szennyvíztisztítás és fejlődése
1. Az eleveniszapos rendszerek kezdeti változatai
Az aerob eleveniszapos tisztítás a szennyvíztisztítás kialakulásával indult meg a múlt század elején. Kezdetben egyetlen medencében, ami ciklikusan levegőztető, majd ülepítésre használták a tisztított víz eleresztése, leszivattyúzása előtt. Tökéletesen kevert lévén a levegőztetett ciklusában a mikroorganizmusok abban lebegő iszappelyhekben éltek, szaporodtak, vették fel, alakították széndioxiddá és iszappá a szennyvíz szerves anyag tartalmát. Kezdetben ezzel párhuzamosan terjedet a biofilmes tisztítás is, amit abban az időszakban gyűjtött, vagy zúzott kőtörmelékkel építettek ki, mint biofilm hordozóval. A „töltetet” felülről ciklikusan locsolták a szennyvízzel, illetőleg alóla is forgattak arra megfelelő mennyiségű lecsurgott vizet, ami a biofilm ciklikus nedvesítését, oxigénellátását biztosította. A biofilmes rendszer után is kellett megfelelő ülepítő, ami az időnként leszekadó biofilmet a befogadótól visszatartotta.
Az eleveniszap a terhelés ingadozásának elviselésére koncentrációjának, s azzal kapacitásának az értelemszerű változtathatósága miatt is megfelelőbbnek tűnt. A biofilmes rendszerek alkalmazhatósága az eljegesedés veszélye miatt is korlátozott volt. Az eleveniszapos megoldásnál a levegőztetett- és ülepítőmedence szétválasztása után a cél a minél kisebb levegőztetőben és minél olcsóbb, mégis kellő mértékű szerves anyag eltávolítás lett. Az ülepítő méretét, hidraulikai terhelését az iszapülepedés sebessége ugyanis egyértelműen behatárolta.
A ma üzemelő kommunális szennyvíztisztítók döntő része folyamatos szennyvíz betáplálású eleveniszapos rendszerű. Ez hasonló tisztított víz elfolyást is jelent. Ez a megoldás hasonló homok és zsírfogással, valamint fertőtlenítéssel egyszerű, biztonságos üzemeltetést, és minimális térfogatigényt jelentett egészen az eleveniszapos – biofilmes hibrid megoldások kifejlődéséig (Kárpáti, 2011).
A folyamatos átfolyású (ugyanakkor megfelelő iszaprecirkulációt is biztosító) rendszereket reaktortechnikailag csőreaktorként és tökéletesen kevert tankreaktorként is ki lehetett építeni. A csőreaktor persze csak álom, az mindig medencesorból kiépülő csőreaktor jelleget biztosító kaszkádsor lett. Bizonyos mértékű visszakeveredés a levegős keverés miatt azokban mindig kellett legyen. Általában tankreaktorok sorozatából épül ki a tisztítás, amely nagy elemszám esetén egyre jobban közelíti a csőreaktor jelleget. A dugószerű áramlású rendszerek elvi sajátságai a 6.1. ábrán láthatók.
Az ilyen rendszerek gyakran azért működnek gyengébben, mert bennük a folyadék áramlási iránya mentén nem az aktuális igényeknek megfelelő a levegőellátottság. A betáplálási pont körül igen nagy oxigénigény jelentkezik, s az oldott oxigén (DO) koncentrációja szinte nullára csökkenhet. Egyenletes levegő befúvásnál a kilépő végen felesleesen nagy oldott oxigén (DO) koncentráció alakulhat ki. Az iszap ciklikus, és viszonylag nagy terhelése (csak szerves anyag eltávolítás) ugyanakkor a korábbi árkos kiépítésű, csőreaktorszerű rendszereknél rendkívül jól ülepedő iszapot eredményezett
A dugószerű folyadékmozgásnál jelentkező egyenetlen oxigénellátás mérséklésére több ponton történő, egyre csökkenő mértékű levegőbetáplálással üzemelő reaktorokat építettek. Más megoldás lett a hossz menti több pontos szennyvíz bevezetés, egyenletes levegőztetés mellett.
A csőreaktor elvű rendszerek oxigénellátásánál észlelt elégtelenségek vezettek el a „tökéletesen kevert”
reaktorok (tankreaktorok) megvalósításáig. Ezek kör, négyzet és téglalap alakúak is lehettek. Kezdetben felületi légbevitellel (rotorok), később fenék közeli levegőbevitellel kialakítva. Az utóbbiak vízmélysége a kompresszoros levegőellátásnál akár toronyreaktorrá is alakíthatta a rendszert. A levegőbevitel fajlagos költségének a csökkenése ugyanakkor a légfúvók alkalmazásával a 4,4-6 méteres vízmélység kiépítését tette általánossá. Ugyanez igaz a légbeszívásos fenékkeverők és az légbefúvással működő hasonló, keveréssel történő levegő diszpergáló megoldásokra is.
