szennyvíztisztítás és fejlődése
2. Iszapgranuláció hasznosítása eleveniszapos rendszerkéntrendszerként
Az eleveniszap aerob granulálódásáról először 1991-ben adtak hírt japán kutatók (Mishima and Nakamura (1991). Az ilyen granulációt bizonyára korábban is megfigyeltek mások is, de azt nem minősítették az eleveniszaptól eltérő iszapformának. Granulálódó iszap esetében az utóülepítés térfogatigénye lényegesen kisebb, s a teljes iszaptömeg jóval többet lesz a levegőztetett térben, mint az oxigénhiányos fenékiszapban.
Fölfokozott ezért az érdeklődés az aerob granulált iszap kialakításának lehetőségére. Sajnálatos azonban, hogy ilyen iszapot eddig még csak ciklikus betáplálású, hasonló levegőztetésű, úgynevezett SBR reaktorokban sikerült előállítani. Bebizonyosodott, hogy a granuláció széles terheléstartományban is biztosítható, azonban éppen a speciális rendszer miatt jelentősebb térfogati terhelés a viszonylag híg lakossági szennyvizeknél nem realizálható.
Aerob iszapgranuláció SBR üzemmódban
Az aerob granulált iszap viszonylag nagy sűrűségű, gömbszerű, 1-3 mm átlagos átmérőjű részecskékből áll.
Szemcséi milliós nagyságrendben tartalmaznak különböző mikro-organizmusokat, így a hagyományos eleveniszaphoz hasonlóan kevert kultúrák, vagy mikroorganizmus együttesek. Egyedei fajtájuknak megfelelő úton és aktivitással bontják le a szennyvízben található szennyező komponenseket. Iszapszemcséi ugyanakkor rendezett, sűrű, erős szerkezettel és jó ülepedési tulajdonsággal rendelkeznek. Jelenleg csakis SBR reaktorokban (ma már széles körben elterjedt a városi és ipari szennyvízkezelésben) alakítható ki. Más típusú berendezésekben a baktériumok maguktól nem aggregálódnak a közöttük fellépő taszító elektromos erőhatások és a nagymértékű hidratáció miatt.
Aerob granulált iszapos SBR reaktoroknál a szennyvíz kezelése négy fő lépésből áll: szennyvíz beadagolás, levegőztetés, ülepítés, tisztított víz elvezetése. Az ülepedési idő és térfogatcsere arány, valamint a tisztított víz elvételi ideje jelentik a legfontosabb szelekciós hatásokat az ilyen rendszerben. Ezek megfelelő szabályozásával érhetjük el, hogy megfelelő mikroorganizmusok szaporodjanak el a rendszerben és ezzel jó minőségű aerob iszapot állíthassunk elő.
Az aerob iszapgranulációt befolyásoló főbb tényezők Tápanyag-összetétel hatása:
A granulátum szerkezetét és mikroorganizmusok összetételét nagymértékben befolyásolja a szénforrás típusa.
Az elsősorban glükózt fogyasztó granulált iszap fonalas szerkezetű (ilyen formában szaporodó
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
mikroorganizmusok dominálnak abban), míg az acetát fogyasztó granulált iszap nem fonalas, nagyon tömör szerkezetű, melyben a pálcika alakú baktériumok vannak túlsúlyban (Liu and Tay, 2004).
Az aerob granulált iszap nagy szerves anyag terhelés mellett is jól alkalmazható (2.5-15 kg KOI/m3d) (Moy et al., 2002 and Liu et al., 2003a), pontosabban ilyen terheléstartományban is stabil granuláció biztosítható. Az iszapterhelés nem befolyásolta a kialakuló szemcsék alakját, sűrűségét, száraz iszaptömeg sűrűségét. Az ülepedésekor mérhető iszapindex is egyformán kicsi, mintegy 50 ml/g körüli volt, ami nagyon jó ülepedést biztosít. A terhelés növekedésével azonban a szemcsék mechanikai stabilitása csökkent, könnyebben szétesővé váltak, illetőleg a folyamatos terhelésnél megfelelő idő után szét is estek kisebb részekre.
