Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

12. fejezet - Szennyvizek anaerob kezelése

12. fejezet - Szennyvizek anaerob kezelése

Bevezetés

Magas szerves anyag tartalmú szennyvizek esetén célszerű alkalmazni az anaerob tisztítást. Az anaerob rothasztás a fermentációs folyamatok sorozatán keresztül a szerves anyagot átalakítja stabil végtermékekké, amely mellékterméke metán és szén-dioxid.

Mezofil és termofil körülmények között megy végbe, ami sok esetben energia-befektetést jelent.

Az anaerob lebontás négy szakaszból áll:

  • hidrolízis,

  • savképződés,

  • acetogenézis (ecetsav, CO2 és H2),

  • metanogenézis (CH4).

E folyamatokat főleg baktériumok végzik, melyek sok tényezőre (pH, toxikus anyagok, nehézfémek, O2, NH3, H2S, stb.) érzékenyek.

A szennyvízkezelésben oldómedencéket, oldóaknákat alkalmaznak elsősorban házi szennyvíztisztításban.

Követelmény

  • Tudja értelmezni az anaerob folyamatokat és azok redoxi reakcióikat.

  • Ismerje a különböző technológiákat és azok alkalmazási feltételeit!

  • Tudjon beavatkozni az egyes részfolyamatokba a rendelkezésére álló adatok, paraméterek alapján!

  • Ismerje az oldómedencék felépítését, működését!

Anaerob kezelés

Az anaerob kezelés során levegőtől elzártan végzik tevékenységüket a mikroorganizmusok, de ekkor sem oxigén nélkül. Az életfunkciójukhoz szükséges oxigént nem a vízben oldott formában, hanem a tevékenységükkel (szerves anyagok lebontásával) felszabadított oxigénből nyerik.

Aszerint, hogy az anaerob folyamat savas (pH=7 alatt), vagy lúgos (pH=7 felett) közegben zajlik le, megkülönböztetünk:

  • kénhidrogénes (savas)

  • és metános eljárást (lúgos).

Az elnevezés egyben jelzi, hogy a lebontás során szén-dioxid mellett kénhidrogén vagy metán fejlődik.

A metános eljárás a kívánatos, mert az gyakorlatilag bűzmentes, a keletkezett gáz értékes tüzelőanyag (kb. 220 MJ/m3).

Ezzel szemben a kénhidrogénes nemcsak hasznosíthatatlan, hanem erősen korrózív és kibírhatatlanul bűzös.

Az anaerob rothasztás a fermentációs folyamatok sorozatán keresztül a szerves anyagot átalakítja stabil végtermékekké, amely mellékterméke metán és szén-dioxid. Az anaerob technológiák a szennyvíztisztítási eljárások között az utóbbi időben a fejlett országokban egyre nagyobb teret nyernek.

Ennek az okát az alábbiakban foglalhatjuk össze:

  • az aerob kezelésnél lényegesen kisebb a keletkező iszap mennyisége, így a szennyvízproblémából nem lesz iszapprobléma.

  • energiafogyasztás helyett energiatermelés biogáz formájában.

Természetesen hátrányai is vannak:

  • kevésbé elterjedt és ismert technológia;

  • összetett és bonyolult biológiai folyamat;

  • érzékenyebb a toxikus anyagokra.

Mezofil tartományban hatékony, ezért sokszor fűteni kell, így az energiamérleg csak magas szerves szennyezettségű (KOI = 2000 mg/l) szennyvizek esetén pozitív.

Az anaerob rothasztás nem kíván mechanikus levegőztetést. Ez a mechanikus levegőztetés az aerob folyamatoknál az egyik legnagyobb költségtényező a rendszer működtetése során.

A jól megtervezett anaerob reaktoroknak a tisztítási kapacitása nagyobb, mint az aerob rothasztóké, amely általában kisebb reaktor méreteket igényel, illetve ugyanaz a reaktor méret nagyobb tisztítási kapacitással bír, mintha azt fajlagosan aerob felületekre vetítenénk.

Az aerob és anaerob rendszerek szénmérlegét mutatja be a 66 ábra.