6.1. ábra - A csőreaktorszerű kiépítés módozatai
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
[Megj.: a téglalapok reaktor(oka)t, a körök ülepítő(ke)t jeleznek, a nyilak a folyadék haladási irányát mutatják, az árnyékolás pedig az adott térrész(ek) levegőellátását érzékelteti.]
6.2. ábra - Dugóáramú elven működtetett eleveniszapos rendszer több ponton történő tápanyag-betáplálással
A csőrektor jellegű medencék kör alakúvá alakítására a Kessener kefés felületi levegőztetés széles körű elterjedésével párhuzamosan került sor. Ezekben a recirkuláltatott iszap és a betáplált nyers szennyvíz gyorsan keveredik a jelen levő biomasszával. A gyors felhígulás a csőreaktorszerű rendszerekkel összehasonlítva csökkenti a szennyvíziszap lemérgeződésének lehetőségét is, habár egyszersmind kismértékben megnöveli annak az esélyét, hogy a szennyvíz csak részben ártalmatlanítva kerüljön ki a medencéből. Az eleveniszapos medence rendszerint körcsatornaszerűen kialakított az ilyen rendszereknél. Korábban vízszintes tengelyű kefés levegőztetőkkel ellátott rendszerekként épültek ki, mára azonban ezeket más többségében mélylevegőztetésre építették át. Ez utóbbi lehet gumimembrános levegő diszpergáltatás, vagy egyéb mechanikus, hasonló hatékonyságú levegőbevitel is. Ezek a levegőztető elemekhez közeli térrészben nagy oxigénkoncentrációt biztosítanak. A levegőbeviteltől távolabbi, kevésbé kevert helyeken a nagyobb iszappelyhek belső, anoxikus térrészeiben ugyanakkor szimultán denitrifikáció is kialakulhat.
A 6.3. ábra látható megoldás szinte mindig külön ülepítővel épül ki, miáltal a rendszer nagyobb terheléssel is működtethető. Finombuborékos levegőztetésnél a folyadékmozgatást rendszerint vízszintes tengelyű banánkeverők kell hogy biztosítsák. Az ilyen megoldásoknál megnövelve a medencemélységet (a medencefelszín csökkenését érve el így) energiatakarékosabb mélylevegőztetés alkalmazható ki. Az eljárás
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
egyéb más elrendezésben is megvalósítható, pl. többcsatornás (arányosan több felületi levegőztető alkalmazásával) kialakításban.
6.3. ábra - Többcsatornás Carrousel-rendszer
Más megoldás a 6.4 ábrán látható, úgynevezett kontakt-stabilizációs eljárás. Ezzel megvalósítható a szilárd, lebegő kolloid anyagok adszorpciója a biomassza iszappelyheiben. Ilyenkor a nyers szennyvíz és a recirkuláltatott iszap keverékét egy kisebb levegőztetett reaktortérben maximálisan 1 órás tartózkodási idővel előkezelik. Ezzel elérhető a lebegő és az oldott állapotban lévő gyorsan lebontható szerves anyagok hatékony immobilizálása, majd folyadék fázisból történő előzetes eltávolítása. A szennyvízben maradnak azonban a lassan bontható oldott szennyezőanyagok.
A kontakt reaktorból kikerülő vegyes fázist ülepítik, majd az iszapot recirkuláltatják egy nagyobb levegőztető medencébe, ahol szeparáltan 5-6 órán át levegőztetik, hogy az adszorbeált anyag oxidációja maradéktalanul végbemenjen. E módszer mellett szól a kisebb iszaptermelése, nagyobb rugalmassága a vízhozam ingadozásával, s a toxikus hatásokkal szemben. Hátránya, hogy a tisztítás hatékonysága az említettek miatt az előző pontban ismertetett módszerét nem éri el, nitrifikációs képessége gyenge (ha van egyáltalán) és kedvező hatásai csak nagy lebegőanyag tartalmú szennyvíz esetében ellensúlyozzák a módszer hátrányait.
