2. Irodalmi áttekintés
2.2. Biológiai tápanyag-eltávolítás
2.2.1. Mikrobiális nitrogén-eltávolítás
A nyers szennyvíz nitrogén vegyületeinek leggyakoribb formája az ammónia, amely a szennyvízre je l-lemzõ semleges körüli pH-viszonyok között NH4+ ionok formájában található a vízben. Vagy közvetlenül, vagy mikrobiológiai ammonifikáció során, nitrogén tartalmú szerves vegyületek bomlástermékeként kerül a vízbe.
Az ammóniát a különbözõ mikroorganizmusok kétféleképpen tudják hasznosítani:
−
mint az eleveniszap építõanyagát (sejtalkotó),−
mint energiahordozó szubsztrátot, amelyet aerob körülmények között nitritté, ill. nitráttá oxidálnak (nit-rifikáció).A keletkezõ nitrátot a denitrifikáló mikroorganizmusok – elemi O2 hiányában – a terminális oxidációban elektron-akceptorként képesek hasznosítani, végtermékként N2 -t elõállítva (denitrifikáció).
A sejtanyagba beépült nitrogént a fölösiszappal távolítjuk el, a nitrogén gázzá konvertálódott része pedig az oldhatósági határ elérése után eltávozik a rendszerbõl.
A nitrogén természetes körforgását a 14. ábra szemlélteti.
14. ábra. A nitrogén természetes körforgása
2.2.1.1. Nitrifikáció
A szennyvizek nitrogéntartalma (TKN, azaz Total Kjeldahl Nitrogen) gyakran jó néhány g/l-es értéket is elérhet. Az aerob tisztítás során – elsõsorban a fehérjék, peptidek, aminosavak biodegradációjának eredmé-nyeképpen – ennek a nitrogén mennyiségnek a döntõ része ammóniává ill. ammónium vegyületekké alakul (ammonifikáció). A szabad ammónia a halakra erõsen toxikus, a letális érték a legtöbb esetben ~1 mg/l NH3– N [32] (ahol NH3–N alatt a szabad ammónia formájában jelenlevõ nitrogén mennyiségét értjük). A különösen intenzív mérgezõ hatás oka, hogy a gerinces élõlények többségétõl eltérõen, a halak a fehérje anyagcsere végtermékeként döntõen szabad ammóniát ürítenek ki. Ez a toxikus anyag a kopoltyú légzõhámján keresztül, passzív transzport útján kerül a környezõ vízbe, így a kiürítés lehetõsége és sebessége az ammóniakoncentrá-ció egyértelmû függvénye. Semleges pH mellett a teljes ammónia ammónium-ion formájában van jelen, míg pH = 9 esetén a szabad ammónia aránya meghaladhatja a 20% -ot is.
Mivel az ammónium-ion a kopoltyú hámsejtjén sokkal nehezebben jut át, mint a szabad ammónia, a toxi-citás szempontjából a reakció erõsen pH függõ. Az algák bikarbonátokat elimináló tevékenysége miatt a fe l-színi vizekben elég gyakori a magas pH, így lehetõség van az erõsen toxikus szabad ammónia arányának nö-vekedésére. Az ammónia-nitrogén eltávolítása tehát rendkívül lényeges.
A nitrifikációt, ami tulajdonképpen az ammónium nitrogén konvertálása nitrát nitrogénné [6], alapvetõen két autotróf mikroorganizmus csoport végzi: a Nitrosomonas és a Nitrobacter [32]. A reakció két lépcsõben játszódik le:
A felszabaduló energia sejtszintézisre fordítódik. Mivel azonban mennyisége a szaporodás szükségletéhez képest csekély, ezért a sejttömeg hozam alacsony. Így a nitrifikáció általában elhanyagolható iszapszaporu-latot eredményez [33].
Nitrifikáció esetén a szén eliminációhoz képest hosszabb a rendszer sejttartózkodási-idõ (Solid Retention Time, azaz SRT) szükséglete, mivel a Monod féle µmax – maximális fajlagos növekedési sebesség – a nitrifi-káló mikroorganizmusok esetén egy nagyságrenddel kisebb, mint a kevert mikroflórára megadott érték. Így a kimosódás elkerülése érdekében a sejttartózkodási idõt növelni kell (15. ábra). Ezért a biológiai szennyvíz-tisztítóban jóval nagyobb SRT-t kell biztosítani, mint amit a szervesanyag-lebontás általában igényelne [34, 35].
A nitrifikáló mikroorganizmusok a széneliminációban résztvevõ heterotróf szervezetekhez képest na-gyobb KSO2 értékûek [36]. Mivel a szaporodási sebesség és az oldott oxigén szint között egyértelmû össze-függés van [6]:
ezért nagy oldott oxigén koncentráció biztosításával a szaporodásgátló hatás csökkenthetõ (15. ábra).
