Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

11. fejezet - A biológiai szennyvíztisztítás elméleti alapjai

11. fejezet - A biológiai szennyvíztisztítás elméleti alapjai

Bevezetés

A szennyvíztisztítás gyakorlatában a biológiai módszerek a legáltalánosabban használtak. A hagyományos szennyvíztisztítási folyamat erre épül, ez a legfontosabb lépése. Az eljárások a mikroorganizmusok irányított tevékenységét (fermentáció) hasznosítják. Minden olyan szennyezőanyag eltávolítására ill. átalakítására alkalmasak, amely valamely mikroorganizmus tápanyagaként (szubsztrátként) felhasználható. Ezek a szennyező-anyagok a leggyakrabban szerves vegyületek, de az élővizekben veszélyt jelentő egyes szervetlen vegyületek is eltávolíthatók ily módon. Pl. az ammónia-nitrogén nitráttá (nitrifikálás), a nitrát pedig denitrifikáló mikroorganizmusokkal nitrogén gázzá alakítható át. A hagyományos szennyvízkezelés második fokozatának körülményei általában csak a szerves anyag lebontását biztosítják megfelelő hatásfokkal. (Hatásfok: az adott tisztítóegységbe (műtárgyba) vezetett víz kérdéses szennyezőanyag-tartalmára vonatkoztatva a műveleti egységben eltávolított/visszatartott szennyező anyagot fejezi ki százalékban. A visszatartott anyag mennyisége a műtárgyra bevezetett és az onnan kikerülő vízben mért komponens-koncentráció különbsége.)

A másodlagos tisztítási fokozat célja a nem ülepíthető kolloidok és oldott szerves anyagok eltávolítása.

Ezt a tisztítást biológiai tisztításnak is szokták nevezni, mivel a tisztítás biológiai folyamatok révén következik be.

Követelmény

  • Tudja az anaerob és aerob folyamatok biológiai, kémiai és fizikai folyamatait!

  • Tudjon különbséget tenni közöttük!

  • Tisztában legyen a témakörhöz tartozó fogalmakkal!

  • Ismerje gyakorlati alkalmazásuk feltételeit, alkalmazási lehetőségeit!

A biológiai tisztítás lényegében biokémiai reakciókon alapul és végrehajtásához különböző mikroorganizmusokra van szükség (63. ábra).

63. ábra. A szennyvíztisztításban résztvevő mikroorganizmusok

Az aerob és anaerob szennyvíztisztítási folyamatokban a mikroszervezetek irányított tevékenységét használják a szerves anyag lebontására és mindkét folyamat enzimekkel katalizált biokémiai reakciók sorozatából áll.

9. táblázat. Biológiai folyamatok a szennyvíztisztításban

Lebontási végtermékeik részben, vagy teljesen gáz halmazállapotú, kismolekulájú stabil vegyületek, mint pl. CO2, CH4, H2S, NH3, stb. (64. ábra). A szerves vegyületek lebontása közben felszabaduló energiát saját életműködésükhöz (szaporodás, mozgás, növekedés, stb.) használják fel. A szerves anyagnak a sejtekbe beépült része ülepítéssel eltávolítható a rendszerből.

64. ábra. Mikrobiológiai szerves anyag lebontás

A biokémiai folyamatok vagy természetes, vagy mesterséges úton mennek végbe. Természetes folyamatok játszódnak le az élővizek öntisztulása során, a szennyvízöntözésnél és a talajon való átszűrésnél. Mesterséges eljárások során a mikroorganizmusok tevékenységéhez szükséges feltételeket emberi beavatkozás útján biztosítják. A természetes és mesterséges folyamatok lényegében azonosak, a különbség csupán annyi, hogy a mesterséges berendezések célszerű kialakítása lehetővé teszi a folyamatok kisebb helyen, és gyorsabban történő lejátszódását. A mesterséges biológiai eljárások között abban van eltérés, hogy az egyes eljárásoknak a mikroorganizmusokat, a szennyvizet és a levegőt milyen formában és milyen berendezések segítségével hozzák érintkezésbe egymással.

