A negyedik fokozatú szennyvíztisztítás műszaki, gazdasági, környezeti hatásai

DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS

Pannon Egyetem

2019

A negyedik fokozatú szennyvíztisztítás műszaki, gazdasági, környezeti hatásai

Doktori (Ph.D.) értekezés

P

ANNON

E

GYETEM

V

EGYÉSZMÉRNÖKI ÉS

A

NYAGTUDOMÁNYI

D

^OKTORI

I

^SKOLA

Készítette:

Németh József okleveles környezetmérnök

okleveles vízellátás-csatornázás szakmérnök minőségirányítási rendszermenedzser

Témavezető:

Dr. Domokos Endre Gábor Intézetigazgató, egyetemi docens

Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, Környezetmérnöki Intézet Veszprém, 2019.

DOI:10.18136/PE.2019.714

A negyedik fokozatú szennyvíztisztítás műszaki, gazdasági, környezeti hatásai Az értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében készült a Pannon Egyetem

Vegyészmérnöki és Anyagtudományok Doktori Iskolája keretében bio-, környezet- és vegyészmérnöki tudományágban

Írta: Németh József

Témavezető/i: Dr. Domokos Endre Elfogadásra javaslom (igen / nem)

……….

Dr. Domokos Endre

A jelölt a doktori szigorlaton ……. %-ot ért el,

Veszprém, 2019. ……….

(a Szigorlati Bizottság elnöke) Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:

Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(bíráló)

Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(bíráló)

A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...%-ot ért el.

Veszprém, 2019. ……….

(a Bíráló Bizottság elnöke) A doktori (PhD) oklevél minősítése…...

Veszprém, 2019. ……….

(az EDHT elnöke)

Eredetiségi nyilatkozat

Alulírott Németh József doktorjelölt, büntetőjogi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a jelen nyilatkozat keletkezését megelőző két éven belül sikertelenül lezárt doktori eljárásom nem volt.

A doktori dolgozatom – melynek címe: A negyedik fokozatú szennyvíztisztítás műszaki, gazdasági, környezeti hatásai – saját önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít szó szerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül, tartalmi idézet közlése hivatkozás megjelölése nélkül, más kiadott gondolatainak saját szellemi termékként való feltüntetése.

Alulírott Németh József kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén doktori dolgozatom visszautasításra kerül. Kijelentem továbbá, hogy doktori dolgozatom nyomtatott és elektronikus példányai szövegükben, tartalmukban megegyeznek.

Kelt, Sárszentmihály, 2019.04.26.

………

Németh József

A TÉMÁBAN EDDIG MEGJELENT VAGY KÖZLÉSRE ELFOGADOTT PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE

CIKKEK: IDEGEN NYELVŰ LEKTORÁLT FOLYÓIRATBAN:

1. Viktor Sebestyén, József Németh, Tatiana Juzsakova, Endre Domokos, Ákos Rédey:

Lake Balaton: Water Quality of the Largest Shallow Lake in Central Europe, Encyclopedia of Water: Science, Technology, and Society, John Wiley & Sons.

közlésre elfogadott.

2. József Németh, Endre Domokos, Viktor Sebestyén, Tatjana Juzsakova, Igor Cretescu, Ákos Rédey: study on the ozonization with special focus on the glyphosate-amine mineralization in the field of the waste water treatment, Environmental Engineering and Management Journal, Közlésre elfogadott

IF.: 1,334

3. József Németh, Viktor Sebestyén, Tatjana Juzsakova, Endre Domokos, László Dióssy, Cuong Le Phouc, Péter Huszka, Ákos Rédey: Methodology development on aquatic environemntal assessment, Environmental Science Pollution Research (2017) 24 (12):11126-11140

IF.: 2,800

https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-016-7941-1

4. Viktor Sebestyén, József Németh, Tatjana Juzsakova, Endre Domokos, Zsófia Kovács, Ákos Rédey: Aquatic environmental assessment of Lake Balaton in the light of physical-chemical water paramteres, Environmental Science Pollution Research (2017) 24 (32):25355-25371

IF.: 2,800

https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-017-0163-3

ELŐADÁS: NEMZETKÖZI KONFERENCIAELŐADÁS IDEGEN NYELVEN CSAK KIVONATOS MEGJELENÉSSEL:

1. Németh, J., Sebestyén, V., Domokos, E., Kárpáti Á., Rédey, Á.: New solution in the waste water treatment, International Conference on Chemical, Civil and Environmental Engineering (ICCCEE’2015), London, United Kingdom, March 23-24, 2015.

2. Németh, J., Sebestyén, V., Juzsakova, T., Domokos, E., Kárpáti, Á., Lauer, J., Rédey, Á.: Study on the ozonization with special focus on the environmental and economic

issues in the 4th stage waste water treatment, 15th EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment, Leipzig, Germany, September 20-24, 2015.

3. Németh, J., Sebestyén, V., Dióssy, L., Lauer, J., Domokos, E., Juzsakova, T., Rédey, Á.: Removal of micropollutants from waste waters with oxidation processes, , 6th ICEEE International Conference Global Envrionmental Change and Environmental Health: Progress and Challenges, Budapest, Hungary, November 19-21, 2015.

4. Németh, J., Domokos, E., Sebestyén, V., Juzsakova, T., Rédey, Á.: New multiple criteria decision making technique in the development of waste water treatment facilities, 9th International Conference on Environmental Engineering and Management, Bologna, Italy, September 6-9, 2017.

ELŐADÁS: NEMZETKÖZI KONFERENCIAELŐADÁS MAGYAR NYELVEN CSAK KIVONATOS MEGJELENÉSSEL:

1. Németh, J., Sebestyén, V., Domokos, E., Utasi, A., Rédey, Á.: A balatoni víztest környezeti kémiai, gazdasági és társadalmi vizsgálata multi-kritériumos döntéshozatalt támogató eszközök segítségével, XX. Nemzetközi Vegyészkonferencia, Kolozsvár, Románia, 2014. november 6-9.

ELŐADÁS: MAGYAR NYELVEN TARTOTT ELŐADÁS CSAK KIVONATOS MEGJELENÉSSEL:

1. Németh, J., Utasi, A., Rédey, Á.: Multi-kritériumos döntéshozatali eszközök használata a környezetmérnöki gyakorlatban, XI. Jedlik Ányos Szakmai Napok, Veszprém, 2014. április 10-12.

2. Németh, J., Sebestyén V., Rédey Á.: Multi-kritériumos döntéshozatalt támogató eszközök használata a környezetmérnöki gyakorlatban, III. Interdiszciplináris Doktorandusz Konferencia, Pécs, 2014. április 15-17.

3. Németh, J., Sebestyén, V., Yuzhakova, T., Fráter, T., Utasi, A., Rédey, Á.: A balatoni víztest vizsgálata multi-kritériumos döntéshozatalt támogató eszközök segítségével, Természet és társadalom a Balaton régióban – Sekély tavas területek multidiszciplináris kutatása, Kaposvár, 2014. június 5.

4. Németh, J., Sebestyén, V., Domokos, E.: Utánkapcsolható technológiák hatékonyságának vizsgálata a kommunális szennyvíztisztításban, V. Interdiszciplináris Doktorandusz Konferencia, Pécs, 2016. május 27-29

5. Németh J., Sebestyén V., Lauer J., Domokos E., Rédey Á.: Különböző mikroszennyező komponensek eltávolítási hatékonysága nagyhatékonyságú szennyvíztisztító technológiákkal, VI. Interdiszciplináris Doktorandusz Konferencia, Pécs, 2017. május 19-21

POSZTER: NEMZETKÖZI KONFERENCIA IDEGEN NYELVEN:

1. Németh J., Sebestyén V., Juzsakova T., Domokos E, Dióssy L, Rédey Á.: Optimization of novel tetiary wastewater treatment technologies, 6^th International Joint Conference on Environmental and Light Industry Technologies, Budapest, Hungary, 23-24 November, 2017

2. Németh J., Domokos E., Sebestyén V., Juzsakova T., Rédey Á.: New multiple criteria decision making technique in the development of waste water treatment facilities, 9th International Conference on Environmental Engineering and Management (ICEEM 09), Bologna, Italy 6-9 September, 2017

3. Németh J., Sebestyén V., Domokos E., Juzsakova T., Rédey A.: Study on the Efficiency of Advanced Technologies in Waste Water Treatment, 3rd International Conference on Chemical Engineering (ICCE 2016), Iasi, Romania, November 9-11, 2016.