A nitrifikáció, mint ahogy az a nitrátkonverzió egyenletébõl (18 egyenlet) is kitûnik, pH csökkenéssel járó folyamat lehet egy nem elegendõen nagy pufferkapacitású rendszerben.
15. ábra. A nitrifikáció, a sejttartózkodási idõ és az oldott O2 koncentráció összefüggése
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 3 0 3 2
H õ f o k [ ° C ]
Minimum SRT [nap]
S R T m i n 1 / m u m a x [ n a p ]
16. ábra. A nitrifikáció hõfokfüggése
A nitrifikációt befolyásoló tényezõk között igen fontos a hõmérséklet szerepe. A nitrifikálók mezofil szervezetek, a hõmérsékleti optimum 28 – 35°C között van [37]. Hõmérsékleti koefficiensük az eleveniszap mikroflóráját alkotó baktériumok között a legnagyobb. A hõmérsékletfüggést mutatja a 16. ábra, amelyet az Arrhenius egyenlet alapján, kísérleti úton meghatározott kinetikai paraméterek segítségével számítható ki [38]. Az ábrán látható, hogy a reakció hõmérsékletfüggése exponenciális jellegû bizonyos határok között, azonban bizonyos hõmérséklet fölött a sejtpusztulás olyan mértékûvé válik, hogy az SRT növelése válik szükségessé. (Az ábrán ez már nem látható.)
2.2.1.2. Toxikus anyagok hatása a nitrifikációra
A biológiai nitrogéneltávolítás egyetlen lehetséges megoldása az, ha a szennyvíz ammóniatartalmát elõbb nitritté, majd nitráttá oxidáljuk (nitrifikáció) a nitrifikáló mikroorganizmusok segítségével. Az így keletkezett nitrátot aztán a denitrifikáló szervezetek oxigénmentes környezetben tudják hasznosítani terminális elektron-akceptorként a jelenlevõ szerves szubsztrát metabolizációja során. A szennyvíztisztítás mikrobiális folyama-tai közül a nitrifikáció a legérzékenyebb a hõmérsékletre, az oldott oxigén és az inhibitorok koncentrációjára.
A szennyvízkezelésben résztvevõ populációk közül nitrifikáló szervezetek hõmérsékleti koefficiense a legna-gyobb, ezért a nitrifikáció hõmérsékletfüggése is jelentõs.
A folyamatot gátló tényezõk közül az elsõ helyen a szabad ammónia és salétromossav hatása említendõ [39]. Ezek a hatások erõsen pH függõek. Szerves anyag jelenléte általában a nitrifikációt kevéssé befolyásol-ja, – kivéve az inhibíciót okozó vegyületeket – ami a nitrifikáló baktériumok autotróf természetének követ-kezménye. A szén és a nitrogén asszimilációban résztvevõ szervezetek azonban egyaránt fogyasztanak oxi-gént, így nem kielégítõ levegõztetés esetén a nitrifikáció a szerves anyag növekedése következtében leállhat.
Fordított eset kevéssé valószínû, mert a heterotróf mikroorganizmusok KS értéke jóval kisebb, mint az autotrófoké.
Nem elégséges oxigénmennyiség, vagy alacsony hõmérséklet annyira lelassítja ezeknek a szervezeteknek a növekedési sebességét, hogy a nitrifikáció gyakorlatilag leáll. Hasonló a helyzet az inhibitor jellegû vegyü-letek jelenlétében is. Néhány – a szennyvízben gyakran elõforduló – vegyület 75%-os inhibíciót okozó ko n-centrációját tünteti fel a 3. táblázat.
Azokat a szerves vegyületeket, melyek jellegzetesen gátolják a nitrogén oxidációt, – ugyanakkor azonban nem sorolhatók a bakteriális tevékenységet általában gátoló vegyületek közé, – a 3. táblázatban láthatjuk [40]. Ezek a vegyületek gyakran tartalmaznak ként, így fémkelátok képzésére alkalmasak. A nitrifikáló mik-roorganizmusok azért érzékenyek specifikusan ezekre a vegyületekre, mert enzimkészletük egy részének ak-tiválásához fémet igényelnek. A 4. táblázatban felsorolt vegyületek elsõsorban a nitrifikáció elsõ lépését, az ammónia oxidációt gátolják, s csak kevéssé befolyásolják a nitrit oxidáció sebességét [41].
3. Táblázat. Az eleveniszapos nitrifikációt gátló szerves vegyületek
Inhibeáló vegyület 75%-os inhibíciót eredményezõ koncentráció [mg/l]
4. Táblázat. Az ammónia oxidációt a nitrifikáló baktériumok dúsított kultúrájában gátló vegyületek
Inhibeáló vegyület 50%-os inhibíciót eredményezõ koncentráció [mg/l]
A nitrát eltávolítása több szempontból is fontos. Egyrészt az eutrofizáció elkerülése végett, másrészt az ivóvízzel a szervezetbe kerülõ nitrát – amely a hemoglobinhoz kapcsolódva akadályozza az oxigénfelvételt – csökkentése miatt.
Oxigén hiányában, az eleveniszapban elõforduló szervezetek többsége képes a nitrátot nitrogénné redu-kálni, a folyamat során a nitrát, ill. nitrit molekuláris nitrogénné redukálódik, és kijut az atmoszférába:
NO3- → NO2- → NO → N2O → N2
A nitrát fenti összefüggéssel vázolt mikrobiális redukciója a valóságban bonyolult enzimreakciók soro-zatában megy végbe, alapvetõen asszimilációs vagy disszimilációs úton.
Az asszimilációs denitrifikáció során a nitrát – mint hidrogén akceptor –ammóniává redukálódik, majd sejtszintézisre fordítódik.
A disszimilációs denitrifikálásban – molekuláris oxigén távollétében, – a szénforrás oxidációja során a nitrátion elektron akceptorként szolgál, s ezúton vesz részt a sejtszintézishez szükséges energia termelésében [42]. Disszimilációs denitrifikáláshoz elektrondonor szénvegyület szükséges. Molekuláris oxigén hiányában a nitrát szolgál a szénvegyületrõl lekerülõ elektron akceptoraként. Erre a fakultatívan aerob mikroorganizmu s-ok képesek [33]:
5C6H12O6 + 24NO3- + 24H+ → 12N2 + 30CO2 + 42H2O + 13,5 MJ 5C6H12O6 + 30O2 → 30CO2 + 30H2O + 14,4 MJ
A két különbözõ folyamat során felszabaduló energia közel azonos, így amennyiben nincs oxigén a rend-szerben, kedvelt elektron akceptor a nitrát, mivel a fenti egyenletek tanúsága szerint a felhasznált nitrát egy-értelmûen oxigént vált ki a szervesanyag elimináció által. A reakció H+ -ion fogyasztó, vagyis pH növelõ ha-tású egy nem eléggé nagy pufferkapaciha-tású rendszerben.
A nitrát és nitrit elektronakceptorként való felhasználására nagyszámú baktérium képes, melyek közül a legfontosabbak a Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Hyphomicrobium és Thiobacillus nemzetségbe tartoznak [32]. Ezek a mikroorganizmusok fakultatív aerobok, ami annyit jelent, hogy oxigén távollétében citokróm rendszerüket nitrát hasznosításra módosítják. (Mivel szerves vegyületeket terminális elektron ak-ceptorként felhasználni, azaz anaerob fermentációval energiát nyerni nem képesek, fakultatívan anaerobok-nak nem minõsülnek.)
A denitrifikáció számára biztosítandó környezeti tényezõk közül a legfontosabb az oldott oxigén minél tökéletesebb kizárása. A molekuláris oxigén nitrát disszimilációt gátló hatása abban rejlik, hogy elektron ak-ceptorként való felhasználása preferált, így jelenlétében nitrát redukció nem történik [43]. A nitrát és oxigén respirációban alapvetõen ugyanazok az enzimek vesznek részt, egy – a nitrát reduktáz – kivételével, amely az elektronakceptorként való felhasználáshoz szükséges, s csupán oxigén távollétében képzõdik [44].
A denitrifikáció számára biztosítandó környezeti feltételek:
−
oldott oxigénmentes közeg,−
pH = 6 – 8 és a−
nitrátredukcióhoz szükséges szénmennyiség megléte.Mérhetõ oxigénszint mellet is elõfordulhat denitrifikáció, ha a biomassza aggregátumokat képez, s a flokkulumok belsejében az O2 koncentráció már elenyészõ a metabolizmus következtében.
A denitrifikáció pH optimuma közel semleges, (pH = 6 – 8 érték [44]), amit – ha nitrifikációt is folyta-tunk a rendszerben – viszonylag könnyû megvalósítani.
A redukciós reakciólánc megszakadhat pH = 6 alatt, nem kívánatos nitrit akkumulációt eredményezve.
Mivel a nitrát disszimiláció hidrogén-ion fogyasztással, ill. más interpretáció szerint hidroxil-ion képzõdéssel jár (ld. fenti reakcióegyenlet), a denitrifikáció az elegy lúgosságának növekedését eredményezi. (A sztöchio-metrikus arányok alapján 1 mg NO3
--N oxidációja során 3,6 mg CaCO3-ban kifejezett alkalinitás-növekedés tapasztalható.) A pH csökkenéssel járó nitrifikációt és a pH növekedést eredményezõ denitrifikációt adott szennyvíztisztító rendszerben együttesen alkalmazva, függetlenül ezen folyamatok esetleges térbeli elkülö-nítettségétõl, jó közelítéssel semleges pH-jú tisztított víz jut ki a környezetbe [45].
