szennyvíztisztítás és fejlődése
3. A granulált anaerob iszap kialakítása, gyakorlati alkalmazása
A nagy fajlagos térfogati kapacitás (teljesítmény) eléréséhez az anaerob reaktorokban a következő feltételeket kell biztosítani:
1. Életképes, nagyon aktív anaerob iszaptömeg fenntartása.
2. Az iszap és a szennyvíz közötti megfelelő érintkezés biztosítása a szemcséken belüli és a folyadék és iszapfázis közötti anyag-transzpor biztosításához (sebesség-korlátozó tényező).
3. Megfelelő környezeti tényezők fenntartása (hőmérséklet, pH, makro- és mikro-tápanyagok jelenlétének biztosítása, toxikus és/vagy gátló komponensek kritikus koncentrációinak kizárása).
A fenti feltétel mellett a gyakorlatban az anaerob baktériumtársulások specifikus aktivitására káros hatással lehetnek az anyagcseréjük közbenső és végtermékei is. A „kedvező környezeti feltételek” követelménye minden mikroorganizmus csoportra érvényes, amelyek részt vesznek a szerves anyagok átalakításokban (összetettebb szerves anyagok hidrolízise, savakká, hidrogénné, széndioxiddá, metánná alakítása). Az immobilizált baktérium-aggregátumokban kialakuló „pórusok” tartalmazzák a nagyon változatos baktériumtársulásokat így azokban általában nagyon specifikus környezeti adottságoknak kell, kialakulni. Ez különösen kiemeli a lebontási folyamatokhoz szükséges kiegyensúlyozott mikroorganizmus-társulás, mikro-ökorendszer megfelelő immobilizációjának rendkívüli fontosságát.
Az anaerob iszapréteges (ASB), majd feláramló anaerob iszapréteges (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket) technológiát Lettinga és munkatársai 1980-tól alakították ki (Lettinga et al, 1980).
5.2. ábra - Feláramló anaerob iszapréteges reaktor (UASB)
Intenzív anaerob ipari szennyvíz előtisztítás.
Nagy hidraulikai terhelhetőség (max. 2 m/h feláramlási sebesség), nincs mechanikai keverés (betáplálás és keletkező gáz elegendő, továbbfejlesztése IC-UASB
Az UASB reaktor megnevezés és elv alapja, hogy az ilyen rendszerekben kiváló ülepedésű anaerob iszap keletkezhet, s a mechanikai keverést az üzemeltetésnél teljesen mellőzni lehet. Ha az iszapágyban a fajlagos térfogati (hidraulikai) terhelés elegendő az iszapnak a lebegésben tartásához, ez megoldható. Ilyenkor a folyadék és a keletkező biogáz feláramlása megfelelő keverést biztosít a rendszerben. Ehhez természetesen a reaktor alján a tápanyag elosztásának (folyadék bevezetésének) és a feláramlásának megfelelően egyenletesnek kell lennie.
Az iszap-aggregátumok döntő része, melyek a biogáz keletkezésének és beállított folyadéksebességnek megfelelően, diszperz (granulált) állapotban lesz az iszaprétegben, hosszú időátlagban egyhelyben marad, s nem kerül ki a folyadékkal a reaktortérből. A biogázt természetesen el kell különíteni, vezetni a rendszerből, melyet az ilyen rendszereknél a reaktor felső részében kialakított gázgyűjtő szerkezet biztosítja. A gázgyűjtő valójában a reaktor felső részében kiépített gázfogó és ülepítő. Az ülepítő részben (gáztalanító és ülepítő) a kisebb iszap aggregátumok (iszappelyhek és szemcsék) ismételten összetapadnak, kiülepednek és a ferde lemezeken visszacsúsznak a reaktor aktív zónájába. A termelődő biogáz az ülepítő tér feletti gázkupolából kerül elvezetésre. A folyadék felületén rendszerint vékony habréteg stabilizálódhat. A gáz-folyadék szeparátor az anaerob iszapréteges reaktorok nélkülözhetetlen tartozéka (5.3. ábra).
Az expandált granulált iszap ágyas (EGSB) reaktoroknál az iszap sokkal keményebb, nehezebb szemcsés aggregátum, ami sokkal nagyobb feláramlási sebességgel működhet. A gáz-folyadék szeparátort azonban ezeknél is kellő biztonsággal kell tervezni, hiszen az iszap aggregátumok ülepedő képessége esetenként jelentősen romolhat. Minél kisebb egyébként a granulálódó biomassza keletkezése (specifikus mikroorganizmus együttes keletkezése az adott szennyvízből), annál fontosabb a gáz-folyadék szétválasztó szerepe a tisztításnál.
A fő különbség az EGSB és az UASB rendszerek között, hogy az EGSB reaktorban kizárólag granulált iszap van és lényegesen nagyobb abban az üres keresztmetszetekre alkalmazott folyadéksebesség, ami 5-10 mh-1, sőt néha 20 mh-1 is lehet. Az UASB reaktorban ugyanez az érték maximálisan csak 2 mh-1-ra emelkedhet, fölötte az iszapkihordás már végzetessé válhat. Az EGSB reaktorok a nagy folyadéksebesség miatt magasabb kiépítésűek, mint a lebegő iszappaplanos változatok (5.3. ábra). Ez lényeges terület megtakarítást (alapterület) is eredményezhet.
5.3. ábra - Expandált granulált iszap ágyas reaktor (EGSB 5-10, de néha 20 m/h
feláramlási sebességgel)- Geometriája miatt helytakarékos, továbbfejlesztése
UFB-EGSB
Intenzív anaerob ipari szennyvíz előtisztítás.