4. Németh, J., Sebestyén, V., Juzsakova, T., Domokos, E., Kárpáti, Á., Lauer, J., Rédey, Á.: Study on the ozonization with special focus on the environmental and economic issues in the 4th stage waste water treatment, 15th EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment, Leipzig, Germany, September 20-24, 2015.

POSZTER: NEMZETKÖZI KONFERENCIA MAGYAR NYELVEN:

1. Németh J., Sebestyén V., Domokos E., Rédey Á.: Új többtényezős döntéshozatalt támogató eszköz az optimális technológia választáshoz, XXII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, Temesvár, Románia November 3-6, 2016.

POSZTER: HAZAI KONFERENCIA MAGYAR NYELVEN:

1. Németh, J.: Multi-kritériumos döntéshozatali eszközök használata a környezetmérnöki gyakorlatban, XIX. Bolyai konferencia, Budapest, 2014. március 22-23.

I

TARTALOMJEGYZÉK

TARTALOMJEGYZÉK ... I ELŐSZÓ ... I CÉLKITŰZÉSEK – KITŰZÖTT CÉLOK ISMERTETÉSE ... II

BEVEZETÉS ... 1

1. IRODALMI ÁTTEKINTÉS ... 3

1.1. SZENNYVIZEK ... 3

1.2. KÖVETELMÉNYEK ... 4

1.3. KIHÍVÁSOK A XX. SZÁZADBAN. ... 5

1.3.1. Detergensek eltávolítása ... 5

1.4. ÚJABB KIHÍVÁSOK A SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TERÜLETÉN A XXI. SZÁZADBAN ... 6

1.4.1. Mikroszennyezők ... 8

1.4.1.1. Peszticidek ... 9

1.4.1.2. Gyógyszermaradványok ... 10

1.4.2. Mikroszennyezők viselkedése szennyvíztisztító telepeken ... 11

1.4.3. Mikroszennyezők eltávolításának lehetőségei ... 11

1.4.4. A szennyvíztisztítás jelenlegi fokozataiban történő mikroszennyező eltávolítás ... 12

1.4.4.1. Mikroszennyezők biológiai eltávolítása ... 12

1.4.4.2. Adszorpció az iszapmátrixban ... 14

1.4.4.2. Teljeskörű lebegőanyag eltávolítás ... 14

1.4.4.3. Membrán-eleveniszapos eljárás ... 15

1.4.5. Célzott mikroszennyezőeltávolítás a szennyvíztisztításban ... 16

1.4.5.1. Oxidációs eljárások – ozonizálás ... 19

1.4.5.2. Nagyhatékonyságú oxidációs eljárások ... 24

1.4.5.3. Adszorpciós eljárások ... 34

1.4.5.4. Nanoszűrés és fordított ozmózis ... 35

1.5. IRODALMI ÖSSZEFOGLALÁS ... 37

2. KÍSÉRLETEK ÉS MÓDSZERTANI FEJLESZTÉSEK ... 38

2.1. A KÍSÉRLETEKBEN ALKALMAZOTT VIZSGÁLATI MÓDSZEREK ... 38

2.1.1. Analitikai vizsgálatok ... 38

2.1.2. Ökotoxikológiai vizsgálatok ... 39

2.2. A KÍSÉRLETEKBEN ALKALMAZOTT TECHNOLÓGIÁK ÉS EZEK KOMBINÁCIÓI ... 39

2.2.1. Ózonos oxidációs eljárások ... 40

2.2.2. AOP – Nagyhatékonyságú oxidációs eljárások (H2O2+O3) ... 41

2.2.3. Adszorpciós eljárások ... 41

2.2.4. Membrános műveletek ... 42

2.3. A KÍSÉRLETEKBEN FELHASZNÁLT SEGÉDANYAGOK ... 42

II

2.3.1. Glifoszfát-amin kiindulási koncentrációk a különböző vizsgálatok esetében ... 44

3. KÍSÉRLETI EREDMÉNYEK ... 46

3.1. ÓZONOS OXIDÁCIÓS KÍSÉRLETEK EREDMÉNYEI ... 46

3.2. AOP– NAGYHATÉKONYSÁGÚ OXIDÁCIÓS KÍSÉRLETEK (O3/H2O2) EREDMÉNYEI ... 48

3.3. ADSZORPCIÓS KÍSÉRLETEK EREDMÉNYEI ... 50

3.4. MEMBRÁNSZEPARÁCIÓ ... 52

3.5. ESETTANULMÁNY.7100LE-Ű HAZAI KIS SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEP ... 52

3.5.1. Összefoglaló értékelés ... 53

3.6. FENNTARTHATÓSÁGI ELEMZÉS A GLIFOSZFÁT-AMIN ELTÁVOLÍTÁSÁRA SZOLGÁLÓ TECHNOLÓGIAI MÓDSZEREKHEZ ... 55

3.6.1. Kommunális elfolyó szennyvízmintával végzett kísérletek ... 58

3.6.2. A fenntarthatósági értékelés, összegzés ... 60

3.7. KORRELÁCIÓS VIZSGÁLAT, MINT REPRODUKÁLHATÓSÁGI VIZSGÁLAT AZ OXIDÁCIÓS ELJÁRÁSOKKAL VÉGZETT KÍSÉRLETEKHEZ ... 61

3.7.1. Pearson-féle korrelációs együttható ... 61

3.7.2. Az eltávolítási hatékonyság értékelése az ózondózis függvényében ... 65

3.7.3. Összefoglaló értékelés ... 66

3.8. A GLIFOSZFÁT-AMIN OXIDÁCIÓS, ADSZORPCIÓS ÉS MEMBRÁNSZEPARÁCIÓS ELTÁVOLÍTÁSÁNAK ÖKOTOXIKOLÓGIAI VIZSGÁLATA ... 66

3.8.1. Az ózonos oxidációs eljárások ökotoxikológiai eredményei ... 67

3.8.2. Adszorpciós eljárások ökotoxikológiai eredményei ... 71

3.8.3. A membránszeparációs eljárások eredményei ... 72

3.8.4. Elméleti ökotoxikológiai vizsgálatok ... 73

3.8.5. Ökotoxikológiai vizsgálatok összefoglalása ... 75

4. ÚJ TÍPUSÚ MENNYISÉGI MÓDSZER A NEGYEDIK FOKOZATÚ SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TECHNOLÓGIÁINAK RANGSOROLÁSÁHOZ ... 77

4.1. AZ TOI MENNYISÉGI MÓDSZER DÖNTÉSI ALGORITMUSA ... 77

4.2. ATOI MENNYISÉGI MÓDSZER BEMUTATÁSA ... 79

4.3. ATOI MENNYISÉGI MÓDSZER SÚLYOZÁSA ... 79

4.4. TECHNOLÓGIAI RANGSOROLÁS ... 87

4.5. ATOI MENNYISÉGI MÓDSZER EREDMÉNYEINEK ÖSSZEFOGLALÁSA ... 90

5. TÉZISEK ... 92

6. ÖSSZEFOGLALÁS ÉS KÖVETKEZTETÉSEK ... 95

ZUSAMMENFASSUNG ... 99

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS ... 100

FELHASZNÁLT IRODALOM ... 102

III

ÁBRA-, TÁBLÁZAT- ÉS EGYENLET JEGYZÉK ... 121

MELLÉKLETEK ... 1

1. MELLÉKLET -ELTÁVOLÍTÁSI HATÉKONYSÁGOK A KÜLÖNBÖZŐ MIKROSZENNYEZŐK ESETÉBEN ... 1

2. MELLÉKLET –SKÁLAÉRTÉKEK A MENNYISÉGI MÓDSZER ALKALMAZÁSÁHOZ ... 5

3. MELLÉKLET ... 7

3.1. Melléklet: A megállapított súlyértékek számításának körülményei ... 10

4. MELLÉKLET:TELJES MÁTRIXOK A MENNYISÉGI MÓDSZER BEMUTATÁSÁHOZ ... 13

4.1. Melléklet: A bemutatott esettanulmányhoz tartozó alapmátrix ... 13

4.2. Melléklet: A bemutatott esettanulmányhoz tartozó normalizált mátrix ... 14

4.3. Melléklet: A bemutatott esettanulmányhoz tartozó súlyozott mátrix ... 15

E

^LŐSZÓ

A doktori cselekményem során célul tűztem ki, hogy a hazai gazdasági, műszaki és természeti környezetben tapasztalható sajátosságok szempontjából vizsgáljam meg a szennyvíztisztítás negyedik fokozatának lehetőségeit, azon belül is a célzott mikroszennyező eltávolítást. Nyugat- Európában és a világ számos pontján értékes műszaki ismereteket szereztek a szakemberek ezen a területen. Számos ország jogi és műszaki környezetébe már beépítette ezeket az új eljárásokat. Svájc jó példa erre, ahol az elmúlt években nagyszabású beruházásokba kezdtek, amelynek eredményeként több, a gyakorlatban is megvalósult negyedik fokozatú szennyvíztisztító telep került átadásra. Magyarországra sem a vízhiányos állapot, sem pedig a nagyvárosokban előforduló (többszázezer, akár milliós lélekszámú városok) koncentrált és mikroszennyezőkkel terhelt szennyvíz jelenleg még nem jellemzők.

