Az eleveniszapos szennyvíztisztítás részműveletei, méretezésük és kiépítésük - 2. oldal

A összes szükséges eleveniszapos medencetérfogat meghatározása egyben a szükséges anaerob, anoxikus és oxikus reaktortérfogatok meghatározását is jelenti. Ezek megosztása a korábbi típusválasztásról készített anyagban fő vonalaiban, az ATV megfelelő tervezési javaslatában (ATV 131 A, 2000) részleteiben is megtalálható. A lakossági szennyvizeknél ez átlagosan 2 : 6 : 12 napos anaerob : anoxikus : oxikus iszapkor arányokat, illetőleg reaktortérfogat arányokat jelent, illetőleg az éppen említett hazai igénynél elvileg csak 6+12=18 naposat. A későbbi megfontolásoknál belátható, hogy elvileg még ennél kisebb iszapkor is elegendő lehet, hiszen a nitrát határérték hasonló szabályozása miatt esetleg denitrifikációra sincs szükség.

A medencék mélységét ugyanakkor a napjainkban legjobb oxigén-kihasználást biztosító finombuborékos levegőbevitel levegőellátására alkalmas fúvók korlátozott szállítómagassága határolja be. Ez általában 4,2 - 4,5 méter. A szükséges medencefelület ennek alapján a reaktorok térfogatából közvetlenül számítható.

Az anoxikus és anaerob medencéknél a mélységi korlátozás ugyan nem áll fenn, a telepeket azonban az egyszerűbb kiépítés miatt célszerű azonos mélységű medencékkel építeni. Ezekben a medencékben az iszapos víz folyamatos mozgásban tartása, keverése elengedhetetlen. A kitűzött cél egyébként többféle konfigurációban (reaktor-elrendezésben) kiépített rendszerrel is biztosítható.

A tervezést ismertető anyagok rendszerint nem tárgyalják részleteiben a levegőbevitelt biztosító levegősűrítő, szállító és elosztó rendszer tervezését sem. Erre azért nem kerül sor, mert rajtuk kívül más, mechanikus levegő diszpergálás elvén működő levegőztető rendszerek is alkalmasak arra, mint az ejektoros és mechanikus lapátkeverős levegőztetők. Mindegyik típus gyors és folyamatos fejlesztés alatt áll, ezért tervezésük egységesítése sem alakulhatott ki kellő mértékben, illetőleg az utóbbiak későbbi beépítésére is bármikor lehetőség adódhat.

A levegőigényt egyébként a biológiai átalakítások oxigénigényéből lehet kiszámítani. Ez részben a szerves anyag, részben az ammónium oxidációjának az oxigénszükséglete. Az utóbbi azonban a denitrifikációnál részben ismételten felhasználásra kerül a szerves anyag oxidációjára, ezért azt az összes oxigénigényénél korrekcióként figyelembe kell venni. A szerves anyag oxigénigénye az iszaphozam számítására használt képlethez hasonló formula alapján is számolható, de ekkor az ott bemutatotthoz hasonlóan a fajlagos oxigénigény iszapkor függését is figyelembe kell venni (2. táblázat).

1. 1.táblázat: A szerves anyag átalakításához szükséges oxigénigény (OC_BOI5, kg O₂/kg BOI₅) meghatározása az átlagos iszapkor és a vízhőmérséklet függvényében.

 (C_KOIbe/C_BOI5be<2,0 esetén)

A szerves anyag átalakításának a fajlagos oxigénigénye láthatóan 0,9 és 1,3 kg O₂/kg BOI₅ között változik. Ehhez adódik a csak nitrifikálandó, valamint a nitrifikálandó, majd denitrifikálandó nitrogénterhelésnek az oxigénigénye. A többletnitrogén eltávolításának az oxigénigénye (ON) a tisztítandó szennyvíz szerves anyag (BOI₅)és TKN koncentrációja, valamint a befogadóra előírt ammónium és összes nitrogén határértékek alapján számítható. Az utóbbiak számítása 4,6 és 1,8 kg O₂/kg TKN fajlagos értékekkel történhet. Közülük az első az ammónium nitráttá történő alakításának, a második az elemi nitrogénné alakításának a fajlagos oxigénigénye.

A számítást a következő egyszerűsített példa érzékelteti. A lakossági szennyvizek nitrát tartalma rendszerint elhanyagolható. A lakosonként feldolgozandó szerves anyag terhelésből (lásd korábban) mintegy 48 g/d fölösiszap keletkezik. Ennek a nitrogén tartalma átlagosan 5-6 %, bár ez is az iszapkor függvénye. Az iszapba így alig 2,5 g/fő d redukált formájú nitrogén kerül felvételre. Mivel a lakosság átlagos nitrogén kibocsátása naponta 12-14 g/fő, mintegy 10 g/fő d további kezelése szükséges. Napi 120 liter vízfogyasztást tekintve átlagosnak, ez a maradék (10 g/fő d / 0,12 m³/d = 83 mg/l ammónium maradékot jelent.

A számítást bonyolítja a régi-új hazai szabályozás, amely szerint maximálisan 10-30 mg/l maradhat a határérték miatt ammónium-nitrogén formában a tisztított elfolyó vízben, ami igen laza előírás, de a korábban már említettek miatt a kis telepeken a téli szennyvízhőmérsékletnél ettől függetlenül tarthatatlan. Komplikáltsága miatt ezért a kis telepek esetét nem is számolva egy olyan példát vizsgáljunk, amely az EU 271/1991 >10 ezer terheléstartományba tartozik. Ennél nincs ammónium határérték, de a TN 10-15 mg/l határértéke behatárolja, hogy jól kell nitrifikálni (<5 mg NH₄-N /l tartása célszerű), s emellett jó hatásfokú denitrifikálás is szükséges (5-10 mg NO₃-N/l maradhat az elfolyó vízben.

Az eleveniszapos szennyvíztisztítás persze úgy működik, hogy vagy megfelelő a nitrifikáció, s akkor 1-2, maximum 5 mg/l ammónium marad csak a tisztítás után a kommunális szennyvízben, vagy nem, amikor viszont a nitrifikáció akár teljesen leáll. A hazai 10-30 mg NH₄-N /l tartása a tisztításnál tehát nem egyszerű feladat. Mint látható a fenti számításból, a nitrifikáció leállása esetén ott 83 mg/l ammónium maradék jelentkezik. Ekkor persze nincs is mit denitrifikálni sem, miközben a határértékek többszörösének megfelelő ammónium koncentrációval kerül a szemre egyébként kristálytiszta elfolyó víz a befogadóba.

Az EU 271/1991-es előírás szerint ilyenkor (10 ezer LE feletti terhelésű telepeknél) a mintegy 83 mg/l ammónium-nitrogénból maximálisan csak 5 mg/l lesz az a nitrogén rész, amit nem kell nitrifikálni, hanem ammóniaként a befogadóba mehet. A befogadó összes nitrogén határértéke miatt ilyenkor 5-10 mg/l nitrogén rész kerülhet ki nitrátként ugyanoda. 68-73 mg/l eredeti TKN-t ugyanakkor nitrifikálni és denitrifikálni is kell. A fajlagos vízfelhasználással megszorozva ezeket az értékeket, megkapható, hogy a lakos egyenértéknyi TKN szennyezés iszapba nem kerülő részét milyen részarányban kell nitráttá, illetőleg nitrogénné alakítani a tisztításnál. 5 mg/l x 120 l/fő d = 0,6 g/fő d mennyiség ammóniaként távozhat (az érzékeny befogadóknál ennek csak a két ötöde), 5-10mg/l (x 120 l/fő d) = 0,6-1,2 g/fő d nitrátként kerülhet a befogadóba, 68-73 (x 120 l/fő d) = 8,16-8,76 g/fő d pedig denitrifikálandó. Ez a 10-100 ezer LE határértékeire számolva oxigénigényben 1,2 x 4,6 + 8,16 x 1,8 = 5,5 + 14,7 = 20,2 g O₂/fő d fajlagos oxigénigényt jelent egy lakos átlagos nitrogén-szennyezésének a feldolgozására.

Mivel a gyakorlatban inkább a 15 mg/l értékhez lesz közelebb a nitrát koncentráció, ugyanakkor 5 mg/ l alatti ammónium kibocsátás a jellemző, a számított értéknél nagyobb, inkább 25 g O₂/fő d az előbb számított fajlagos oxigén-felhasználás. Tovább növeli ezt, hogy az iszapban megkötött nitrogén fele az anaerob iszaprothasztásnál visszaoldódik, csaknem 20%-al megnövelve a rothasztóval üzemelő telepek belépő ammónium koncentrációját, s így a nitrogéneltávolításra fordítandó oxigénigényt, Ami így már átlagosan 30 g O₂/fő d körüli lesz. A fenti fajlagosoknak megfelelően ugyanakkor ennél is nagyobb mértékben növelheti az oxigénigényt a rossz denitrifikáció, amit pedig a régi-új rendelet nálunk megengedhet. Ez igen nagy oxigénpazarlást, többletlevegőztetést, energiapazarlást eredményezhet. Ennek ellentételeként jelentkezik az anoxikus medencék kisebb térfogatigénye, beruházási költség megtakarítása.

Megállapítható azonban a fenti megfontolások alapján, hogy a lakosonkénti átlagos összes oxigénigény a szennyvíztisztításnál a szerves anyag 60 g BOI₅/fő d x 1,25 g O₂/g BOI₅ = 75 g O₂/fő d, valamint a nitrogén eltávolításának az előbb számított 25-30 g O₂/fő d fajlagos értékeiből adódik össze. Ez összességében 100-105 g/fő d oxigénigény. Látható az is, hogy rendes nitrifikáció/denitrifikáció (befogadó védelem) esetén nem a nitrogéneltávolítás fajlagos oxigénigénye a nagyobb, az csak az összes oxigénigény mintegy 30 %-a. Ha azonban azt a szélsőséges esetet számítjuk, amikor egy hazai telepnek 10 mg/l ammónium határértékre kell tisztítania nitrát határérték nélkül, ezek a fajlagos értékek egészen másként alakulnak. Figyelembe kell azonban ilyenkor is venni, hogy a levegőztetett medencében a keletkező nitrátnak átlagban a negyede szimultán folyamatban (iszappelyhek belsejében fellépő oxigénhiány eredményeként) nitrogénné redukálódik. Ez persze csak megfelelő oxigénbevitel szabályozás, s nem a szükségtelen túllevegőztetés esetén jogos.

Ilyen számításnál a 83 mg/l ammóniumból 10 mg/l a tisztított vízben marad (10 mg/l x 120 l/fő d = 1,2 g/fő d), a nitrifikált 73 mg/l -ből pedig 18 denitrifikálódik, 55 mg/l pedig NO₃-N formájában, 243 mg/l nitrát koncentrációt eredményezve a befogadóba kerül. Ennek a változatnak a fajlagos oxigénigénye (55 x 120 i/fő d) x 4,6 + (18 x 120 l/fő d) x 1,8 = 30,36 + 3,9 = 34,3 2 g O₂/fő d fajlagos oxigénigényt jelent egy lakos átlagos nitrogén-szennyezésének a feldolgozására. Értelemszerűen ez is nő mintegy 20 %-al az iszaprothasztás miatt, amivel már 41 g O₂/fő d fajlagos oxigénigényt jelet. Ez a nitrogéneltávolítás oxigénigényében az ilyen üzemeltetés esetén 35 % körüli növekedést, de a teljes oxigénigényben csak 10 % körüli oxigénigény növekedést jelent.

A fajlagos oxigénigény fajlagos levegőigényre is átszámolható. A levegő bevitelére alkalmazott berendezések fajlagos hatékonyságának az ismeretében (1-2,5 kg O₂/kWh) azonban egyszerűbb közvetlenül villamos teljesítmény igényre, vagy a levegőztetés elektromos áram költségére átszámolni. Láthatóan azok százalékos növekedése a különböző technológia változatok esetén megegyezik az oxigénigény növekedésével.

További eszköz és költségigényt jelent a tisztításnál a levegőztető berendezések vezérlése, szabályozása is. A levegő-beviteli kapacitást általában jóval a napi átlag fölé, annak többszörösére kell tervezni (Kayser, 2002), hogy a csúcsterhelés időszakában is elegendő oxigénkoncentrációt legyen a levegőztetett medencékben a nitrifikáció biztosítására (1,5 mg/l < DO < 2,5 mg/l). A kisebb terhelésű időszakokban ugyanakkor a túllevegőztetés megakadályozására, azaz ugyanolyan oxigénkoncentráció tartására a levegőbevitelt vissza kell szabályozni a mindenkori igénynek megfelelően. Ehhez oxigénkoncentráció mérő műszerre, jelfeldolgozó egységre, PLC-re, számítógépre, a fúvó, vagy az egyéb levegő beviteli egységek megfelelő szabályozására van szükség. A korszerű telepeken a levegőztetés ilyen optimalizálása, költségcsökkentése ma már elengedhetetlen igény, ami nem csak költségmegtakarítás, de egyidejűleg beruházási és üzemeltetési költség is.

A denitrifikáció érdekében a levegőztető medencéből a nitrátot tartalmazó iszapos vizet általában a befolyó vízhozam többszörösének megfelelő áramban folyamatosan vissza kell vezetni az anoxikus medencetérbe (belső recirkuláció), annak a nitrát szükségletének a kielégítésére. Ez biztosítja értelemszerűen a megkívánt denitrifikációt. A recirkuláció nagysága (mértéke - R_b) ezért éppen a denitrifikációs hányadból (h_den = R_i + R_b / 1 + R_i + R_b) számítható, de itt is figyelembe kell venni, hogy a levegőztetett medencében a keletkező nitrátnak átlagban a negyede szimultán folyamatban nitrogénné redukálódik. Az iszaprecirkuláció hányad (R_i) általában egy körüli (100%), ugyanakkor az R_b értéke rendszerint ennek a többszöröse, ha van nitrát, vagy TN határérték. Mivel a régi-új követelmények esetén folyóvizeknél elvileg nincs, csak a hatósági módosítás (egyedi határérték) esetén jelent ennek a tervezése feladatot szennyvíztisztítóinknak. Ha a 9/2002 netán mégis életbe lépne a jövőben, a 10 ezer LE terhelés feletti telepeknél nagyobb, 3-4 körüli, az általános kategóriájú befogadókba vezetett kisebb telepeknél ugyanakkor lényegesen kisebb, 1-1,5 körüli R_b értéket kellene tartani.

A biológiai rész után mindig szükség van utóülepítőre a biológiai munkát végző iszap elválasztására, visszaforgatására, sokszori ciklikus munkára fogásására. Ennek a méretezése az előülepítőhöz hasonlóan a felületi folyadékterhelés alapján történik. Az ülepítő felületére számított folyadékterhelés célszerűen 0,4-0,6 m/h között javasolható. Szokásos azt a mértékadó átlagos folyadékterhelésre számolni, de a nagyobb telepek esetén a 24 órás átlagos vízhozam is használható. A vízmélység ezeknél is átlagosan 2-3 m között változhat. A medencefenékre ülepedő iszapot ennél is alkalmas kotrószerkezetnek kell az iszapzsompba összegyűjteni. A Dortmundi-típusú ülepítőknél a nagy fenékfal meredekség miatt az iszap magától lecsúszik a legmélyebb pontra, ahonnan a recirkuláltatás (R_i) a legcélszerűbb. Az iszapelvétel történhet gravitációsan és szivattyúzással is az iszap gyengébb sűrűsödési hajlamának megfelelően. Ez az iszap kerül visszavitelre (R_i) az eleveniszapos medencesorra, közelítőleg hasonló nagyságú folyadékárammal, mint amennyi a telepre érkező szennyvíz. A recirkuláltatott iszap mennyiségének szabályozása hazánkban nem gyakorlat.

Az utóülepítőben azon túl, hogy fő feladata a lebegő részek fizikai szeparációja, elválasztása, egyidejűleg biológiai folyamatok is folynak a mindenkori tápanyag-ellátottságnak megfelelően, illetőleg sebességgel. Zavaró lehet ott a denitrifikáció olyan sebessége, vagy mértéke, amely a keletkező nitrogén kiválása miatt az iszap flotációját, felúszását eredményezheti. Ez az iszap elválasztását zavarja, iszapkihordást okozhat az elfolyó vízzel, ami elsődlegesen a KOI, és foszfor koncentrációját növeli a tisztított vízben. Az utóülepítő felszínén kialakuló vastag iszapréteg ezen túl az iszapjának a hidrolízise miatt az elfolyó víz ammónium tartalmát is növelheti. Az utóülepítő fenekén kialakuló pangó iszapréteg is eredményezhet hasonló hatást, sőt a rendszerben kialakuló ciklikus foszfor leadást és felvételt is nagymértékben befolyásolhatja, tönkreteheti. A rothadó rétegben keletkező szulfid a nitrifikáló mikroorganizmusok tevékenységére is igen káros, mérgező, ezért azt amennyire csak lehet, meg kell akadályozni.