Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban

Trendek és innovatív módszerek Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításbana szennyvíztisztításban

Fleit Ernő, Somlyódy László, Licskó István és Szabó Anita

BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék1113, Budapest Műegyetem rakpart 3.

http://www.vkkt.bme.hu

http://www.vkkt.bme.hu/

Az előadás céljai

• A szennyvíztechnológia fejlődéstörténete

• A technika történet tanulságai

• Esettanulmányok és példák a hazai fejlesztési lehetőségekre

Fejlődéstörténet

• Könnyen bontható szervesanyagok eltávolítása

• Eleveniszapos telep nitrifikációval

• Eleveniszapos telep denitrifikációval

• Eleveniszapos telep denitrifikációval, biológiai foszforeltávolítással

• Integrált rendszerek (+ fixfilm, + MBR)

Mire következtethetünk a több mint 100 éves történetből?

• Növekvő komplexitású – sztöchiometriai és kinetikai modellek– Reaktorok és reaktorelrendezések (UCT, UASB, MBR

rendszerek, stb.)• Integrált és (on-line) folyamatszabályozás• Változó (ám egyre kisebb koncentrációkban

értelmezett) szennyezők (EDS-EDC)

KÖVETKEZTETÉS – bármely technológiai probléma megoldható, legfeljebb csak pénz kérdése???

Problémák – probléma megoldási lehetőségek

Hagyományos Hagyományosan nem hagyományos

Nem hagyományos

Nem hagyományos

Technológiák

Egy hazai példa a kémiai előkezelés fortélyaira

• Cél, illetve megoldandó problémákCél, illetve megoldandó problémák– csatornahálózat fejlesztése miatt csatornahálózat fejlesztése miatt

megnövekedő hidraulikai és szervesanyag megnövekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés kezeléseterhelés kezelése

– konzervgyári szennyvíz esetleges újbóli konzervgyári szennyvíz esetleges újbóli kezelésekezelése

– szigorúbb határértékek betartása (P szigorúbb határértékek betartása (P eltávolítás)eltávolítás)

– nitrifikáció javítása (téli időszak)nitrifikáció javítása (téli időszak)– biogáz termelés fokozásabiogáz termelés fokozása

Hazai példa a kémiai előkezelés alkalmazására

Kecskeméti Szennyvíztisztító TelepKecskeméti Szennyvíztisztító Telep

Jelenlegi terhelés Jelenlegi terhelés ~~ 20 000 m 20 000 m33/d; 180 ezer LEÉ/d; 180 ezer LEÉ

Határértékek:Határértékek:KOI: KOI: 75 mg/L 75 mg/L BOIBOI55: : 25 mg/L 25 mg/L TN: TN: 50 mg/L50 mg/L

TP: TP: 10 mg/L (5 mg/L – 10 mg/L (5 mg/L – 2010-től)2010-től)NHNH44-N: -N: 10 mg/L10 mg/LTSS: TSS: 50 mg/L50 mg/L

Kémiai előkezelés üzemi kísérlet: 2006. május-júniusKémiai előkezelés üzemi kísérlet: 2006. május-júniusvas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba vas-klorid, majd vas-szulfát adagolás a homokfogóba oldat formájábanoldat formájábanpropeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredéstpropeller keverő és levegőztetés biztosítja az elkeveredést

O2

D3

A2

C2

Fe(III)

C1

C3

C4 D4

D1

A3

A4

O2

O2O2

Specialitások egyben általánosítható jellemzőkSpecialitások egyben általánosítható jellemzők• Hidraulikai alulterheltség (19 e mHidraulikai alulterheltség (19 e m33/d a 48 e /d a 48 e m3/dm3/d helyett)helyett)

• Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOIkgBOI55/kgTSS/d)/kgTSS/d)

• Élelmiszeripari, vágóhídi szennyvízÉlelmiszeripari, vágóhídi szennyvíz

• Magas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízbenMagas KOI, BOI, lebegőanyag tartalom a nyers szennyvízben

• A nyers szennyvíz szervesanyag tartalmának nagyobb része A nyers szennyvíz szervesanyag tartalmának nagyobb része (60-80%) a szilárd KOI frakcióban van(60-80%) a szilárd KOI frakcióban van

• Előülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magasElőülepítők szervesanyag eltávolítási hatásfoka magas

• Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak Viszonylag stabil nitrifikáció (kivéve hideg időszak 20% 20% határérték túllépés)határérték túllépés)

• Meglepően hatékony szimultán denitrifikációMeglepően hatékony szimultán denitrifikáció

• Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az Egyáltalán nem ülepedő iszap, fonalasok, iszapfelúszás az utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés)utóülepítőben (emiatt néha KOI határérték túllépés)