Érdemes kiegészíteni és a hazai környezetre adaptálni a szennyvíztisztítás negyedik fokozatának területén eddig elért eredményeket és tapasztalatokat, amelyeket eddig döntően más országokban terjedtek el. Disszertációm tézispontjai erre a célra irányulnak. Négy tézispontban foglalom össze az új tudományos eredményeimet. Ezek a tézispontok a szennyviztisztítási technológiaválasztás eljárásában, támogatásában játszhatnak fontos szerepet a fenntartható fejlődés koncepciójának gyakorlati megvalósítását illetően.

C

ÉLKITŰZÉSEK

–

KITŰZÖTT CÉLOK ISMERTETÉSE

Disszertációmban és a Ph.D. cselekményemben célul tűztem ki, hogy az irodalmi feldolgozásban a szennyvíztisztítás negyedik fokozataként alkalmazható technológiákat ismertetem, és eredményként létrehozok grafikus szemléltető eszközöket, amelyek szennyezőanyagonként technológiákra fókuszálva mutatják be az elérhető eltávolítási hatásfokot. Laboratóriumi kísérletsorozatban a glifoszfát-amin tartalmú növényvédőszer oxidációs, adszorpciós és membránszeparációs módszerekkel történő eltávolítási hatékonyságát vizsgálom. Ezután az elért eredményeimet és az irodalmakból elérhető gazdasági adatokat felhasználva gazdasági szempontból értékelem a technológiákat, rendszereket. Az így megszerzett adatokat kiegészítem ökotoxikológiai mérések eredményeivel, majd egy komplex mennyiségi módszert megalkotva értékelem a lehetséges technológiákat.

Oldalszám: 1/124

B

^EVEZETÉS

Napjainkban számos új kihívás jelentkezik a szennyvíztisztítás során, amelyek akárcsak a XX.

század közepén, úgy ma is sok innovációt követelnek meg a szakemberektől. Példaként említhetjük az UV sugárzás alkalmazását a szennyvizek fertőtlenítésében [1], vagy a nagyhatékonyságú szennyvíztisztítást [2]. Manapság világméretű gondot jelent a szennyezett víz újrahasznosítása, amely főleg az ipar, az ivóvíztisztítás és a mezőgazdaság területén kényszeríti ki újabb technológiai megoldások alkalmazását. Ezek az új megoldások lehetnek többek között olyan oxidációs eljárások, amelyek olyan szerves anyagok – mint pl. a mikroszennyezők – eltávolítását valósítják meg, mivel azok nagy kémiai stabilitásuk miatt már nem kezelhetők a szokásos technológiai eljárásokkal/módszerekkel, továbbá biológiai úton nem, vagy csak nagyon nehezen bonthatók [3], [4].

Mikroszennyezőknek nevezzük azokat az anyagokat, melyek µg/l koncentráció nagyságrendben fordulnak elő a vizekben és csökkentik, esetleg megszüntetik a természetes élővizekben lejátszódó életfolyamatok feltételeit és a víznek az ember számára való felhasználhatóságát. Legtöbbször perzisztens tulajdonságot mutatnak, aminek hatására a vizekben akkumulálódnak. Mindamellett jelentősek a toxikus hatásaik, jellemzően a reprodukciós képességet befolyásolják. Ezek a mikroszennyezők lehetnek szerves és szervezetlen mikroszennyezők, gyógyszermaradványok és a hormonháztartást zavaró anyagok egyaránt.

Ezen szerves anyagok közé tartoznak többek között a különböző peszticidek is, amelyekkel disszertációm keretében foglalkozok. A növényvédőszerek koncentrációja az élővizekben jelentősen megnövekedett az elmúlt évtizedekben [5]. A környezetben nagy mennyiségben megjelenő perzisztens anyagok korlátozzák az érintett környezeti elem hasznosíthatóságát [6].

A laboratóriumi vizsgálataim során a glifoszfát-amin növényvédőszer, gyomírtószer eltávolításának lehetőségeit vizsgáltam. Ezen peszticid gyorsan elterjedt és mára egy általánosan széles körűen használatos növényvédőszer [7]. Az eltávolítására számos megoldás létezik. Ilyen technológiai megoldások lehetnek az adszorpciós eljárások, amelyek – a peszticid tulajdonságaitól és a szennyvízben levő koncentrációjától függően – egyszerű, egylépcsős,

Anyone who can solve the problems of water will be worthy of two Nobel Prizes – one for peace and one for science.

John F. Kennedy

Oldalszám: 2/124 folytonos homogén aktívszenes adszorbciós reaktorok vagy akár többlépcsős, szakaszos, kevert adszorbciós reaktorokat alkalmaznak. Az utóbbiak használata olcsóbb, egyszerűbb és számos esetben hatékonyabb [8].

Fotokatalitikus és fotolitikus eljárás is alkalmazható az eltávolításukra számos esetben.

Fotolízis során a szennyező anyagok mineralizációja a besugárzott fény hatására nagy hatékonysággal játszódik le, míg fotokatalitikus eljárások során valamilyen katalizátor (általában TiO2) használatával érik el a szerves mikroszennyező lebomlását. Ezeket a módszereket a szakirodalom a nagyhatékonyságú oxidációs eljárások közé sorolja [9], [10].

A gyakorlatban számos esetben alkalmazzák az ózonos oxidációs eljárásokat, amely ipari szennyvizek tisztítása (gyógyszeripari [11], egyéb ipari ágazatok [12]) során gyakran alkalmazott eljárás, az erős oxidáló hatás miatt. Az oxidációkor biológiai degradáció, a szerves, szervetlen kémiai anyagok oxidációja és fertőtlenítés egyaránt megtörténik. Az oxidációs eljárások alkalmas eszközei lehetnek a szennyvíztisztítás 4. fokozatának.

A mikroszennyezők eltávolításra természetesen alkalmasak a különböző membránszeparációs eljárások is. Ezeknek a használatára is született számos tanulmány az elmúlt években. A költségek csökkentésének és a hatékonyság növelésének szempontjából számos esetben kombinálják a membrános szűrést, például a nanofiltrációt oxidációs eljárásokkal. A tanulmányok alapján megállapítható, hogy bár az egyes technológiák hatékonysága hasonló, de ezek kombinálása gazdasági szempontból előnyös lehet [13].

Oldalszám: 3/124

1. I

RODALMI ÁTTEKINTÉS

A szennyvíztisztítás feladata, hogy az emberi tevékenység során felhasznált, elszennyezett vizeket megtisztítva a környezetet minimálisan befolyásoló állapotba hozza. Fontos, hogy a kezelt szennyvizek a befogadóba tápanyagokkal kevésbé vagy nem terhelten és mérgező anyagoktól mentesen kerüljenek be. A hidrológiai rendszerben megjelenő antropogén hatásokat a lehető legalacsonyabb szintre kell leszorítani. Így a feladat jellemzően a tápanyagok koncentrációjának csökkentése, az oldott oxigént fogyasztó anyagok eltávolítása, valamint az akkumulálódó szerves és szervetlen anyagok eltávolítása a szennyvízből [3], [5].

A XXI. században egyértelműen látszik, hogy az emberi egészségvédelem, a fenntartható fejlődés és az ökoszisztéma védelme a szennyvíztisztításban kiemelt szerepet játszik. Számos cikkben, például Begatin és társai 2014. évi közleményükben [9], vagy az UNESCO a 2015.évi jelentésében [10] felhívják a figyelmet arra, hogy a népesedés, az urbanizáció és az ehhez társuló helyenként nem kielégítő színvonalú szennyvíztisztítás hatalmas terhet ró az édesvízkészletekre [11].

Az új tudományos eredmények olvasói között viszonylag kevesen vannak, akik saját tapasztalatukból ismerhetik a vízhiányos területek társadalmi, gazdasági és környezeti problémáit. Azonban a világ számos területén (1. táblázat) rengeteg olyan ember él, akik a tiszta vizet, vagy a közcsatornázás nyújtotta komfortot kénytelenek nélkülözni.