Az utóbbi évtizedek során továbbfejlesztették az EGSB rendszert is az úgynevezett feláramló fluidizált ágyas (UFB) rendszerré (Zoutberg et al., 1997), sőt belső recirkulációt is alkalmaznak az UASB (IC-UASB, azaz belső recirkulációs UASB) reaktoroknál. A utóbbi megoldásnál a reaktorgáz döntő hányadának az elvételéhez a reaktor fele magasságában egy gázkollektort építettek a reaktorba. Ennek a folyadék-szilárd-gáz keverékéből a gázt szeparálják, az iszapos folyadékot pedig visszavezetik a reaktor aljára.
Az anaerob iszapgolyócskák stabilitásának függvényében az utóbbi megoldást, expandált granulált iszapos (EGS) rendszerként is üzemeltethetik. Ennél gyakorlatilag a teljes visszatartott iszapmennyiség bensőséges érintkezésben van a szennyvízzel, és szükségszerűen aktív állapotban van (a mikroorganizmusok jelentős része immobilizált formában a granulumok belsejében él és szaporodik, folyamatosan részt vesz a szennyező anyagok átalakításában). Egyértelmű bizonyítéka ennek, hogy az ilyen, granulált iszaptömeg aktivitása, tápanyag lebontási sebessége rendkívül nagy.
A rendkívüli aktivitású iszap kialakítását és szükséges visszatartását, fenntartását az ASB rendszerekben csak megfelelően jól kiegyensúlyozott mikroorganizmus rendszerrel, immobilizált bakteriális ökoszisztémával lehet elérni. Az anaerob lebontás során többféle szintrópikus átalakítási reakció egyidejűleg megy végbe, ezért az ahhoz szükséges mikroorganizmus együttes kialakítása elengedhetetlen. Csak így lehet kiküszöbölni, pontosabban minimalizálni az lebontás közti termékeinek a nagyobb koncentrációban egyértelműen káros hatását, optimalizálni a teljes rendszer környezeti feltételeit, mint pH-t, redox potenciált, stb. Ez egyébként az egyszerűbb anaerob iszaprothasztók esetében is elengedhetetlen (Román, 2010)
Az intenzív anaerob rothasztók granulálódó iszapját ma már átoltással biztosítják, ami a környezet függvényében lassabban-gyorsabban szaporodik. Kedvezőtlen környezetben, mint a nagy kalcium tartalmú papíripari szennyvizek esetenként a mikroorganizmusok túlzottan fel is hígulhatnak. A jó minőségű, nagy sűrűségű granulált fölös iszap ugyanakkor ideális oltóanyag az új üzemek indításához, még abban az esetben is, ha a kezelendő szennyvíz szignifikánsan eltérő összetételű, koncentrációjú, stb. Előfordulhat azonban, hogy a
Intenzív anaerob ipari szennyvíz előtisztítás.
nem adott szennyvízhez adaptált biotenyészet, esetenként problémát jelent az indításkor. Ilyenek a következők (Lettinga et al., 1999):
• Az iszap granulumok romlása, pl. az iszap szétesése következhet be.
• Gyorsan növekvő fonalas savképző baktérium szaporodhatnak el a biomasszában; ez megtörténhet, ha túl rövid idő van az iszap új tápanyaghoz történő adaptálódására, és/vagy túl kicsi az elősavanyítás mértéke.
• CaCO3 kiválás jelentkezhet a nagy Ca2+ koncentrációjú szennyvizeknél. A problémát meg lehet előzni a tisztított víz nyers szennyvíz áramba történő recirkuláltatásával.
Az anaerob iszapágyon keresztül felfele áramoltatott megoldással működő intenzív anaerob szennyvíztisztítási megoldások, mint az UASB és EGSB rendszerek ma már „érett technológiát” jelentenek. Az iszap immobilizációját szabályozó tényezők megismerése révén granulált iszap kialakítása ma már biztonságos. Ettől függetlenül annak az indításához és folyamatos üzemeltetéséhez is nagy szakértelemre van szükség. Ezzel magyarázható, hogy jelenleg kevés két cég meri felvállalni az ilyen technológiák építését. Az intenzív anaerob szennyvíztisztítás előnyei a hagyományos aerob tisztítással szemben összefoglalóan a következőkben összegezhetők:
• A kezelési költségek kicsik, mert az anaerob rendszer technikailag egyszerű és viszonylag nem is olyan költséges, miközben az üzemeltetéséhez általában nem szükséges külső energiaellátás, amely egyben a robosztus jellegét biztosítja annak.
• Hasznos energiát termel, amely a rendszer fenntartható üzemeltetését eredményezi.
• Az anaerob szennyvíztisztító gyakorlatilag bárhol és bármilyen üzemi méretben alkalmazható, mely rendkívüli rugalmasságának eredménye.
• A modern anaerob szennyvíztisztító reaktorokban nagy szennyezőanyag koncentrációjú szennyvizek is tisztíthatók, nagy terhelés-ingadozás mellett, kis reaktortérfogatban.
• A fölösiszap-hozam az anaerob szennyvíztisztítókban általában lényegesen kisebb az anaerob mikroorganizmusok igen lassú növekedési sebessége, és az iszap kitűnő sűrűsödési tulajdonságai következtében.
• A keletkező fölösiszap általában kellően stabilizált.
• Az anaerob mikroorganizmusokat hosszú időn át (akár 1 évet meghaladóan is) életben lehet tartani táplálék nélkül is.