A kémiai kezelés eredményességeA kémiai kezelés eredményessége

TSSTSS KOIKOI BOIBOI55 NHNH44-N-N NONO33-N-N TPTP

NyersNyers 480480 11001100 580580 6464 n.d.n.d. 14,714,7

Csak Csak biológiabiológia

4040 9595 6,56,5 4,94,9 0,90,9 6,36,3

+ + Kémiailag Kémiailag

kezeltkezelt

77 6363 88 3,23,2 99 1,11,1

0

2

4

6

8

10

12

14

5/11

5/15

5/19

5/23

5/27

5/31 6/4

6/8

6/12

Dátum

TP

[m

g/L

]

Előülepített szennyvíz

Tisztított szennyvíz

Fe adagolás

A foszfor határérték betartása stabilan garantálható

Biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelése csökkenthető

Nyers szennyvíz KOI : 800-1400 mg/L (200-400 mg/L oldott)

BOI: 400-800 mg/L

0

200

400

600

800

1000

5/1

1

5/1

5

5/1

9

5/2

3

5/2

7

5/3

1

6/4

6/8

6/1

2

Dátum

BO

I 5,

KO

I Cr [

mg

/L]

KOI BOI

Fe adagolás

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

5.1

1

5.1

5

5.1

9

5.2

3

5.2

7

5.3

1

6.4

6.8

6.1

2

Dátum

NO

3-N

; N

H4-

N [

mg

/L]

NO3-NNH4-N

Fe adagolás

A szervesanyag terhelés csökkentése következtében javul a nitrifikáció és kis mértékben romlik a denitrifikáció

02468

10121416

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Előülepített KOICr [mg/L]

NO

3-N

[m

g/L

]A P eltávolítási célú kémiai kezelés erőteljesen befolyásolja a

telep N forgalmát is (nitrifikáció és denitrifikáció)

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

KOICr/TKN [mg/L]

NO

3-N

[m

g/L

]

0

5

10

15

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

oKOICr/TKN [mg/L]

NO

3-N

[m

g/L

]

Nyersiszap termelés [mNyersiszap termelés [m33/d]: /d]: +27%+27%Nyersiszap termelés [kg/d]: Nyersiszap termelés [kg/d]: +21%+21%Biogáz termelés [mBiogáz termelés [m33/d]: /d]: +30%+30%Összes energia fogyasztás [kW/d]: Összes energia fogyasztás [kW/d]: -10%-10%

0

1000

2000

3000

4000

5000

60004

/15

4/2

0

4/2

5

4/3

0

5/5

5/1

0

5/1

5

5/2

0

5/2

5

5/3

0

6/4

6/9

6/1

4

Te

rmel

t b

iog

áz

[m3 /d

]

Napi biogáz termelésÁtlagos biogáz termelés - Fe adagolás nélkülÁtlagos biogáz termelés - Fe adagolással

Fe adagolás

A kémiai kezelés előre jelzett hatásai az iszapvonalon

05.16.06.06.

A kémiai kezelés járulékos hatása: javuló iszapszerkezet

Relatív becsült költségek %%VegyszeradagolásVegyszeradagolás 8989

IszapkezelésIszapkezelés 99

Iszap elhelyezésIszap elhelyezés 22

Összes költségÖsszes költség 100100Biogáz termelésBiogáz termelés 3737

Energia fogyasztás csökkenéseEnergia fogyasztás csökkenése 1919

BírságBírság 130130

Ktd 50%Ktd 50% 8787

Összes megtakarításÖsszes megtakarítás 273273

Egyenleg (megtakarítás)Egyenleg (megtakarítás) 173173

Főbb eredmények:Főbb eredmények:

• Vas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedikVas-klorid és vas-szulfát hasonlóan viselkedik

• Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére csökkent Biológia szervesanyag terhelése kevesebb, mint felére csökkent (KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt)(KOI, BOI eltávolítás az előülepítőben 50%-ról 70% fölé nőtt)

• Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt)Nitrifikáció elenyésző mértékben javult (eleve hatékony volt)

• Denitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy Denitrifikáció érezhetően romlott (utóülepítőben felúszást, vagy határérték problémát nem okoz) – oldott KOI eltávolításhatárérték problémát nem okoz) – oldott KOI eltávolítás

• Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, környezetterhelési díj minimalizálható)környezetterhelési díj minimalizálható)

• Biogáz termelés 30%-kal megnőttBiogáz termelés 30%-kal megnőtt

• Telep energia fogyasztása 10%-kal csökkentTelep energia fogyasztása 10%-kal csökkent

• Keletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőttKeletkező nyersiszap mennyisége 20%-kal megnőtt

• Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd)Jelentős megtakarítások (ha ténylegesen fizetendő bírság/ktd)

NKFP eredmények:NKFP eredmények:• Adott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási Adott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási

hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd arányától függarányától függ

