Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák I.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

14. fejezet - A szennyvizek aerob kezelése: eleveniszapos rendszer I.

14. fejezet - A szennyvizek aerob kezelése: eleveniszapos rendszer I.

Bevezetés

A biológiai szennyvíztisztítás legelterjedtebb formája az eleveniszapos eljárás. Jól alkalmazható a különböző terhelésű szennyvizeknél, mivel paraméterei jól szabályozhatóak.

E tanulási egységben megismerjük az eleveniszapos szennyvíztisztítás célját, elvét.

Bemutatásra kerülnek az eleveniszap jellemző tulajdonságai, a recirkuláció szükségessége és hatása a szennyvíztisztításra.

Követelmény

  • Ismerje az eleveniszapos szennyvíztisztítás fizikai, kémiai és biológiai alapjait!

  • Értelmezze az eleveniszap paramétereinek értékeit és a közöttük fennálló összefüggéseket!

  • Alapvizsgálatokat tudjon végezni

Az eleveniszapos eljárás olyan biológiai szennyvíztisztítás, amely a tisztítandó szennyvízben levő szerves szennyezőanyagok lebontódását felgyorsítja. A szennyvizet medencébe vezetik, amelyben a tápanyag és a mikroorganizmusok egyaránt szuszpendált állapotban, a vízben lebegve vannak jelen, és amelyben a két anyag intenzív érintkezését, elkeveredését, valamint az oxigénbevitelt valamilyen levegőztetés útján érik el. Bizonyos idő elteltével az eleveniszapot az ülepítéssel szeparálják, és fölös iszapként a rendszerből elvezetik, vagy a recirkuláció révén a rendszerben újrahasznosítják.

Az eleveniszapos eljárás szuszpendált állapotban jelenlévő mikroorganizmusokat használ oldott és kolloidális szerves anyagok CO2-dá és H2O-zé való oxidáláshoz, molekuláris oxigén jelenlétében. Az oxidáció révén a szerves anyag egy része új sejtekké szintetizálódik. A szintetizált sejtek bizonyos hányada a levegőztető medencében autooxidálódik, a többi recirkuláltatásra kerülő-, illetve fölös iszappá formálódik. Az oxidációhoz és a szintézis reakcióhoz oldott oxigén szükséges. A folyamat folytonossága céljából képződött élő szervezeteket (eleveniszapot) utóülepítőben a folyadéktól szeparálják és a szeparált iszap nagyobb hányadát a levegőztető medencében recirkuláltatják. A fölös iszapot (az utóülepítő aljából eltávolítva) kezelik, illetve elhelyezik.

Az eleveniszapos biológiai tisztító

A biológiai szennyvíztisztítás legelterjedtebb műszaki megoldása az eleveniszapos eljárás, ez tulajdonképpen folytonos táplálású aerob fermentor, mely működésének elengedhetetlen feltétele a mesterséges oxigénbevitel.

Az eleveniszapos biológiai tisztító működési elve

Az eleven iszapos eljárás során a természetben is lejátszódó aerob folyamatok játszódnak le a természetes körülményekhez képest kisebb helyen és gyorsabban, ehhez szükség van a mesterséges oxigén utánpótlásra is. A szerves anyagot a mikroorganizmusok beépítik szervezetükbe. A baktériumszaporulatot ülepítéssel távolítják el, melynek egy részét visszavezetik a folyamat elejére – recirkuláltatják (77. ábra).

Az eleveniszapos biológiai tisztítás során lejátszódó folyamatok

Az eleveniszapos rendszerben alapvető valamennyi tápanyagnak a megfelelően méretezett reaktorban történő valamilyen eloszlatása, hogy a lebegő (vagy akár a rögzített állapotban, biofilmben szaporodó) mikroorganizmusok az aktuálisan szükséges tápanyagokkal közvetlen kontaktusba kerülhessenek.

Valamennyi esetben térbeli mikroorganizmus-komplexumok, úgynevezett iszappelyhek/iszapfilmek alakulnak ki. Az iszappelyhek átlagos nagysága mintegy 30-130 μm közötti, így a belső tereiben nagy iszapterhelés és hiányos levegőztetés esetén oxigénhiány fordulhat elő. Az iszap-pelyhek felületének és belsejének különböző körülményei miatt annak mikroorganizmusai egymást kizáró folyamatok szimultán végrehajtására is képesek.

