Biológiai szennyvíztisztítás és modellezése

1. Biológiai szennyvíztisztítás és modellezése Zajzon Gergő BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2. Biológiai szennyvíztisztítás • Eleveniszapos reaktor (ActivatedSludge) • Mobilizált (szuszpendált) mikroorganizmusok • Pehely (néhány 100 mikron átmérőjű) - belsejében eltérő körülmények • Fix filmes reaktor (biofilm) • Felülethez kötött mikroorganizmusok • Szervesanyag, tápanyag gradiensek a biofilmenbelül • Csepegtetőtestek, biofilterek (bioszűrők) • Hibrid rendszerek (biofilm + eleveniszap) • Természetes szennyvíztisztítás • Alacsony költségű (BK, UK), nagy területigenyű, Kistelepüléseken vagy utótisztitásként Hibrid rendszerekben alkalmazott biofilm hordozó: belső felületein vastagabb, a külsőn a fokozott nyíróhatás következtében vékonyabb biofilm alakul ki. A folyadékkal a hordozó részecskék (10-20 mm átmérőjű és 10 mm hosszúságú) együtt mozognak, miközben a levegőbuborékok függőleges irányban áramlanak közöttük felfele, mozgatva a részecskéket is.

3. Biológiai szennyvíztisztítás organizmus csoportok • Baktériumok • Gombák • Algák • Protozoa • Metazoa

4. Baktériumok nagy számban fordulnak elő számuk: eleveniszap > biofilm az eleveniszap baktériumszáma 1010-1012 literenként Szervesanyaglebontás – heterotróf baktériumok Nitrifikáció - autotróf baktériumok (szervetlen szénforrás (HCO-3) Fonalas kénbaktérium . Leggyakrabban kommunális és ipari (sör-, tejüzem, vágóhíd, gyümölcsipar, papír-és cellulózipar) szennyvizekben fordul elő. Jellemzően a következők kedveznek szaporodásuknak: nagy tartózkodású idejű, anaerob beérkező nyers szennyvíz, oldott oxigén hiány, medencében alul levegőztetett terek, magas koncentrációjú organikus savak. Zoogloeasp. Aerob szervezet. A jó oxigén ellátottságú, magasabb terhelésű rendszerekben gyakori. Jobb ülepedéshez és a pelyhek zártságának javulásához járul hozzá. Felülete erősen szemcsésnek tűnik.

5. Gombák • Gombák versenyeznek a baktériumokkal a táplálékért, amely verseny leginkább a baktériumok javára dől el, • a baktériumok száma jóval nagyobb a gombáénál az eleveniszapos rendszerkben • az alacsony pH érték a gombáknak kedvezőbb. A biofilterekben nagyobb számú gomba van jelen, mint az eleveniszapos rendszerekben Gombafonalak: Leggyakrabban savas szennyvízben jelennek meg, azonban előfordulásuk ritka. Cukorgyártás, zöldségfeldolgozás, sörgyártás szennyvizeiben gyakoriak. Nagy mennyiségű megjelenésük kis savkapacitásra utal. Vegyi kezeléssel szemben rendkívül ellenállóak, tömeges megjelenésük esetén a rendszerből nagyon nehezen távolíthatóak el. Túlterhelést jelez, iszapfelfúvódást, iszaepelúszást is okozhat.

6. Algák • Algák a biofilterek felületén helyezkednek el, ahol a körülmények (fény és tápanyag) számukra kedvezőbbek, • megjelennek algatavakban, illetve szennyvíz utótisztító tavakban is • A leggyakrabban a kovaalgák, fonalas zöldalgák, és cianobaktériumok jelennek meg

