Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban

1. Trendek és innovatív módszerek a szennyvíztisztításban Fleit Ernő, Somlyódy László, Licskó István és Szabó Anita BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék http://www.vkkt.bme.hu

2. WASTEWATER 2003 5th International Conference & Exhibition Olomouc, 13-15 May Budapest University of Technology and Economics II. Szennyvízágazati konferencia - 2005 NAGY SZENNYVÍZTISZTÍTÓ TELEPEK: A MAGYAR CSODA … Somlyódy László Fleit Ernő Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, somlyody@vkkt.bme.hu,fleit@vkkt.bme.hu

3. SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MAGYARORSZÁGON: 2003

4. SZENNYVÍZTISZTÍTÁS MAGYARORSZÁGON: 2015

5. Az előadás célkitűzései • A hazai szennyvíz technológia kiemelt problémáinak bemutatása • Szennyvíz összetétel és mennyiség változásai • Meglévő telepek intenzifikálása • Felzárkózás az EU követelményekhez • A biológiai és kémiai kezelés fejlődése • Esettanulmányok és példák a hazai fejlesztési lehetőségekre • Áttörési lehetőségek és kihívások • Következtetések

6. Fejlődéstörténet • Könnyen bontható szervesanyagok eltávolítása • Eleveniszapos telep nitrifikációval • Eleveniszapos telep denitrifikációval • Eleveniszapos telep denitrifikációval, biológiai foszforeltávolítással • Integrált rendszerek (+ fixfilm, + MBR)

7. Könnyen bontható szervesanyagok eltávolítása Eleveniszapos medence Utóülepítő Nyers víz Tisztított víz Recirk. iszap Fölös iszap

8. Eleveniszapos telep elő-denitrifikációval és biológiai foszforeltávolítással Anaerob Anoxikus reaktorterek Utóülepítő Nyers víz Iszap recirkuláció Fölös iszap

9. 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 ?

10. Fenntartható a szokásos üzletmenet? – Nem feltétlenül… • Pénz és energiakorlátok • LCA (életciklus) elemzések következtetései • Szennyvíztelepek CO2 és NOX kibocsátásai • Versenyfutás az idővel (és a szennyvíz minőséggel + mennyiséggel) • Szemléletváltozás szükséges/várható?

11. Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

12. Kecskeméti szennyvíztisztító telep Névleges terhelés = 48 000 m3/d→jelenlegi terhelés ~ 20 000 m3/d; (ma: 180 ezer LEÉ) Az eredetileg nagyterhelésű telep jelenleg kisterhelésű (0,18 kgBOI5/kgTSS/d)

13. Hagyományos problémák hagyományos módon történő jó megoldása • Megoldandó problémák • csatornahálózat fejlesztés miatt növekedő hidraulikai és szervesanyag terhelés • szigorodó határértékek (P eltávolítás) • nitrifikáció javítása (téli időszak) • biogáz termelés fokozása • távlatosan a környezetterhelési díj minimalizálása

14. Melyek a problémák? • Határértékek: • KOI: 75 mg/L • BOI5: 25 mg/L • TN: 50 mg/L • TP: 10 mg/L (5 mg/L – 2010-től) • NH4-N: 10 mg/L • TSS: 50 mg/L

15. Eredmények (1) A kémiai kezeléssel a biológiai tisztítóegységek szervesanyag terhelése jelentősen csökkenthető Nyers szennyvíz KOI : 800-1400 mg/L (200-400 mg/L oldott) BOI: 400-800 mg/L

16. Eredmények (2) A jövőbeni összes-foszfor határérték betartása stabilan garantálható

17. Eredmények (3) A kémiai kezelés pozitív hatású az iszapvonalra is Nyersiszap termelés [m3/d]: +27% Nyersiszap termelés [kg/d]: +21% Biogáz termelés [m3/d]: +30% Összes energia fogyasztás [kW/d]: -10%

18. A kémiai kezelés járulékos hatása: javulóiszapszerkezet 05.16. 06.06.

20. A kémiai előkezelés eredményei • Majdnem mindegy mit adagolunk (a FeCl2 és a FeSO4 hasonlóan viselkedik) • Stabilan alacsony P szint tartható (bírság elkerülhető, környezetterhelési díj minimalizálható) • A képződő nyersiszap mennyisége 20%-kal megnő • Jelentős megtakarítások érhetők el (ténylegesen fizetendő bírság/ktd)

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

22. A P eltávolítási célú kémiai kezelés erőteljesen befolyásolja a telep N forgalmát is (nitrifikáció és denitrifikáció)

23. A telep N forgalmát tekintve a kecskeméti példa sem általánosítható: Döntő fontosságú a nyers szennyvízzel érkező szervesanyag terhelés jellemzése (KOI frakcionálás) Van-e (elődenitrifikáció) marad-e (utódenitrifikáció) elegendő C forrás?

24. A kémiai előkezelés során a KOI eltávolítás hatásfoka a KOI frakciók (oldott/szilárd) arányától függ

25. Frakcionált szervesanyag eltávolítás • Elsősorban a nagyobb méretű szervesanyagok eltávolítása lehetséges • Esetenként eltávolítható az oldott frakció (<0,45 m) 5-20 %-a is (nem, vagy nehezen szabályozható) • Kis dózis: csak a nagyobb (>8 m) frakció eltávolítása lehetséges • Nagyobb dózis: a finomabb KOI frakció is (200 nm-nél nagyobb) eltávolítható

26. A könnyen bontható (oldott) KOI frakciók jelentős része eltávolítható megfelelő dózisú kémiai kezeléssel

27. A kémiai kezeléssel kapcsolatos további eredmények (NKFP 2002 projekt) • A kémiai előkezeléssel az adott szennyvízben elérhető maximális szervesanyag eltávolítási hatásfok a nyers szennyvízben jelenlevő szervesanyag oldott/szilárd arányától függ • A kezelést követően megmaradó szervesanyagok részecskeméret eloszlása (szilárd szabályozható, oldott nem) a koaguláns dózistól függ • Az előpolimerizált és háromértékű fém-sók eltérően viselkednek • Előpolimerizált fém-sók: • Hatásuk a pH változásra kisebb • P kicsapásban kevésbé hatékonyak • Szervesanyag eltávolítási hatékonyságuk hasonló v. kissé jobb • Kombinált alkalmazásukkal változtatható a kezelt szennyvíz C/P aránya

28. Egy évszázad tanulságai • A klasszikus biológiai és kémiai eljárások integrált alkalmazásával olcsóbb, helykímélőbb és megbízhatóbb szennyvízkezelés valósítható meg • A fejlett modellezési (ASM modellcsalád) és műszeres analitikai háttér rendelkezésre áll, ennek ellenére az egyes SZVT-k gondjainak megoldásához eseti labor- és/vagy helyi kísérleteket szükséges folytatni (finom hangolás) • A fejlődés nem zárult le • újabb technológiák térnyerése • újabb problémák megjelenése

29. Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

30. Újonnan felfedezett reakciómechanizmusok anaerob ammónium oxidáció - ANAMMOX Anaerob kemolitoautotróf mikroorganizmusok NH4+ + 1.32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0,13 H+ = 1,02 N2 + 0,26 NO3- + 0,066 CH2O0,5N0,15 + 2,03 H2O

31. Új szennyezőanyagok • Ide Siegrist classification scheme • Tokio-i EDS eredmények

32. Nem hagyományos szennyezőanyagok – lehetséges hagyományos technológiai válasz? • Bizonyos szennyezőkre igen • Bizonyos szennyezőkre igen, de feltétlenül gazdaságtalan • Bizonyos szennyezőkre egyáltalán NEM