A szóban forgó reakciókat olyan fermentorokban valósítják meg, amelyben a biológiai sejttömeg vagy hártya alakjában tapad szilárd felületen, csepegtetőtest, vagy pelyhes formában lebeg a folyadéktérben, eleveniszapos eljárás. Az első esetben a szennyvíz a szilárd felületen átcsörgedezve jut érintkezésbe a mikroorganizmusokkal, a második esetben a mikroszervezet tömeg magában a szennyvízben van szuszpendálva.

A biológiai tisztítás hatásfokát döntően a tápanyag BOI5 terhelése és a rendszerben lévő eleveniszap aránya határozza meg.

Ebből a szempontból három rendszer különböztethető meg:

  • a biológiai résztisztítást nyújtó rendszerben a leépített BOI5-ben mért tápanyag és a levegőztető rendszerben lévő iszapkoncentráció hányadosa 1-nél nagyobb: Nb/Gsz >1. Ebben az esetben a szennyvízben lévő szerves anyagok egy része kerül lebontásra;

  • a teljes biológiai tisztítást nyújtó rendszernél:

Ebben az esetben a szennyvízben lévő szerves anyagok lebontódnak, a mikroszervezetek sejtanyaga azonban nem;

  • totáloxidációs rendszernél Nb/Gsz < 0,1. Ennél a tisztítási rendszernél a szennyvízben lévő szerves anyagokon túlmenően a mikroszervezetek sejtanyagának nagy része is lebontásra kerül.

Az aerob szennyvíztisztításban részt vevő organizmusok nagyságrend, energia- és táplálékigény szerint csoportosíthatók, valamint, hogy növényi vagy állati módon táplálkoznak-e. A biológiai szennyvíztisztítás alapvető organizmusai a baktériumok. Ezek mellett a szennyvízben tápanyagfogyasztóként gombák is felléphetnek. A házi szennyvízben elsősorban a baktériumok, míg az ipari szennyvízben általában a gombák vannak túlsúlyban. A mesterséges biológiai tisztításban az algáknak nincs szerepük, azonban előfordul, hogy a csepegtetőtestek felületén megjelenve eltömődést okoznak. A protozoák egysejtű állati lények. A csepegtetőtest protozoa faunája gazdagabb, mint az eleven-iszapos medencéké. Valószínűleg ez a különféle fajok közti versengés következménye és miután a csepegtetőtestben lehetővé válik a fajok rétegekben való elkülönülése, szaporodásuk itt biztosabb. Az aerob szennyvíztisztítási rendszerekben a makrofauna képviselői közül is több-kevesebb megtalálható. A csepegtetőtesteken jelentkező makroorganizmusokat hártyapusztító faunának is nevezzük, mivel a test felületén a legfelső rétegeiben a tápanyagdús környezetben megvastagodott mikroorganizmus hártyaanyagával táplálkoznak. Amikor a hártya által nyújtott tápanyag mennyisége külső behatás miatt csökken, a makrofauna fajai a tápanyagért versengve egymást pusztítják el.

Az anaerob fermentációt általában szennyvíziszapok lebontására használjuk. Ritkán magas szerves anyag tartalmú szennyvizek kezelésére is alkalmazzuk.

Az anaerob eljárásnak számos előnye van. A lebontott szerves anyagok mennyiségére eső biológiai sejtanyag sokkal kisebb, mint az aerob eljárásnál. Ez a végtermékek, különösen a metán magas energiatartalmával magyarázható, a legfőbb előnye azonban a rendszer nagy terhelhetősége. Hátránya a rendszernek, hogy a lebontott szerves anyagra eső baktérium tömeg szaporulat csekély, így a rendszer az aerobénál hosszabb tartózkodási időt igényel. További hátrány a rendszer labilitása. Mivel az aerob szervezetek generációs ideje lényegesen rövidebb, legfeljebb órák (míg az anaerob szervezeteké napok), az eleveniszapos folyamat az egyensúly felborulásából (pl. váratlan nagy szerves anyag terhelés, vagy toxikus lökés) hamarabb felépülhet. Az eleveniszapos, aerob jellegű folyamat tehát a baktériumok gyors szaporításával könnyen alkalmazkodhat a hirtelen emelkedő terheléshez. Ezzel szemben mire az anaerob rendszerben a metánbaktériumok száma lényegesen megemelkedik, addigra a pH már toxikussá válhat. Fő hátrányként kell megemlíteni, hogy az anaerob fermentort jó hatásfokkal és gazdaságosan csak 30 ºC körüli hőmérsékleten lehet üzemeltetni, így a metán formában termelt energia nagy része 30-60 %-a a rothasztók fűtésére használódik. Ezen túlmenően a rothasztó fűtéséhez szükséges fűtő- és hőkicserélő berendezés magas beruházási költséget és költséges üzemelést jelent.