7. Protozoa • Auto-és heterotróf egysejtű, valódi sejtmaggal rendelkező (eukarióta) élőlények csoportja. • Biofilterekrejellemző. Eleveniszapos telepeken a terhelés függvényében jelenik meg. Kisterhelésű telepen nagy számban fordulnak elő. A protozoa baktériummal táplálkozik, gombákat, algát szuszpendált szerves anyagot is fogyaszt és a szennyvíz utóülepítésében is fontos szerepet játszik. Az eleveniszapok vizsgálatakor a mikroszkóppal azonosítható indikátorszervezetek zöme ebbe a csoportba tartozik (Csillósok, Ostorosok, Gyökérlábúak, Szívókások). Aspidiscacicada (Járólábas csillós): Járólábas csillós faj, ami „lelegeli” a pelyhek felszínéről a rosszul kötődő szerves anyagokat és bakteriális sejteket. Száma tisztán nitrifikáló rendszerekben éri el a maximumot. Csak pehelytől pehelyig úsznak, az iszappelyheken mászkálva legelnek. Megjelenésük a nitrifikációs folyamatok kezdetét jelzi. Eltűnésük terhelésnövekedést, elégtelen oxigénbevitelt, vagy mérgező anyagok rendszerbe kerülését jelzi. Helytülő (szeszilis) szájkoszorús csillós . Nem képez telepet, magányosan, hosszú, csavarmenetben összehúzódó nyélen ülnek. Ezen élőlények jelenléte a jó minőségű, érett iszap jellemzője. Általában az alacsony terhelésű, jó oxigén ellátottságú rendszerekben fordulnak elő. Csak akkor jelenik meg, ha a nitrifikáció tartós. Ha az oldott oxigéntartalom 4mg/l alá csökken leszakad a száráról (nyeléről), betokozódik és elpusztul. A túllevegőztetést nem viseli el. Amphileptussp. : Szabadon úszó csillós egysejtű élőlény. Alacsony és közepes terhelésű rendszerekben, 0,15 - 0,2 kg/(kg•d) iszapterhelés esetén fordul elő. Alacsony oldott oxigéntartalom esetén is megél.A jól bedolgozott, jól működő berendezések stabilizálódott iszapjában találhatók. Egyes szerzők szerint a nitrátképződés megindulása után jelennek meg.

8. Medveállatka (Tardigradasp.) Többsejtű élőlény. Alacsony terhelésű rendszerekben jellemző. A latin név jelentése: ”lassan lépkedő”. Széles hőmérsékleti spektrumot is elvisel (0-150 C °). A generációs idejük nagy, ezért a szennyvíziszapban csak akkor tudnak elszaporodni, ha az iszapkor kellően nagy. A stabil, idős iszap indikátorai. Metazoa Metazoa magasabb rendű élőlény. Az eloszlásuk a protozoához hasonló, biofilterekben és eleveniszapos telepeken egyaránt előfordulnak. Többféle faj előfordulhat úgymint Rotifera, Crustacea, egyéb állatfajok és rovarok. Rotariasp.: A kerekesférgek (Rotatoria) Bdelloidea rendjébe tartozó faja. Igénytelen faj, 0,2 kg/(kg•d) terhelésű és 1 mg/l alatti oxigéntartalmú vizekben is megél. Baktériumokkal, algákkal, szerves törmelékkel táplálkozik. Generációs ideje nagy (több nap). A stabil, idős iszap indikátora.

9. Ülepedési problémák utóülepítőkben • Iszap el/felúszást legyakarabbi okai: • Alacsony F/M (Food/Microorganism) arány • Alacsony oldott oxigén koncentráció • Alacsony pH • Szeptikus (berothadt) szennyvíz • Denitrifikáció az utóülepítőben • Tápanyaghiány Számos telepen okoznak problémát az üzemeltetés során, mikroszkópos vizsgálatokkal a pehely szerkezetből, indikátor fajok jelenlétéből ill. hiányából következtetéseket lehet levonni, hogy a fenti okok közül melyik okozhatja az elúszást.

10. Szelekció • Szelekció • a szelekció (kiválasztódás) egy olyan folyamat, mely egyes fajok elszaporodását (növekedését) okozza, míg más fajok egyedszáma csökken. • alapja a fajok megfelelő diverzitása

11. Szelekció • Szelekció eleveniszapos telepeken • Elektron akceptor (például oxigén vagy nitrát) • Szubsztrát • Ülepítési, vagy flokkulációs karakterisztikák • Hőmérséklet • Növekedési sebesség • Szabadon szuszpendált életformák • Fixfilmes (biofilm) szennyvíztisztítás: • A fenti tényezőkön kívül: • Adhézió • Biofilmben rögzült mikroorganizmusok

12. Szelekció Potenciálisan elszaporodni képes baktérium igen nem Aerob? Elpusztul Eleveniszapos baktérium Elsődleges szubsztrát felvétele? Másodlagos szubsztrát felvétele? nem nem Elpusztul igen igen igen Ülepedési tul. Hőmérséklet Növekedési sebesség igen Szuszpendált mikororg. igen igen nem nem nem nem Kimosodás Kimosodás Elpusztul Elpusztul

13. Jellemző kinetikák abiológiaiszennyvíztisztításban

14. Reakciókinetika

15. Reakciókinetika

16. Reakciókinetika

17. Monod-kinetika • Fajlagos szaporodási sebesség  fajlagos szaporodási sebesség [t-1] max maximum fajlagos szaporodási sebesség [t-1] S limitáló szubsztrát koncentráció [M*L-3] KS szubsztrát féltelítési állandó [M*L-3]

18. Reakciókinetikák Biológiailag bontható toxikus anyagok: Andrews kinetika

19. Konverziók a biológiai szennyvíztisztításban

20. Konverziók a biológiai szennyvíztisztító telepeken • Biológiai növekedés • Hidrolízis • Pusztulás

21. Biológiai növekedés • Biológiai növekedés A szennyvíztisztítási folyamatban előforduló baktériumok a növekedésükhöz kicsi, és egyszerű felépítésű molekulák lebontását végzik el. Ilyenek lehetnek például az ecetsav, etanol, metanol, propionsav, glükóz, ammónium, nitrit stb.

