módszerek további fejlesztési irányai
3. Eleveniszapos tisztítás közelítő tervezése
Az eleven iszapos biológiai szennyvíztisztítás a lebegő iszapot tartalmazó szennyvíz levegőztetését, majd ülepítését, s a keletkezett iszap visszaforgatását jelenti. A pelyhekké összeálló mikroorganizmusok a szerves szennyező anyagból oxigén segítségével részben széndioxidot, részben saját sejtanyagot (szennyvíziszap) állítanak elő. A mikroorganizmusok szaporodása, elhalása folyamatos, ami a sejtközi állomány
Az eleveniszapos tisztítás oxigénigénye, iszaphozam
csökkentése
újrahasznosítását, s a sejtfal maradék iszapban történő felhalmozódását jelenti. Az élő sejtek és a sejtfal maradék aránya az iszapban a relatív biológiai terhelésnek megfelelően alakul. Ugyan ez igaz az iszap korábban már részletezett nitrogén és foszfortartalmára is. A maximális sebességgel szaporodó sejt elvileg mintegy 11,5 % nitrogént is tartalmazhat, míg a megfelelő ammónia oxidációt is biztosító, kisebb iszapterhelésű rendszereknél az iszap nitrogéntartalma csak 5-6 %. A foszfortartalom az iszapban a már ismertetett technológiaiváltozatok szerint változó, 1,5 %, vagy 4-5 % körüli.
A kis telepek esetén, mint korábban is említettük, igen gyakran célszerű az előülepítés elhagyása. Az ott említett egyféle iszap keletkezésének előnye mellett szükség van arra a jobb tápanyag arány (KOI/TKN, illetőleg KOI/TP arány) biztosítása érdekében is. Ez egyrészt az anaerob zóna jobb acetát, másrészt az anoxikus medence jobb szerves anyag ellátottsága (denitrifikáció gyorsítása) végett célszerű (Kayser, 2002). A népesebb városok nagy kapacitású telepeinél, ahol az üzemméret következtében az anaerob iszaprothasztás kiépítése is célszerű lehet, az előülepítés csökkenti a biológiai tisztítás térfogatigényét. Az ilyen üzemeknél azért is favorizálják az előülepítést, mert az iszapjának jóval nagyobb a fajlagos energiatartalma (metántermelő potenciálja), mint a szekunder iszapnak.
Az előülepítés tervezésénél annak a felületi folyadékterhelése határozza meg a fő méreteket. Az ülepítő felületére számított folyadékterhelés célszerűen 1,5-3 m/h között javasolható. A vízmélység a kör és négyzet alakú keresztmetszet kiépítésénél is átlagosan 2-3 m között változhat. A medencefenékre ülepedő iszapot alkalmas kotrószerkezetnek kell a szívócsonk közelébe összegyűjteni. Az iszapelvétel szivattyúkkal történik, mert az iszap sűrűsödése jelentős.
A nagyobb telepeknél a három eltérő feladatú biológiai medencét a fonalasok visszaszorítását segítő, koncentráció-gradienst eredményező több medencéből álló kaszkádként is kiépíthetik. Ilyenkor a tápanyaggal jobban ellátott, első levegőztetett medencét oxikus szelektornak is szokás nevezni. Lehet azonban ez anoxikus szelektor is, s ilyen esetekben a többletfoszfor eltávolítását vegyszeresen célszerű megoldani. A Johannesburg rendszernél, illetőleg annak a későbbi módosításainál is szokásos ugyanakkor az anaerob medence előtt egy gyakran ugyancsak szelektornak nevezett medence beiktatása is. Ebben az utóülepítőből visszaforgatott iszap oxigén és nitrát tartalmát kell az anaerob térbe történő bevezetés előtt "elreagáltatni", hogy ott a foszforcserét ne gátolják az annak tápanyagát képező acetát gyors "elégetésével", oxikus, vagy anoxikus felvételével. A szelektorban az oxigénforrások kimerítéséhez belső (endogén), vagy friss szerves tápanyag kell (sejtanyag hidrolízis, vagy érkező szerves szén), valamint megfelelő keverés. Mivel ez a megoldás végül is a foszfor akkumuláló heterotrofok jobb elszaporodását, kellő szelekcióját szolgálja, a megnevezés nem is helyteleníthető.
A biológiai medencék térfogatának a tervezését, pontosabban a szükséges iszapkor a tisztítótípusok bemutatásánál már megadásra került, egy ennek alapján történő közelítő számítás bemutatása azonban ehelyütt is hasznos lehet.
Az eleveniszapos biológia térfogatigénye a napi biológiai terheléstől, s a különböző szennyezőkre elvárt tisztítási hatásfoktól (KOI, ammónium-N, nitrát-N és összes foszfor koncentrációk) függ. Alapvető célja a szükséges iszapkor biztosítása (részletek a típusválasztásnál). A napi biológiai terhelésből (Bd = Qbe BOI5be) a napi iszaphozam közvetlenül számítható (Px = Bd Y). A terhelés számításánál elhanyagolható a tisztított szennyvízben maradó szerves anyag BOI5 egyenértéke, mert az rendszerint 15-20 mg/l között alakul, s így az érkező szennyvíz hasonló mutatójának csak maximálisan is a huszada. Elhanyagolása tehát nem okoz jelentős hibát, egyben biztonság a tervezésnél. A fajlagos iszaphozam (Y) ugyanakkor a tisztítandó víz 0,45 mikron méretűnél nagyobb inert "lebegőanyag" tartalmának, és az iszapkornak a függvénye. Együttes hatásukat a szerves és szervetlen lebegő anyag (iszap) hozamárara jól mutatják az ATV (ATV 131 A, 2000) megfelelő tervezési javaslatának a fajlagosai (9.3. táblázat [113])
9.3. táblázat - A BOI
5-ként mérhető szerves anyag fajlagos iszaphozama (Yb - kg iszap szárazanyag/kg BOI
5) az iszapkor és a SS
be/BOI
5- hányad függvényében
be/CBOIbe Iszapkor (nap)
0,4 0,79 0,69 0,65 0,59 0,56 0,53
0,6 0,91 0,81 0,77 0,71 0,68 0,65
0,8 1,03 0,93 0,89 0,83 0,80 0,77
Az eleveniszapos tisztítás
Ahol SSbe/CBOIbe - a 0,45 mikron méretűnél nagyobb "lebegőanyag" koncentráció/ CCBOI5be
A fajlagos iszaphozam láthatóan az iszapkorral, tehát az iszap oxidációjának mértékével csökken. Az ehhez szükséges oxigén, illetőleg levegőmennyiség ellenben értelemszerűen nő, amit az oxigénigény számításánál kell figyelembe venni a korábban már korábban megadott táblázat alapján. A teljes iszaphozam számításához azonban még a foszfor eltávolításával keletkező iszapmennyiséget is figyelembe kell venni, bár annak mennyisége viszonylagosan kisebb.
A biomasszába felvett foszfor iszaphozama 3 g szárazanyag / g így eltávolított foszfor. A vegyszerrel eltávolított részre vassal történő kicsapatáskor 6,8 g/g, alumínium esetén pedig 5,3 g/g további iszaphozam számítandó átlagértékként. Belátható, hogy minden lakos után a napi 60 g BOI5, illetőleg alig valamivel kisebb nagyságú lebegőanyag mennyiség (SSbe/CBOIbe ≅ 0,8) fajlagos biológiai iszaphozama a teljes tápanyag eltávolításnál 0,8 g iszap szárazanyag /g eltávolított BOI5, illetőleg 48 g iszap szárazanyag /fő d. Ebben elvileg a biológiai foszforfelvétel is feltételezhető. A vegyszeres foszforkicsapatás azonban ezt az értéket jelentősen (10-15 %-al) is megnövelheti, ha lakosonként 1 g P így kerül eltávolításra (5-8 g vegyszeriszap/főd).
A fentiek alapján a fajlagos iszaphozamokkal, illetőleg a napi biológiai és foszforterheléssel a teljes iszaphozam kiszámolható (Px=Bd YBOI + Pd Yp). A biológiai tisztítóban a szükséges iszapkor (Θx) biztosításához éppen a napi iszaphozam ennyiszeres mennyiségének megfelelő iszaptömeg szükséges (Mx = Px Θx). Ez pedig az átlagosan fenntartható 4-5 kg/m3 iszapkoncentráció (X) mellett az azzal számolható (VR = Mx / X = Px Θx / X) medence-térfogatban biztosítható. A biológiai és foszforterhelés nagysága (Bd és Pd) a fenti, lakosszámmal történt számításhoz hasonlóan a tisztítótelep napi szennyvízhozama és annak BOI5 és összes foszfor koncentrációja alapján is kiszámolható (Bd = Qbe CBOI5, be , illetőleg Pd = Qbe CP, be – az iszap által a P fölösiszap tömegbe beépített P).
Az összes szükséges eleveniszapos medencetérfogat meghatározása egyben a szükséges anaerob, anoxikus és oxikus reaktortérfogatok meghatározását is jelenti. Ezek megosztása az ATV megfelelő tervezési javaslatában (ATV 131 A, 2000) részleteiben is megtalálható. A lakossági szennyvizeknél ez átlagosan 2 : 6 : 12 napos anaerob : anoxikus : oxikus iszapkor arányokat, illetőleg reaktortérfogat arányokat jelent. A későbbi megfontolásoknál belátható, hogy elvileg ennél kisebb iszapkor is elegendő lehet, ha a foszfor és nitrát határérték valamely esetben kellően nagy.
A denitrifikációhoz szükséges reaktortérfogat számítása emellett többféle képpen is történhet:
- a denitrifikációs sebesség empirikus értékeinek figyelembevételével, - a heterotrófok szaporodási kinetikájának figyelembevételével,
- a heterotrófok oxigén-felvételi sebességét, valamint annak a befolyásoló tényezőit kísérleti tapasztalatokból figyelembevéve.
Az empirikus denitrifikációs sebességekre megfelelő adatok találhatók az EPA 1975-ös kézikönyvében. A heterotrófok kinetikai paraméterei alapján történő számításra vonatkozóan Stensel és Barnard (1992) javaslatát célszerű követni.
A denitrifikációs térfogat hányada (VD/VR), a tisztítás relatív iszapterhelése, vagy oxigén-felhasználása, valamint a nyers szennyvíz KOI/TKN aránya alapján becsülhető. Mivel az anoxikus reaktortérfogat (VD) az iszapkor növelésével és ezzel az egész rendszerre számítható fajlagos térfogati oxigén hasznosítás csökkenésével jár, nem gazdaságos adott határon túl ezzel javítani a denitrifikációt. Pontosabban a tervezésnél nem célszerű VD/V = 0,5 anoxikus térfogathányad fölé menni. Külső karbon forrás, mint pl. metanol vagy acetát anoxikus térbe történő adagolása ilyen esetekben javíthatja a denitrifikáció mértékét. Más megoldás lehet a többlet szerves anyag biztosítására az előülepítésnél keletkező iszap részleges fermentációja, hidrolízise, majd az így keletkező, közvetlenül felvehető szerves tápanyag visszajuttatása a megfelelő reaktortérbe (Barnard, 1992).
Az oxigénigényt az OC és ON korábban bemutatott számításával vehetjük figyelembe. Ez a 72-80 g szerves anyag átalakításhoz szükséges oxigénen túl mintegy 25 g oxigénigény a nitrogéneltávolításhoz lakosonként,
Az eleveniszapos tisztítás oxigénigénye, iszaphozam
csökkentése
naponta (LEÉ). A szükséges levegőigényt ebből már korábban számítottuk. Huszonötszörös tömegű levegő (21
% oxigéntartalom, 20 %-os oxigénkihasználás) 1,28 kg /m3 térfogatsúllyal.
100 ezer LEÉ szennyvízterhelésre (12000 m3/d szennyvízre, s abban napi 6000 kg BOI5, 130 kg TKN és 20 kg TP terhelésre) a számítható iszaphozam (teljes biológiai többletfoszfor eltávolítást feltételezve) 4 800 kg iszap szárazanyag/d (Px = Bd Yb). Mivel a rendszerben közel 20 napos iszapkor fenntartása javasolt, a rendszerben folyamatosan működő szükséges iszaptömeg 96 000 kg (Mx = Px Θx). A szükséges eleveniszapos medencetérfogat, ha abban az iszapkoncentráció 5 kg/m3, 19200 m3 (VR = Mx / X = Px Θx / X). A mednceterek megosztását ebből kell számolni, mintegy 10:30:60 arányban.
A tisztítás oxigénigénye a fentiekben számolt LEÉ fajlagosokkal is számolható, de az ott megadott fajlagosokkal a BOI5 és nitrogénterhelésből is. Maradva a már kiszámolt összegzett fajlagosnál (mintegy 100 g/főd), mintegy 10 000 kg oxigén kell a folyamatok lejátszódásához naponta. Ennek azonban a 25-szöröse levegőtömeget kell megfelelőképpen bevinni az iszapos vízbe a levegőztető medencében. Ez 250 000 kg levegő, ami közelítőleg 200 000 m3/d levegő. A kerekítéseket célirányosan használjuk a jobb érzékelhetőség érdekében. Ez a levegőbevitel 24 órás egyenletes oxigénfogyasztást feltételezve 8 333 m3/h levegőigény. A szennyvízterhelés diurnális változása miatt azonban fúvókapacitásban a mindenkor szükséges oxigénkoncentráció (nitrifikáció oxigénigény) biztosítására ennek a kétszeresét célszerű biztosítani, ami kerekítve 16 500 m3 levegő/h.
Megállapítható a fentiekből, hogy a napi 12 000 köbméter szennyvíz tisztításához, mintegy 19 200 m3 eleveniszapos medencetérfogat (HRT=1,5 d) ekkora szennyvíztelepeknél a téli, hidegebb vízhőmérsékletnél is kellően biztonságos. A tisztító levegőztető medencéjéhez 16 500 m3/h fúvókapacitás szükséges, de a tényleges fogyasztás a fúvók oldott oxigén koncentrációról történő szabályozása eredményeként csak a napi átlagérték körül fog alakulni. Egyértelmű azonban, hogy a fúvókapacitásnak minimálisan annyi ezer m3/h-nak kell lenni, mint amennyi m3/d a tisztítóra érkező napi szennyvízmennyiség.
Egy százalékos nyersiszap formában ez 480 m3/d hígiszap. 5% szárazanyagra sűrítve a rothasztás előtt már csak alig 100 m3/d. Ennek a rothasztásához 20-25 napos HRT szükséges az iszaprothasztóban, így 2000-2500 köbméteres rothasztó kell a telepnek. A rothasztás során a 4800 kg nyersiszap szárazanyag mintegy 4000 kg szerves anyagának csaknem a fele gázzá alakul, így a maradék iszap csak 3000 kg/g körül várható (mintegy 3 % szárazanyag tartalommal). Ezt 25 % szárazanyag tartalomra sűrítve, a víztelenített iszap már csak a nyolcada, tehát 12 t/d körül várható. Ezt kell szükség szerint komposztálni, szárítani, égetni a mindenkori igényeknek, lehetőségeknek megfelelően.