77. ábra. Eleveniszapos rendszer biokémiai folyamatai

A lebontás során a darabos és kolloid szennyezések a baktériumok testén kívül ható exoenzimek hatására hidrolizálnak, elfolyósodnak. Ezután a baktériumok a hidrolizált és az eleve oldatban lévő szerves anyagokat a sejthártyán keresztül felveszik (primer szervesanyag-eltávolítás) majd a sejten belül anyagcsere-folyamataik során részben oxidálják, részben növekedésre, szaporodásra fordítják.

Mivel a tiszta elfolyó víz a cél, a mikrobák szerves tápanyagban szegény közegben, az optimális létfeltételeikhez képest "éheznek", növekedésük viszonylag lelassul. Ebben az állapotban az elfogyasztott szubsztrát jelentős részét csupán a sejt fenntartására, pontosabban az ehhez szükséges energia előállítására kell felhasználják.

Az elfogyasztott szerves szubsztrát felhasználási sorsát heterotróf szervezetek esetén az alábbiakban foglalhatjuk össze:

fogyasztás = energia + új sejtanyag képzés

Mivel az új sejtek képzése is energiaigényes, az energia tag tovább bontható:

energia = fenntartás + szaporodás

Természetesen a sejt fenntartás a szaporodáshoz képest elsőbbséget élvez. A fenntartáshoz szükséges szubsztrát mennyisége ugyanekkor egy adott sejt (ill. adott mennyiségű sejt) esetén többé-kevésbé meghatározott, a sejt mennyiséggel arányos.

Növekedés ill. szaporodás az e feletti "extra" szubsztrát mennyiségétől függ.

A mikroorganizmusok oxigént fogyasztanak akkor is, ha nem áll rendelkezésükre tápanyag. Ezt az oxigénfogyasztást nevezik endogén légzésnek (sejtlégzés). Az endogén légzés intenzitása, az 1 g száraz iszapra vonatkoztatott oxigénfogyasztás sebessége, jellemző az iszapban lévő élő, aktív baktériumok számára, az iszap aktivitására. Ha az "éhező" baktériumok szuszpenziójához szerves anyagot tartalmazó szennyvíz kerül, a légzés intenzitása hirtelen megnő.

Az ilyenkor észlelt oxigénfogyasztás a szubsztrát légzés.

A szubsztrát légzés során fogyott oxigén részben az ilyenkor is fennálló endogén légzést, részben a tápanyag oxidációját szolgálja.

Eközben lejátszódó folyamatok:

  • endogén légzés esetén:

  • szubsztrát légzés esetén:

Kedvezőtlen körülmények között (optimálistól eltérő pH, hőmérséklet, sókoncentráció stb.) természetesen a sejt fenntartására több energia fogy, azaz nem tekinthető állandósultnak.

A szerves anyagok oxidációja és iszapba történő beépítése során a mikroorganizmusoknak szükséges mennyiségű nitrogén és foszfor beépítésére, vizes fázisból történő eltávolítására is sor kerül. Az ilyen tisztításnál a fajlagos iszapszaporulat 0,6-1 kg iszap szárazanyag/kg BOI5 körüli érték. Az iszapban a nitrogén tartalom 5,5-6,5%, míg a foszfortartalom mintegy 1,5% körüli érték. Ezekkel a fajlagos értékekkel kiszámítható, hogy a biológiai tisztításra kerülő szennyvíz TKN (Total Kjeldahl Nitrogén) és összes foszfor tartalmának is mintegy kétharmada-háromnegyede a vizes fázisban marad oldott, sőt disszociált formában, ammóniumként es orto-foszfátként.