Az SBR tisztítónál a szerves anyag terhelést a hidraulikus terhelés, illetőleg az azt meghatározó ciklusszám, vagy ciklusidő határolja be. Mindig jó és kellő mértékű kiülepedés esetén a tiszta fázissal ciklusonként a reaktortérfogat adott százalékát kitevő tiszta rész távolítható el. Bebizonyosodott, hogy a granulált iszap szerkezetét elsősorban a reaktorban kialakuló nyírófeszültség határozza meg (Shin et al., 1992). Az exracelluláris poliszacharidok (polielektrolit jellegű képződmény) meghatározó szerepet játszanak a sejtek összetapadásánál, és a szemcsében történő tartós rögzítésénél. Ezek a ragasztó anyagok ugyanis biológiailag kellően stabilisak a tartós hatás kifejtéséhez. A nagy nyírófeszültséget tűrő mikroorganizmusok több poliszacharidot választanak ki (szelekció). Következésképpen a fokozott poliszacharid termelés csak nagyobb nyírófeszültséget eredményező berendezés kialakításnál, levegőztetésnél eredményezheti tömörebb és erősebb szemcseszerkezet kialakulását az aerob granulátumnál (Liu and Tay, 2004).
Ülepedési idő:
Az SBR reaktorokban a szennyvíz kezelése több egymást követő műveletből tevődik össze. Ezek az ülepítés, tiszta rész elvétel, fölösiszap iszapelvétel, friss szennyvíz feltöltése, levegőztetés, keverés. Ezek közül több egyidejűleg is mehet, pontosabban a megkívánt vezérlés, vagy szabályozás (levegőztetés) szerint történik.
Közülük az ülepítés időtartamát az ülepedés határolja be. Ezt kell a granulációval felgyorsítani. A többi művelet időigényét a segédberendezések (szivattyúk, levegőztető) kapacitása, valamint a rendszer fajlagos hidraulikus terhelése (ciklusszám) határolja be. Az ülepedési idő rövidítésével a biomasszában levő mikroorganizmusok összetétele változtatható, s a granulált iszap képződése fele tolható el. A jól ülepedő granulálódó részek a rendszerben maradnak, míg a nehezen ülepedő, pelyhes frakció folyamatosan kimosódik. A granulált iszap kialakításánál így az ülepedési sebességen alapuló szelekció kerül hasznosításra. Ebből adódóan lényeges a stabil üzemeltetés ülepedési idejének az optimális megválasztása is. A kellően érett szemcsék általában 1-2 perc alatt kiülepednek a laboratóriumi egységekben, s felül tiszta folyadékfázis alakul ki (Beun et al., 2000). A könnyen visszatartható biomassza gyors és hatásos szennyezőanyag eltávolítást tesz lehetővé a reaktorban. A kiváló ülepedési tulajdonságokkal rendelkező granulált iszap fontos az eredményes biológiai szennyvíztisztításhoz.
Hidraulikus terhelés, tartózkodási idő:
Az ülepedési sebességen túl az SBR reaktor feltöltési és levegőztetési, valamint a leürítési ciklusideje is megszabja a hidraulikus szelekciót a mikroorganizmus csoportok között. Ha a levegőztetés ciklusideje kisebb, mint 3 óra a lakossági szennyvíz esetén, a nitrifikálók a túlzott fajlagos szerves anyag terhelés miatt (kis iszapkor) kimosódnak a granulálódó iszapból. Ezzel szemben a túlzott ciklusidő, mint a 24 órás ugyan a terhelésben jó lenne, de ennél a hidraulikus szelekció elégtelen az iszapgranulációhoz. Jól nitrifikáló granulált iszap 6 és 12 óra közötti ciklusidő esetén tud megfelelő mértékben kialakulni. A rövid ciklusidő általában nagyobb mikrobiológiai aktivitást és poliszacharid termelést eredményez, valamint javítja a sejtek, illetőleg az iszaprészecskék hidrofóbitását (Liu and Tay, 2004). Látható tehát, hogy a lakossági szennyvíz esetében a terhelés csak viszonylag szűk tartományban változtatható. A hagyományos eleveniszapos rendszerrel összehasonlítva annak a 12-24 órás hidraulikus tartózkodási idejének megfelelő lesz. Ez a lakossági szennyvíz esetében mindössze 1-2,5 kg KOI/ m3d térfogati terhelést jelent.
Aerob éhezési szakasz:
Az SBR reaktorban a szennyvíz beadagolás, levegőztetés, ülepítés és a tisztított víz elvétel szakaszos üzemben valósul meg. Ebből következik, hogy a mikroorganizmusok szaporodása alárendelt a reaktor periodikus környezet-változásának. A szennyvíz tisztításának időtartama csökkenthető a műveleti ciklusok számának növelésével (Liu and Tay, 2004). Illetőleg azon belül az egyes szakaszok időtartamának a csökkentésével. A nyers szennyvíz bevitele a levegőztető térbe rendszerint közvetlenül a tiszta víz elvétele után történik minél
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
rövidebb idő alatt (kiegyenlítő, előtározó medence és szivattyúkapacitás függvényében). A levegőztetés a folyadékfeladás alatt már működhet, bár esetenként speciális okokból (többletfoszfor eltávolítás, denitrifikáció) csak valamivel később indítják.
