Biológiai szennyvíztisztítás

A biológiai tisztítás kiválóan alkalmazható az alábbi területeken:

  • Lakossági szennyvizek tisztítása
  • Ipari szennyvizek (elő)tisztítása (élelmiszeripar, bizonyos vegyipari, gyógyszeripari területek)

A biológiai tisztítást többnyire egy többlépcsős tisztítási folyamat részeként foghatjuk fel:

1. lépcső: Mechanikai előtisztítás

A mechanikai előtisztítással a szennyvízben lévő, fizikailag is könnyen elválasztható komponensek (uszadék, lebegőanyag) kerülnek eltávolításra. A fizikai előtisztítás elsődleges célja a berendezések, műtárgyak mechanikai szennyezőktől történő védelme.

A mechanikai előtisztítás részegységei:

  • Rács. Feladata a durva, nagyméretű, darabos szennyezők eltávolítása. Az eltávolított rácsszemét hulladéklerakón elhelyezhető.
  • Homokfogó. Feladata a könnyen kiülepedő (nagyobb szemcseméretű, D > 0,2 mm) durva lebegőanyag kiülepítése, valamint a felülúszó szennyezők (zsírok, olajos szennyezők, hab) lefölözése és eltávolítása. A kiülepedett homok depóniára, illetve bizonyos feltételek mellett felhasználásra kerülhet.
  • Előülepítő. Feladata a szennyvízben ülepítéssel eltávolítható lebegőanyag kiülepítése. Az előülepítéssel a szennyvíztisztító terhelése csökkenthető, a kiülepedett iszapfázis (ún. primer iszap) pedig a fölösiszappal keverve az anaerob rothasztás hatékonyságát növeli. Kisebb szennyvíztelepeken ugyanakkor a kezelés egyszerűsítése miatt gyakran elhagyják az előülepítést.

2. lépcső: Biológiai tisztítás

A biológiai lépcsőben történik a biológiailag bontható komponensek eltávolítása a mikroorganizmusok (röv. MO: baktériumok, gombák, sugárgombák) által végzett metabolizmus révén.

A mikroorganizmusok tevékenysége alapvetően két részre bontható:

Közvetlen bontás

Bonyolult, összetett molekulákból egyszerűbb molekulák („mineralizáció”)

Sejtbe építés

A molekulákat a mikroorganizmusok saját sejtjeikbe is beépítik, mellyel életfolyamataikat fedezik és szaporodnak is.

A szaporodás során a MO szaporulatot folyamatosan el kell távolítani (pl. ülepítéssel) → a rendszer egyensúlyban marad.

Az egyes mikroorganizmus konzorciumok eltérő körülményeket igényelnek.

2/A Aerob tisztítás

Az ún. aerob tisztítási folyamatokban a mikrobiológiai folyamatokhoz oxigén szükséges. Az aerob medencét levegőztetni kell; ezt rendszerint finombuborékos levegőbefúvással, membránokkal végzik.

A levegőztetett medencében a redox potenciál jellemzően ≥ +0,8 V.

A levegőztetett medencékben a következő folyamatok mennek végbe:

Szerves anyag oxidációja

A szennyvíz a színért, a zavarosságért és részben a szaghatásért felelős szennyezőanyagok főleg szerves szénvegyületek, melyek legnagyobb része biológiailag bontható (az ún. BOI mérőszámmal jellemezhető szennyezők),

Szerves C + O2 + MO → CO2↑ + H2O + MO+ új MO (heterotróf mikroorganizmusok)

Ammónium-formák oxidációja nitráttá

A lakossági szennyvízbe főleg a vizelet útján kerül be az ammónium, illetve a szerves nitrogénformák (pl. karbamid, húgysav). Előbbi vegyület gyors hidrolízise gyakorlatilag már a csatornahálózatban végbemegy:

Az ammónium lebomlása kétlépcsős folyamat, melyet kétféle autotrof anyagcseréjű mikrobiális „konzorcium” végez:

Nitritáció:

NH4+ + 1,5 O2 → 2H+ + H2O + NO2 (Nitrosomonas sp.)

Nitratáció:

NO2 + 0,5 O2 → NO3 (Nitrobacter sp.)