Az aerob lebontás az eleveniszapos medencében megy végbe. Az eleven iszapos eljárás során a szerves anyagok oxigén jelenlétében bomlanak, az aerob lebontás végterméke a szén-dioxid. A biológiai tisztítástól megkövetelik a szennyvíz nitrogéntartalmának az átalakítását nitrátionná. A vízi környezet növekvő terhelésével, s a technológiák folyamatos fejlődésével azonban egyre növekvő igény jelentkezett az elfolyó víz ammónium-tartalmának csökkentésére. A vizsgálatok kimutatták, hogy ez a vegyület oldott NH3 formában, 8,5 pH felett jóval toxikusabb a halakra nézve, mint a nitrát. A nitrát ugyanakkor a felszíni vízből történő ivóvíz előállítás esetén jelent veszélyt a csecsemőkre. Az ammónium és nitrát ugyanakkor a foszfáttal együtt növényi tápanyag, ami az élővizekben elsősorban az algaprodukciót sokszorozhatja meg, kedvezőtlen esetben akár káros mértékű eutrofizációt is okozva. A tisztítók tervezésénél tehát ettől kezdve úgy kellett a korábbi elveket módosítani, hogy a szennyvíztelepeken a nitrifikációhoz, denitrifikációhoz és a foszfor eltávolításához szükséges körülményeket is biztosítani lehessen. A nitrogéntartalom eltávolítása azért is szükséges még, mivel a biológiai tisztítást fertőtlenítés követheti, mely során az ammónium tartalom klór-aminokká alakul.

Tisztíthatóság eleveniszapos tisztítókkal

Az eleven iszapos eljárásnál fontos, hogy a pH mindig 6 és 8 között maradjon, a medencét hidraulikailag úgy kell kialakítani, hogy az áramlásban holttér ne keletkezzen, a nyers szennyvíz és a recirkulációs iszap jól keveredjen. A medencéket az eróziós hatások miatt általában műanyaggal vagy más anyaggal burkolják.

Az eleveniszapos tisztítók szerepe

Eleveniszapos rendszereket minden, biológiailag bontható szerves anyagot tartalmazó szennyvíz tisztítására alkalmazhatunk. A legelterjedtebb biológia eljárás, különböző típusai jól alkalmazhatóak mind kis mind nagy vízhozamok illetve szervesanyag-terhelés mellett is.

A mesterséges tisztítás folyamata jól szemlélhető az iszapszaporodási görbével, ahol az x tengelyen a levegőztetési időt, a függőleges tengelyen a mikroorganizmusok számát, illetve ennek megfelelő iszapkoncentrációt tüntetik fel. A könnyen lebontható szerves anyagokra vonatkozó iszapszaporodási görbe és a különböző eleveniszapos rendszerek közötti kapcsolat látható a 78 ábrán.

78. ábra. Iszapszaporodási görbe és a különböző eleveniszapos rendszerek közötti kapcsolat

Bedolgozási fázis, amely részben exponenciális, ahol részben a szubsztrátok lebontásához szükséges enzimek képződnek. A tisztítás során a pelyhek érintkezésbe kerülnek a szennyvízzel és abszorbeálják környezetükben lévő oldott és lebegő anyagot. Ez egy gyorsan lejátszódó folyamat, ahol a szerves anyagszennyeződés abszorbeálódik. Ebben a tartományban dolgoznak a legnagyobb terhelésű eleven iszapos telepek. Ebben a fázisban olyan szennyezőanyagok lebontására kerül sor, amelyek biológiai lebontásához szükséges oxigénigényre még nem vezetnek. Erre a folyamatokra általánosságban az abszorpció jellemző. Valódi biológiai lebontás csak részben érezhető, ezért kis mértékű az oldott oxigénfelhasználás.

Exponenciális fázis, amelyet tápanyag túlkínálat jellemez, így a mikroorganizmusok felszaporodása maximális osztódási sebességgel megy végbe. A mikroszervezetek diffúzió révén táplálkozni kezdenek, a vízben lévő szerves anyagból, jellemző, hogy ebben az esetben a mikroszervezetek mennyisége viszonylag kicsi, viszont a tápanyag mennyisége relatíve sok, tehát a szaporodás logaritmikus mértékben növekszik. A szaporodás mértéke az oxigén ellátottság függvénye, tehát amennyiben ez nem limitáló tényező, akkor gyors szaporodással számolhatunk. Ennek megfelelően az oldott oxigénigény maximális értékét éri el. A szubsztrát légzés az uralkodó. Ebben a tartományban a nagyterhelésű eleveniszapos medencék tisztítanak.

Állandósult stacioner fázisban a mikroorganizmus szám és tápanyag kínálat között egyensúly alakul ki. A rendszerben tápanyag utánpótlás már nincs. A tápanyagkínálat állandósult baktériumszám esetében a folyamatos lebontás esetében időben csökken. De csökken a mikroorganizmusok szubsztrát légzése, és oldott oxigén igénye is. Az iszapszaporodási görbe nagy, közepes terhelésű fázist elválasztó pontján dolgozó eleveniszapos medencék oldott oxigénigénye, még a lehetséges maximális értékű.

Elhalási endogén fázisban a tápanyagkínálat szinte teljesen felhasználódott. Itt már az endogén légzés az uralkodó, ehhez járul az autolízis, azaz a saját test lebontása. Az utolsó tápanyagtartalék a sejtanyag is lebontódik ebben a szakaszban.

A biológiai tisztítást végző mikroorganizmusokat, az eleven iszapot recilkuláció juttatja vissza az eleven iszapos medencébe, ezért a folyamatos recirkuláció az eleven iszapos rendszer működésének elengedhetetlen feltétele.

A recirkuláció szükséges mértékét próbaüzem keretében, illetve az üzemeltetés során lehet meghatározni. Meg kell állapítani a visszatartható legnagyobb iszapkoncentrációt, ill. az e rendszerből eltávolítandó fölös iszap mennyiségét.

A medencében az eleveniszap akkor megfelelő, ha ülepedése az ülepítőhengerben azonnal megindul, és fél óra alatt gyakorlatilag leülepszik. A nagy pelyhekben álló iszap a kedvező. A recirkulációs iszapot megszakítás nélkül kell visszavezetni a levegőztető medencébe. Ha a recirkuláció valamilyen okból megszakad, akkor a szennyvíz betáplálását a levegőztetés folytatása mellett átmenetileg szüneteltetni kell.

Hetente meg kell határozni a levegőztető térben lévő iszap szárazanyagtartalmát, és ki kell számolni a Mohlmann – féle iszaptérfogat indexet, és a kellő iszapkoncentrációt a cirkulációs arány változtatásával a tervezett értékre kell beszabályozni.

Mohlmann (1934) vezette be az iszaptérfogati indexet (Mohlmann index, iszapindex, Sludge volume index, SVI), ami az egyliternyi szennyvízmintából 30 perc alatt leülepedett iszap térfogata, (SVI30, ml/l), osztva az egyliternyi mintában lévő iszap szárazanyag tartalmával) MLSS gl).

Az iszaptérfogati index az üzemeltető számára fontos közelítő mennyiségi paraméter.

Az SVI vizsgálat az üzemeltető számára a recirkulációs iszap meghatározásához is gyors módszer, feltételezve hogy az iszapvíz a 30 perces ülepített térfogat meghatározásában az utóülepítő elfolyás (Qel) és a leülepedett iszap alsóiszap elvételt (R) képviseli. Pl. ha az iszaptérfogat 200 ml, és az iszapvíztérfogat 800 ml, akkor R-re nézve 0,25 Qel adódik. A recirkulációs iszaphozam ily módon meghatározott, a recirkulációs iszap szuszpendált lebegőanyagtartalma 106 SVI.

A lebegőanyagmérleg az eleveniszapos medence befolyási oldalán:

Qel = Q vagyis az utóülepítő elfolyás (Qel), az eleven iszapos medencébe való befolyással, vagyis a tisztítandó szennyvíz hozamával (Q) gyakorlatilag azonos. Az üzemeltető csupán az iszapelvételt képes szabályozni, vagyis a recirkuláció és a fölös iszap hozamot kombinálja. A legtöbb esetben a fölös iszap hozam nagyon kicsi, de az alsó elfolyás hozama tulajdonképpen a recirkulációs iszappal azonos. Ha az SVI szabatos paraméter lenne, akkor a reciproka a maximális lebegőanyagkoncentrációt képviselné, amely a recirkulációs iszapban elérhető lenne. Az üzemeltető az SVI iszapindex alapján kívánt szárazanyagtartalom LSS szint fenntartásához szükséges recirkulációs iszaphozamot közelítőleg számítani tudja. IM nagyobb, mint 500 ml/g értéktartományban 200 mg/l MLSS koncentráció fenntartása lehetetlen. A SVI az üzemeltető számára azt is jelenti, hogy mikor kell fölös iszapot elvonni a rendszerből a végből, hogy a MLSS koncentráció csökkenthető legyen.

Az eleveniszap biomassza ülepíthetősége

Az eleveniszapos szennyvíztisztító telepek hatékonyságát jelentősen befolyásolja a biodegradációt végző biomassza ülepíthetősége. A bioreaktorokban szuszpenzió formájában jelenlevő eleveniszap bizonyos tartózkodási idő után az utóülepítőbe kerül, ahol megtörténik a biomassza ill. az egyéb szilárd szennyezők kiülepítése a tisztított vízből. A telep hatékony működését alapvetően veszélyezteti, ha az ülepítési lépés során az eleveniszap nem választható el megfelelően a tisztított víztől. Ilyen esetekben lehetetlenné válik az előírt elfolyó-határértékek betartása, ill. szélsőséges helyzetben bizonyos időszakokra a tisztító telep maga is szennyezőforrássá válhat, mivel a tisztított víz jelentős mennyiségű biomasszát sodor magával. Ennek megfelelően az eleveniszap mikroflóra ülepíthetőségének vizsgálata, az ülepedési problémák okának feltárása és hatékony kezelése rendkívül nagy jelentőségű a vonatkozó telepek működtetése szempontjából.

Jól ülepíthetőnek minősül az az eleveniszap, amely az ülepítés során rövid idő alatt tiszta felülúszót és sűrű iszapüledéket eredményez.

A flokkulumszerkezetet befolyásoló tényezők

A bioreaktorokban tartózkodó mikroorganizmusok aggregált részecskéket, pelyheket ún. flokkulumokat képeznek. A flokkulumok struktúrája és mérete nagymértékben befolyásolja az eleveniszap ülepíthetőségét. Ismert tény, hogy az eleveniszapban jelenlevő baktériumok csoportjai alapvetően kétféle morfológiával jellemezhetők: fonalas és flokkulens struktúrával. Az iszap ülepedési tulajdonságai nagymértékben függenek e két megjelenési forma arányától. A 79. ábra szerint háromféle flokkulum alapszerkezet különböztethető meg a flokkulens/fonalas arányt figyelembe véve.

79. ábra. Flokkulum-alapszerkezetek

Az „a” struktúrájú elfonalasodott iszap rendkívül nehezen ülepíthető, az SVI értékek ilyen esetben igen magasak, fonalas szerkezete révén viszont jó szűrőkapacitással rendelkezik, ami tiszta felülúszót eredményez. A flokkulens iszap („b”) SVI értékei alacsonyak, azonban fonalas szervezetek hiányában a felülúszó zavaros, nagy lebegőanyag-tartalmú. Az optimális iszapszerkezet a flokkulens és a fonalas formák kiegyensúlyozott arányánál áll fenn („c”). Ennél a struktúránál érvényesül a fonalak szűrőképessége az ülepedőképesség jelentős romlása nélkül. A flokkulens és a fonalas mikroorganizmusok fajlagos növekedési sebessége különbözőképpen függ a szubsztrátkoncentrációtól, ezt kihasználva a flokkulens/fonalas arány szabályozható.

A flokkulens/fonalas arány szabályozására alkalmas rendszerek az ún. szelektoros rendszerek. A szelektoros rendszerek (80. ábra) a sorba kapcsolt reaktorok egy fajtájának tekinthetők. Az ilyen technológiáknál a tisztító medencék előtt, sorba kötve egy elkülönített tér, az ún. szelektor helyezkedik el. Az elkülönített szelektortérben a további bioreaktorok környezeti paramétereitől (tápanyag-koncentráció, oxigén-koncentráció, stb.) eltérő értékeket lehet fenntartani. Ilyen módon bizonyos – egyébként a rendszerből kimosódó, ill. csekély hatékonysággal működő – mikroorganizmusok eleveniszapban való felszaporítása (szelekciója) válik lehetővé. Az ábra alapján látható, hogy a szelektorban kialakuló magas S1 iszapkoncentráció a flokkulensek szaporodásának kedvez, míg a további bioreaktorok alacsony szubsztrátkoncentrációja a fonalasok szaporodását segíti. A biomassza a recirkuláción keresztül keveredik, így a flokkulensek keverednak a fonalasokkal és kialakulhat az ideális iszapszerkezet.

