevert anaerob, anoxikus medencéket és levegőztetett aerob tereket tartalmaz –, jól automatizálható. Az ilyen telepeknél is minimálisan biztosítani kell a levegőztetett terek oxigénszondáról történő vezérelhetőségét, a nitrát recirkuláció, de különösen az iszaprecirkuláció mérhetőségét és megbízható szabályozhatóságát. A telep üzeme a nem túl nagy kezelői létszám és a kedvező energetikai feltételek miatt, kedvező fajlagos üzemelési költségeket mutat. A fajlagos energiaigény - az iszapkezelés energiaigényét is tartalmazva! – a 0,3-0,4 kWh/m3 értéket nem haladja meg.

Összefoglalás

A kémiai nitrogéneltávolítás módjai:

  • kicsapatás,

  • ioncsere,

  • sztrippelés.

A kommunális szennyvizeknél nem alkalmazzák.

A biológiai nitrogéneltávolítás lépései főbb szakaszai:

  • nitrifikáció: ami az ammónium nitritté és nitráttá oxidálását jelenti a nitrifikáló baktériumok által. Végbemehet abban a műtárgyban is (kis szerves anyag terhelésnél), ahol a szerves anyag lebontás történik, vagy esetleg külön biológiai lépcsőben.

  • denitrifikáció: ami a nitrit, nitrát redukálását jelenti nitrogén és nitrogénoxid gázzá, denitrifikáló baktériumok által. Csak anoxikus körülmények között, külön biológiai lépcsőben mehet végbe.

A denitrifikáció végterméke, a nitrogén vagy a nitrogénoxid, ami már gáz formájú, ezért további tisztítás-technológiai problémát nem jelent.

A kémiai foszforeltávolítás kicsapatással:

  • alumíniumsókkal,

  • vas-sókkal,

  • mésszel.

A technológiai megvalósítás lehetőségei:

  • előkicsapás,

  • szimultán kicsapás,

  • utókicsapás.

Biológiai foszforeltávolítás alaptípusai:

  • főáramú technológiák,

  • mellékáramú technológiák.

Ellenőrző kérdések

  1. Ismertesse a nitrifikáció folyamatát!

  2. Ismertesse a denitrifikáció folyamatát!

  3. Ismertesse a kémiai foszforeltávolítás lehetőségeit!

  4. Ismertesse a biológiai foszforeltávolítás elvét!

  5. Jellemezze az SBR foszforeltávolítási technológiát!