Az anaerob és aerob folyamatokat befolyásoló tényezők

A szennyvíztisztítás biológiai fokozatának hatékonyságát több tényező, így pl. a jelenlevő aktív szervezetek mennyisége, a metabolízis (anyagcsere) sebessége, a víz hidraulikus tartózkodási ideje és a szervesanyag-terhelés, stb. egyaránt befolyásolja. A biológiai fokozat szervesanyag-terhelése az egységnyi idő alatt bejuttatott szerves anyag mennyiségének és a berendezésben lévő eleveniszap szárazanyagának hányadosa, a tápanyag-mikroorganizmus arányát jelenti - kg szerves-anyag (kg iszap/nap) egységben.

A biokémiai folyamatok sebessége független a folyadékok oldott oxigénkoncentrációjától, ha a levegőztető medencében az oldott oxigén koncentrációja 0,2-0,5 mg/l-nél nagyobb. Ha az oxigénkoncentráció ennél kisebb, a folyamat függ az oxigénkoncentrációtól és a BOI5 eltávolítás sebessége csökken. A szerves vegyületek biológiai oxidációjához minimális mennyiségű nitrogénre és foszforra is szükség van, mivel ezek képezik a kialakuló új sejtek anyagát. Ezen felül még különböző egyéb elemek, pl. kálium és kalcium nyomokban jelentkező mennyisége is szükséges. Ez utóbbiak általában elegendő mennyiségben vannak jelen a szennyvízben, a nitrogén és foszfor azonban egyes esetekben hiányozhat és a baktériumok anyagcsere-szükségleteinek kielégítése céljából pótlólagos tápanyagként kell a szennyvízhez adagolni. Általában ammónium-nitrogén és oldható foszforsókat adagolnak, mivel ezek a mikroorganizmusok szervezetében a legkönnyebben hasznosíthatók. A pH értéknek a biológiai oxidációs folyamatra gyakorolt hatása az enzimes reakciókkal van összefüggésben. Az enzimaktivitás bizonyos pH tartományon belül maximális, ezen a tartományon túl, vagy ez alatt, az aktivitás csökken. Házi szennyvíz tisztítására szolgáló eleveniszap esetében az optimális pH tartomány 6,5-7,5 közé esik.

Egyes rendszereknél az optimális biológiai aktivitási tartomány tekintélyes mértékben eltérhet a semleges állapottól. Sok anyag mérgező hatást gyakorol a biológiai lebontás folyamatára. Az enzimtevékenységet részlegesen vagy teljesen gátolhatja a vegyület minőségétől és koncentrációjától függően. A toxicitás okai különbözőek lehetnek. Vannak szerves anyagok, pl. a fenol, amelyek nagy koncentrációban toxikusak, de kis koncentrációban lebonthatók. Egyes szervetlen mérgek, pl. nehéz fémek, meghatározott küszöbkoncentráció felett toxikusak. Akadhatnak olyan szervetlen sók, amelyek magas koncentráció esetén késleltetik a biológiai folyamatot. Bizonyos esetekben a mikroszervezetek képesek a toxikus anyagok koncentrációs szintjéhez alkalmazkodni, akklimatizálódni. Az is előfordulhat, hogy a mérgező anyag tápanyagként is felhasználható. Különböző szerves anyagok anaerob lebontásánál más és más optimális hőmérsékleti tartományt találunk. A biokémiai reakciók hőfüggését az Arrhenius-egyenlettel, illetve kísérletekkel szokták meghatározni.