1. táblázat: Azon városlakók száma és aránya, akik nélkülözik a megfelelő vízellátást és csatornázást (2015) [12], [13]

Régió Vizet nélkülözők száma Csatornázást nélkülözők száma Afrika 100 – 150 millió ember (35-50%) 150 – 180 millió ember (50-60%) Ázsia 500 – 700 millió ember (35-50%) 600 – 800 millió ember (45-60%) Latin Amerika

és a Karibi térség

80 – 120 millió ember (20-30%) 100 – 150 millió ember (25-40%)

1.1. S

ZENNYVIZEK

A szennyező komponensek számossága miatt a szennyvíznek több definíciója is létezik. Az egyik általánosan használt megfogalmazás szerint szennyvíznek tekinthető minden olyan víz, amely az emberi tevékenységből (életfunkciók fenntartása, gazdasági és társadalmi igényeket kielégítő folyamatok) származóan szerves és szervetlen szennyező komponensekkel terheli a vizeket. Napjainkban a kommunális vízfelhasználás a fő forrása a szennyvizeknek, ide értve a szociális és a lakosságot ellátó ipari tevékenységekből származó vizeket is. Ezért fontos kiemelni, hogy a kommunális szennyvíz összetett rendszer, amelyben a mikroorganizmusok és

Oldalszám: 4/124 azok növekedéséhez szükséges tápanyagok nagy feleslegben állnak rendelkezésre. Ezen túlmenően a szennyvíz adta mikrokörnyezet paraméterei (pH, hőmérséklet stb.) is megfelelőek a mikroorganizmusok szaporodásához és fejlődéséhez. Ezzel szemben az ipari vizekben az élő szervezetek legtöbbször hiányoznak és a legtöbb esetben a környezet sem megfelelő a szaporodásukhoz. A szennyvizek minőségi paramétere a lakosegyenérték (LE), amely bemutatja, hogy mekkora egy lakos szennyezőanyag kibocsátása. Ezt a következő koncentráció egységekkel fejezi ki:

• BOI5/fő nap: 60 g (5 napos biológiai oxigénigény)

• KOIcr/fő nap: 110 g (bikromátos kémiai oxigénigény, mintegy 90 g szerves anyaggal egyenértékű)

• Lebegőanyag/fő nap: 60 g (0,45 μm-es szűrőn fennmaradó lebegőanyag)

• TKN/fő nap: 14 g (redukált nitrogén – Total Kjelhdal Nitrogén)

• TP/fő nap: 2 g (összes foszfor)

• TS/fő nap: 1 g (összes kén) [3], [5].

1.2. K

ÖVETELMÉNYEK

A 28/2004. XII. 25. kormányrendelet a határértékeket és előírásokat tartalmazza a szennyvizekkel folytatott tevékenységekhez. A jogszabályban a hatóságoknak azt a jogát, hogy a határértékeket a vízminőségi érdekek függvényében bármikor szigoríthatják, külön kiemelték a jogalkotók [14].

2. táblázat: A szennyvizek befogadóba való közvetlen bevezetésére vonatkozó vízminőség-védelmi területi kategóriák szerint meghatározott kibocsátási határértékek [14]

Területi kategóriák

Komponens 1. Balaton

vízgyűjtője és közvetlen befogadói

2. Egyéb védett területek

3. Időszakos vízfolyás befogadói

4. Általános védettségi kategória befogadói

pH 6,5-8,5 6,5-9,00 6,5-9,00 6,00-9,5

KOIcr (mg/l) 50 100 75 150

BOI5 (mg/l) 15 30 25 50

Összes szervetlen nitrogén (mg/l) 15 30 20 50

Összes nitrogén (mg/l) 20 35 25 55

Ammónia- ammónium-nitrogén

(mg/l) 2 10 5 20

Összes lebegőanyag (mg/l) 35 50 50 200

Összes foszfor (mg/l) 0,7 5 5 10

SZOE (mg/l) 2 5 5 10

Oldalszám: 5/124 A 2. táblázatban a kibocsátott szennyvízre vonatkozó határértékek szerepelnek a befogadó érzékenysége szerint. A 3. táblázat a technológiai határértékeket ismerteti a települési szennyvíztisztítók kibocsátására vonatkozóan. Minden esetben a szigorúbb határérték az, amelyiket figyelembe kell venni. A hatóság a szigorítási jogával gyakran él a talajvizeink hosszútávú minőségének megőrzése érdekében. A határérték túllépését a hatóság bírság megállapításával bünteti [14].

3. táblázat: Települések szennyvíztisztításra vonatkozó technológiai határértékei [14]

Kiépített terhelési kapacitás (LE)

KOIcr

(mg/l)

BOI5

(mg/l)

Összes lebegőanyag

(mg/l)

Összes foszfor (mg/l)

Összes nitrogén V.1. -

XI.15.

XI.16. - IV.30.

<600 300 80 100 - - -

601 – 2000 200 50 75 - - -

2001 – 10000 125 25 35 - - -

10001 – 100000 125 25 35 2 15 25

>100000 125 25 35 1 10 20

Amennyiben a szennyvíztisztító a szennyezőanyagok tekintetében ötszörösen, mérgezőanyagok esetében kétszeresen túllépi a határértéket, akkor a bírságtétel kétszeresen számítandó.

1.3.

KIHÍVÁSOK A

XX.

SZÁZADBAN

.

A XX. században a növekvő ipari termelés, a vegyipar fejlődése, a városiasodás és a lakosság gyarapodásának következtében új igények jelentkeztek a szennyvíztisztításban. Ezek jellemzően a következő anyagok eltávolítását jelentették:

• a magas sótartalom csökkentése,

• lebegőanyagokkal túlterhelt szennyvizek kezelése,

• biológiailag nem bontható szerves anyagok eltávolítása,

• detergensek eltávolítása,

• ammóniumion eltávolítása,

• foszfor eltávolítása.

Ezen anyagok eltávolítását együttesen a szennyvíztisztítás III. fokozatának nevezzük, egyes szakirodalmak szerint pedig fizikai-kémiai módszereknek [8].

1.3.1. Detergensek eltávolítása

A detergensek olyan vegyi anyagok, amelyek rendszerint egy hidrofób (apoláros) és egy hidrofil (poláros) részből állnak, így lehetővé teszik emulziók kialakulását. Csökkentik a

Oldalszám: 6/124 szolvens felületi feszültségét, ezáltal elősegítik az oldószerben nem oldódó anyagok oldódását, diszpergálását [15]. A detergensek lehetnek anionos, kationos és nem-anionos, valamint amfoter jellegűek a vízben mutatott különleges tulajdonságuk alapján [16].

A detergensek eltávolítását illetően az jelent problémát, hogy a széleskörűen alkalmazott úgynevezett kemény detergensek biológiailag nem bonthatóak. Megoldásként a vegyipar a ’70- es években előállt az úgynevezett „lágy” detergensekkel, amelyek biológiai úton történő lebontása már lehetséges volt [8]. Ez egyben megoldást kínált a detergensek káros környezeti hatásainak csökkentésére is. Azonban a környezeti vizsgálatok szerint a mosószerek használata gyorsan növekszik a fejlődő országokban, valamint a kistérségi, urbanizálódó közösségekben [17]. A lakossági felhasználásból, a háztartásokból, a mezőgazdasági területekről egyre nagyobb mértékben kerül a szennyvíztisztító telepre ez a fajta szennyezőanyag [18]. Jellemző probléma a detergensekkel, hogy a nem célzott vízkezelési technológia okán a tisztított vízben maradó felületaktív anyagok akadályozzák a későbbi vízfelhasználást azáltal, hogy kiváló oldódási tulajdonsággal rendelkeznek, valamint a biológiai stabilitásuk igen nagy [19].

A detergensek fontos szerepet játszanak a környezeti szennyezés (azon belül a vízszennyezés) fokozódásában. Napjainkra a detergensek 90-97%-a a ’70-es években történt technológiaváltás miatt lágy detergens [20]. A közelmúltban fejlesztett biotechnológiai eszközök eredményeképpen a felületaktív anyagok egy új csoportja került kifejlesztésre, az ún. bio- felületaktív anyagok, amelyek különböző enzimek segítségével érik el ugyanazt a hatást, mint a klasszikus detergensek. Ezek használatával tovább csökkenthető a környezeti terhelés, mivel ezek biológiailag lebonthatók, nem toxikus anyagok, és a biodegradációt követően sem keletkeznek további toxikus bomlástermékek [21]. Az adszorbensek a felületaktív anyagok eltávolítására kiválóan alkalmasak [22], [23]. Az eddigi műszaki tapasztalatok azt mutatják, hogy például az aktívszén kiváló adszorbens a vízkezelési technológiákban, ezen belül a szerves szennyező komponensek eltávolításában is [24]. Az alacsony költségű adszorbensek, mint például a zeolit nagyon jól alkalmazható a víztisztításban [25].