A nagy terhelésű rendszereket jellemzően nem kommunális, hanem döntően ipari (azon belül is a lassabban bontható élelmiszer- és tejipari) szennyvizek kezelésére építették ki, főként olyankor, amikor nem volt szükség nitrifikációra szennyvíz kedvező összetétele eredményeként. Rendszerint nagy iszapkoncentrációval levegőztetnek, melyből következik, hogy a hagyományos tisztítóknál nagyobb MLSS-koncentráció tartása, hatékony levegőztető-berendezések és a rendkívül rövid HRT a jellemző az ilyen megoldásoknál. A fajlagos iszaphozama nagyterhelésű rendszereknél általában nagy. A keletkező iszap rendszerint jól ülepedik, de esetenként az elfolyó vízben sok finom lebegő részt maradhat (opálos víz), ami a tisztított víz szennyezését jelenti. Esetenként talán éppen a nem eléggé átkevert terekben kialakuló oxigénhiány, vagy a mérsékelt ammónium ellátottság következtében iszapduzzadás léphet fel. A keletkező iszap nagyon nehezen ülepíthető (még akkor is, ha a koagulációt előzetes vegyszeradagolással elősegítik). Nagy szerves anyag terhelésű (BOI5) rendszerekben a nitrifikáció nem biztosítható. Ez a probléma jelentkezik a már bemutatott kontakt-stabilizáció esetén is.
6.4. ábra - A kontakt stabilizációs eljárás
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
Elvileg hasonló megoldással működik a Németországban kifejlesztett úgynevezett AB, vagy két iszapkörös eljárás első iszapköre, ahol a jobb tisztított víz minőség érdekében a nagy terhelésű első lépcsőt egy második, kisebb terhelésű követi (6.5. ábra). A második, kis szerves anyag terhelésű iszapkörben a nitrifikáció nagyobb sebességgel, jobb térfogati teljesítménnyel biztosítható. Gondot jelent azonban ilyenkor a denitrifikáció, amelyhez a második iszapkörben már nincs elegendő tápanyag. Ezt úgy lehet áthidalni, hogy kevés nyers szennyvizet a második lépcső elődenitrifikáló medencéjébe is vezetnek, vagy abba külső tápanyagot adagolnak a nitrát redukciója érdekében.
A többlépcsős szennyvíztisztítás a toxikus vagy inhibíciós hatás kivédésére is nagyon szerencsés. Az első lépcső heterotrof biomasszája arra kevésbé érzékeny, s iszap-adszorpciójával is csökkenti a toxikus anyagok koncentrációját. Ilyenkor kénhidrogén sem kerülhet a második iszapkörre. A kénhidrogén toxicitását egy iszapkör esetén egyébként az eleveniszapos medencéket megelőző homokfogó jó levegőztetésével, netán ugyanoda kevés eleveniszap recirkulációjával is lehet javítani. Fontos azonban, hogy az utóbbi eset csak akkor alkalmazható, ha nincs a homokfogót követően előülepítés.
A két iszapkörös rendszernél érvényesíthető igazán, hogy a heterotrofok szerves anyag átalakításához már 0,3-0,6 mg oldott oxigén koncentráció is bőségesen elegendő, ugyanakkor a második lépcsőben az 1-2 mg/l feletti oxigénkoncentráció a nitrifikálókat maximális sebességű ammónium oxidációra sarkallhatja. Az első iszapkör terhelését igen nagyra lehet választani, abban akár 1-2 napos iszapkor is elegendő a szerves anyag megfelelő eltávolításához. Az iszapkort egyébként olyanra kell választani, hogy a keletkező iszap szűrőhatása megfelelő legyen a szabadon úszó mikroorganizmusok, finomabb, ülepedni alig akaró pelyhek nagyobb iszapflokullumokkal történő kiszűréséhez. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az iszapos víz ülepítésekor ne zavaros, hanem tiszta vizes fázis alakuljon ki és kerüljön a második iszapkörre. Ehhez természetesen megfelelően kell méretezni az első iszapkör ülepítőjét (közbülső ülepítő). Ez a fázisszétválasztásnál elengedhetetlen kritérium egyébként valamennyi eleveniszapos rendszernél alapelv.
6.5. ábra - Kétlépcsős eleveniszapos eljárás (AB)
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
A nitrifikáció a második iszapkörben a heterotrofok és autotrofok tevékenységének az ilyen szeparációja eredményeként egy nagyságrenddel nagyobb sebességű lehet. Ez összességében jelentős reaktortérfogat megtakarítást jelent, ami a beruházási költséget arányosan csökkenti.
A megoldás egyetlen hátránya a kétszeres ülepítés kiépítési és üzemeltetési költsége. Léteznek a módszernek olyan továbbfejlesztett változatai is, amelyeknél az eleveniszapos első lépcső után rögzített filmes, vagy hibrid (vegyes eleveniszapos – biofilmes) reaktort alkalmaznak. Ilyenkor az eleveniszap rész heterotrof denitrifikációja mellett a biofilmben autotrof denitrifikációra is lehetőség nyílhat, melynek bemutatására majd a nitrogénátalakítás részletesebb ismertetésénél kerül sor.