66. ábra. Az aerob és anaerob lebontás szénmérlege

Az ábrán látható, hogy az anaerob lebontás során a termelődő biogázba kerül át a szennyvíz széntartalma. A szennyvíziszap visszatartásának technikája alapján az anaerob folyamatok közül 2 alapfolyamatot tudunk elkülöníteni:

Az egyik eljárás, ahol ún. "fix filmes" folyamatokban anaerob organizmusok szilárd tartóanyagon bontják le a szennyvíziszap szerves anyag tartalmát. Ez a szilárd tartóanyag lehet homokszerű, fluid ágyakban alkalmazva, vagy őrölt kőszerű makroszkopikus méretekben, illetve mesterséges tartóanyagok is lehetnek.

A másik eljárás az anaerob rothasztás során a gravitációs ülepítők alkalmazása. Ezek a gravitációs ülepítők lehetnek a reaktoron belül, vagy a reaktortesten kívüli elhelyezésben. A belső ülepítőmegoldást alkalmazzák a felfelé áramoltatott anaerob iszapkezelőkben (Upflow Anaerobic Sludge Blanket-UASB reaktor).

Az anaerob rothasztás meglehetősen komplex és összetett folyamat, ahol 4 összefüggő részfolyamatot tudunk elkülöníteni.

A folyamat első részében, ahol főleg fakultatív baktériumok vesznek részt, a biomassza legnagyobb részét kitevő fehérjék, szénhidrátok és zsírok enzimatikus úton, exoenzimek (sejten kívül dolgozó enzimek) segítségével hidrolízis során kisebb vegyületekre, aminosavakra, zsírsavakra, glicerinre és monoszacharidokra hasítódnak. Az így előkészített kisebb molekulákat már fel tudja venni a baktérium és tápanyagként hasznosítja. Az anaerob rendszerekben az egyik limitáló tényező gyakran a polimerek hidrolizálásának a sebessége. A sejten kívül tevékenykedő extracelluláris hidrolizáló enzimek minden elérhető szubsztrát molekulát megtámadnak és elbontanak. Így normális körülmények között amellett, hogy a hidrolizáló baktériumok tápanyagszükségletét kielégítik, a környezetben más mikroorganizmusok számára is juttatnak ezekből az anyagokból. A hidrolizáló baktériumok saját anyagcsere folyamataikban úgy jutnak energiához, hogy a felvett cukrokat, aminosavakat és zsírokat tovább bontják még kisebb molekulákká, és a közben felszakadozó kémiai kötésekben tárolt energiával "hajtják" saját bioszintetikus folyamataikat.

A második fázis a savképződés, ahol főleg anaerob baktériumok dominálnak a folyamatban. Az acidogenézisben az előző fázis termékeiből főleg alkoholok és savak képződnek. Mivel ebben a folyamatban elsősorban savképző baktériumok (esherichia, pseudomonas, clostridium, bacilus) vesznek részt. A folyamat pH csökkenésével jár együtt.

A harmadik részfolyamatban az acetogén mikroorganizmusok a magasabb rendű zsírsavakból oxidáció révén ecetsavat, szén-dioxidot és hidrogént állítanak elő. A természetes úton képződő metánmennyiség kb. 70%-a acetátból keletkezik. Az acetogének nagyon sokfélék és a környezeti hatásoknak ellenállók. Mivel a következő csoportnak, a metanogéneknek redukálószerként hidrogént termelnek, az acetogének fontos szerepet kapnak a megfelelően alacsony redoxpotenciál kialakításában is. Ugyanakkor az acetogének is függnek a metanogénektől, mert ha azok nem fogyasztják el elég gyorsan az acetogének gyártottahidrogént, a hidrogén felhalmozódik és gátolja az acetogének működését. A termodinamikai egyensúly ilyenkor felborul, aminek a kölcsönös függőség miatt az egész rendszer kárát látja.

A negyedik, szigorúan anaerob körülmények között megvalósuló lépés a metanogenezis, amikor a metanogén mikroorganizmusok metán és szén-dioxid keverékét, biogázt állítanak elő. Néhány metanogén a hidrogént közvetlenül a szén-dioxid redukálásra tudja fordítani, mások az acetátot alakítják át szén-dioxiddá és metánná. Az egész biogáztermelési folyamat sebességét meghatározó mikrobiológiai folyamat a metanogenezis. A folyamatban keletkező gáz általában 50 70% metán és 30-50% szén-dioxidot és vízgőzt tartalmaz. A reaktor típusától függően általában a szerves hatóanyag 1 grammjából kb. fél liter biogáz képződik. A metanogének praktikus szempontból fontos tulajdonsága, hogy lassan szaporodnak és rendkívül érzékenyek a környezeti feltételek változásaira. A metanogének aktivitásának csökkenése másrészről azt jelenti, hogy az acetogének által termelt szerves savak felhalmozódnak, ami az egész folyamat "elsavanyosodásához", a biogáztermelés teljes leállásához vezet.