1.4. Ú

JABB KIHÍVÁSOK A SZENNYVÍZTISZTÍTÁS TERÜLETÉN A

XXI.

SZÁZADBAN A szennyvíztisztítás harmadik fokozatának bevezetésével számos probléma megoldódott (lásd 1.3. fejezet), azonban még fennmaradt számos olyan kérdés, amely megoldást igényel. A hagyományos szennyvíztisztítás fizikai, kémiai és biológiai folyamatokból áll. Ma négy eltávolítási szakaszt különböztetünk meg (a magyar nomenklatúra szerint: eltávolítási szakasz

= szennyvíztisztítás fokozata). Ezek a szakaszok a 4. táblázatban kerültek összefoglalásra.

Oldalszám: 7/124

4. táblázat: A szennyvíztisztítás fokozatai [26]

Angolszász

nomenklatúra A kezelés típusa Magyar nomenklatúra

Előzetes kezelés Mechanikai kezelés Első szennyvíztisztítási fokozat

Elsődleges kezelés Biológiai kezelés Második szennyvíztisztítási fokozat

Másodlagos kezelés Fizikai-kémiai kezelés Harmadik

szennyvíztisztítási fokozat Harmadlagos kezelés Célzott mikroszennyező

eltávolítás

Negyedik

Szennyvíztisztítási fokozat

Az előzetes kezelés során a durva szilárd anyagok, a zsírok, olajok, homok és finom lebegőanyagok eltávolítása történik teljes egészében mechanikusan. A mechanikai kezelés feladata, hogy fokozódjon az üzemeltetési biztonság és csökkenjen a karbantartási költség a további műszaki elemek/műtárgyak esetében. Az elsődleges kezelés során a szerves szuszpendált szilárd anyagok és a kolloidok egy részét távolítják el. A biológiai kezelés célja, hogy lényegesen csökkentse a szennyvíz szervesanyag tartalmát. Általában mikoorganizmusok alkalmazásával érhető el ez a cél. A másodlagos kezelés, vagy harmadik szennyvíztisztítási fokozat az, amely az 1.3 fejezetben röviden bemutatásra került. A harmadlagos kezelési lépés (Magyarországon a 4. szennyvíztisztítási fokozat), vagy tercier kezelés (az angol szakirodalmakban) fejlett, nagyhatékonyságú eljárásokat (AOP-t, ózonos oxidációs eljárást, membránszeparációt) alkalmaz. Olyan eseteben használják napjainkban már ezeket a megoldásokat, amikor specifikus szennyvízösszetevők eltávolítása a cél. Ezek a szennyezők biológiai, kémiai tulajdonságuk miatt nehezen távolíthatók el a másodlagos kezelési eljárások során [26].

Összefoglalva tehát, számos nyitott kérdés van a szennyvíztisztításban napjainkban is. Ezek az alábbiak:

• az antropogén – sokszor perzisztens tulajdonságot mutató – mikroszennyezők eltávolítása,

• a VKI irányelvek teljesítése, a jó ökológiai állapot elérése és fenntartása ott, ahol ez egyáltalán lehetséges,

• valamint a közvetlen ivóvíz előállítás lehetőségének megvalósítása szennyvízből.

Ezen problémák megoldására számos laboratóriumi, félüzemi és néhány ipari példa is adatokkal szolgál az eljárások teljesítményét, hatékonyságát illetően [27].

Oldalszám: 8/124 1.4.1. Mikroszennyezők

A mikroszennyezők legtöbbje a települési szennyvíztisztító telepekről lebontás nélkül kerülnek ki a befogadóba [28] és ezek többnyire perzisztens tulajdonságot mutatnak. Az elmúlt évek során a mikroszennyezőket egyre nagyobb mértékben mutatták ki a vízi környezetben [29].

Daughton és Ternes munkája jól összefoglalja a gyógyszermaradványok, a személyes higiénés ápolási termékek és vegyi anyagok hatásait a vízi környezetben. Munkájukban kitérnek arra, hogy a gyógyszermaradványok és egyéb háztartási vegyszerek a peszticidek mellett a legnagyobb volumenben előforduló szennyezőanyagokat (mikroszennyező komponenseket) jelentik vizeinkben. Ezen szennyezők forrása az elfolyó szennyvizek, a tisztítatlanul elfolyó vizek és az árvízi lefolyások [30].

A hagyományos szennyvíztisztító telepek az ilyen jellegű szennyezőanyagok széles spektrumát fogadják, amelyeket a tisztítási eljárások nem minden esetben tudnak maradéktalanul eltávolítani, így ezek az anyagok akkumulálódnak a befogadókban, ahogy ezt Yoon és munkatársai is ismertetik [31].

Ezen szennyezőknek a koncentrációja növekszik, és napjainkban egyre inkább kimutathatók a felszíni vizekből. Jellemzően kis koncentrációban is jelentős toxicitást mutatnak, amelyet az 1.

ábra segítségével szemléltetek a Magyarországon hatályos vízminőségvédelmi szabályozás néhány határértékén keresztül.

1. ábra: Néhány mikroszennyező határértéke természetes vizekben [32]

1 10 100 1000 10000 100000

Higany és

vegyületei Kadmium és

vegyületei Nikkel és

vegyületei Ólom és vegyületei

Peszticidek Összes DDP

Koncentrációs határérték [ng/l]

Néhány szeres és szevetlen mikroszennyező mikroszennyezők határértékei

Oldalszám: 9/124 Azon szennyezők, amelyek hidrofil tulajdonságot is mutatnak a vízi ökoszisztémát kiemelten veszélyeztetik [30].

Számos nagyvárosban küzdenek azzal a problémával, hogy a vízbázisok az elfolyó vizekkel szennyeződnek, így a mikroszennyezők bekerülnek az ivóvízbázisokba. Felix és Cariedo közleményükben Mexikó város ivóvízbázisában 17 szerves mikroszennyezőt azonosítottak, amelyek koncentrációja ugyan alacsonyabb volt, mint amit számos nagyvárosban mértek, azonban bizonyítottan antropogén forrásokból származtak [33].

Luo és munkatársai hangsúlyozottan kiemelik, hogy a szennyvíztisztítás újszerű feladatai közé tartozik a szennyvíztisztító telepek optimalizálása során a mikroszennyezők eltávolítási hatékonyságának maximalizálása. A szerzők bemutatják, hogy a nagyhatékonyságú eljárások (AOP), adszorpciós folyamatok és a membránszeparációs eljárások mind-mind alkalmasak erre a célra, azonban jelentősen megnövelik az üzemeltetési költségeket [34].

Gavrilescu és munkatársai szerint ezen szennyezőanyagok a környezeti elemekben és az emberi egészségben komoly károsodást okoznak. Arra is rámutattak, hogy a vegyipar fejlődésével, az új hatóanyagok használatával a megszokott kockázatértékelési módszerek nem biztosítanak megfelelő ismereteket és a káresemények során a helyreállító technológiák sok esetben nem képesek kezelni az új kihívásokat [35].

1.4.1.1. Peszticidek

A peszticidek, más néven növényvédőszerek, olyan anyagok keverékei, amelyek alkalmazásának célja a növények védelme, ezáltal a mezőgazdasági termelékenység növelése.

A peszticidek a modern mezőgazdaság létfontosságú elemei, jelentős szerepet játszanak a magas színvonalú termelésben és meghatározó elemei a nagy intenzitású mezőgazdaságnak [36]. Ugyanakkor hosszútávú használatuk mellett számolni kell a környezetet és az emberi egészséget negatívan befolyásoló hatásokkal is [37]. Ezeknek a káros hatásoknak jelentős része abból adódik, hogy nem megfelelő dózisban juttatják ki a peszticideket a mezőgazdasági területekre, vagy nem a megfelelő növényvédőszert alkalmazzák [38]. Mustapha és társai munkája rávilágít arra a tényre, hogy jelentős környezeti károk érik az embert, ha elavult, betiltott növényvédőszert alkalmaznak vagy helytelenül tárolják azokat [39]. Ezeknek a komponenseknek a jelenléte a környezetben potenciális veszélyforrást jelent [40].

