Menu

Szennyvíztisztítás kulcskérdései és főbb fejlődési irányai - 3. oldal

4. Lakossági szennyvizek tisztítása fluidizált biofilmes rendszerekkel

 

A lakossági szennyvizek tisztításánál ma az eleveniszapos megoldás egyeduralkodó, ugyanakkor a biofilmes reaktortechnika fejlesztése jelenleg messze ígéretesebbnek tűnik. Az eleveniszapban ugyanis a mikroorganizmusok egymáshoz tapadt formában, apró „pelyhecskékben” élnek, szaporodnak. Ezek a keverés nyíró hatására ciklikusan kisebb egységekre aprózódnak, majd ismét nagyobb egységekké állnak össze. A kutatások szerint ezeknek a pelyhecskéknek a mérete 30-70 mikrométer körül alakul. Ezen a térfogaton belül a folyamatos átkeveredés és a diffúzió szállítja a tápanyagokat (szerves anyag, oxigén, nitrogén, stb.) a sejtek membránjához. Szükségszerű tehát hogy ciklikusan bizonyos koncentráció gradiens is kialakulhasson az eleveniszap ilyen egységein belül, melyet azonban az időszakos átkeveredés (konvekció) többé-kevésbé kiegyenlít. A szimultán denitrifikáció bizonyítja legjobban, hogy a lebegő iszaprészek belsejében statisztikusak kialakulnak oxigénhiányos körülmények, holott a pelyhecskék közötti víztérben néhány mg/l-es oxigénkoncentráció mérhető. Az eleveniszap pelyhecskéi a biofilmhez képest ugyanakkor igen jól átkevert rendszernek tekinthetők. Az előzőnél a legfőbb gond, hogy az iszap koncentrációja nem növelhető 6-7 g/l fölé annak a gyenge ülepedési, sűrűsödési hajlama miatt. Ezen nehezítőszerekkel, illetőleg legújabban a membrános fáziszeparációval igyekeznek segíteni. Az utóbbi már az iszapkoncentráció megduplázását jelenti.

 

A biofilmekről bizonyított, hogy a felső 100 mikrométeres rétegébe jut csak be az oxigén, alatta pedig a hordozó felülete fele haladva az anoxikus (oxigénmentes, de nitrát tartalmú) majd anaerob (oxigén-, és nitrát-mentes) körülmények uralkodóak. Ezek a biofilm szerves anyagának a hidrolízisét és fermentációját segítik elő, ami iszaphozam csökkenést eredményez. Az anaerob hidrolízis és fermentáció során keletkező termékek a külső sejteknek tápanyagul szolgálnak, de azok is hamarosan ugyanerre a sorsra jutnak a film egyirányú növekedése eredményeként (Dorias et al, 2002).

 

Sokáig megoldhatatlannak tűnt a „dolgozó iszaptömeg” jelentősebb koncentrálása a biofilmes rendszereknél is. Az intenzív anaerob szennyvíztisztításnál ezen a granulálódó iszap felfedezésével sikerült túllépni. Ott a gyorsan ülepedő, 1-2 mm-es golyócskákat képező iszaptömeg koncentrációja már 50-60 g/l-t is elérte. Ez értelemszerűen a pelyhes rendszerhez képest többszörös térfogati teljesítményt biztosíthat. Az eleveniszapos rendszereknél hasonló iszapgranulációt csak az utóbbi néhány évben észleltek, illetőleg alkalmaznak. Itt azonban látszólag nem is az iszap koncentrációjának a növelése a granulálás célja, hanem a biofilmes rendszer kialakítása. Az ilyen iszapot egyébként váltakozó tápanyag-ellátottságú (szerves anyag és oxigén) környezetben sikerült csak kinevelni (Beun et al., 2002). A technológiáról ma még keveset publikáltak, fejlesztés alatt áll, s csak laboratóriumi méretben működik.

 

A biofilmes rendszerek iszapkoncentrációja ugyanakkor a hordozó nehezítésével, s egyidejűleg fluidizációs üzemeltetéssel is növelhető (Mulder, 2003). Az első a jó ülepedés elérése érdekében látszik szükségesnek, az utóbbi pedig az iszaprecirkulációt és a folyamatos tápanyagellátást biztosítja. A folyamatos tápanyagellátás persze csak a teljes folyadék fázisra igaz, sőt az áramlás és levegőztetés megfelelő alakításával egy ilyen rendszerben elvileg még eltérő tápanyag,- és oxigén-ellátottságú terek kialakítása is megoldható. Ezen túl a biofilm diffúziós gátlása miatt a biofilm mélysége függvényében a különböző tápanyag-ellátottság eleve szükségszerű. Ez a biofilm egyes rétegeiben az ott uralkodó körülményeket kedvelő mikroorganizmus csoportok dominanciáját, megfelelő szelekcióját, adaptációját eredményezi.