A biogáz képződés szempontjából a leghatékonyabbak a szénhidrátok és a zsírok. Kevésbé jól hasznosítható a fehérje, az utóbbival főleg akkor van baj, ha sok van belőle. Az anaerob rothasztás során a mikrobiológiai aktivitást a metanogén baktériumtömeg határozza meg. Azonban ez a metanogén baktériumtömeg az egységnyi mikrobiális anaerob rothasztásban lévő mikrobatömegnek mindössze egyhatodát teszi ki, amely ráadásul relatíve hosszú reprodukciós idejű is.

Az anaerob rothasztás előnyeiként lehet megemlíteni, hogy a szubsztrát irányában is viszonylag hosszú ideig fenntartható a mikrobiális aktivitás, míg aerob folyamatoknál ez néhány héten belül megszakad. Az anaerob folyamatokat alapvetően befolyásolja a hőmérséklet. Anaerob rothasztás beindulását 0 °C körül lehet megfigyelni, azonban a biogáztermelés a hőmérséklettel rohamosan növekszik és relatív maximumot két hőmérséklet tartományban ér el 30-37 °C körül, ez az optimuma a mezofil organizmusoknak, míg a meleg kedvelő termofil metanogén aktivitás 55 °C körüli hőmérsékleti csúcsnál mutat maximumot. A hőmérséklettel szorosan összefügg a szervesanyag lebontás hatékonysága is, amely 20 °C alatt jelentősen csökken. A 20 °C alatti tartományban az ún. psychrofil mikroorganizmusok aktívak. Ezeknek az optimális hőmérséklete 15-20 °C közötti. Több olyan opimális hőmérsékleti tartomány található, amelyben a baktériumok adott csoportja a legnagyobb anyagcsere-folyamat aktivitást mutatja. Az anaerob környezetben végzett anyagcsere folyamatok hőmérséklet függése az aerob folyamatokénál nagyobb. A gyakorlatban az alacsony hőmérsékletű psychrofil anaerob kezelési technikát kevés helyen alkalmazzák. Ennek oka, hogy a lebontás kinetikája lassú és az iszapstabilizálás tökéletlen. Nagy szerves anyag koncentrációjú szennyvíziszapok rothasztására kevésbe alkalmazható. Egyes kis koncentrációjú háztartási szennyvizek "hideg" rothasztását viszont számos esetben lehet ezen a hőmérsékleti tartományon megvalósítani. A mezofil rothasztás világszerte a leggyakrabban alkalmazott szennyvíziszap stabilizálási eljárás. A hőmérséklet növekedésével a gáztermelés sebessége nő, a stabilizációs idő pedig rövidül. Megállapítható, hogy 30 °C hőmérséklethez kísérletileg 15 nap stabilizációs időtartam szükséges. A legtöbb rothasztót 20 napi tartózkodási időre méretezik, amely megfelelő stabilizációt biztosít. 40-50 °C közötti hőmérsékleti tartományban a baktérium összetétel változása következik be. Itt már a termofil mikroorganizmusok megjelennek, azonban ezeknek a mikroorganizmusoknak az optimális hőmérséklettartománya 50-55 °C között van.

Annak ellenére, hogy a mezofil és termofil fermentorokban más fajok és más összetételű mikrobiológiai konzorciumok végzik az anaerob lebontási munka dandárját, a megfigyelhető biokémiai reakcióutak és köztitermékek gyakorlatilag ugyanazok. A legszembetűnőbb különbség az, hogy a magas hőmérsékleten dolgozó mikrobaközösségek kevesebb propionsavat és vajsavat készítenek, a közti lépések fő terméke az ecetsav és hidrogén. Ez számunkra azzal a kellemes következménnyel jár, hogy a termofil körülmények között végzett anaerob lebontás környékén kevésbé érezzük az anaerob bomlást kísérő jellegzetes illatot, amit a hosszabb szénláncú szerves savak okoznak.

A termofil rothasztás előnyei: a kapacitás kihasználás és a tartózkodási idő csökkenése, ami rendkívül előnyös. A kielégítő stabilizálás termofil hőmérsékleten a mezofil rothasztókhoz képest egyharmad rothasztótérfogattal érhető el. A csökkentett rothasztótérfogat gazdasági előnyeit azonban a magasabb hőmérsékleten végbemenő nagyobb hőveszteség hátrányosan befolyásolja.