Anaerob fermentációnak a rothasztást nevezzük. A környezeti tényezők változásaira a metánbaktériumok érzékenyebbek, mint a savképző baktériumok. Lényeges a pH érték, ha ez 6,5 alá esik, általában mésztejjel semlegesítenek. A metánbaktériumok két hőmérsékleti tartományban a legaktívabbak. A mezofil tartomány 30-35 ºC között, a termofil tartomány 50-60 ºC között észlelhető. A rothadás közben keletkező gáz fejlődése 35, illetve 55 ºC-on maximális. A toxikus hatásokkal szemben a termofil tartomány érzékenyebb. A termofil rothasztás gazdaságosságát kérdésessé teszi a nagy hőveszteség is, a keletkező gázmennyiség általában nem elégséges a rothasztó rendszer megfelelő hőfokon való tartásához. Az anaerob rendszereknél a környezeti tényezők szoros kölcsönhatásban vannak egymással és mindegyik közvetve vagy közvetlenül befolyásolja a többit.

A szennyezőanyag-lebontás kinetikája

A biológiai szennyezők eltávolításának hatékonysága a mikroorganizmusok metabolizmusától függ. A mikroorganizmusok metabolizmusát meghatározza a tápanyagként felhasználható szubsztrátok minősége és mennyisége. A szubsztrátokat anyagcsere-sebességre gyakorolt hatásuk alapján négy csoportba sorolhatjuk (65. ábra). Az anyagcsere-sebesség az esetek túlnyomó többségében arányos a szubsztrátfogyás sebességével. (Az S szubsztrát-koncentráció alatt a mikroorganizmus környezetében fennálló szubsztrát-koncentráció értendő)

65. ábra. Szennyvízkomponensek besorolása és hatásuk a mikroorganizmusok anyagcsere sebességére

A mikroorganizmus genomja (genotípusa) meghatározza, hogy a mikroorganizmus metabolizmusa milyen szubsztrátokat képes hasznosítani ill. bontani. A mikroorganizmus fenotípusa az adott körülmények között funkcionáló metabolikus tulajdonságok összessége. A genomban kódolt tulajdonságok nem feltétlenül jelennek meg a fenotípusban.

Enzim: a biokémiai folyamatok katalizátora

Szubsztrátok csoportosítása

Growth-szubsztrát: a mikroorganizmus enzimrendszere képes bontani, és a szubsztrát v. lebontási termékei bekapcsolódnak az energiatermelés folyamatába.

Non-growth szubsztrát: sem a szubsztrát, sem lebontási termékei nem kapcsolódnak be az energiatermelés folyamatába.

Enzim indukáló szubsztrát: aktiválja a mikroorganizmus enzimrendszerét, ilyen módon a mikroorganizmus képes biodegradálni.

Enzimet nem indukáló szubsztrát: nem indukálja a mikroorganizmus enzimrendszerét, ilyen módon önmagában nem képes biodegradációt előidézni. Ez nem jelenti azt, hogy nem biodegradálható. Enzimet nem indukáló szubsztrátok biodegradációja akkor lehetséges, ha a rendszerben jelen van egy másik szubsztrát, amely képes az adott enzimrendszert aktiválni.

Kometabolizmus: egy non-growth szubsztrát biotranszformációja egy growth-szubsztrát obligát jelenlétében.

A mikroorganizmusok energiagazdálkodása

A heterotrof mikoorganizmusok kizárólag kémiai energiát képesek hasznosítani. Az autotrof mikroorganizmusok egy része (fotoszintetizálók) a fényenergiát is képesek felhasználni. Az „általános energiavaluta” az élőlények anyagcseréjében az ATP (adenozin trifoszfát).

A mikroorganizmusok energiatermelő anyagcsere folyamatai lejátszódhatnak oxigén jelenlétében (aerob metabolizmus) ill. oxigén hiányában (anaerob ill. anoxikus) metabolizmus.

Látható, hogy energiatermelés szempontjából sokkal hatékonyabb az aerob metabolizmus (a reakció során felszabaduló energia jóval nagyobb). Ennek megfelelően oxigén jelenlétében az aerob mikroorganizmusok metabolikus előnyt élveznek az anaerobokkal szemben, ezért aerob körülmények között anaerob folyamatok nem játszódnak le a biomasszában.