A denitrifikáció a gyakorlat számára elfogadható sebességgel 5 – 60°C hõfoktartományban játszódik le, optimuma 40°C [44].
A célzott denitrifikációt biztosító technológiai megoldásoknál az anoxikus (nitrátot igen, oxigént nem tartalmazó) medence a levegõztetõ medence elõtt vagy után helyezkedik el a szennyvíz áramlási irányát te-kintve (17. ábra). Az ún. elõdenitrifikáció során nitráteliminációra a szennyvíz könnyen biodegradálható komponenseit alkalmazzák szénforrásként, kiegészítõ, adalék szerves anyagot ez a megoldás általában nem igényel. Az utódenitrifikációban a mikroorganizmusok számára csupán kismennyiségû és nehezen hasznosít-ható szénforrás marad. Ilyen esetben a nitrát redukcióhoz szükséges szén szükségletet a sejtek saját anyaguk-ból, ún. endogén metabolizmus útján fedezik, vagy ezt elkerülendõ a rendszerbe külsõ, pótszénforrást (pl.
metanolt) kell adagolni.
a. Elkülönített utódenitrifikáció
b. Egyiszapos utódenitrifikáció
c. Egyiszapos elõdenitrifikáció
C-N: szénelimináció és nitrifikálás, C: szénforrás adagolás DN: denitrifikálás
L: levegõztetés Ü1: elõülepítés Ü2-Ü3: utóülepítés
17. ábra. Nitrogén eltávolítására alkalmas reaktor elrendezések [28]
A körülmények (aerob és anoxikus) alterálása a mikroflórától megfelelõ alkalmazkodó-, ill. tûrõképessé-get követel. Az eleveniszap heterotróf baktériumainak 20 – 40%-a képes denitrifikációra [46], viszonylag rö-vid anoxikus tartózkodási idõ esetén azonban a nem-denitrifikáló szervezetek sem károsodnak.
Tapasztalatok szerint leghatékonyabban az elkülönített terû denitrifikáció hasznosítható, az egyiszapos elõ- és utódenitrifikáció kb. azonos sebességgel zajlik, míg a nitrát redukció az endogén szénforrás felhas z-nálása esetén a leglassúbb [47]. Ennek megfelelõen adott nitrát elimináció eléréséhez a legkisebb szükséges anoxikus térfogatot elkülönített utódenitrifikáció esetén kell biztosítani. Ezzel szemben azonban az egyisza-pos rendszerek elõnye a kisebb ülepítõtérfogat, kedvezõbb iszapülepedési sajátságok, a kiegyensúlyozottabb pH, a lecsökkent levegõztetési igény és – fõként az elõdenitrifikáció esetén – a külsõ szénforrás megtakarítá-sa.
Valamely elrendezés kedvezõ mivolta nagymértékben függ attól, hogy a nitrát milyen mértékben képes kiváltani a levegõ oxigénjét a szervesanyag biodegradációja során. Ebbõl a szempontból kétségkívül az elõ-denitrifikáció a legelõnyösebb, miáltal a telep energiaigénye csökkenthetõ.
Amennyiben teljes nitrifikációt tételezünk fel az utódenitrifikációban, csak kis mennyiségû szénforrás marad a biomassza számára, ezért a reakció gyorsítására pót-szénforrást kell adagolni. Ezért az esetek több-ségében célszerû a denitrifikációt a tisztítási folyamat elején megvalósítani.
A vizsgált nitrát és nitrit átalakulásának reakciósebességét a (19) egyenlet írja le [48]:
A
rSNO nitrát/nitrit fogyási sebesség KS heterotróf biomassza telítési koefficiense SNO oldott nitrát nitrogén konc. a szennyvízben YA autotróf hozam
SNH oldott ammónia nitrogén konc. a szennyvízben KO,H heterotróf biomassza oxigén telítési koefficiense YH heterotróf hozam KNO denitrifikáló heterotrófok nitrogén telítési koefficiense µA max. fajlagos növekedési sebesség az autotrófokra KO,A autrotróf biomassza oxigén telítési koefficiense KNH ammónia telítési koefficiens az autotrófokra SO oldott oxigén koncentráció
ηg µA korrekciós faktora anoxikus körülményekre XB,H heterotróf biomassza koncentráció µH heterotróf biomassza maximális fajlagos növekedési
sebessége
XB,A autotróf biomassza koncentráció