22. Biológiai növekedés • Baktériumok szaporodási sebessége  fajlagos szaporodási sebesség [t-1] X mikroorganizmus koncentráció [M*L-3]

23. Biológiai növekedés • Biológiai növekedés: rV,XB = max·f(S)·XB rV,XB a térfogati biológiai növekedés (dimenzió M·L-3·T-1, mértékegység például kg KOI(B)/(m3·d)) max a maximum fajlagos szaporodási ráta (dimenzió T-1, mértékegység például h-1, vagy d-1) f(S) a szaporodás kinetikáját írja le (például nullad- vagy elsőrendű, vagy Monod-kinetika) XB biomassza koncentráció (dimenzió MX·L-3, egység kg KOI(B)/m3 vagy kg SS(B)/m3)

24. Biológiai növekedés • Baktérium szaporodási sebesség (tápanyaglimitált környezetben), felhasználva a Monod kinetikát:

25. Biológiai növekedés • A hozamkonstans • a tápanyagok részleges felhasználása: • új sejtek létrehozása • szerves és szervetlen végtermékek kialakulása • Pl.: szervesanyag lebontás: CO2 + sejtenyag Y hozamkonstans [M/M] pl.: kgKOI(biomassza)/kgKOI(szubsztrát)

26. Biológiai növekedés • Szubsztrát fogyasztás: rV,S = (rV,XB)/Ymax Ymax a legnagyobb hozamkonstans (dimenzió MXB·MS-1, egység például kg KOI(B)/KOI(S) vagy kg VSS(B)/kg KOI(S)) A hozamkonstans kismértékű ingadozást mutathat, melyet a telepre érkező szennyvíz minősége és a telep terhelésének változása okoz.

27. Biológiai növekedés • A szubsztrátfogyasztás sebessége: • Több szubsztrát esetén (Nitrogén, foszfor…)

28. Hidrolízis Hidrolízis: Elsőrendű kinetikával: rV,XS = kh·XS A nagyméretű molekulák kisebb méretű molekulákká konvertálódnak (lehet partikulált, kolloid vagy oldott anyag is) A hidrolízis sebessége általában kisebb mint a biológiai növekedésé A hidrolízis gyakran a sebesség-limitáló tényező a biológiai szennyvíztisztítási folyamatokban.

29. Hidrolizis Hidrolizis Monod-kinetikával leírva: khX hidrolízis konstans (dimenzió MXS·MXB-1·T-1) Kx hidrolízis szaturációs konstans (dimenzió MXS·MXB-1).

30. Hidrolízis konstansok

31. Pusztulás • Pusztulás (elsőrendű kinetika): rV,XB = b·XB b konstans (dimenzió T-1, egység például d-1). • bizonyos mennyiségű lassan bontható anyag kerül be a rendszerbe. Ez az anyag hidrolizál, és következésképpen növekedést, vagy oxigén illetve nitrát fogyasztást okoz.

32. Respirációs sebesség mérések • OUR (oxgenultilizationrate) teszt oldott oxigén koncentráció fogyása • NUR (nitrateultilizationrate) teszt nitrát koncentráció fogyása • Eleveniszap átlagos oxigén fogyasztási sebessége: 20-40 gO2/(kg*VSS*h) • A kísérlet eredményeből számolt fogyási sebességek jellemzik a a biomassza biológiai aktivitását • Szennyvíz biológiailag könnyen és nehezen bontható szervesanyag tartalmának meghatározására alkalmas • Alacsony aktivitás oka lehet toxikus szennyvíz • Szennyvíz toxkiuságának vizsgálatára is használják A kísérletet egy néhány literes reaktorban végezzük, eleveniszapot és szennyvizet keverünk össze és figyeljük az oldott oxigén (OUR teszt), nitrát (NUR teszt) koncentráció fogyását. A reaktorban megmérve a biomassza koncentrációját számítható az egységnyi biomassza tömeg által egységnyi idő alatt fogyasztott oxigén ill. nitrát.

33. Aerob szervesanyag lebontás

34. Aerob (heterotróf) szervesnyageltávolítás Nyers szennyvíz szervesvegyületeinaek aerob biológiai tisztítása: Szervesanyag Biológiailag nem bontható (inert) anyagok CO2 (aerob, anaerob) CH4 (anaerob) Biomassza Különböző tápanyagok: Nitrogén, foszfor, kén vegyületek Könnyen bontható szervesanyaggá történő átalakítás (hidrolizis)

35. A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása • Kinetika, aerob heterotróf átalakulás Az aerob mikroorganizmusok szubsztrát konverziója elsősorban a biomassza vonatkozásában írható le. µobs telepre jellemző szaporodási sebesség, értéke szakirodalomban megtalálható, pontosítása az adott telepre mérésekkel meghatározható

36. A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása • A környezeti tényezők hatása, aerob heterotróf konverziók • Hőmérséklet • Szubsztrát (szervesanyag) • Oxigén • pH • Toxikus anyagok • Nitrogén • Foszfor

37. A szervesanyagaerobheterotrófátalakulása • Hőmérséklet hatása az alábbi módon írható le max(T) = max(20C)·exp ((T-20)) • A fenti egyenlet 0-32 °C között érvényes • 32-40 ° C között nincs számottevő hatása a hőmérsékletnek • 40 ° C felett gyors csökkenés tapasztalható 45 ° C foknál nullára csökken a biológiai aktivitás

38. A szervesanyagaerobheterotrófátalakulása • Oldott oxigén koncentráció hatása: Monod-képlet szerint: SO2.2 oxigénkoncentráció a reaktorban KS,O2 oxigén szaturációs állandója.

39. A szervesanyag aerob heterotróf átalakulása Az oldott koncentráció jelenlétét befolyásolja a pehely szerkezete is, így az oldott oxigén koncentráció hatása pontosabban leírható: “kettős” Monod-képlet: A szaturációs konstans, KS,O2, függ a pehelymérettől a hőmérséklettől, amennyiben annak hatása van az oxigén pelyhekbe történő diffúziójára

40. pH hatása a szervesanyag lebontás kinetikájára: KpH pH állandó I=10(optimum pH)-1 Általában az alacsony pH okoz problémákat a biológiai folyamatokban

41. A pH hatása a biológiai növekedésre (KpH=200) Növekedés pH modell Tapasztalat pH

42. Egyéb gátló tényezők • Toxikus anyagok jelenléte (számos vegyület gátolhatja, az aerob szervesanyag lebontást, azonban ez a gyakorlatban ritkábban okoz problémát köszönhetően az aerob szervesanyag lebontók gyors szaporodásának • Nitrogén és foszforvegyületek hiánya: A baktériumok szervesanyag mellett nitrogént és foszfort is felhasználnak növekedésük során, ha nincs megfelelő koncentrációban jelen ez is gátolhatja a növekedésüket.

43. Reakciósebességi állandók

44. Nitrifikáció Reakciók, átalakulások

45. Nitrifikáció • Fogalom • A nitrifikáció olyan mikrobiológiai folyamat, mely az ammóniumot nitritté, majd végül nitráttá alakítja. • A nitrifikációreakciói • Lényegesen lassabb a szaporodási sebességük mint a hetrotrófoknak • a sebessége erősen hőmérsékletfüggő • toxikus anyagok limitálhatnak • autotrófmikroorganizmuscsoport tevékenységével két lépésben zajlik le

46. Nitrifikáció • az ammónium ion oxidálódik nitritté egy baktériumcsoport által, melynek neve Nitrosomonas • a nitrit nitráttá oxidálódik a Nitrobacter baktériumok segítségével.

47. Nitrifikációt befolyásoló tényezők • Szubsztrát koncentráció • Hőmérséklet • Oxigén • pH • Toxikus anyagok Ammónium oxidációja a folyamat fő limitáló tényezője, mivel e nélkül nitrit se jelenik meg

48. Hőmérséklet • 10 és 22 °C között azonos az aerob hetrotrofokéval • 40 ° C fok felett már nincsen • 4 °C alatt az aktivitás már csak nagyon kismértékű • Érzékeny a hirtelen hőmérsékletváltozásra, emiatt gyors hőmérséklet emelkedés esetén az aktivitás emelkedése elmaradhat a képlet szerint várhatótól

49. Oldott oxigén koncentráció, pH Oxigén koncentráció: • Monod kinetikával írható le • Érzékenyebb, mint az aerob hetrotrófok pH: 6-10 között fordulhat elő nitrifikáció Optimum 8-9 között van A nitrifikáció során a pH csökken, ha a szennyvíz lúgossága (karbonát ion) nem elég nagy, akkor gátolhatja a folyamatot a túlzottan lecsökkent pH Hazai vizek karbonát ion koncentrációja magas, ezért nem szükséges a víz puffer kapacitásának növelése.

50. Reakciósebességi állandók: