SBR rendszerek

A tisztítás elve

SBR rendszerek kis méretben lakossági szennyvizek (néhánytól 1-2 ezer lakosegyenérték kapacitásig), illetve ipari elfolyóvizek kezelésére alkalmasak. Elvi szempontból ugyanúgy működnek, mint az általános részben leírt biológiai szennyvíztisztító rendszerek, azaz ugyanúgy van mechanikai előtisztítás (rács, homokfogó, előülepítő stb.), valamint egy vagy több szakaszos biológiai tisztítás (anoxikus és levegőztetett szakaszok), valamint utóülepítés, és az azt követő tisztított víz-és iszapelvétel is. Míg azonban a hagyományos egyenes átfolyású rendszerekben az említett szakaszok külön medencékben játszódnak le – azaz térben vannak elkülönítve –, addig az SBR rendszerben a biológiai szakaszok és az utóülepítés ugyanabban a reakciótérben játszódik le, és az időprogram beállításától függ, mikor van anoxikus, aerob vagy utóülepítési fázis. A tisztítási szakaszok itt tehát nem térben, hanem időben vannak elkülönítve. Az SBR elnevezés az üzem szakaszos jellegéből (pontosabban: szakaszos betáplálás) ered, ami angolul „sequenced batch reactor” – SBR = szakaszos betáplálású reaktor.

Az egyenes átfolyású rendszerekben sokszor összetett recirkulációs rendszerek is találhatók – iszaprecirkuláció és belső recirkuláció – melyekre csővezeték-hálózatnak, átemelőszivattyúknak kell rendelkezésre állniuk, amik természetesen energiafogyasztást és meghibásodási lehetőséget jelentenek. Az SBR rendszerek egyértelmű előnye, hogy itt ezekre nincs szükség, a rendszer tehát egyszerűsödik.

A tisztítás szakaszai

A tisztítási folyamat alapvetően hat szakaszra bontható:

  1. Szennyvíz betáplálása a kiegyenlítő medencéből az előülepítőbe, előülepítés
  2. Előülepített szennyvíz betáplálása a biológiai reaktorba
  3. Biológiai tisztítás: opcionálisan (ill. szükség szerint) anaerob, anoxikus és aerob szakaszok beiktatása
  4. Utóülepítés a biológiai reaktorban
  5. Tisztított víz elvétele (pl. az ülepítést követően búvárszivattyúval)
  6. Fölösiszap elvétel

Az egyes lépcsőkben lejátszódó folyamatok megegyeznek az általános részben leírtakkal: az előülepítés során a kiülepíthető lebegőanyag eltávolítása történik, melyet egy biológiai szakasz követ, végül egy utóülepítés zár. A biológiai szakaszban levegőztetett és nem levegőztetett (csak kevertetett) periódusok váltják egymást. A levegőztetett periódusban történik a szerves szennyezők, valamint az ammónium oxidációja. A levegőztetés nélküli, anoxikus periódusban a nitrát eltávolítás történik. Egyúttal bizonyos mértékű biológiai foszforeltávolítással is számolhatunk, bár esetenként – pl. szigorúbb határértékek esetén – kiegészítő vas-klorid adagolásra is szükség lehet a határértékek teljesítéséhez. Az utóülepítés befejezése után megtörténik a tisztított víz kiszivattyúzása vagy gravitációs elvezetése, illetve a fölösiszap-elvétel is. A rendszerben maradó eleveniszap azonnal képes fogadni a következő ciklus szennyvizét, és a ciklusok újraindulnak.

A rendszerekben általában már 6-8 óra ciklusidő is elegendő (nitrogéneltávolítás esetén is). Sok helyen a praktikusság végett 24 órás ciklusidőt alkalmaznak, ami egyszerűen igazítható a napi szennyvízterheléshez. Ilyenkor az első 18 órában játszódik le az eleveniszapos szakasz, melyben levegőztetett és levegőztetés nélküli időszakok váltják egymást, időprogram alapján. Az eleveniszapos szakaszt követi az ülepítés, mely célszerűen pl. hajnali 1 órakor kezdődik, mikor is a szennyvízkibocsátás minimális. Az ülepítési idő kb. 4 óra, melynek befejezése után megtörténik a tiszta víz elvezetése. Az anoxikus tisztítási szakasz rendszerint a teljes ciklusidő 40%-a.

Szerves szén és ammónia oxidációja

A biológiai szennyvíztisztításban a szennyezőanyagok fő tömegének eltávolítása levegőztetett, aerob szakaszban történik. Ahogy a szennyvíztisztítást bemutató általános részben leírtuk, az aerob heterotróf mikroorganizmusok a szennyvízben lévő oldott szerves anyagokat lebontják, melyeket életfolyamataikban (energiatermelés, szaporodás) felhasználnak, mialatt bomlástermékek (szén, dioxid, víz stb.), valamint új sejtanyag képződik (asszimiláció).

Az ammónia eltávolítása szintén az ismertetett módon történik (nitrifikáció). A folyamat végterméke a nitrát, ami az ammóniánál lényegesen kevésbé toxikus (és szag szempontjából is sokkal enyhébb) komponens, melynek eltávolítása azonban a szennyvíztisztítás követelményeinek fejlődése következtében szintén szükségessé vált (eutrofizációt okozó tápanyag). Ez az eltávolítás – a denitrifikáció – azonban csak levegőztetés nélküli (anoxikus) szakaszokban, tápanyag jelenlétében lehetséges, amit a következő alfejezetben mutatunk be.

A levegőztetésre manapság már elsősorban membrános rendszereket alkalmaznak. Egy megfelelően méretezett levegőztető a szennyvíz átkeverését is biztosítja. Előfordulnak még függőleges tengelyű levegőztető rotorok is, melyek a levegőztetésen túlmenően ugyancsak biztosítják a megfelelő homogenizálást.

Nitrogéneltávolítás

Az ábrán látható, hogy az utóülepítést követően a rendszerből csak a vízfázis kis része kerül tisztított vízként elvételre. A maradék víz mindenképpen tartalmaz nitrátot, mivel a biológiai tisztítás befejezése minden esetben aerob üzemmódú (ez egyfajta „alapszabály” a szennyvíztisztításban). Könnyen bomló szerves tápanyag (pl. alkoholok, acetát stb.) viszont biztos nincs benne kellő mennyiségben, mivel az az aerob befejezés során eltávolításra került. Az erre rátáplált szennyvíz ugyanakkor mindenképpen tartalmaz ilyet is, így a betáplálást követően egy adott időtartamú anoxikus szakasz beiktatásával (csak a keverő megy) a denitrifikáció minden feltétele adott. A nitrát konverzióját követően a levegőztetés indításával a maradék szerves anyag is eltávolítható, egyúttal pedig a nitrifikáció is lezajlik, és a ciklusok kezdődnek elölről.

A nitrogéneltávolítás egy másik lehetősége a segédtápanyagos utódenitrifikáció. Ebben az esetben a biológiai szakasz intenzív és huzamos levegőztetéssel kezdődik, melynek során a BOI5 eltávolítás mellett a teljes nitrifikáció is lezajlik. Ezt követően anoxikus szakasz következik, segédtápanyag adagolásával, melynek során a denitrifikáció játszódik le. Az esetlegesen még bent maradó anyagmaradványok egy rövidebb aerob szakasszal tisztíthatók véglegesen. A rendszer jó hatásfokú és egyszerű üzemű, hátránya, hogy vegyszerre (segédtápanyag) van szükség.

