Eleveniszapos szennyvíztisztítási technológiák és szabályozás igényük fejlődése - 2. oldal

Nitrifikáció

A nitrifikáció két lépcsőben történik. Előbb az ammóniumból nitritt, majd abból nitrát keletkezik. Az egyes oxidációs lépéseket különböző mikroorganizmus fajok biztosítják. Az első lépcsőben a Nitrosomonas fajok minden mól ammónium oxidációjakor 2 mól savat termelnek. A fajlagos oxigénigény ennél a lépcsőnél 48/14 mg O₂ / mg NH₄-N. A második lépcsőben a Nitrobacter fajok fajlagosan sokkal kevesebb oxigént ( 16/14 mg O₂  / mg NH₄-N) használnak fel az oxidációhoz, miközben már nem keletkezik további savmennyiség sem.

Az autotrófok igen érzékenyek a hőmérsékletre és az oxigénellátottságra. Ezen túl adott koncentrációik felett a pH függvényében szabad ammóniaként jelenlevő alapanyag és a salétromossavként jelenlevő közti termék is leállíthatja szaporodásukat. Közülük is a nitrit oxidációját biztosító Nitrobacter fajok érzékenyebbek az inhibítorok jelenlétére, ami ugyanakkor az oxidáció ilyen stádiumnál történő leállítását lehetségessé teszi.  Speciális szennyvizek esetében éppen ez napjainkban a technológiai fejlesztés, szabályozás egyik fő iránya. A klasszikus megoldásoknál azonban ezeknek a komponenseknek a mérgező hatását minimalizálni kell, ezért a rendszerben a kémhatást közel semleges értéken kell tartani.

Denitrifikáció

A nitrát oxigénmentes környezetben nitrogénné történő redukálására (denitrifikáció) a szerves szén oxidációját is végző heterotróf mikroorganizmusok nagyobb része képes. Ennél a folyamatnál a korábban nitrogén oxidációra elhasznált oxigén egy részének (5/8 részének) újrafelhasználására kerül sor. A redukció során a nitrifikációnál keletkezett sav fele is felhasználásra kerül, így a nitrifikáló / denitrifikáló rendszer savasodása kisebb mértékű, mint a csak nitrifikációt végzőé. Teljes denitrifikáció esetén éppen a fele.

A kommunális szennyvizek puffer kapacitása eredetüktől függően valamelyest eltérő, de átlagosan 5 mekv/l körüli. Amíg a szennyvíz ammónium koncentrációja nem haladja meg ezt az értéket, a nitrifikáció / denitrifikáció nem igényel pH szabályozást. Ezt meghaladó értékeknél azonban a rendszer lesavanyodása a nitrifikációt akár teljesen leállíthatja.

Mint látható, a denitrifikáció során az oxigén újrahasznosításához a heterotróf mikroorganizmusok szerves tápanyagot (szénforrás) is igényelnek. Ennek mennyisége a redukció és a heterotrófok szaporodásának sztöchiometriájából számíthatóan minimálisan mintegy 4,3 – 5 mg KOI / mg  NO₃-N. A denitrifikáció megfelelő sebességgel történő végbemeneteléhez azonban, mint már utaltunk rá, könnyen bontható tápanyag kell. Ezért a denitrifikáló reaktornak meg kell előznie a nitrifikáló egységet. Ellenkező esetben a nitrifikációval egy időben a könnyen bontható szerves tápanyag gyakorlatilag teljesen elfogy szerves tápanyag az oxigénnel történő átalakításánál, a ezért a denitrifikációhoz aránytalanul nagy anoxikus reaktortérfogat szükséges, netán a teljes nitrát redukció azzal együtt sem biztosítható (Henze M, 1991). 

Más megoldás lehet a ma már klasszikusnak tekinthető három reaktorszakaszból (anaerob – anoxikus – aerob ) kiépülő teljes BOI és tápanyag eltávolító rendszerek  negyedik egységgel történő kiegészítése (Kárpáti Á., 1998b). Ilyenkor az egyébként az elkülönítésre kerülő primer iszap (a szennyvíz lebegő anyagainak nagyobb része) előzetes anaerob hidrolízisével, savanyításával előállítható kis molekulatömegű illó savak biztosítják a tápanyagok arányának (acetát : NH₄ – N : P ) kedvezőbbé tételét. A savtermelés miatt ilyen megoldásnál a tisztításra kerülő folyadékhoz eleve valamennyi semlegesítő szert kell adni, amelynél azután biztosítható, hogy maga a nitrifikáció / denitrifikáció ne igényeljen további pH szabályozást.

Más a helyzet azokban az esetekben, amikor kis szerves anyag, ugyanakkor nagy ammónium tartalmú szennyvizek nitrogén szennyezettségének a megszüntetése a feladat. Ilyenkor a nitrogéneltávolítás során a víz puffer kapacitásánál jóval nagyobb mennyiségben keletkezhet sav. Ezt semlegesíteni kell, egyébként a nitrifikáció igen hamar leáll. A rendszer lemérgezése a savasabb kémhatásnál a keletkező nitrittel egyensúlyban levő salétromossav toxikus hatásának következménye. Az ilyen szennyvizek tisztításánál a pH szabályozása elengedhetetlen. Más kérdés, hogy az ilyen szennyvizeknél (KOI/TKN arány < 4) a denitrifikációhoz már nem áll rendelkezésre megfelelő mennyiségű szerves tápanyag (szerves szén), ami annak lelassulását, elégtelenségét eredményezi (Abeling U. és Seyfried C. F., 1992; Balmelle B. et al., 1992). A denitrifikációnál korábban ilyen esetekben is a külső tápanyag adagolása volt az elsődleges megoldás Kárpáti Á., 1998b).

Az iszapelhelyezés korlátjai

A fenti technológiai fejlesztésekkel egyidejűleg nyilvánvalóvá vált azonban, hogy a modern mezőgazdasági termelés nem teszi lehetővé a nagy mennyiségben keletkező szennyvíziszap hatékony visszaforgatását a termőtalajokra. Egyrészt azok elszennyeződésének veszélye, másrészt a műtrágyák kedvezőbb ára és kihelyezési lehetősége volt az iszaphasznosítás visszaszorításának az oka. A tisztítás során ezért az iszaptól a fejlettebb országokban mindenütt meg akarnak szabadulni. Ennek lehetséges megoldása az iszap, vagy akár az eredeti szerves széntartalom metánná történő átalakítása. A kommunális, valamint a hígabb ipari szennyvizek esetében ugyan ez a megoldás ma még igen gazdaságtalannak tűnik, a koncentráltabb elfolyó vizek, különösen élelmiszeripari szennyvizek esetében járható út. A kommunális szennyvizek fölösiszapja koncentrált szerves szennyezőanyag tartalmának az anaerob feldolgozása, rothasztása egyébként évtizedek óta bevált gyakorlat.

Energia- és költségkímélés metanizációval

A metanizáció során a hulladékok szerves széntartalma a mikroorganizmusok tevékenységének eredményeként maximális (+4) és minimális (-4) oxidációszámú szénvegyületek elegzévé alakul. Ezek a CO₂ és a CH₄. Az átalakításhoz minimális energia szükséges, azonban az csak a mezofil hőmérséklet tartományban (30-35 Celsius fok) játszódik le a gyakorlati hasznosítás szempontjából elfogadható sebességgel (Abeling U. és Seyfried C. F., 1992). A keletkező gáz energiatartalmának kihasználása a hulladék biomassza energia-tartalmának újrahasznosítását jelenti.

A szerves anyagok szén mellett jelenlevő foszfát tartalma a metanizáció során változatlan (orto-foszfát), nitrogén és kéntartalma redukált formában (NH₄⁺ és S^2-) a vizes fázisban marad. A szulfid vonatkozásában a kicsapatás azért is gyakorlat, mert az oldott szulfid, pontosabban a szabad kénhidrogén toxikus a metanizációt végző mikroorganizmusokra. Az eredeti nitrogén tartalon ugyanakkor ammóniumként, oldott, disszociált formában lesz jelen a vízben, így az ammónia toxicitása a gyakorlatban nem érvényesül. A foszfát nem okoz semmilyen káros hatást az átalakítás folyamatában sem oldott, sem lebegő állapotú csapadék formájában.

Az ammónium ennek megfelelően teljes mennyiségében, a foszfát pedig a kicsapatásától függő mértékben az anaerob tisztítás elfolyó vízében jelentkezik. Ugyanide kerül még egy viszonylag kisebb oldott szerves anyag hányad is. Az utóbbi egyébként az aerob tisztítást végző mikroorganizmusoknak jól hasznosítható, azokkal könnyen eltávolítható szennyezettséget jelent. Az anaerob tisztítók elfolyó vizeiben azonban az említettek miatt a kommunális szennyvizekéhez képest lényegesen kisebb a szerves C : NH₄-N arány. Ilyenkor hasonló problémát jelent azok nitrogén tartalmának teljes eltávolítása, mint azt a speciális ipari szennyvizek esetében tapasztalhattuk. Segédtápanyag hozzáadása nélkül gyakorlatilag alig megoldható.