80. ábra. Szelektoros rendszer kapcsolási sémája

A szennyvízben lévő tápanyag és iszapkoncentráció aránya alapján az alábbi felosztást tehetjük

A biológiai résztisztítást nyújtó rendszerben leépített BOI5-ben mért tápanyag és levegőztető rendszerben lévő iszapkoncentráció hányadosa 1-nél nagyobb. Ebben az esetben, a szennyvízben lévő szerves anyag egy része kerül lebontásra.

A teljes biológiai tisztítást nyújtó rendszernél ez az érték 0,5-0,75. Ebben az esetben, a szennyvízben lévő szerves anyagok lebontódnak, a mikroszervezetek sejtanyaga azonban nem.

Totál oxidációs rendszereknél 0,1-nél kisebb, ennél a tisztítási rendszernél a szennyvízben lévő szerves anyagokon túlmenően a mikroszervezetek sejtanyagának nagy része is lebontásra kerül.

Az eleveniszapos biológiai tisztító típusai

Aszerint, hogy az eleveniszapos rendszerekben milyen iszapkort tartunk fenn, megkülönböztetünk: nagyterhelésű eleveniszapos rendszereket, melyekben az iszapkor 5-20 óra, teljes biológiai tisztítókat 4-15 napos iszapkorral és teljes oxidációs rendszereket, melyekben az iszapkor 25-100 nap. A kis iszapkorú rendszerek eleveniszapja nagy mennyiségű tisztítatlan szerves szennyezőt tartalmaz, a nagy iszapkor nagyon alacsony szervesanyag-tartalmú, még élő sejtben is szegény vizet eredményez.

Iszapkor szerinti osztályozás

Iszapkor az eleveniszap vagy biomassza tényleges tartózkodási ideje a reaktorban, vagy medencében. Az iszapkor tehát iszaprecirkuláció nélküli megoldásnál megegyezik a hidraulikus tartózkodási idővel, míg recirkuláció esetén ez az idő a recirkulációnak megfelelően növekszik.

Videó: Iszaprecirkuláció

Az iszapkort a következő arány jellemzi:

ahol:

HRT - Hidraulikus Tartózkodási Idő (nap),

SRT - Iszaptartózkodási Idő (nap)

V - reaktor térfogat (m3),

Q - Befolyt szennyvíz időegység alatt (m3/d),

q - Visszaforgatott iszap mennyisége időegység alatt (m3/d),

Az iszapkor szerinti szabályozó paraméter széles körben alkalmazott. A levegőztetett rendszerbeli szilárd anyag (kg), tehát a biomassza tartózkodási idejét képviseli. (Az iszapkor azonban közelítő paraméter, hiszen az oldott BOI5 mennyiségét elhanyagolja.)

Összefoglalás

A tisztítás mikrobák segítségével biokémiai reakcióik sorozatán megy végbe, amik az eleveniszap pelyhekben találhatók. Mivel aerob folyamatról van szó, a rendszerbe levegőt kell juttatni, amit különböző típúsú műtárgyakkal valósítanak meg. Ez jelentős energiát igényel.

Az iszap egy részét folyamatosan visszavezetik a rendszerbe, így a recirkuláció nagy jelentőséggel bír.

Lényeges szempont az iszap kiülepedése (Mohlmann index), ami szoros összefüggésben van az iszapkorral és az iszap szerkezetével. Az iszapkor alapján három típust szoktak megkülönböztetni.

  • Nagyterhelésű rendszer

  • Hagyományos rendszer

  • Huzamos idejű levegőztetés.

Ellenőrző kérdések

  1. Ismertesse az eleveniszapos szennyvíztisztítás működési elvét!

  2. Ismertesse az eleveniszapos szennyvíztisztítás biológiai folyamatait!

  3. Rajzolja fel az iszapszaporodási görbét és jellemezze különböző szakaszait!

  4. Magyarázza el az alábbi fogalmak jelentését!

    • iszapindex,

    • iszapkor,

    • recirkulációs arány.