A termofil rothasztás előnyei a mezofil rothasztással szemben összefoglalóan az alábbiak:

  • a szerves anyag átalakulása gyorsabb, elsősorban a hidrolízis gyorsabb lefolyása következtében;

  • szerves anyagok átalakulása, stabilizálása tökéletesebb;

  • a rothasztott iszap víztelenítési tulajdonságai javulnak;

  • patogén kórokozók redukciója tökéletesebb.

Hátrányként említhetjük meg:

  • az energiaszükséglet nagyobb (esetenként fűtés szükséges);

  • a beruházási költségek (szigetelés, hőcserélők stb.) magasabbak.

  • az eljárás üzemelési zavarokra érzékenyebb;

  • az anaerob rothasztási folyamatokat a környezeti miliő pH-ja szintén alapvetően befolyásolja.

Általában elmondható, hogy a rothasztásban részt vevő baktériumok 6,5-7,5 pH tartományban a legaktívabbak (11. táblázat).

11. táblázat. A savtermelés a mezofil metánbaktériumok közötti különbség

Összességében elmondható, hogy a metánbaktériumok a mikroorganizmusok magasan specializált csoportja, amelyek csak 1% oldott oxigénszint alatt és nagyon szűk tápanyagspektrumban képesek megélni. A tapasztalatok szerint a pH értékét lehetőleg 7 körüli értékhez kell közelíteni. A szoros pH szabályozás magasszintű pufferkapacitást feltételez, ezt a pH-puffert rendszerint természetes úton a szén-dioxid termelés, továbbá az oldatba kerülő pozitív töltésű ionok biztosítják. Amikor a proteinek bontódnak le az oldatba ammóniumion kerül, amikor zsírsavak sói bomlanak le, savas só kationja kerül oldatba. A kationok kiegyensúlyozása céljából azonos mennyiségű anionoknak kell keletkeznie. Ez a szerves anyag lebontásakor felszabaduló szén-dioxidból keletkező negatív töltésű, bikarbonáttal valósul meg.

Amikor a lebontandó szennyvíz vagy szennyvíziszap csak szénhidrátokat tartalmaz, puffer nem képződik, mert a szénhidrátok lebontásakor kationok nem szabadulnak fel. A rothasztáskor nagyon fontos, hogy elegendő puffer legyen jelen a pH 7 érték közeli tartásához. A bikarbonát lúgosság 2500-5000 mg/l mértékben nagymértékű pufferkapacitást biztosít és az illékony savak mennyiségének nagyobb mértékű növekedése a pH-t csak kis mértékben csökkenti. Számos ipari szennyvíz nem tartalmaz szerves nitrogéntartalmú vegyületeket elegendő mennyiségben, ezért a kielégítő pH szint fenntartásához lúgos anyagot kell adagolni. Ebből a célból leggyakrabban meszet használnak, de ennek számos hátránya is van, pl. kis koncentrációban oldódik, nehéz adagolni, a rendszerben negatív parciális nyomást kelthet, amikor a szén-dioxiddal reakcióba lép. Így, ha a rothasztóba meszet adagolnak, a pH-t gondosan ellenőrizni kell. Amint az 6,4-6,5 alá süllyed, további mészadagolás szükséges. Azonban a pH önmagában végzett ellenőrzése a szabályozási technika szempontjából nem elegendő, mert a pH csak akkor esik az optimális tartomány alá, ha a bikarbonát lúgosság zöme felhasználódik. Így a lúgosság és az illékony savak együttesen ellenőrizendők a reaktor folyamatokban. Általában korrekció szükséges, ha a bikarbonát lúgosság 1000 mg/l alá esik. Jól működő rothasztó iszap lúgossága 2000 mg/l-nyi kálciumkarbonát alá nem süllyedhet.

A mikrobiológiai folyamatokat nyilvánvalóan befolyásolják a reaktorba bekerülő esetleges toxikus anyagok. A toxikusság szempontjából az egyes anyagok csoportosítását a 12. táblázat mutatja be.