33. Nanotechnológia- nanoszennyező anyagok Design: K. Eric Drexler és Ralph Merkle1995Komponensek száma: 7Atomok száma: 8,292Szélesség: 5.8 nm Magasság: 5.8 nmMélység: 5.8 nm

34. Várható-e az új technológiák betörése a szennyvíz (és víz) kezelésben? „Nanovilág” 2025: „All manufacturing industries can be totally restructured as we learn to build things from the molecular level”

35. Melyek lehetnek a nanorészecskék szennyvíz technológia szempontjából releváns tulajdonságai? Komponensek száma: 4 (egyetlen kovalens szerkezetben)Atomok száma: 3,846Szélesség: 3.8 nm Magasság: 3.8 nmHossz: 6.4 nm (tengelyek nélkül)  Megnövelt relatív felület Megnövelt kvantum hatások Változtatható viselkedés (optikai, elektromos, mechanikai, mágneses) Változó és szabályozható reaktivitás (pl. szorpció) Nanoszerkezetű katalizátorok, szorbensek és reaktív membránok

36. A nanoszerkezetek kutatásának céljai(CBEN/Rice University és US EPA) Kárelhárítás/szervesanyag lebontás (TCE, PCB talaj- talajvíz rendszerekben), nehézfémek szelektív eltávolításaSzennyezőanyag eltávolítás nagyon alacsony koncentráció tartományokbanAlkalmazás szűrési és fertőtlenítési technológiákbanBiofilmek és biológiai hártyák kialakulásának megelőzése és/vagy eltávolításaEgyéb…

37. Intelligens anyagok és nanoszerkezetek? Intelligens gélek működése

38. 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? I – Intelligent A – Artificial S – Sludge O – Operated by N –Nanotechnology

39. Hogyan oldunk meg technológiai problémákat? A technológiai válasz A késztetés: szennyvíz összetétel, mennyiség, határértékek H = hagyományos, HNH = hagyományosan nem hagyományos, NH = nem hagyományos

40. Az első lépés(ek) – immobilizáció – tervezett iszappelyhek Immobilizáció egyszerű adszorpcióval Ionos kötésekkel Kovalens kötésekkel Kereszt-kötéssel Mátrixba ágyazással Mikrokapszuláció Kombinált módszerek Heterotróf szennyvízbaktériumok (Dél-Pesti SZVT-ről) PVA-PAs hidrogélen (400x)

41. PVA-PAA a betelepítés előtt és biomassza növekedés (1 hét alatt)

42. Technológiai funkciókra szelektált bakteriumok irányított szaporítása a hidrogéleken Nitrifikáló baktériumok, 100x FCsM Rt. Dél-Pesti SZVT

43. A nitrifikáció hatásfokának alakulása PVA-PAA géleken rögzített biomasszával (különböző beépített porozitás modulánsok - keményítő - alkalmazásával) nap

44. IASON- Távlati nanotechnológiai tervezési célok • Mikroszkópos méretű reaktorok létrehozása (szabályozott gradiensek) Szubsztrát Oxigén Aerob réteg Anaerob/anoxikus réteg Végtermék Szilárd hordozóanyag (hidrogél)

45. Nem hagyományos szennyezőanyagok irányított lebontása

46. 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/élettartama – ezért voltak és lehetnek meglepetés forgatókönyvek, későn felismert tanulságok • A műszaki tudományok (pl. nano-, biotechnológia) gyors fejlődésben vannak: • Ezt ki kell és lehet használni a szennyvíztechnológiai fejlesztésekben • Környezeti hatásait azonban nem, vagy alig ismerjük

47. Következtetések és kitekintés • Valószínű, hogy egyes szennyezőanyagok esetén szükséges lesz további NH megoldások keresése is (pl. szennyvíz összetétel tervezés és szabályozás) • Ez azonban elsősorban nem technológiai, hanem oktatási, kulturális és nem utoljára hatósági/jogi kérdés