A két lépcső együttes bruttó egyenlete (nitrifikáció):

NH4+ + 2 O2 → NO3 + H2O + 2 H+

A nitrifikáció már inkább „kényes” a körülményekre:

  1. Elegendő oxigén
    A jó hatásfokú nitrifikáció magas oldott oxigénszintet igényel (DO ≥ 2 mgIl) Következmény: Megfelelő levegőztetés hiányában a folyamat nagyon lelassul!
  2. pH érték
    A folyamat optimális pH értéke 7,2-8,5 között van.
    A pH csökkentésével pH = 7,2 alatt a folyamat lassulni kezd. pH = 5 körül a folyamat már leáll.
    A folyamatirányítást nehezíti: A folyamat maga is savat termel…
    Következmény: a kémhatás kibillenhet, a pH monitorozására, szükség esetén kontrolljára (lúg adagolás) van szükség!
  3. Hőmérséklet.
    A hőmérséklet csökkenésével a nitrifikáció sebessége is jelentősen lelassul.
    Következmény: Téli üzemeltetés során a nitrifikációban hiányosság lehet!
  4. Inhibitorok jelenléte:

    • Fémek: cink, réz, cianid, higany, arzén(III)
    • Oxo-anionok: egyes kromátok, cianátok
    • Szénvegyületek, szerves anyagok: aceton, anilin, fenol, szén-diszulfid
    • Egyéb vegyszerek: olajszármazékok, növényvédő szerek, háztartási vegyipari termékek
    • Szabad ammónia

2/B Anoxikus folyamatok

Az anoxikus medencében nincs jelen légköri oxigén, de van oxigén nitrát vagy szulfát formájában, melyet az alternatív légzésformákkal rendelkező (fakultatív anaerob) mikroorganizmusok, mint elektron-akceptort, fel tudnak használni a biológiai oxidációhoz.

A denitrifikáció optimális redoxipotenciál-értéke jellemzően 0…+0,4 V között van.

A szennyvíztisztítóban az anoxikus tér kialakítását az teszi szükségessé, hogy a nitráttá történő oxidáció nem oldja meg a nitrogéneltávolítás problémáját, a nitrogén továbbra is vizes fázisban marad, ami a befogadó víztestben eutrofizációt okozhat. A nitrát azonban csak anoxikus körülmények között távolítható el.

Az anoxikus medencében a nitrát nitrogéngázzá történő redukciója, a denitrifikáció játszódik le, ahol a denitrifikáló szervezetek fajok a nitrát oxigénjét használják fel oxidációra.

A denitrifikáció egyenlete:

Szerves C + NO3 + H+ → N2↑+ CO2↑ + H2O + energia

Könnyen bomló szubsztrát (acetát) esetén például:

5 CH3COOH + 8 NO3 → 4 N2↑ + 10 CO2↑ + 6 H2O + 8 OH

A denitrifikálás folyamata a keletkező nitrogéngáz miatti buborékolás révén időnként láthatóvá is válik.

A denitrifikáló szervezetek heterotróf mikroorganizmusok, melyek a Pseudomonas, Alcaligenes, Acinetobacter, Hyphomikrobium, Thiobacillus nemzetségekbe tartoznak.

A denitrifikáció végbemeneteléhez egyszerre kell jelen lennie nitrátnak, bontható szerves szubsztrátnak. Ezt egyenes átfolyású rendszereknél technikailag a már nitrifikálódott ammóniumot tartalmazó aerob medencéből történő szennyvíz egy részáramának visszavezetésével oldható meg (ún. belső recirkuláció: Rb).

2/C Anaerob folyamatok

Az anaerob medencében az oxigén semmilyen formában nincs jelen, a redoxpotenciál jellemzően ≤ +0,2 V.

Az anaerob medencére a biológiai foszforeltávolítás miatt van szükség. A szennyvíz foszfortartalma jól csökkenthető foszforakkumuláló heterotróf mikroorganizmusokkal (PAH). Az ilyen szervezetek, ha ciklikusan anaerob és oxikus körülményeknek vannak kitéve, képesek szervezetükben az ortofoszfátot polifoszfát formában betárolni. A fölösiszappal így a foszfor jelentős része eltávolítható. A biológiai foszforeltávolítással kapcsolatban az egyenes átfolyású rendszereknél is írunk.

A PAH baktériumok az anaerob reaktortérben leadják a foszfátot, és acetátot vagy más tápanyagot tárolnak be. Az aerob térben később a szennyvízből az említett polifoszfát formájában felveszik és „betárolják” a foszfort. Minél nagyobb az anaerob zónában a foszfát-leadás, így a tápanyag-betárolás, annál hatékonyabb az aerob zónában a foszfor-eltávolítás. A hatékony foszfor-eltávolítás feltétele a megfelelő, könnyen hasznosítható tápanyag- ellátás az anaerob zónában. Egyenes átfolyású rendszereknél ez technikailag úgy oldható meg, ha az anaerob zóna a technológiai sor legelején, az aerob zóna pedig a legvégén található. Az aerob lépcsőt követő utóülepítés során eltávolított iszap egy részét a tisztítási sor legelején lévő anaerob reaktorba juttatják vissza (Iszaprecirkuláció: Ri). SBR rendszereknél nincs szükség recirkulációra sem; a szennyvízbetáplálás módjának és a levegőztetés időprogramjának célszerű megválasztásával alakítják ki a ciklusos aerob/anaerob körülményeket a reaktortérben.