12. táblázat. Az anaerob lebontás szempontjából gátló és/vagy toxikus anyagok

Természetesen a kritikus koncentrációk nem csak önmagukban értékelendők, hanem más anyagok együttes jelenléte mellett különböző gátló, illetve szinergikus hatások léphetnek fel, amelyeket a környezeti tényezők is befolyásolnak. A kritikus koncentrációk megállapításánál az okozza a nehézséget, hogy a baktériumok rendelkeznek bizonyos adaptációs képességgel.

A metán termelők a legérzékenyebbek. Nagyon lassan szaporodnak, így bizonyos anyagokhoz, vegyületekhez való adaptációjuk hosszú és ez néhány hónapig is eltarthat. Általában megállapítható, hogy valamely anyag nagyon kis koncentrációjú jelenléténél biológiai stimuláció kezdődik. A koncentráció növekedésekor elérünk egy maximális stimulációt, amely után a biológiai aktivitás mértéke már csökken, ezután a koncentrációnövekedés már inhibitor hatású, amely a biológiai aktivitás csökkenésével jár, míg a biológiai aktivitás koncentráció növekedésével megközelíti a 0 értéket.

A metanogén közösségek működését közvetlenül gátolják a különféle elektronelnyelő vegyületek. Ezek a vegyületek tévútra terelik a metánképződéshez szükséges alacsony redox-potenciállal rendelkező elektronokat, az elektronokkal reagálva kivonják azokat a számunkra hasznos reakciósorbóI.

Ilyen először is az oxigén, a rendszerbe kerülő levegő okozza a leggyakrabban a metanogenezis leállását. A legtöbb anaerob mikroba ráadásul olyan enzimeket tartalmaz, amelyek az oxigénnel reagálva hidrogén-peroxidot, szuperoxid- és hidroxilgyököket állítanak elő, ezek a termékek pedig megölik a mikrobákat. Az anaerob baktériumok egy része rendelkezik olyan védekező enzimekkel (kataláz, peroxidáz), amelyek ezeket a gyilkos anyagokat semlegesíteni tudják, de ez a védekezési mechanizmus csak akkor eredményes, ha oxigén legfeljebb csak nyomnyi mennyiségben kerül a rendszerbe. Szerencsére az oxigén nagyon rosszul oldódik vízben, ezért a fermentorba táplált, levegővel érintkező anyaggal általában nem kerül be több oxigén, mint amennyivel a fennentorban élő fakultatív anaerob baktériumok el tudnak bánni.

Nagy veszély forrása lehet a sok nitrogént oxidált formában (nitrit, nitrát) tartalmazó szennyvíz is, mert a nitrát nagyszerűen oldódik vízben, és az anaerob környezetben előforduló denitrifikáló baktériumok eredményesen versengenek a metántermelőkkel a redukálószerért (alacsony redox-potenciálú elektronok, ill. helyben, "insitu" keletkező hidrogén). Az oxidált nitrogén vegyületek hatása összetett, nem csak arról van szó, hogy versengenek a metanogénekkel a kémiai energiáért, de a nitrátredukció közti termékei toxikusak is a metánt termelőkre. Ezt olvashatjuk ki abból a megfigyelésből, hogy a nitrát 50 mM koncentrációban a metanogenezist felére csökkenti, sokkal kevesebb nitrit (0,2 mM) viszont teljesen gátolja a metánképződést. Ezért érdemes figyelemmel kísérni a nitrit és nitrát szintjét a biogáztermelő fermentorban, ami főként akkor jelent problémát, ha magas koncentrációban nitrátot tartalmazó ipari hulladékot adunk a rendszerhez. A "normális" hígtrágya vagy szennyvíziszap nitrátkoncentrációja csak ritkán borítja fel a metántermelők aktivitását biztosító mikrobiológiai egyensúlyt. A problémát a csökkenő metánkihozatali eredmények jelzik, mielőtt a denitrifikálók átvennék a fermentorban a hatalmat.

Hasonló mechanizmus szerint versengenek a metántermelőkkel a szulfát redukáló baktériumok, amelyek a szulfát elredukálásából nyerik az életük fenntartásához szükséges kémiai energiát. Itt is arról van szó, hogy az anaerob rendszerben képződő alacsony redox-potenciálú elektronokért és acetátért megy a harc. Ha a viszonyok számunkra kedvezőtlenül alakulnak, a szulfátredukálók kiszoríthatják a metántermelőket. A legtöbb szulfátredukáló baktérium nemcsak hidrogént fogyaszt, hanem szerves szénvegyületet is, ez ad lehetőséget arra, hogy a mikrobiális egyensúlyt a számunkra kedvező irányba befolyásoljuk, ha túl sok szulfát kerül a reaktorba.

Egyértelmű megfigyelések igazolják, hogy a nitrogén és kén legredukáltabb formája (NH3, ill. H2S) mérgező a metanogén konzorciumokra nézve. A nem ionizált ammónia sokkal hatékonyabb ebből a szempontból, mint az ammónium ion (NH4+), az ammónia disszociációja pedig pH-függő folyamat: minél magasabb a pH-értéke (pH>8), annál több NH3 halmozódik fel a rendszerben. A szokásos anaerob körülmények között 0,4-1 g NH3 literenként már komolyan csökkenti a metán-termelést. A fenti megfontolásokból következik, hogy ilyenkor a rendszer pH-értékének alacsonyabbra állításával védhetjük ki a nem kívánt ammóniagátlást, de ezzel is körültekintően kell eljárni. Egyrészt azért, mert nagyon alacsony pH-értéken (pH<5) a metanogének sem érzik jól magukat, másrészt a kevert mikrobapopulációkban mindig jelen levő szulfátredukálók által gyártott hidrogén-szulfid (H2S) disszociációja alacsony pH mellett csökken.

Márpedig az ammóniához hasonlóan a nem disszociált H2S sokkal toxikusabb, mint a szulfidion (S2-), ugyanis a disszociálatlan (nem ionos formában levő) H2S könnyűszerrel át tud jutni a mikrobák membránjain, a szulfidion azonban nem. A gátló (50 mg/liter) szulfidkoncentráció ritkán alakul ki az anaerob fermentorban, mert a szulfid a jelenlevő fémekkel oldhatatlan fém-szulfidokat képez, így gátló hatását általában nem tudja kifejteni, azonban a csapadék oldékonysága függ a rendszer pH-jától. Elsősorban alacsony pH mellett van jelentősebb oldékonyság, amely viszont normál anaerob lebontási rendszerekben tartósan nem fordulhat elő. A szulfidok csökkentését a szulfidok csapadékká történő átalakításával, a szennyvíz hígításával, illetve a forrás csökkentésével lehet elérni.

Ha azonban a fermentorba sok fehérjét tartalmazó anyagot táplálunk be, az ammónia- és szulfidgátlás lehetőségére komolyan oda kell figyelni.

A táblázatban említett elemek közül az alkáli és az alkáli földfémek sói különösen egyes ipari szennyvizekben fordulhatnak elő nagymértékben és ezen kationok kombinációi nagyon komplex hatással bírnak. Egyesek más kationok toxicitását redukálják illetve esetleg szinergista hatást is kifejthetnek.

A nehézfémek sok rothasztó, üzemét gátolják. Az oldott állapotú réz, cink és nikkel sók koncentrációi meglehetősen toxikusak. A 6 vegyértékű króm erősen toxikus, noha ez a fémion rendszerint 3 vegyértékűvé redukálódik, amely a rothasztó normál pH tartományában viszonylag oldhatatlan, így toxikussága is kicsi. A vas és alumínium sók is ezen a pH tartományon alacsony oldékonyságot mutatnak. A toxikus állapot elkerülésére így az egyik megoldás a nehézfémek szulfidokkal való oldhatatlan csapadékká történő átalakulása. Általában kb. fél mg/l szulfid koncentráció szükséges a leggyakrabban előforduló nehézfémek 1 mg/l koncentrációjának csapadékká történő átalakításához. Megállapítható, hogy a szulfidok önmagukban meglehetősen toxikusak az anaerob folyamatokra, mint ahogy a nehézfémek is toxikusak, de egymással reakcióba lépve oldhatatlan sókat hoznak létre, amelyek a biológiai folyamatokra már kisebb kockázatot jelentenek. A toxikus szerves anyagok, ha viszonylag kicsi a terhelésük a rothasztóban, akkor folyamatosan lebonthatóak vagy csapadék formájában leköthetőek.

Összességében megállapítható, hogy a toxikus anyagok szabályozhatóak a rendszerben eltávolításukkal, hígítási eljárások alkalmazásával, komplex vagy csapadék létrehozásával, illetve más anyagok antagonista gátlása révén.

Oldómedencék

Az oldómedencés tisztítás kis szennyvíztermelés esetén kerülhet alkalmazásra, régóta használt megoldás. Nincs oxigén bevitel és a beérkező szerves anyag anaerob lebontással tisztul. A medencébe érkező szennyvíz ülepíthető része a medence fenekére rakódik és ott az anaerob baktériumok révén rothadásnak indul. A felszínen összegyülekező uszadék ugyancsak rothadásnak indul és gáz fejlődik, a gáz távozásával a részek lesüllyednek a fenékre, a távozó víz iszapot ragadna magával, ennek megakadályozására több medence is van, így többszöri ülepedés után viszonylag tiszta víz távozik.

Az oldómedence ülepítőtere rekeszes szerkezetű, a rekeszek között a szennyvíz az alul levő réseken áramlik keresztül. A közcsatorna-hálózat nélküli településkörzetekben házilag kialakított tisztítómű az adagoló aknával és szikkasztó aknával (iszapszikkasztás) kiegészített oldómedence (67. ábra).

67. ábra. Oldómedence fényképe (http://fenntarthato.hu/epites/Members/sasbrigi/oldomedence,%20oldoakna)

Az oldómedencébe vezetett szennyvíz ülepíthető szennyeződései a fenéken halmozódnak, a víznél könnyebb térfogatsúlyú anyagok pedig a felszínen úszó réteget képeznek. E két réteg között az iszapszemcsék a rothadáskor fejlődő gázbuborékok közvetítésével felemelkednek, majd visszasüllyednek. Hogy a medencéből elfolyó szennyvíz minél kevesebb ilyen iszapszemcsét vigyen magával, az oldómedencéket legalább 2 kamrára osztjuk. Az első kamra a kiváló szennyezőanyagok zömének visszatartását és kirothasztását végzi, a következő kamra a felúszott iszaprészecskék elfolyását akadályozza meg. Itt fejeződik be a rothasztás folyamata is.

Az oldómedencék két típusa ismert. Az egyszerű oldómedence két kamrából áll és három napi szennyvízmennyiség fogadására alkalmas hasznos térfogatúra kell kiépíteni (68. ábra).

68. ábra. Egyszerű oldómedence sémája (http://eki.sze.hu/ejegyzet/ejegyzet/petrkozm/50kozmu.html)

Bővített oldómedencét napi 4-25 m3 szennyvízterhelés esetén építenek (69. ábra).

69. ábra. Bővített oldómedence rajza (http://eki.sze.hu/ejegyzet/ejegyzet/petrkozm/50kozmu.html)

Ez mechanikai és részben már biológiai tisztítóberendezés is. Három kamrából áll és 6-10 napos tartózkodási időre épül.

A medenceszerkezet készülhet betonból, vasbetonból vagy téglából. A falakat belülről a szennyvíz szintjéig, kívülről a maximális talajvíz szintjéig vízzáró vakolattal készítik. Az uszadék átfolyását az egyes kamrák között a vezetőfal akadályozza meg.

Az oldómedencék üzemeltetéséhez nem szükséges szakképzettség és nem okoz különösebb gondot. A kiülepedett és részben lebontott szennyvíziszapot egy-két évenként el kell távolítani, hogy az ne csökkentse a hasznos térfogatot.

Telepítésekor a talaj minősége és a talajvíz helyzete meghatározó jelentőségű.

Az oldóakna az oldómedence fukciójával azonos, azonban térfogatában és geometriájában eltérő, mivel házi szennyvíztisztításra fejlesztették ki.

Aerob és anaerob folyamatok összehasonlítása

A természetbe kerülő szerves anyagokról az jut eszünkbe, hogy aerob biodegradáció útján bomlanak le, aminek részben az az alapja, hogy az aerob szervezetek többsége gyorsan szaporodik, valamint a fő terminális elektronakceptor a lebontó folyamatokban az oxigén. Ha ez jelen van, akkor az aerob lebontás a preferált O2-t elektronakceptorként használja. Az anaerob lebontás mintegy alárendeltje az aerob lebontásnak kinetikája és kapacitása miatt.

Néha bizonyos körülmények között az anaerob folyamatok gyorsabban zajlanak le, mint az aerob megfelelői, pl a marhák bendőjében a cellulózbontás sokkal gyorsabban megy végbe, mint oxigén jelenlétében, az átlagos felezési idő kb. egy nap.

Oxidált állapotú vegyületek biodegradációja esetén az anaerob folyamatok jöhetnek szóba.