Végül a betáplálás, elnyújtva, a levegőztetés alatt is történhet. Ha a levegőztetés közben anoxikus szakaszokat is beiktatnak denitrifikáció céljából, azok során kisebb mennyiségű friss tápanyag adagolása a denitrifikációt is gyorsíthatja. A befejező lépés az ülepítés előtt azonban mindig levegőztetés kell, legyen az ammónia és szerves tápanyag biztonságos eltávolítása érdekében. Ez a módszer talán a legegyszerűbb valamennyi közül.

Foszforeltávolítás

A tisztított víz (és fölösiszap) elvétele után a kiülepedett iszapfázis gyakorlatilag nem tartalmaz oxigént, illetve nitrátot sem, mivel ezeket az anyagokat az endogén légzés során elfogyasztja (a felső, vizes fázis pedig gyakorlatilag el van választva, így annak nitráttartalma az alsó iszapfázisban a lassú diffúzió miatt még nem jelenik meg), azaz ez az eleveniszap anaerobnak tekinthető. Így ha az ezt követő betáplálás során, biztosítani lehet, hogy ne keveredjen fel az iszap, és a friss tápanyag csak az alul elhelyezkedő oxigén- és nitrátmentes iszapfázisba jusson, abban az anaerob folyamatok (foszforleadás és tápanyag betárolás) is lejátszódhatnak. Az anaerob iszapban a többletfoszfor akkumuláló poly-P mikroorganizmusoknak bőségesen áll rendelkezésre könnyen felvehető tápanyag (friss szennyvíz betáplálása), az aerob ciklusban betárolt poli-foszfátot energianyerés céljából depolimerizálják, és a keletkező ortofoszfátot a sejtből leadják. A rendszer ciklikussága miatt a levegőztetett szakaszban ugyanezek a mikroorganizmusok az egyenes átfolyású rendszereknél tárgyaltaknak megfelelően az ortofoszfátot polimer formájában betárolják. Ezzel több foszfort kötnek meg, mint amennyit korábban leadtak, a betárolt foszfát pedig a fölösiszappal eltávolításra kerül, így a szennyvíz foszfáttartalma csökkenthető.

A nehézkesen kivitelezhető, iszap alá történő betáplálás helyett olyan megoldás is lehetséges, melyben az iszapelvételt követően a vizes és iszapos fázist célzottan kevertetik egy ideig és a szennyvíz betáplálását késleltetik. Ezalatt az endogén légzés eredményeként az összes oldott oxigén és nitrát elfogy, így anaerob körülmények alakulnak ki. A friss szennyvíz betáplálását követően megtörténik a tápanyag betárolás és az iszap foszfát leadása.

Ahogy korábban is említettük, a biológiai foszforeltávolítást kiegészítendő, sok esetben vegyszeres (pl. vas-kloridos utókicsapatás) foszforeltávolításra is szükség lehet, jóllehet a vegyszerigény a biológiai eltávolítás miatt alacsony.

Ingadozások kiegyenlítése

A szakaszos betáplálás és ürítés miatt az ilyen rendszereknél mind a belépő, mind a kilépő ponton kiegyenlítő térfogatok kiépítése szükséges. A befolyó víz kiegyenlítése, illetőleg betárolása az optimális betáplálás biztosítására, az elfolyó vízé ugyanakkor a befogadó lökés- szerű terhelésének tompítására szolgál. A szakaszos betáplálású rendszereknél a tisztított víz lökésszerűen történő befogadóba vezetése, elsősorban kis befogadóknál okozhat gondot. A belépő víz kiegyenlítésére szolgáló medence mérete ugyanakkor a tisztítás időprogramjának és a szennyvíz-kibocsátási ingadozások összehangolásával minimalizálható.

Rövid technikatörténet

Az SBR rendszerek a legkorábban alkalmazott eleveniszapos szennyvíztisztító rendszerek. Habár a biológiai szennyvíztisztítás alkalmazására már az 1800-as évek végéről is találunk példákat (csepegtetőtestek), a nem-biofilmes, eleveniszapos rendszerek között a legelsők ilyen rendszerűek voltak. Az első, ismert kísérleteket Ardern és Lockett végezte 1914-ben, Manchesterben.