2/D Fázisszétválasztás és recirkuláció

A biológiai lépcsőt követően a víz megtisztul, azaz az oldott szennyezőanyagok nagy része lebomlik, azonban a vízben mikroorganizmus-pelyhek maradnak.

Szükség van egy további fázisszétválasztásra, mivel

  • a tisztított víznek gyakorlatilag zavarosság-mentesnek kell lennie,
  • az eleveniszap kimosódásának elkerülésére az iszappelyheket vissza kell juttatni a reaktor(ok)ba.

A fázisszétválasztás Dorr-rendszerű ülepítőkkel oldható meg.

A betáplálás középen történik, az iszapelvétel szintén középen, alul történik. A lejtős fenéken az iszapot egy kotrószerkezet tereli be középre. A felszínen szintén kotróhíd található a felszínen esetlegesen megjelenő felülúszó, hab összegyűjtésére.

Az elvett iszap rendszerint egy iszapaknába kerül, ahonnan egy része az eleveniszapos szakasz elejére kerül visszaforgatásra.

Másik része fölösiszapként elvételre és további kezelésre kerül:

  • sűrítés
  • anaerob (opcionális) és/vagy aerob kezelés

A tisztított víz az ülepítő felső részén kialakított bukóéleken kerül elvezetésre.

Összefoglalva tehát az alábbi folyamatok játszódnak le a szennyvíz biológiai tisztítása során:

ZónaAnyagcsere típusaElőforduló mikroorganizmusokFelhasznált szénforrásElektrondonorElektron akceptorTermék
AerobHeterotrófHeterotróf mikroorganizmusokszerves Cszerves CO2CO2, H2O
 AutotrófNitrifikálók: ammónium-oxidálók (Nitrosomonas sp.)
nitrit oxidálók (Nitrobacter sp.)
CO2NH4+,NO2O2NO2, NO3
AnoxikusHeterotrófDenitrifikálók
(nitrát redukálók)
szerves Cszerves CNO3, NO2N2, N2O
AnaerobHeterotrófAnaerob baktériumok
Acetogén baktériumok
Metanogén baktériumok
szerves Cszerves CCO2, HCO3CH3COOH, CH4

A biológiai szennyvíztisztítás „defektje”: az iszapduzzadás

A biológiai szennyvíztisztítás kellemetlen üzemzavara lehet az a jelenség, amikor az iszappelyhek kompakt, pehelyszerű szerkezete megváltozik, s ehelyett hosszú, fonalszerű nyúlványok, ún. filamentumok alakulnak ki rajta. A jelenséget emiatt fonalasodásnak nevezi a szakirodalom. A filamentumokat a tápanyag elérése érdekében növesztik a mikroorganizmusok, a fonalasodás tehát a nem megfelelő tápanyag-ellátás következtében alakulhat ki (pl. nem a méretezésnek megfelelő terhelés éri a szennyvíztisztítót, vagy egyenes átfolyású rendszereknél valamelyik a recirkuláció rosszul van beállítva stb.). Bizonyos mértékű fonalasodás az „egészséges” iszappelyhekben is előfordulhat (néhány %-ban rendszerint még nem jelent problémát), azonban a fonalas formák egy bizonyos arány felett fordulnak elő, az utóülepítő hatásfokát jelentősen lerontják. A fonalas formák tömörödési tulajdonságai ugyanis sokkal gyengébbek, mint a kompakt pelyheké, így az utóülepítő felső, tisztított vizet tartalmazó régiójában (így az elfolyó vízben) is megjelennek ezek a pelyhek, ami a tisztított víz minőségének drasztikus romlását okozza.

A jelenség időben történő észrevételére és a szükséges intézkedések még időben történő meghozatala végett a szennyvíztisztítókban az iszap ülepedését rendszeresen vizsgálják (rendszerint 30 perces ülepedést vizsgálnak, a vizsgálathoz egy menzúra elegendő). Az ülepedés alapján megállapítják az iszapindexet (Mohlmann-index), ami alapján eldönthető, hogy van-e kezdődő fonalasodás az eleveniszapban. Az iszap rossz ülepedése miatt a fonalasodás jelenségére elterjedten alkalmazzák az „iszapduzzadás” kifejezést is.

Az iszapduzzadás problémája a tisztító rendszer jellegéből adódóan az egyenes átfolyású rendszereket sújtja. A szakaszos üzemű SBR, illetve a mozgóágyas és egyéb biofilmes rendszerekben a fonalasodás nem jellemző, így ebből a szempontból ezek a reaktortípusok egyértelműen előnyösebbek. Amennyiben az utóülepítő helyett membránnal történik a mikroorganizmusok elválasztása, az esetleges iszapduzzadás – mivel az elválasztás nem gravitációs jellegű – kevésbé jelent problémát.

3. lépcső: Kémiai (vegyszeres) tisztítás

A kémiai lépcső bizonyos, biológiailag nem vagy csak részben eltávolítható komponensek eltávolítása esetén lehet szükséges (a tisztítási követelményektől függően), másrészt ide sorolható a biológiai tisztítást követő fertőtlenítés is.

3/A Foszfor eltávolítás

A már említett biológiai foszforeltávolítás hatékonysága javítható kicsapatással, ami történhet

  • A biológiai tisztítást megelőzően (előkicsapatás)
  • a biológiai lépcsőt követően (utókicspatás)
  • a biológiai tisztítással egyidejűleg (szimultán kicsapatás)

A foszfor kicsapatása során az ortofoszfát anionokból fémsók (vas- alumínium – és kalciumsók) segítségével oldhatatlan foszfát-csapadék képződik, ami ülepítéssel eltávolítható. A vegyszeres kicsapatás egyenlete vas-szulfát kicsapatószer esetén:

Fe2(SO4)3 + 2 PO43- → 2 FePO4↓ + 3 SO42-

3/B Fertőtlenítés

A fertőtlenítés célja a mikroorganizmusok egyedszámának adott határérték alá csökkentése, amit elsősorban közegészségügyi okok indokolnak.

A fertőtlenítés során a szennyvízbe fertőtlenítőszert adagolnak pl. hipót (NaOCl) vagy klórmeszet (CaCl2). Korábban elemi klórt (klórgázt) is alkalmaztak, ezt ma már a körülményes technológia miatt, ill. biztonságtechnikai okokból mellőzik.

A fertőtlenítő szekcióban a jó elkeveredés és a megfelelő tartózkodási idő biztosítására labirintus medencét alakítanak ki, melyben rendszerint közvetlenül történik a vegyszer beadagolása. A tisztított és fertőtlenített víz a medencét követően már közvetlenül elvezethető a befogadóba.

A kémiai vízkezelési eljárásokkal kapcsolatban ITT található további információ.

4. lépcső: További tisztítási fokozatok, avagy a szennyvíztisztítás perspektívái

Az utóbbi évtizedben kezdtek el foglalkozni azokkal az antropogén eredetű szennyező komponensekkel, melyek a szennyvízben ugyan nagyon kis mennyiségben vannak jelen (ún. mikroszennyezők), azonban lassú biológiai lebomlásuk miatt a környezetben, különösen az élővízi makroméretű szervezetekben felhalmozódhatnak. Ezen anyagok ártalmasságáról ma még megoszlanak a vélemények, azonban egyre több kísérlet arra mutat, hogy jelentőségüket nem szabad alábecsülni. Ezen anyagok között leginkább az emberi szervezetből kiürülő gyógyszerek (pl. az általánosságban alkalmazott diclofenac), hormontartalmú szerek (szteroid alapú fájdalomcsillapítók, fogamzásgátlók), valamint a növényvédő szerek ökológiai jelentősége lehet nagy.

Ezek az anyagok a biológiai szennyvíztisztítás során gyakorlatilag változatlan koncentrációban maradnak és kerülnek ki az élővizekbe. Eltávolításuk jelenleg a szennyvíztisztítás intenzíven kutatott tématerülete.

Jelenleg a poliszacharidok közé tartozó ciklodextrinek (rövidítés: CD) mutatnak ígéretes lehetőséget a kis mennyiségben jelen lévő xenobiotikumok kiszűrésére. A ciklodextrinek üreges szerkezetű molekulák, melyek az üreg belsejében másodrendű kötésekkel megkötik, gyakorlatilag „becsapdázzák” az eltávolítandó szerves komponenseket. A ciklodextrineknek több fajtája is létezik, melyek más és más molekulaméretű szennyezőanyag-molekulákat képesek megfogni. Ezeket a görög ABC betűivel (α, β, γ) jelöljük. A téma jelenleg még kutatás alatt áll, a gyakorlati alkalmazás későbbre várható.

A negyedleges tisztítás egy másik lehetősége a membrános tisztítás (nanoszűrés, illetve fordított ozmózis), mellyel gyakorlatilag ivóvíz tisztaságú (emberi fogyasztásra is alkalmas!) vizet lehet előállítani a szennyvízből. Alkalmazására elsősorban vízhiányos területeken (pl. sivatagi klíma) van perspektíva, jelenleg kisebb berendezések már üzemelnek.

A membrán eljárások közül az ultraszűrés előnyösen alkalmazható biológiai lépcsőt követő fázis-szétválasztás során is, mintegy az utóülepítés alternatívájaként. Az ultraszűrés során az eleveniszap-pelyhek igen jó hatásfokkal eltávolíthatók, a tisztított víz gyakorlatilag zavarosságmentes, a KOI és a BOI értékek valamint a lebegőanyag-tartalom pedig a kimutatási határ alá csökkenthető.