Oldalszám: 10/124 1.4.1.2. Gyógyszermaradványok

Számos cikkben bizonyították a gyógyszermaradványok és a hormonháztartást befolyásoló anyagok jelenlétét a szennyvizekben és felszíni vizekben [41]. A vizsgált területek népességének növekedésével arányosan növekszik a gyógyszerek használata is. Ezzel a környezetidegen (xenobiotikum) anyagok jelenléte szignifikánsan nő a környezetben [42], legfőképpen a vizes élőhelyeken. Ennek következményeképpen a szennyvíztisztító telepek gyógyszermaradványokkal jelentősen terheltek. A hagyományos szennyvíztisztító telepek elfolyó szennyvizeiben szintén nő a gyógyszerszármazékok koncentrációja, ami által a felszíni vizekben is felhalmozódnak, és nagy biológiai stabilitásuk miatt hosszú időn keresztül jelen vannak [43]. A szennyvizekben leggyakrabban detektált gyógyszerszármazékok Bush munkája nyomán a következők [44]:

• Gyulladás-, és fájdalomcsillapítók: paracetamol, acetil-szalicilsav, ibuprofén, diklofenák;

• Antidepresszánsok: benzodiazepinek;

• Antiepileptikumok: karbamazepin;

• Lipidcsökkentő gyógyszerek: fibrátok;

• β-blokkolók: atenolol, propanolol, metoprolol;

• Fekélyellenes gyógyszerek: antihisztaminok (ranitidin, famotidin);

• Antibiotikumok: tetraciklinek, makrolidok, β-laktámok, penicilinek, kinolonok, szulfonamidok, fluorokinolonok, kloramfenikol, imidazol-származékok;

• Egyéb anyagok: kokain, barbiturátok, metadon, amfetaminok, opiátok, heroin és más narkotikumok [44].

Ezekkel a vegyületekkel és metabolitjaikkal elsősorban a lakossági kibocsátók terhelik a szennyvíztisztító telepeket. Amennyiben a szennyvíztisztító telepeken az eltávolításuk nem valósul meg, úgy az elfolyó szennyvízzel a befogadókba, azaz jobbára a felszíni vizekbe kerülnek. Ezeknek az anyagoknak a jelenléte negatív hatással van a nyersvíz minőségére (ivóvízbázisok szennyeződése). A szennyvíztisztító telepeken ezeknek a mikroszennyezőknek a hatásairól, a lejátszódó folyamatokról lényegesen kevesebbet tudunk, mint az ivóvíztisztító telepeken végbemenő kémiai reakciókról. Ezért a folyamatos és célzott monitoring programok pozitívan járulnak hozzá a szennyvíztisztításhoz kapcsolódó ismeretanyagok fejlesztéséhez.

Jelentősen megnehezíti detektálásukat, hogy ezen gyógyszermaradványok változó

Oldalszám: 11/124 koncentrációban vannak jelen az elfolyó szennyvizekben, és az egyes vegyületeknek a koncentrációja ng/l tartományban van [45]. Ahogy azt Klančar és munkatársai is összegezték, a lakossági szennyvíztisztító telepek nem alkalmasak ezeknek a szennyező komponenseknek a célzott eltávolítására [46].

Az ipari és lakossági tevékenység során a felszíni és felszín alatti vizekbe kerülő gyógyszermaradványokat (amelyek többségének molekulatömege kisebb, mint 500 Da [47]) ma már számos ország kiemelt környezetvédelmi problémaként kezeli [48].

1.4.2. Mikroszennyezők viselkedése szennyvíztisztító telepeken

A mikroszennyezők kezelése specifikus, az eltávolításukra nincs egységes, megfelelő hatékonyságú eljárás a változatos tulajdonságaik miatt, ahogy azt Luo és munkatársai is megállapították [34].

A szennyvíztisztító telepeken nem minden mikroszennyező távolítható el, a következő okok miatt: nem illékonyak, biológiailag nem bonthatóak a kémiai tulajdonságiaik miatt, a célzott lebontáshoz nincs megfelelő mennyiségű szubsztrát, nincs jelen ko-szubsztrát, továbbá nem adszorbeálódnak az iszapmátrixban [27]. Ezek miatt a biológiai szennyvíztisztítás a jelenlegi technológiákkal nem alkalmas a mikroszennyezők megfelelő hatékonyságú eltávolítására.

Egyes anyagok azonban bizonyos mértékben, vagy akár teljesen eltávolíthatók a következőkben részletezett technológiai eljárások valamelyikével [34].

1.4.3. Mikroszennyezők eltávolításának lehetőségei

A mikroszennyező molekulák tulajdonságaitól függően a koagulációs és flokkulációs folyamatokkal egyes vegyületek részben, vagy teljes mértékben eltávolíthatók. Wray és Andrews munkája [49] rámutat arra, hogy a membránszeparációs eljárások nem minden esetben alkalmasak arra, hogy megfelelő üzembiztonság mellett visszatartsák a különböző szerves mikroszennyezőket. Jól kiegészíti ezeket a technikákat a koagulációs előkezelés.

Az adott mikroszennyezőre jellemző kémiai és fizikai tulajdonságok miatt az iszap elvételével is csökkenthető a koncentrációjuk. Az iszapmátrixhoz a mikroszennyezők kémiai vagy fizikai adszorpció útján kötődhetnek és a fölösiszap elvételével, majd ennek megfelelő kezelésével ártalmatlaníthatók. Falås és munkatársai említést tesznek arról, hogy a biológiai eljárások során az eltávolítás hatékonyságát nemcsak a lebontás, hanem a szorpciós folyamatok hatékonysága is befolyásolja [50].

Oldalszám: 12/124 A szennyvíztisztítás jelenlegi fokozatait kiegészítő 4. fokozatnak is nevezett eljárásokat hazánkban még nem alkalmazzák széleskörűen. Számos európai országban (pl. Németország, Svájc) azonban már elterjedtebbek ezeket az eljárások. Giannakis és munkatársai öt különböző oxidációs eljárást és három különböző utókezelési eljárást ismertetnek a svájci tisztítótelepek esetében [51]. Giannakis egy másik cikkéből [52] vagy Knopp és társai [29] munkájából látható, hogy az oxidációs eljárások erősen kutatott területet képeznek a szennyvíztisztítás kiegészítő eljárásait illetően.

1.4.4. A szennyvíztisztítás jelenlegi fokozataiban történő mikroszennyező eltávolítás A mechanikai fokozatban jelentős mikroszennyező eltávolítás nem történik. A levegőztetett homokfogóban az egyes alacsonyabb forráspontú anyagokat a levegő kisztrippeli, ezáltal egyes mikroszennyezők részben eltávolíthatók [27], [18].

A biológiai fokozatban, ezen belül is az eleveniszapos eljárások során az egyes mikroszennyezők az iszapkor függvényében eltávolíthatók. Számos mikroszennyező a kis iszapkor mellett csak adszorpcióval távolítható el. Nagy iszapkor mellett azonban egyes mikroszennyezők esetében a biológiai lebontás is meghatározóvá válik [27].

1.4.4.1. Mikroszennyezők biológiai eltávolítása

A jelenlegi rendszerekben kétféle úton történhet meg a biológiai lebontás. Egyrészt az irányított lebontással, amely során megfelelő enzimmennyiség mellett energianyerés és sejtfelépítés céljából történik a lebontás vagy a szennyezőanyag átalakítása. Másrészt beszélhetünk a ko- metabolizmusról, amely során a szokásos szubsztráton kívül egy másik, hasonló térszerkezetű és méretű idegen anyagot is elfogad a mikroorganizmus. Ezen az idegen anyagon játszódik le az átalakulás, de a keletkezett termék nem vesz részt a további anyagcsere reakciókban. Ezen folyamat során azonban új anyagok is keletkezhetnek, amelyeket transzformációs termékeknek nevezünk [27], [16]. De Wilt és szerzőtársai eredményei szerint számos mikroszennyező lebontása megoldható biológiai módon vagy az AOP eljárás és a biológiai eljárások kombinációjával. Rávilágítanak arra, hogy biológiai eljárással az eltávolítás úgy valósul meg, hogy a biológiai szervezet a tápanyagciklusba vonja be a szennyező komponenst. Bemutatták, hogy egyes mikroszennyezők esetében (diklofenák, ibuprofén, paracetamol és metoprolol) ez biztonságosabb és egyben hatékonyabb eljárás is lehet [28].

A biológiai szennyvíztisztítás során a mikroszennyezők eltávolítása vagy átalakítása, adszorpciós folyamatok és kilevegőztetés útján valósítható meg. Azonban vannak olyan

Oldalszám: 13/124 mikroszennyezők, amelyek szorpciós képessége alacsony, és a kilevegőztetés sem valósítható meg eredményesen. Szimultán koaguláns adagolással az iszapmátrixban történő adszorpció hatékonysága javítható. Azonban Carballa és szerzőtársai kísérletében a mikroszennyezők adszorpciója nem növekedett jelentősen [53]. Ezért a jelenlegi tisztítási megoldások során mért eltávolításban a biológiai folyamatoknak nagyobb jelentőségük van, mint a fent említett folyamatoknak. Johnson és szerzőtársai megállapították, hogy a magas SRT (iszapkor) értékű eleveniszapos rendszerekben a mikroorganizmusok diverzitása magasabb fokú. Ha magas a diverzitás, akkor az eleveniszap mikrobiális rendszere nagyobb fajgazdagságú, és sokkal több funkcionális tulajdonságot mutat a szennyvíztisztítás terén. Ha az eleveniszap mikrobiális összetétele több funkcionális tulajdonsággal rendelkezik, akkor a mikroszennyezők eltávolításában is hatékonyabban alkalmazható [54]. Per Falås és szerzőtársai munkájukban számos lakossági szennyvíztisztító telepet vizsgáltak meg. Ezen vizsgálatok alapján megállapították, hogy az eleveniszapos szennyvíztisztítás során 80 napos iszapkor mellett is csak korlátozott mértékű mikroszennyező eltávolítás érhető el. A rendszerben a szubsztrát terhelés 38 mg/l×h KOIcr és 3 mg/l×h NH4-N volt. Az eltávolítható mikroszennyezők jellemzően a benzotriazol, DHH-karbamazepin, 10,11-dihidro-10-hidroxi-karbamazepin vegyületek voltak. Az eltávolítási hatékonyságuk 0,1 és 10 g/l oldott anyag volt naponta [55].

Per Falås és szerzőtársainak eredményei szerint a mikroszennyezők bomlásának mértékét, Kbio

(g/l oldott anyag naponta) az iszapkor 25 napról 80 napra növelése nem befolyásolja jelentősen.

Számos mikroszennyező komponens, például aciklovir, bezafibrát vagy atenolol szinte minden aerob rendszerben lebomlik, ellenben egyes komponensek, mint pl. trimetoprim, diuron, diklofenák bomlása az aerob kezelési felületek megváltoztatása révén megy csak végbe. A szerzők végső megállapítása az volt, hogy a mikroszennyezők biológiai tulajdonságai teljes mértékben jelenleg nem ismertek, és nem is valószínűsíthető, hogy ezek a közeljövőben maradéktanul ismertek lesznek [55].

Gonzalez-Gil és szerzőtársai [56] vizsgálatában szintén a mikroszennyezők biológiai eltávolításának lehetősége játszotta a kulcsszerepet. 20 különböző gyógyszermaradvány és hormonháztartást befolyásoló anyag eltávolítási hatékonyságát határozták meg (mezofil és termofil anaerob lebontást, stabilizálást követően). Az eltávolítási hatékonyság alapján négy kategóriába sorolták ezeket az anyagokat. Megállapították hogy a tonalide (AHTN), esztron (E1) és 17b-ösztradiol (E2) eltávolítása például nem valósítható meg eleveniszapos eljárással, míg a diazepám (DZP) és ibuprofén (IBP) 25-50% körüli hatékonysággal távolítható el.

Oldalszám: 14/124 A citalopram (CTL), fluoxetin (FLX), 17a-etinilösztradiol (EE2) eltávolítása 50-75% közötti hatékonyságot mutatott, a roxitromicin (ROX), naproxén (NPX), szulfametoxazol (SMX) eltávolítása pedig 75-100% között volt a kísérleteik során [56].

1.4.4.2. Adszorpció az iszapmátrixban

A nyersiszap és az eleveniszap pelyheire – azok felületi tulajdonága miatt – jelentős mennyiségű mikroszennyező rakódhat le. Még ha a biológiai lebontást nem is sikerül biztosítani, az adszorbeálódott vegyületek az iszap eltávolításával együtt kivonhatók a rendszerből [27], [17].

1.4.4.2. Teljeskörű lebegőanyag eltávolítás

Kontaktszűrőkben¹ vagy nagy felületi terhelésű szűrőberendezésekben történhet meg a teljeskörű szilárdanyag leválasztás. Ezen technológiai egység alkalmazásával a lebegőanyag visszatartásával korlátozott mikroszennyező eltávolítás valósítható meg [27], [18].

A lebegőanyag és a mikroszennyező anyagok eltávolításában is kiemelkedő tulajdonságot mutatnak a különféle aktívszenes eljárások. Ezek közül is a poralapú aktívszenes (PAC) eljárás mutat nagy hatékonyságot, emellett pedig egyszerű adaptációs lehetőségeket is biztosít [57].

Ahogy számos szerző kiemeli, a PAC kifejezetten nagy potenciállal rendelkezik a mikroszennyezők eltávolítása területén, és az ökotoxikológiai eredmények is jók [58]. Ahogy Remy és szerzőtársai is megállapították, a PAC legnagyobb hatékonysága oly módon biztosítható, ha a biológiai tisztítási fázis után az elfolyó szennyvízbe adagolják. Ez sok esetben a már rendelkezésre álló infrastruktúra segítségével megvalósítható. A legfontosabb műszaki kérdés ezzel a technológiai megoldással kapcsolatban, hogy a PAC-t és a vízfázist megfelelően szeparálják. A fázisszétválasztásra leggyakoribb eljárás az ülepítés és a homokfogó műtárgyak alkalmazása. Ezek mellett azonban hasznos kiegészítő eljárás lehet az ultraszűrés (UF), amely a meglévő infrasturktúra mellett (pl. utóülepítő) tovább javíthatja a mikroszennyezők, a PAC szemcsék, a baktériumok és vírusok eltávolítását [59]. A PAC adszorbens alkalmazásával mind az ivóvíztisztításban, mind a szennyvíztisztításban akár 70%-os oldott szerves szén eltávolítás érhető el [60].

1 Kontaktszűrő: Olyan berendezés, amelyben koagulációs előkezelést alkalmazunk.

Oldalszám: 15/124 Hátránya, hogy a poralapú aktívszenet regenerálni nehézkes, ezért leggyakrabban égetéssel ártalmatlanítják, vagy ha az adszorbeált szennyező lehetővé teszi, akkor biológiai úton stabilizálják.

Jonas Löwenberg és munkatársai öt mikroszennyező komponens eltávolítási hatékonyságát vizsgálták PAC/UF kombinált eltávolítási eljárással svájci szennyvíztisztító telepeken. A kísérletekben alkalmazott aktívszén fajlagos felülete 1300 m²/g, a jellemző szemcseátmérő d50=15 µm volt. A vizsgált öt mikroszennyező közül (szulfametoxazol, karbamazepin, mecoprop, diklofenák és benzotriazol) a szulfametoxazol esetében kisebb az eltávolítási hatékonyság (58-68%), míg a másik négy esetében ez az érték 70-95% [61].

1.4.4.3. Membrán-eleveniszapos eljárás

Az membrán bioreaktoros (MBR) rendszerben a megnövekedett iszapkor miatt bizonyos mikroszennyező anyagok eltávolítása kifejezetten jó hatékonysággal megvalósítható [27], [19].

A kommunális szennyvíztisztítás során gyakran alkalmazzák a membrántechnológia és az eleveniszapos rendszerek kombinációját az utóülepítő kiváltására vagy kiegészítésére. Ezek a kombinált megoldások a membrán bioreaktoros rendszerek [27], [20], amely technológiai egységekben a membránok alkalmazási céljait, a szilárd szennyezőanyagok visszatartását és az aerob reaktortér levegőztetést ötvözik.

Az MBR rendszerek napjainkban a legelterjedtebb és leghatékonyabb másodlagos szennyvíztisztítási technológiák. Az MBR rendszerek kifejezetten előnyösek a hagyományos eleveniszapos eljárásokkal szemben, mivel jobb fertőtlenítő hatást biztosítanak, kisebb a helyigényük, alacsonyabb az iszaphozamuk, és a működésük nagyobb biomassza koncentráció mellett valósítható meg [62].

Yang és szerzőtársainak munkája alapján megállapítható, hogy az MBR rendszerek olyan minőségű elfolyó szennyvizet eredményeznek, amely akár újrafelhasználható vízminőséget biztosíthat [63].