• Koaguláns dózistól függ a maradék szervesanyagok részecskeméret Koaguláns dózistól függ a maradék szervesanyagok részecskeméret eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem)eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem)

• Előpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednekElőpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednek

• Előpolimerizált fém-sók:Előpolimerizált fém-sók:

• pH változtató hatásuk kisebbpH változtató hatásuk kisebb

• P kicsapásban kevésé hatékonyakP kicsapásban kevésé hatékonyak

• Szervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobbSzervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobb

kombinációjukkal változtatható a kezelt szennyvíz C/P arányakombinációjukkal változtatható a kezelt szennyvíz C/P aránya

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1Koaguláns dózis [mmol/l]

KO

I Cr e

ltáv

olí

tási

hat

ásfo

k

Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,10-0,20Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,25-0,30Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,35-0,50Nyers szennyvíz oldott KOI / összes KOI = 0,55-0,75

• KOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függKOI eltávolítás az oldott/szilárd aránytól függ

• Elsősorban a nagyobb méretű szervesanyagok eltávolításaElsősorban a nagyobb méretű szervesanyagok eltávolítása

• Esetenként az oldott (<0,45 Esetenként az oldott (<0,45 m) 5-20 %-a is (nem m) 5-20 %-a is (nem szabályozható)szabályozható)

• Kis dózisKis dózis: nagyobb (>8 : nagyobb (>8 m) frakcióm) frakció

• Nagyobb dózis:Nagyobb dózis: finomabb frakció is (200 nm-nél nagyobb) finomabb frakció is (200 nm-nél nagyobb)

Frakcionált szervesanyag eltávolításFrakcionált szervesanyag eltávolítás

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Nyersszennyvíz

Ülepítettszennyvíz

0,18 mmol/lvas(III)-klorid




KO

I Cr

[mg

/l]

>0,45 um

0,45 - 8 um

<0,45 um

0

1

2

3

4

5

6

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Koaguláns dózis [mmol/L]

PO

4-P

[m

g/L

]

Alumínium-szulfátPoli-alumínium-klorid (Bopac)Vas(III)-szulfát (Prefloc)

6,0

6,5

7,0

7,5

8,0

8,5

9,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Koaguláns dózis [mmol/L]

Ko

ag

ulá

ció

utá

ni p

H é

rté

k Alumínium-szulfátBopac (poli-alumínium-klorid)Prefloc (vas(III)-szulfát)

pH 6.8

0

100

200

300

400

500

0 1 2 3 4 5Idő [nap]

BO

I [m

g/L

]

Nyers szennyvíz Ülepített szennyvíz0,05 mmol/L alumínium-szulfát 0,1 mmol/L alumínium-szulfát0,2 mmol/L alumínium-szulfát 0,6 mmol/L alumínium-szulfátMembránszűrt (0,45 um) szennyvíz

Egy évszázad tanulságai

• A klasszikus eljárások integrált alkalmazásával olcsóbb, helykímélőbb és megbízhatóbb szennyvízkezelés valósítható meg

• A fejlett modellezési háttér és műszeres analitikai fejlődés rendelkezésre áll, de ennek ellenére az egyes SZVT-k gondjainak megoldásához csaknem minden esetben labor- és/vagy helyi kísérleteket szükséges folytatni (finom hangolás)

• A fejlődés messze nem zárult le (újabb technológiák, és újabb problémák térnyerése zajlik)



Nem hagyományos

Nem hagyományos

Technológiák

Újonnan felfedezett reakciómechanizmusok

anaerob ammónium oxidáció - ANAMMOX

Anaerob kemolitoautotróf mikroorganizmusok

Új reaktor típusok és technológiák

Nanotechnológia- nanoszennyező anyagok

Design: K. Eric Drexler és Ralph MerkleDesign: K. Eric Drexler és Ralph Merkle19951995Komponensek száma: 7Komponensek száma: 7Atomok száma: 8,292Atomok száma: 8,292Szélesség: 5.8 nm Szélesség: 5.8 nm Magasság: 5.8 nmMagasság: 5.8 nmMélység: 5.8 nmMélység: 5.8 nm

Komponensek száma: 4 Komponensek száma: 4 (egyetlen kovalens szerkezetben)(egyetlen kovalens szerkezetben)Atomok száma: 3,846Atomok száma: 3,846Szélesség: 3.8 nm Szélesség: 3.8 nm Magasság: 3.8 nmMagasság: 3.8 nmHossz: 6.4 nm (tengelyek nélkül)Hossz: 6.4 nm (tengelyek nélkül)



Nem hagyományos

Nem hagyományos

Technológiák

Várható-e az új technológiák be- és/vagy áttörése a szennyvíz (és víz)

kezelésben?