A levegőztetési fázis általában két szakaszból áll. A bevezető első szakaszában a vizes fázisban levő tápanyag (oldott szubsztrát) mennyisége a minimális értékre csökken. Ezt követően ebben a szakaszban nem történik tápanyag utánpótlás. Így az éheztetés következtében megnő a baktériumok hidrofóbitása, ezzel elősegítve a jobb tapadásukat. Ezzel a szelekcióval is pozitív hatás biztosítható a granulálódáshoz. A kezelés során alkalmazott tápanyagellátás szabályozással jobb mechanikai stabilitású granulátumok nyerhetők. Természetesen a reaktor már korábban említett többi műveleti ciklusa is fontos szerepet játszik az aggregátumok képződésében.
Az SBR reaktorban az aerob granulált iszap 0,7 és 0,1 mg/l oldott oxigén koncentrációnál kialakul, valamint 2 mg/l oldott oxigén koncentráció felett is sikeresen fejlődik. Következésképpen a DO koncentrációja nem döntő fontosságú a granulátum kialakulásában. A pH, illetve hőmérsékletet illetően hiányosak az információk.
A hidraulikus szelekció kapcsán szükségszerű, hogy az SBR egység nagy magasság/átmérő aránnyal épüljön, hogy az iszaprészek ülepedése során érvényesülő szelekció kellő mértéket érjen el. Ez egyben kis fajlagos alapterület igényt is eredményez, amit persze nagyobb szabályozásigény kompenzál (Liu and Tay, 2004). Nincs azonban szükség iszapülepítőre, amely a hagyományos rendszerek térfogatigényének a felét-negyedét is jelentheti.
Szaporodás-gátlás (inhibició):
Granulált iszap csak akkor alakul ki, ha a szabad ammónia a koncentráció 23.5 mg/l érték alatt van. Egyébként a nitrifikáció már teljesen gátolt 10 mg/l szabad ammónia koncentráció felett is. A heterotróf és nitrifikáló baktériumok fajlagos oxigén felhasználási sebessége harmadára-negyedére csökken, ha a szabad ammónia koncentrációja 2,5 mg/l-ről 39,6 mg/l-re nő. A nagy szabad ammónia koncentráció következtében a sejt hidrofóbicitása, valamint az extracelluláris poliszacharid termelése is lecsökken. Valószínűsíthetően a hidrofóbitás és a poliszacharid termelés megváltozása a felelős az aerob granulált iszap hiányának a nagy szabad ammónia tartalmú vízben (Liu and Tay, 2004). A szabad ammónia a granulált iszap képződését a mikroorganizmusok energia anyagcseréjének gátlásával akadályozza meg (Yang et al., 2004b).
Levegőztetés:
Az aerob granulált iszap tömör struktúrájú, mérete 0.5 és 2 mm között változik, az anyag átvitel nehézkes, különösen az oxigén transzport, ezért a hagyományos iszappal szemben ez különösen fontos a granulált iszap esetén. Alacsony oxigén ellátás anyagátviteli korlátozást és a granulált iszap instabilitását, granulátumot körülvevő membrán vastagságának növekedését okozhatja.
A levegőbuborékok nagyobb feláramlási sebessége okozta nyíróhatás növekedés a a laboratóriumi levegőztetett oszlop-reaktorokban kompaktabb, tömörebb iszapgolyókat eredményezett. 1,2 cm/s alatti gáz feláramlási sebességnél nem is granulálódott az iszap, de még 1,4-2,0 cm/s gáz feláramlási sebességnél is széteső, kis mechanikai stabilitású részecskék keletkeztek. Ezért kell nagyobb levegő feláramlást biztosítani a jó granulációhoz. A legtöbb közlemény 1.2 cm/s-nál nagyobb gázsebességet említ. A nagyobb levegőbevitellel ugyanakkor megnő az energiaigény is (Liu and Tay, 2005)
Az aerob granulált iszap tulajdonságai
Összehasonlítva a laza, pelyhes, szabálytalan, hagyományos iszap flokkulátummal, az aerob granulált iszap:
szabályos, tiszta, sima, gömbölyű felületű
bban elviseli a nagy szerves anyag terheléseket (terhelésingadozást)
A kiváló ülepíthetősége révén könnyebb a tisztított elfolyó víz és a granulált iszap elválasztása a technológiai folyamat végén (Liu and Tay, 2004).
Az eleveniszapos biológiai tisztítás intenzifikálása
Mikrorganizmusok elhelyezkedése a granulátumon belül: A vizsgálatok alapján az ammónium-oxidáló baktérium, a Nitrosomonas spp. általában a granulátum belsejében 70-100 µm-es mélységben található, a granulátum járatokat és pórusokat tartalmaz, amelyek akár 900 µm-es mélységbe benyúlhatnak. Ezek a csatornák és pórusok elősegítik az oxigén és a tápanyag bejutását a granulátum belsejébe, valamint a bomlástermékek kijutását azokból. Az anaerob baktériumok 800-900 µm-es mélységben találhatok, ahol, már megfelelően kis koncentrációban van jelen oxigén. Az aerob iszap ideális átmérője kevesebb, mint 1600 µm.
800-1000 µm-es mélységben már elhalt sejteket is találhatunk (Toh et al., 2003). Következésképpen a kisebb granulátumok eredményesebbek a szennyvíztisztítás szempontjából, mivel kevesebb elhalt mikroorganizmust tartalmaznak. A szerves anyag oxidációja és a nitrifikáció szempontjából lényeges az oxigén eloszlása a granulátumon belül. Az oxigén penetráció fokozatosan csökken a granulátum méretének növekedésével, természetesen lokális oxigénbevitelre is mód van az ilyen granulumokban az említett belső csatornák révén.
Aerob granulált iszap alkalmazása
A szennyvíztisztítás teljesítménye nagymértékben függ a reaktor biomassza koncentrációjától, konfigurációjától, az oxigénellátottságától és a szennyezőanyag terhelésétől. A granulált iszap tulajdonságainál fogva képes nagy mennyiségű biomasszát visszatartani, ami az erősen szennyezett ipari elfolyó vizek esetén nagy térfogati terhelések alkalmazását is lehetővé teszi az aerob tisztításnál is. A lakossági szennyvizek esetén a térfogati, vagy iszapterhelés fokozása az SBR rendszerben láthatóan jelenleg még korlátokba ütközik, de nem kizárt, hogy éppen a lakossági tisztítók iszapvízének a tisztítása területén lehet a megoldással gyorsabb sikereket elérni. Ha nem is a szerves anyag, de nitrogéneltávolítás intenzifikálásában ez mindenképpen elképzelhető. Még kedvezőbb lehet a hatása, ha olyan segédanyagokkal, adszorbensekkel, hordozókkal kombináltan alkalmazzák, melyek ezt a hatását fokozni is képesek.
A szennyvíztisztítási gyakorlatban mind az aerob, mind az anaerob granulált iszap fejlődése számottevő. Az aerob granulált iszap számos pozitív tulajdonsága ellenére a gyakorlatban még nem olyan elterjedt, mint anaerob változata. Az aerob granulációt jelenleg csak SBR reaktorokban alkalmazzák hatékonyan, mivel más típusú berendezésekben nem állnak rendelkezésre az aggregációhoz szükséges feltételek.
Az aerob granulált iszap számos kedvező tulajdonsággal rendelkezik, ellenálló az elfolyással szemben, jobban elviseli a nagy szerves anyag terhelést, kevésbé érzékeny a toxikus szerves anyagokkal és nehézfémekkel szemben, nagy iszap visszatartással és kiváló ülepedési tulajdonságokkal rendelkezik. Utóbbi tulajdonságánál fogva az SBR reaktorban az ülepedési periódus időtartama lecsökkenthető, így a műveleti ciklusok száma növelhető. A granulált iszap képes nagy mennyiségű biomasszát visszatartani, következésképpen jól alkalmazható nagy térfogati terhelésű rendszereknél.
Több paraméter azonban károsan hathat a granulátum fejlődésére. A nagy szabad ammónia tartalom a hidrofóbitás és a poliszacharid termelés megváltozása miatt gátolja a granulált iszap kialakulását. Minél nagyobb, vastagabb a granulátum, annál kisebb mértékű lesz az oxigén penetráció a szemcsékben, valamint az alacsony oxigén ellátás anyagátviteli korlátozást és a granulált iszap instabilitását okozhatja. A levegőztetés mértékének növelésével javítható az oxigén ellátás, ezzel párhuzamosan azonban megnő az energia ráfordítás is.
Ezért fontos az üzemelés során az optimális viszonyok beállítása.