 

Az első ilyen ipari berendezést Hollandiában állították üzembe a múlt század nyolcvanas éveinek közepén, s azóta is kitűnően üzemel (Mulder et al, 1995). Sikerült megoldaniuk az iszap ülepítését és recirkulációját is egy teljesen új, a levegőztetett oszlop tetejére épített gáz és lebegő anyag szétválasztó résszel. A levegőztetést a viszonylag magas, hengerszerű reaktor középvonalában kialakított csőben végezték, mintegy mamutszivattyú szerűen, ami a hordozós-biofilmes iszaptömeg állandó áramoltatását, s az iszapnak a lebegésben tartását is biztosította. A nagy biomassza koncentráció révén az egység fajlagos térfogati terhelése és a relatív iszapterhelése is nagyobb lehetett. Ezzel együtt a meleg (mezofil) gyógyszergyári szennyvíznél kimagaslóan jó nitrifkációs sebesség adódott. Ennél az egységnél észlelték először, hogy a reaktorban több ammónia tűnt el, mint amennyi nitritté, vagy nitráttá oxidálódott. Valamilyen más, addig ismeretlen ammónium átalakítási folyamat (deammonifikáció) is működött a rendszerben.

 

Az utóbbi évtizedben bebizonyosodott, hogy speciális mikroorganizmusok a redukált és oxidált nitrogénforma (ammónium és nitrit) egyidejű hasznosítására is képesek, s döntően ezek felelősek a más biofilmes rendszerekben is észlelt ilyen anomáliáért (Kárpáti et al., 2004a). Innen kezdve sok kutatót foglalkoztat ennek a nitrogéneltávolításnak a pontosítása, üzemesítése. Elvileg megoldható az sokféle biofilmes rendszerrel. Például levegőztetéssel is granulálódó iszappal, ciklikusan levegőztetett, statikus hordozós, vagy közel hasonló elvű biofilmes rendszerrel, vagy például a már részletezett fluid biofilmes megoldással. A biomassza koncentrációja, s így egységnyi térfogatban elérhető kapacitása tekintetében az utóbbi látszik a legkedvezőbbnek. Az is bizonyosnak tűnik, hogy a mezofil környezet is elengedhetetlen az anaerob ammónium oxidációnak nevezett folyamat (deammonifikáció, anammox eljárás) biztosításához. Kérdés csupán az, hogy a nitrogén ilyen eltávolítását a lakossági szennyvizeknél (stabil BOI, vagy KOI : TKN arány) lehetséges-e a szerves tápanyag eltávolításával egyidejűleg biztosítani. Ez utóbbira napjainkban több helyütt is folynak a vizsgálatok, s elképzelhetőnek tűnik, hogy egyszerre (egy lépcsőben, vagy reaktorban) is teljesíthető a tisztítás. Feltehető azonban, hogy csak viszonylag szűk tápanyag összetétel tartományban. Ezt a kísérletek igazolni látszottak, de pontos kinetikai számításokkal ez éppen a megfelelő mikroorganizmus-csoport kellő ismeretének hiánya miatt eddig még nem bizonyított.

 

Az sem zárható még ki, hogy a lakossági szennyvizek tisztításánál az adott mikroorganizmus együttes kialakításához a hőmérséklet és pH mellett a tápanyag-összetételt is valamelyest szabályozni kell. Ezeket a részkérdéseket azonban a kutatások hamarosan tisztázzák. Hogy azonban mennyire nem egyszerű feladatról van szó, az is érzékeltetheti, hogy bár az Anammox folyamat évtizedek óta ismert, a folyamatot mégsem sikerült ipari körülmények között a mai napig sem realizálni az adott mikroorganizmus csoport üzemi körülmények között tapasztalt igen lassú szaporodása és kis fajlagos iszaphozama miatt. Ez pedig a térfogati teljesítmény, a tisztításhoz szükséges hasznos mikroorganizmus tömeg kialakításához elengedhetetlenek.

 

5. Üzemi példák a szerves anyag és nitrogéneltávolítás intenzifikálására a lakossági szennyvizek szennyvíztisztításánál

 

Az eleveniszapos rendszerek esetében bebizonyosodott, hogy azokban a szerves anyag eltávolítása a nitrifikációhoz képest lényegesen nagyobb térfogati kapacitással, sebességgel történhet. Ezekben a rendszerekben ugyanis két különböző anyag-átalakítást végző mikroorganizmus csoport az aktuális összetételű iszap folyamatos elvétele miatt versenyben van egymással. A gyorsabban szaporodó heterotrófok a homogén összetételű iszapból a lassan szaporodó nitrifikálókat rövid időn belül kiszorítják. Ennek következménye, hogy az egyiszapkörös eleveniszapos rendszerekben a nitrifikácó csakis megfelelően kis szerves anyag terhelés, úgynevezett karbon limitáció mellett biztosítható (Hartmann, 2001).

 

A szerves anyag oxidációja ugyanakkor a nitrifikációt biztosító lakossági szennyvízterhelésnél lényegesen nagyobb terhelésnél is biztosítható. A szennyvízterhelést az iszapkorral, vagy a fajlagos térfogati terheléssel szokás jellemezni. Ezek egymással reciprok összefüggésben állnak. Az üzemi tapasztalatok szerint a lakossági szennyvizeknél mintegy 3 napos iszapkorra van szükség a szerves anyag kellő hatásfokú eltávolításához. Ez mintegy 2 kg BOI5/m3 fajlagos térfogati terhelést jelent. A nitrifikációhoz ennek csak az ötöde – tizede térfogati terhelés engedhető csak meg, melynél a kialakuló iszapkor 8-10 nap.

 

Húsipari szennyvizek esetében még ennél nagyobb térfogati terhelés esetén is zavarosságmentes szennyvizet sikerült biztosítani a kapuvári szennyvíztisztítóban, bár ilyenkor a szennyvíz KOI-jét a 2500 mg/l-ről csupán 400 körüli értékre sikerült csökkenteni (Kárpáti - Pulai, 2001). Ez a 80 % fölötti KOI csökkenés azonban 1,5 napos iszapkorral biztosítható volt. Szükségszerű, hogy a fenti terheléseknél nem nitrifikált az eleveniszap.

 

A hódmezővásárhelyi szennyvíztisztítóban a nitrifikációt egy második iszaplépcső biztosítja, melyben a szerves anyag terhelés már annyira kicsi, hogy 15 nap körüli iszapkor alakul ki abban a nitrifikációhoz. Ez utóbbi iszapkor kialakításában az autotrófok iszaphozama is meghatározó szerepet játszott. Ilyen esetben törvényszerű, hogy a nitrifikáció sebessége is lényegesen nagyobb legyen az egy iszapkörben kialakuló sebességnél. Míg az egy iszapos rendszerben rendszerint 0,1 kg N/m3d nitrifikációs kapacitás a maximum, a második iszapkörben több hazai üzem vizsgálata alapján 0,3-1 kg N/m3d nitrifikációs sebességek is kialakulhatnak (Pulai – Kárpáti, 2004). A nitrifikáció sebességének további növelése csakis biofilmes rendszerekkel érhető el, a korábbi tapasztalatok szerint. A dél-pesti szenny-víztelepen elárasztott ágyas rendszerben  szemcsés hordozóval (expandált ágy) átlagosan 0,7 kg N/m3d nitrifikációt értek el. Közlemények adati szerint fluidizált szilárd hordozón (finom homokszemcsék) ez a sebesség mintegy 5 kg N/m3d értékig növelhető (Kárpáti et al, 2004).

 

Ezek a nitrifikációs vizsgálatok azonban a környezeti hőmérsékleten történtek, tehát a kommunális szennyvíztisztítás különleges lehetőségeit próbálták vizsgálni. Napjainkban számos kísérleti és ipari példa van már arra is, hogy az anaerob rothasztó meleg iszapvizét mezofil hőmérséklettartományban nitrifikálják. Bizonyítottnak tűnik, hogy ilyen körülmények között speciális nitrifikáló tenyészet kialakítása is lehetséges, mellyel eleveniszapos rendszerben is elérhető az 1-1,5 kg N/m3d nitrifikációs sebesség. Ez a mikroorganizmus csoport azonban az ammóniumot csak nitritig oxidálja éppen a hőmérsékletnek a nitrobakter fajokra gyakorolt gátló hatása eredményeként (Fux et al, 2003).

 

A legutóbbi közlemények olyan próbálkozásokról is beszámoltak, hogy az ilyen gyorsan szaporodó nitritáló fajokat a mezofil hőmérséklettartományban az oxigénellátás szabályozásával tovább szelektálják. Ennek szükségessége nem is az eleveniszapnál, hanem a biofilmes rendszereknél lehetne meghatározó. Az ilyen ammónium oxidáló biofilm alatt ugyanis elképzelhető az Annamox átalakítást (NH4++NO2- = N2 + 2 H2O) végző, de rendkívül lassan szaporodó mikroorganizmus fajok kialakulása. Ez az a variáció az, amely a jövőben a nitrogéneltávolítást igen nagy fajlagos térfogati teljesítménnyel biztosíthatja, de csak meleg vizek esetében, azaz a mezofil hőmérséklet-tartományban. A hidegebb lakossági szennyvizeknél hasznosíthatósága sajnos valószínűtlen a víz melegítésének a rendkívüli energiaigénye miatt. Ez utóbbi még jó hőcsere esetén is a levegőztetés energiaigényének ugyanis a tízszerese. Az anaerob iszaprothasztás meleg iszapvízére ugyanakkor megoldást jelentene ez a technika. Az iparban is számos olyan meleg kondenzvíz tisztítására lenne szükség, melyek ammónium tartalma viszonylag nagy, s mellette a szerves anyag mennyisége koncentrációjában hasonló (ATEV kondenzvizek, KOI : TKN arányuk 3-5).

 

Mégis nagyon ígéretesek azok az éppen napvilágot látott eredmények, melyek szerint a lakossági szennyvizek mezofil tisztításakor fluidizált biofilmes rendszerrel 5 kg BOI5/m3d szerves anyag terhelés mellett sikerült teljes nitrifikációt és denitrifikációt (0,6 kg N/m3d) elérni ugyanazon reaktorban. Ez ugyanis azt bizonyíthatja, hogy mezofil biofilmes rendszerek ilyen nitrifikációs teljesítményeket is biztosíthatnak, miközben a legkülső rétegükben intenzív szerves anyag oxidáció és immobilizálás is biztosítható. Hagyományos eleveniszapos rendszerrel ilyen terhelés mellett a mezofil hőmérsékleten is csak a szerves anyag eltávolítása lehetséges, s nem nitrifikál az iszap.

 

Ezek a hatalmasnak tűnő fajlagos térfogati teljesítmények már megkérdőjelezhetik a szennyvíz célirányos, hőcserével történő fűtését, felmelegítését. Ugyan az utóbbi is komoly beruházásigény, de maga a reaktorkialakítás, a fázis-szeparáció és az oxigénbevitel egyáltalán nem jelent speciális, költséges megoldást. A műszertechnika és a szabályozás rohamos fejlődésével ezért a közeljövőben az ilyen megoldások különböző variációi is elképzelhetők a lakossági szennyvizek tisztításában, akár a kisebb üzemméret tartományban is. Az meg különösen szóba jöhet, hogy kétlépcsős (két iszapkörös) kiépítésben működjön akár mérsékelt hőmérsékleten ilyen nitrifikáció, megfelelő utó-denitrifikációval kombinálva.

 

A már említett melegebb, koncentrált szerves anyag, vagy ammónium tartalmú vizekre történő hasznosításuk azonban még a lakossági szennyvizekénél is gyorsabb sikerrel kecsegtethet. Várhatóan jelentősen átalakítja a szennyvíztisztítás mai gyakorlatát, a levegőztetés, s azzal a folyadék konvekció, tápanyagszállítás szabályozását, valamint a tisztítótelepek külső arculatát is. Zártságával az ilyen tisztítókat kellően megregulázott ipari üzemekké alakítja, melyeket nem kell a lakóhelytől távol elhelyezni a fertőzésveszélyük miatt. Ezzel természetesen a szennyvizek gyűjtése, szállítása során bekövetkező lehűlése is csökkenthető, ami ugyancsak a megoldás energiaigényének a csökkentését eredményezheti.

Kapcsolat Info

Ha a szolgáltatásainkkal kapcsolatban bármilyen kérdése merült fel, az alábbi címeken elérhet minket.

PureAqua Kft.

Székhely: 8200 Veszprém, 8200 Veszprém, Lőszergyári út 6.
Levelezési cím: 8200 Veszprém, Lőszergyári út 6.
Telefon:+36-88-794-243
Fax:+36-88-799-132
Skype:pureaqua01
Web:http://www.pureaqua.hu