Amint a biológiai folyamatok ismertetése során már bemutattam, a megnövekedett iszapkor esetén a mikrobiális összetevők változatossága javíthatja egyes esetekben a szerves mikroszennyezők eltávolítási hatékonyságát [64]. Az MBR rendszer esetében tehát kiemelhető, hogy a hagyományos eleveniszapos rendszerekkel összehasonlítva a nehezen degradálható szerves mikroszennyezők, mint például a diklofenák, pravastatin vagy gemofibrozil is nagyobb hatékonysággal távolíthatók el [65].

Oldalszám: 16/124 Alvarino és szerzőtársai tíz különböző szerves mikroszennyező (pl. diklofenák, roxitromicin, karbamazepin) eltávolítását vizsgálták két MBR rendszerben különböző membrántípusokkal.

Mindegyik reaktortípussal 95% feletti mikroszennyező eltávolítási hatékonyság volt elérhető [65].

1.4.5. Célzott mikroszennyezőeltávolítás a szennyvíztisztításban

A kommunális szennyvíztisztító telepek alkalmassá tehetőek arra, hogy a célzott nyomanyag- eltávolítás megvalósítható legyen. Ezt a célkitűzést további technológiai elemeknek folyamatba történő beiktatásával lehet megoldani. Erre a célra elsősorban azokat az eljárásokat lehet figyelembe venni, amelyeket az ivóvíztisztítás vagy az ipari vízkezelés területén alkalmaznak.

Az ivóvíztisztítási technológiák közül az alábbi technológiai megoldások megfelelő hatékonysággal képesek a mikroszennyezők eltávolítására:

• Kémiai oxidáció/fertőtlenítés: pl. ózonizálás, nagyhatékonyságú oxidációs eljárások (AOP – Advanced Oxidation Processes).

• Szorpció speciális adszorbereken: granulált aktívszén vagy porított aktívszén.

• Anyagleválasztás nanoszűrés vagy fordított ozmózis révén.

Ezekre az eljárásokra a kommunális szennyvíztisztításban jelenleg még nem léteznek irányelvek és előírások [27], [18].

Számos cikk és jelentés született ezen a területen, amelyek részletesen bemutatják az egyes eljárásokat [66]. A 2. ábra Riberio munkája alapján összefoglalja, hogy 2004 és 2014 között az Európai Unió területén milyen relatív gyakorisággal hivatkoztak a megjelent cikkekben a különböző AOP technikákra. Az értékelés a 2013/39/EU irányelv anyagcsoportjait vette figyelembe [67].

Oldalszám: 17/124

2. ábra: A különböző AOP eljárások relatív gyakorisága az EU szakembereinek cikkeiben [67]

Az elmúlt évtizedekben számos cikk jelent meg [67] a nagyhatékonyságú oxidációs eljárásokról a mikroszennyezők eltávolítását illetően. Giannakis és társai munkájukban [67] különböző mikroszennyezők (különböző növényvédőszerek, diklofenák, 17 alfa-etinilösztradiol (EE2) és 17 béta-ösztradiol (E2)) eltávolítási hatékonyságát vizsgálták öt nagyhatékonyságú oxidációs eljárással. A munkájukban a vizsgált eljárások az UV-C, UV-C/H2O2, szolár, Fenton és foto- Fenton eljárások voltak. A vizsgálataiknál figyelembe vették, hogy az elfolyó szennyvízminták milyen tisztítótelepekről származnak. Így vizsgálták, hogy a mechanikai tisztítás, az eleveniszapos eljárás, a mozgóágyas biofilmszűrős reaktorok (MBBR) és a koagulációs eljárások után milyen hatékonysággal lehet eltávolítani különböző mikroszennyezőket (karbamazepin, diklofenák, atenolol, metoprolol, venlafaxin, klaritromicin, benzotriazol, mecoprop) [51].

Arra a következtetésre jutottak, hogy az UV-C eljárással a leghatékonyabban az előzőleg MBBR eljárással tisztított szennyvíz kezelhető, itt 10 perc után már 50% körüli eltávolítási hatékonyság volt tapasztalható (a nyolc különböző mikroszennyező ugyanaz, mint az előző kísérletükben). A többi előtisztítási művelet után is hasonló eredmények adódtak, így a koagulációs után 70%-os hatékonyságot, az eleveniszapos után 75%-os, míg az MBBR tisztítást követően 80%-os eltávolítási hatékonyságot értek el [51].

Az UV/H2O2 eljárással szintén a koagulációs eljárást követő utókezelés bizonyult a legkevésbé hatékonynak, és az MBBR eljárás mutatkozott a leghatékonyabbnak. Itt 5 perces kezelés után a vizsgált mikroszennyezők (a nyolc kiválasztott mikroszennyező esetében a kísérlet tárgyául szolgáló szennyvíztisztító telep elfolyó vizéből) 85-98%-a eltávolításra került, a 10 perces

Fotolízis és H₂O₂ eljárások …

Fenton eljárások 31%

Heterogén fotokatalízis 20%

Ozonos eljárások 11%

vegyes eljárások 10%

Különböző AOP eljárások összehasonlítása

18%

Fotolízis és H2O2 eljárások Fenton eljárások

Heterogén fotokatalízis Ozonos oxidációs eljárások vegyes eljárások

Különböző AOP eljárások összehasonlítása

Oldalszám: 18/124 kezelés után az MBBR és az eleveniszapos tisztítást követő utókezeléssel már 100%-os eltávolítási hatékonyság volt elérhető. A koagulációs eljárással csak 15 perc után mértek 100%- os eltávolítási hatékonyságot [51].

A szolár, Fenton és foto-Fenton eljárások eredményei jóval szélesebb spektrumban változnak az előtisztítástól függően. A legalacsonyabb mikroszennyező eltávolítás 1 órás kezelés után a koagulációs tisztítás utáni szolár és Fenton eljárások esetében tapasztalható Giannakis és társai eredményei alapján [51]. Itt a szolár eljárás 5-6% közötti, míg a Fenton eljárás 7-9%-os eltávolítási hatékonyságot mutatott. Az MBBR eljárást követő szolár kezeléssel 16-18%-os mikroszennyező eltávolítás érhető el. A Fentonos eljárással a szerzők [51] hasonló hatékonyságot értek el, 17-19%-ot. Az 1 órás kezelés a photo-Fenton-os eljárással a három tisztítási konfiguráció esetében nagyon eltérő eredményeket mutatott. A koagulációs tisztítással kiegészített kommunális szennyvíztisztítás 25%, míg az MBBR 52-54%-os eltávolítási hatékonyságot mutatott. 100%-os eltávolítási hatékonyságot (UV/H2O2 + MBBR) a szerzők viszonylag alacsony kezelési idő (5-10 perc között) esetén érték el. Az eleveniszapos tisztítást követő foto-Fentonos eljárással 2,5 óra, valamint az MBBR tisztítást követő foto-Fentonos eljárással 2,0 óra alatt érték el a 100%-os eltávolítási hatékonyságot. A szerzők [51]

megállapították, hogy a szennyvíztisztításban használt jelenlegi eljárások jelentősen befolyásolják az utánkapcsolt technológiákkal elérhető legmagasabb eltávolítási hatékonyságot.

A vizsgált öt eljárás közül a koagulációs eljárás minden esetben a legalacsonyabb eltávolítási hatásfokot eredményezte, ennél jobbnak bizonyult az eleveniszapos eljárás, amely egyébként számos nagyhatékonyságú oxidációs eljárás esetében az MBBR tisztítást követő eredményekhez hasonló kiemelkedő eltávolítási hatékonyságot mutatott [51].

A szennyvíztisztítás negyedik fokozataként nem csak a nagyhatékonyságú oxidációs eljárások alkalmazhatóak. Az adszorpciós eljárások, valamint az adszorpciós eljárásokkal kombinált oxidációs eljárások is kiemelkedő eredményeket mutatnak a mikroszennyezők eltávolításának területén. Cataldo és szerzőtársai munkájukban [68] egyes adszorpciós és nagyhatékonyságú oxidációs eljárások eltávolítási hatékonyságát vizsgálták 4-nitrofenol eltávolítása céljából. Az adszorpciós eljárás során 300, 600 és 1200 mg/l koncentrációjú modellszennyvízzel vizsgálták az adszorpció hatékonyságát. A szerzők [68] a kísérletek során az adszorbenst 6 ml/perc térfogatárammal terhelték. A kísérletükben 1500 ml térfogatterhelés esetében a 300 mg/l 4- nitrofenol tartalmú minta esetében 95-97%-os eltávolítási hatékonyságot, 600 mg/l