Azokban az esetekben, amikor a hulladékkezelés során könnyen bontható/hasznosítható szerves anyagokat kell eltávolítani, pl élelmiszeripari szerves hulladék, az anaerob folyamatok nagyon hatékonyak, és olcsóbbak, mint az aerob kezelések, ráadásul az anaerob lebontás végén hasznos végterméket is nyerünk: metán.

A legtöbb esetben, ahol a szerves anyag lebontásához nem kell oxigén, pl polimerek hidrolizise, előnyös lehet az anaerob kezelés.

Az anaerob baktériumok a szubsztrát bontásából kevesebb energiát nyernek, mint az aerobok, ezáltal a sejtszaporodásuk mértéke is elmarad azokétól. Míg egy hexóz 6 CO2-dá történő aerob oxidációjából 2870 kJ/mol eenergia keletkezik, addig az anaerob hexóz átalakításból 3 CH4 és 3 CO2 lesz, aminek energianyeresége csak 390 kJ/mol.

Az anaerobok hatékony alkalmazása érdekében meg kell oldani, hogy a bioreaktorban nagy mennyiségű biomasszánk legyen, és vigyázni kell az „utánetetés” során se veszítsük el a hasznos anaerob mikroflórát.

A lebontási folyamatokban nem mindig előnyös az aerob, oxidációs reakció. Az oxigenázok hidroxil csoportot építenek a vegyületre, és a további oxigén jelenléte gyökképződést okozhat, pl. fenol gyökök, ami elindíthat egy polimerizációs (polifenolok) és kondenzációs folyamatot, huminszerű vegyületek keletkeznek, melyek további bontása rendkívül nehéz.

Ezért fenol jellegű vegyületek esetén gyakran alkalmaznak anaerob biodegradációt e folyamat elkerülése céljából.

Más esetekben a habosodás (pl. felületaktív anyagok jelenlétében) kiküszöbölése miatt választják inkább az anaerob megoldást.

A fentiek alapján megállapíthatjuk, hogy nem elegendő csak szigorúan a leggyorsabb lebontási folyamatot kiválasztani és alkalmazni, sokkal több szempontot figyelembe kell venni a módszer bevezetése előtt.

Szennyvíz kezelés esetén melyiket válasszuk (aerob vagy anaerob)?

Anaerob kezelés esetén gyakran előkezelés szükséges, hogy minimalizáljuk az oxigénigényt.

Koncentrált szennyvizek esetén azért érdemes az anaerob kezelést választani, mert energia (biogáz) nyerhető belőle, és kevesebb a biomassza képződés.

Aerob kezelés esetén az intenzív levegőztetés kihajthat illékony komponeneseket, ilyenkor az elhasznált gázt tisztítani kell.

Alacsonyabb szerves anyag koncentráció esetén, ha aerob kezelést alkalmazunk, relatíve magas lesz a járulékos költség a levegőztetés miatt, és sok biomassza marad a végén.

Az anaerob kezelés összeállítása költségesebb, de a működési költségek alacsonyabbak, mint az aerob megoldás esetén.

Összefoglalás

Az anaerob folyamatok oxigén szegény vagy oxigén mentes körülmények között elsősorban baktériumok enzimatikus tevékenységük során mennek végbe. Az anaerob rothasztás a fermentációs folyamatok sorozatán keresztül a szerves anyagot átalakítja stabil végtermékekké, amely mellékterméke metán és szén-dioxid.

Az anaerob lebontás négy szakaszból áll:

  • hidrolízis,

  • savképződés,

  • acetogenézis (ecetsav, CO2 és H2),

  • metanogenézis (CH4).

Egy folyamat sebességét mindig a leglassúbb részfolyamat sebessége határozza meg. Itt az utolsó fázis a metanogenézis a leglassúbb, ami alapvetően az egész folyamat meghatározó része minden szempontból.

Az egész rendszer nagyon érzékeny a környezeti hatásokra: hőmérséklet, pH, toxikus anyagok, nehézfémek, O2, NH3, H2S, stb.

Az anaerob folyamatokat a gyakorlatban a biogáz reaktorokban a szennyvíziszap kezelésében, míg a szennyvíztisztításban az oldómedencék működésénél alkalmazzák.

Ellenőrző kérdések

  1. Mit jelent az anaerob fermentáció?

  2. Jellemezze az anaerob lebontás szakaszait!

  3. Hogyan befolyásolja a pH az anaerob lebontást?

  4. Hasonlítsa össze a termofil és a mezofil rothasztást!

  5. Hogyan működik az oldómedence?