A metabolizmus oxidációs és redukciós folyamatok összessége. A mikroorganizmus energiát nyer a szerves vegyületek oxidációjával. Mivel a lejátszódó oxidációs és redukciós folyamatok eredője 0, szükség van olyan vegyületre, amely redukálódik, azaz „elektront vesz fel”. Ez a vegyület az ún. terminális elektronakcepor. Aerob esetben ez a vegyület az oxigén.

Amennyiben oxigén nincs jelen a rendszerben, más vegyületek szolgálhatnak elektronakceptorként. A különböző elektronakceptoroknak különbözik az oxidáló ereje (standard redoxpotenciálja), ennek megfelelően változik a metabolizmus során kinyerhető energia mennyisége.

Elektronakceptor redoxpár:

Anoxikus körülmények között, amennyiben oxigén nincs jelen a rendszerben, nitrát azonban igen, így ez szolgál elektronakceptorként. Az ún. denitrifikáló mikroorganizmusok a nitrátot nitritté, majd elemi nitrogénné redukálják, ez a folyamat a denitrifikáció.

Anaerob körülmények esetén sem oxigén, sem nitrát nincs jelen a rendszerben. Amennyiben szulfát jelen van a rendszerben elektronakceptorként szulfittá (SO32-) és később kénhidrogénné (H2S) redukálódik szulfátredukáló mikroorganizmusok hatására. Amennyiben szulfát sincs jelen a rendszerben, a szén szolgál elektronakceptorként és metán keletkezik (metanogén baktériumok). Az anaerob folyamatok során melléktermékként illósavak (pl. ecetsav, vajsav) keletkeznek.

Mivel az energiagazdálkodás szempontjából előnyösebb helyzetben vannak az aerob organizmusok, metabolikus előnyt élveznek a denitrifikálókkal szemben, a denitrifikálók előnyt élveznek a szulfátredukálókkal szemben, szulfátredukálók előnyt élveznek a metanogénekkel szemben.

A másodlagos szennyvíztisztítás technológiai folyamatait mutatja be a 10. táblázat.

10. táblázat. A másodlagos szennyvíztisztítás technológiai folyamatai

Összefoglalás

A biológiai tisztítás lényegében biokémiai reakciókon alapul és végrehajtásához különböző mikroorganizmusokra van szükség. Az aerob és anaerob szennyvíztisztítási folyamatokban a mikroszervezetek irányított tevékenységét használják a szerves anyag lebontására és mindkét folyamat enzimekkel katalizált biokémiai reakciók sorozatából áll. Lebontási végtermékeik részben, vagy teljesen gáz halmazállapotú, kismolekulájú stabil vegyületek, mint pl. CO2, CH4, H2S, NH3, stb.

A szerves vegyületek lebontása közben felszabaduló energiát saját életműködésükhöz (szaporodás, mozgás, növekedés, stb.) használják fel. A szerves anyagnak a sejtekbe beépült része ülepítéssel eltávolítható a rendszerből.

A biokémiai folyamatok vagy természetes, vagy mesterséges úton mennek végbe. A biológiai tisztítás hatásfokát döntően a tápanyag BOI5 terhelése és a rendszerben lévő eleveniszap aránya határozza meg.

A tisztítás hatásfoka alapján három rendszer különböztethető meg:

  • résztisztítás,

  • teljes biológiai tisztítás,

  • totáloxidációs tisztítás.

Az aerob és anaerob folyamatokat több tényező befolyásolja: pH, szubsztrát minősége és mennyisége, hőmérséklet, stb. Energiatermelés szempontjából sokkal hatékonyabb az aerob metabolizmus.

Ellenőrző kérdések

  1. Mi az előnye és a hátrány az aerob folyamatnak az anaerobbal szemben?

  2. Milyen tényezők befolyásolják az aerob és anaerob folyamatokat?

  3. Mit nevezünk természetes és mesterséges szennyvíztisztítási folyamatnak?

  4. Hogyan csoportosítható a biológiai szennyvíztisztítás a tisztítás hatásfoka alapján?

  5. Milyen vegyületek szolgálhatnak elektronakceptorként?