Ardern és Lockett a lakossági szennyvizet egy medencébe töltötte, ahol intenzív levegőztetésnek vetette alá. A levegőztetést periodikusan szüneteltette; ekkor a szennyvíz ülepedett. Az ülepített szennyvíz dekantálásra került, majd friss szennyvíz betáplálása következett. A mérések alapján a megfelelő iszapkor biztosítása esetén gyakorlatilag teljes nitrifikációt sikerült így elérni. Ardern és Lockett így gyakorlatilag feltalálta a szakaszos betáplálású tankreaktort. Mivel abban a korban az automatizálás még nem létezett, a folyamatirányítás manuálisan történt, ami meglehetősen bonyolulttá tette a rendszer üzemeltetését, és számos gond is felmerült az üzem során. Ezért döntöttek akkor a levegőztető folyamatos betáplálása mellett, s alakították ki a több medencéből álló, iszaprecirkulációt is tartalmazó, napjainkban „klasszikusnak” tekinthető, egyenes átfolyású eleveniszapos szennyvíztisztítási megoldást (ami viszont a fonalasodás problémáját hozta be). Az elv csak az 1970-es évektől kezdve – az informatika és az automatizálás „berobbanásával” párhuzamosan – kezdett el teret hódítani. Ehhez hozzájárult az is, hogy az SBR rendszerekkel rendszerint jobb minőségű elfolyó víz állítható elő, mint egy egyszerűbb egyenes átfolyásúval, így a szigorodó környezetvédelmi előírásoknak az ilyen tisztítók jobban meg tudtak felelni.

Előnyök és hátrányok

Korábban említettük, hogy az SBR rendszerek nagy előnye a jó hatásfokú tisztítás, ami elsősorban a rendszer rugalmasságából, optimalizálhatóságából ered. Nincsenek ugyanakkor bonyolult recirkulációs rendszerek, ami a rendszert egyszerűsíti, a hibalehetőségek számát csökkenti.

Az SBR további előnye, hogy iszapduzzadásra kevésbé hajlamos, s így folyamatos felügyeletet sem különösebben igényel. Így ha az előzőekben említett automatika jól üzemel, folyamatos jelenlét nem szükséges, a távfelügyelet elegendő. A szabályozással a keverés, a levegőztetés intenzitása finoman beállítható, így az anaerob/anoxikus/aerob szakaszok is optimalizálhatók. Az iszap fonalasodása tehát nem jellemző, emellett az iszapproduktum, így a fölösiszap mennyisége is minimális, ami ráadásul jól is sűríthető, így a fölösiszap-kezelés szempontjából is előnyösek az SBR rendszerek.

Az SBR rendszerek előnyei elsősorban kisebb méretű szennyvíztisztítók esetében érvényesülnek leginkább. Ez ugyanakkor azt is eredményezte, hogy az SBR rendszerek szélesebb körű elterjedése során (70-es és 80-as évektől) az előnyök kihasználása miatt sok esetben helyi szintű szennyvízkezelést építettek ki, melynek további jótékony hatásai voltak; pl. nem kellett kiépíteni nagy csatornarendszereket, illetőleg a szennyvíz kevesebb ideig „utazott” a csőhálózatban, így az nem rothadt be.

Az SBR rendszerek az üzemük jellegéből adódóan (szakaszos üzem, kiegyenlítő medence) jól viselik a terhelés-ingadozásokat, ami még inkább alkalmassá teszi a kistelepüléseken történő alkalmazásra.

Mindazonáltal ezek kis kapacitású szennyvíztisztítók föld alá is telepíthetők, gyakorlatilag nincs bűz-és zajhatás, a védőtávolság így minimálisra csökkenthető. A technológia így különösen jól alkalmazható olyan extrém beépítésű területen, ahol minimális a rendelkezésre álló hely (hazánkban pl. a Duna-kanyar ilyen).

Összefoglalóan tehát az SBR rendszerek előnyei:

  • Egyszerűbb kialakítás, nincs szükség recirkulációra,
  • Jó minőségű elfolyó,
  • Iszapduzzadás, fonalasodás nem jellemző,
  • Csekély mennyiségű, jól sűríthető fölösiszap,
  • Automatizálás esetén állandó felügyeletet nem igényel (nincs fonalasodás veszély),
  • Zárt rendszerben (földalatti kiépítéssel) is létesíthető, így kisebb védőtávolság is elegendő.

Az előnyök mellett meg kell említeni a korlátokat is:

  • Irányító rendszer kiépítése feltétlenül szükséges,
  • Kiegyenlítő medencék szükségesek,
  • Az előnyök csak kis méret esetén érvényesíthetők.

Egyedi kisberendezések

Napjainkra az SBR technológia főleg kisebb szennyvízterhelésű rendszerek esetében számít elterjedtnek. Ezen belül is kiemeljük a kisméretű, egyedi szennyvíztisztító kisberendezéseket, melyek az utóbbi egy-két évtizedben kezdtek el terjedni az emésztőgödrök alternatívájaként, ritkán lakott területeken (aprófalvak, tanyavilág), illetve településektől távol található üdülőkben. Az említett esetekben a közcsatorna bevezetésére csak bonyolultan és rendkívül költségesen lenne megoldható, az emésztők, pöcegödrök pedig ma már korszerűtlennek számítanak, környezetvédelmi- és gazdasági szempontból (szippantások költségei) egyaránt előnytelenek, és a jogszabályok is egyre inkább igyekeznek kiszorítani őket. Alternatívaként az elmúlt évtizedekben kisméretű (4-50 lakos egyenérték kapacitású) készen kapható egyedi kisberendezések kerültek kifejlesztésre, melyeket akár külön-külön, háztartásonként is telepíthetők pl. az érintett ingatlan udvarán. Ezek között nagy arányban találhatók SBR technológiájúak, tekintettel arra, hogy így az egész rendszer üzemeltetéséhez elegendő egy kompresszor, ami a levegőztető rendszert és a mamutszivattyút működteti. Az elektromos rendszer teljesítménye a 4-8 LE mérettartományban rendszerint 100 W alatti, és mivel nem folyamatosan üzemel, a rendszer összfogyasztása egy 4 LE méretű kisberendezésben ritkán jön ki 1 kWh/nap (7 kWh/fő/hónap) fölé. Kisebb (4-6 LE) berendezéseknél a fogyasztás rendszerint kb. 3,5-6 kWh/fő×hónap, nagyobbaknál (20-30 LE) kb. 3 kWh/fő×hónap.

A rendszer energiafogyasztása tehát elviselhető mértékű, emellett helytakarékos, egyszerűen (és olcsón) üzemeltethető, megfelelően automatizálva az üzem megbízható és stabil. Ez a kisberendezések esetében azért is fontos, mert itt nem áll rendelkezésre állandó műszaki felügyelet, aki pl. a recirkulációs arányt, vagy a DO-t az igényeknek megfelelően monitorozza és beállítja.

Felépítésüket tekintve a legkisebb rendszerek (4-10 LE méretűek) állhatnak egyetlen tartályból is, melyet középen egy fallal kettéválasztanak, így alakítva ki az előülepítő- és biológiai rekeszeket. Nagyobb rendszerek (10-30 LE) esetében már gyakran két külön tartállyal (betonmedence vagy műanyag) oldják meg az SBR kialakítását. Még nagyobb terhelés esetén – amennyiben nem alakítanak ki nagy rendszert – több kis tisztító csoportos összekapcsolásával oldják meg a megfelelő kapacitás biztosítását.