2025: „All manufacturing industries can be totally restructured as we learn to build things from the

molecular level”

„Nanovilág”

Mit tudnak a nanoszerkezetek?

• Időmérés – időzíthetőség a nanoszerkezet képes érzékelni az időt vagy időzíthető reakciói vannak.

• Kommunikáció – adatok továbbítása vagy fogadása.• Komputáció – számítógépes rendszer részeként

működhet.• Energia – energia konverziós képesség, ill. energia

előállítása.• Motilitás – mozgásképesség különböző környezetekben.• Érzékelés – a nanoszerkezet képes a környezeti hatásokat

regisztrálni, és azokra válaszolni.• Mozgatás – a nanoszerkezet tárgyakat képes mozgatni.• Biztonság – a nanoszerkezetekkel kapcsolatos

megfontolás, különös tekintettel a replikációra, környezeti hatásokra és biológiai kockázatokra.

A nanoszerkezetek kutatásának céljai(CBEN/Rice University and US EPA)

Kárelhárítás/szervesanyag lebontás (TCE, PCB talaj- takavíz rendszerekben), nehézfémek szelektív eltávolítása

Szennyezőanyag eltávolítás nagyon alacsony koncentráció tartományokban

Alkalmazás szűrési és fertőtlenítési technológiákban

Biofilmek és biológiai hártyák kialakulásának megelőzése, és/vagy eltávolítása

Egyéb….

3. How Will Nanotechnology Change Water Technology?

But, remember, nanoparticles are already used for cosmetics! While we want to improve our technologies, do not we produce new EDSs? ”Every solution breeds new problems”

Health, safety and environmental impacts? Good sign: precaution already addressed by the scientific community

A breakthrough? The future likely will be based A breakthrough? The future likely will be based on "nanoreactor" solutions. on "nanoreactor" solutions.

IWA members play a leading role.IWA members play a leading role.

Intelligens anyagok és nanoszerkezetek?



Nem hagyományos

Nem hagyományos

Technológiák

IASON – INTELLIGENS ISZAPPELYHEK NANOTECHNOLÓGIAI KONSTRUKCIÓJA ÉS ALKALMAZÁSA A BIOLÓGIAI SZENNYVÍZTISZTÍTÁSBAN (3/081/2004 NKFP)

• Mi az amit ma még nem tudunk szabályozni az eleveniszapos szennyvíztisztításban?

Gél-mikrogömbök előállítása interpenetráló térhálóval (kiragadott

példa)

Ca

OOC

H O O

H

HH

HOOHO HH

HOOH

HH

O

-O

H-

COO

H

HH

OH

- O

H

-O

COOH

H

HOOH

Ca

OOC

H O O

H

HH

HOOHO HH

HOOH

HH

O

-O

H-

COO

H

HH

OH

- O

H

-O

COOH

H

HOOH

Ca

OOC

H O O

H

HH

HOOHO HH

HOOH

HH

O

-O

H-

COO

H

HH

OH

-OH

- O

H

-O

H

-O

COOH

H

HOOH

polimer

alginát váz

Interpenetráló térhálók

Pórusos szerkezetű gél-mikrogömbök interpenetráló

térhálókban

Az első lépés(ek) - immobilizáció

Immobilizáció egyszerű adszorpcióval

Ionos kötésekkel

Kovalens kötésekkel

Kereszt-kötéssel (cross-linking)

Mátrixba ágyazással (matrix entrapment)

Mikrokapszuláció

Kombinált módszerek

Heterotróf szennyvízbaktériumok (Dél-Pesti SZVT-ről)

PVA-PAs hidrogélen (400x)

PVA-PAA a betelpítés előtt és biomassza növekedés (1 hét alatt)

100 m

A

Egyes technológiai funkciókra szelektált bakteriális konzorciumok irányított

szaporítása a gélek felszínén és belsejében

Nitrifikáló baktériumok,100x

A nitrifikációs hatásfok kialakulása PVA-PAS géleken rögzített biomasszával

Continuous upflow reactor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20 Days

Nit

rifi

ca

tio

n e

ffic

ien

cy

(%

) PVA-PAA 1

PVA-PAA 2

PVA-PAA 3

Következtetések és kitekintés

• A hagyományos technológiák alkalmasak és egyre költséghatékonyabbak a hagyományos szennyezőanyagok kezelésére

• A szennyvíz összetétele gyorsabban változik, mint a telepek/technológiák „átfutási” ideje – ezért voltak és lehetnek meglepetés forgatókönyvek, későn felismert tanulságok

• A műszaki tudományok (pl. nano-, biotechnológia) nagyon gyors fejlődésben van:– Ezt ki kell és lehet használni a szennyvíztechnológiai

fejlesztésekben– Környezeti hatásait azonban nem, vagy alig ismerjük

Documents

Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban