Vízellátás

A biológiai szennyvíztisztítás

2011/5. lapszám | VGF&HKL online |  17 614 |

Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A víz a létfontosságú természeti javak egyike, ezért ősidők óta fontos szerepe volt és van a földi élet, a termelés, a társadalmi-gazdasági fejlődés alakulásában. Szinte minden emberi tevékenység kapcsolatban áll a vízzel. Egyrészt jelentős az emberi társadalom vízigénye, másrészt vannak a víznek emberi szempontból kellemetlen hatásai, melyek kiküszöbölésére törekszünk.

A történelmi kutatások szerint időszámításunk előtt évszázadokkal, sőt egy-két évezreddel is létesítettek már csatornahálózatokat a nagyobb települések szennyvizeinek összegyűjtésére és elvezetésére. Ekkor azonban még csak a szennyvizek elvezetésére volt szükség, tisztítására nem, mert a nagy települések egymástól távol voltak, így közöttük bőven volt lakatlan terület, ahol a szennyvíz természetes tisztulással (Felföldy, 1981) a mechanikai, kémiai és biológiai folyamatokban megtisztulhatott. Amilyen mértékben az emberiség létszáma növekedett, a települések sűrűsödtek és lakosságuk állandóan nőtt, ugyanolyan mértékben kerültek mindjobban előtérbe a szennyvizek problémái (Benedek & Valló, 1976). Minél többen vagyunk és minél nagyobb a technikai haladás, annál nagyobb mértékű az ember beavatkozása a természeti környezetébe, amely most már alap-jaiban rendíti meg a természet tisztulási folyamatait. Ma már a legtöbb országban a szennyvíztisztítás és az ezzel szoros kapcsolatban lévő ivóvízellátás jelenti a legnagyobb és legidőszerűbb gondot és kihívást. Nem képezheti vita tárgyát, és egyet kell értenünk abban, hogy ezek a gondok mind nagyobb területekre terjednek ki, és hogy a jövőben a korszerű szennyvíztisztítás az ember igen fontos ipari, környezetvédelmi tevékenysége lesz (Lakatos & Czudar, 2008).

Vízszennyezés

A vízszennyezés túlnyomórészt nem természeti, hanem emberi hatás, így a szennyezés megelőzése, illetve mértékének szabályozása is az emberek kezében van. Vízszennyezésnek nevezünk minden olyan külső hatást, mely a vízterek minőségét úgy változtatja meg, hogy a víz alkalmassága a benne zajló természetes folyamatok biztosítására és az emberi használatra csökken vagy megszűnik (Klein, 1962; Felföldy, 1974). Ha szervesanyag-tartalmú szennyvizet folyóba vezetünk, akkor a szerves anyag lebomlása miatt a folyóvíz oldott oxigéntartalma csökken. A csökkent oxigénviszonyok miatt csak azok a szervezetek maradnak meg, melyek képesek az oxigént a felszínről felvenni, vagy eltűrik az alacsony oxigéntartalmat is. Az igényesebb halak elmenekülnek, csak a kevésbé igényes, toleráns halak képesek a szennyvízbevezetés alatt élni. Amikor a baktériumok a bevezetett szerves szennyező anyagot lebontották, az ásványi, növényi tápanyagok biztosítják az algák elszaporodását, növekszik a fotoszintetikus úton termelt oxigéntartalom, és elkezdődik az eredeti, szennyvízbevezetés előtti természetes állapot visszarendeződése.

A szennyvízkezelés általános áttekintése

A szennyvízkezelési eljárások csoportosítása történhet az oxigénellátás, a költségek, a felhasznált anyagok stb. szerint.
Azokat a szennyvíztisztítási módszereket, eljárásokat, melyek

• környezetbarát technológiát alkalmaznak,
• alacsony építési és működési költséggel jellemezhetők,
• energiaigényük minimális,
• működtetésük nem igényel szak- képzett, nagy létszámú személyzetet,
• más célokra – pl. mezőgazdaság – al- kalmatlan területeken is kialakíthatók és
• esztétikusak, tájba illők, természetes eljárásoknak nevezzük.

Ezzel szemben a műtárgyas (mesterséges) szennyvíztisztító rendszerekre jellemző, hogy

• nem feltétlenül alkalmaznak környezetbarát technológiát (pl. Fe₃⁺ vagy Al₃⁺ vegyületek segítségével történő harmadlagos tisztítás,
• műtárgyépítési és működtetési költségük, valamint energiaigényük viszonylag magas,
• működtetésük nagyszámú személyzetet igényel és
• általában nem esztétikusak, gyakran rontják a táj képét.

Attól függetlenül, hogy természetes (természetközeli) vagy műtárgyas (hagyományos) szennyvíztisztításról van-e szó, alapvető fontosságú az ülepíthető anyag első fázisban történő eltávolítása. Az előülepítés révén elkerülhető, hogy a nagyobb szemcseméretű szennyezők a szűrőközegben eltömődést okozzanak, így rontva a tisztítás hatásfokát. Azokban a rendszerekben pedig, ahol telepített növényfajok is közreműködnek a víz megtisztításában, problémát jelenthet, hogy e növényfajok közül csak nagyon kevés tolerálja a nagy szemcseméretű lebegőanyaggal terhelt szennyvizet (Öllős, 1992). Az előülepítésben eltávolításra szánt anyagok viselkedésük szerint két csoportra oszthatók: különálló szemcsékből felépülő (pl. homok) és könnyen pelyhesedő lebegőanyagokra.

A szennyvíztisztítás fokozatait a szennyező anyagot befogadó (eltávolító) viszonyai és a szennyvíz mennyisége, gazdasági szempontok, valamint tisztítási határértékek határozzák meg. A városi (kommunális) szennyvizek esetében a tisztítás során három szakaszt különítenek el, amelynek technológiai kivitelezése során számos eljárás lehetséges (Öllős, 1992), elsődleges vagy mechanikai tisztítást, másodlagos – ezt a szakaszt szokás biológiai tisztításnak is nevezni – és harmadlagos tisztítást, mely biológiai és kémiai módszerekkel történhet.

A szennyvíztisztítás

Természetes szennyvíztisztítási eljárások – történeti áttekintés

A természetes szennyvíztisztítási módszerek a legősibb kezelési technikák közé tartoznak. A településeken keletkező szennyvíz földalatti medencében történő tárolása vagy elöntözése jól ismert és gyakran alkalmazott eljárás volt már a XIX. században. A szennyvíz szerves anyagainak lebontása a talajban vagy a befogadó vízfolyásban, illetve állóvízben történt meg, a vízi ökoszisztémák természetes tisztuló képessége révén. A huszadik században a természetes tisztítórendszereket háttérbe szorították a műtárgyas biológiai oxidációs szennyvíztisztítási eljárások. Ezek a módszerek ugyan mind beruházási, mind működési költség tekintetében drágábbak voltak a természetes alapú módszereknél, de a tisztítási folyamat intenzívebb és jobban kontrollálható volt. A természetes szennyvíztisztító rendszerek ismételt elterjedése az 1970-es évek közepétől kezdődött meg (Lakatos, 1998). A meglévő tisztítótelepek működési tapasztalatainak elemzése révén egyes teleptípusok esetében (pl. gyökérzónás eljárás, wetland-ek) tervezési és működtetési irányelvek kidolgozására is sor került.

Műtárgyas szennyvíztisztítás

Mechanikai szennyvíztisztítás

Az elsődleges tisztítás célja a durva szenynyezők eltávolítása, illetve a lebegőanyagok kivonása. Ezt a tisztítási eljárást mechanikai tisztításnak is nevezik, célja a szennyvíz biológiai tisztításra történő előkészítése. Önállóan csak ritkán felel meg az innen kikerülő tisztított szennyvíz a befogadó által támasztott minőségi elvárásoknak, ezért legtöbb esetben másodlagos tisztítási fokozatra is szükség van, melynek célja a nem ülepíthető kolloidális anyagok és szerves anyagok eltávolítása.

1. ábra: A biológiai tisztítás feladata a szennyvízben – mechanikai tisztítás után – megmaradó lebegő szerves részecskéknek, valamint az oldott és kolloidális szerves szennyeződéseknek biokémiai folyamatok segítségével történő lebontása.

A szennyvizek mechanikai tisztítása a viszonylag egyszerű és régóta alkalmazott eljárások közé tartozik. A mechanikai tisztítóberendezések a következő műtárgyakat foglalják magukban:

• kő- és kavicsfogók, szennyvízrácsok, szűrők és aprítószűrők, amelyek a nagyméretű úszó és lebegő szilárd anyagokat távolítják el szűrőhatás és aprítás révén;
• homokfogók, melyekben a nagyrészt kisméretű ásványi anyagok gravitációs, esetleg centrifugális elven történő eltávolítását valósítják meg;
• ülepítők, melyek a nagyrészt kisméretű úszó- és lebegőanyagok gravitációs, esetleg centrifugális erő segítségével történő eliminálását teszik lehetővé;
• hidrociklonok, amelyek a nagyrészt kisméretű úszó és lebegő szilárd anyagokat centrifugális, illetve kisebb mértékben gravitációs erő hatására távolítják el, és
• úsztató berendezések, flotációs medencék, sűrítő- és oldómedencék, amelyek a kisméretű úszó és folyékony, esetleg szilárd anyagok eltávolítását általában gravitációs erő hatására vagy flotációval, illetve sűrítéssel oldják meg.

A szennyvizek mechanikai tisztítása a viszonylag egyszerű és régóta alkalmazott eljárások közé tartozik. Ennek célja a nagyméretű, durva, úszó és lebegő szennyezők, a szennyvízben levő ásványi és szerves lebegőanyagok, valamint a folyékony és szilárd úszóanyagok eltávolítása. A mechanikailag eltávolítható szennyezőanyag után a még magas lebegőanyag- és szerves-tartalmú szennyvizet biológiai folyamatok révén tisztítják tovább.

A biológiai szennyvíztisztítás

A biológiai tisztítás feladata a szennyvízben – mechanikai tisztítás után – megmaradó lebegő szerves részecskéknek, valamint az oldott és kolloidális szerves szennyeződéseknek biokémiai folyamatok segítségével történő lebontása. A folyamat történhet természetes és mesterséges körülmények között. A technológiai elemek és berendezések feladata, hogy optimális körülményeket teremtsenek a lebontást végző mikroorganizmusok számára. A biológiai szennyvíztisztítás lényegében az élővizekben, illetve a talajban lejátszódó természetes folyamatokon alapszik. Természetes vízi ökoszisztémákban a szennyező anyagok mikrobiális átalakítása és mineralizációja azokat ismét hozzáférhetővé teszi az azokat felhasználó élővilág számára. A korszerűnek számító biológiai szennyvízkezelési eljárások napjainkban is ezeknek a komplex mikroba-közösségeknek az összehangolt tevékenységén alapulnak. Hatékony szennyvíztisztító rendszert létrehozni még ma is a természetben fellelhető folyamatok kihasználását, azok megfelelő tér- és időbeni összehangolását jelenti. Attól függően, hogy a mikroorganizmu- sok működésükhöz oxigént igényelnek-e, beszélhetünk aerob és anaerob mikroorganizmusokról, illetve tisztításról. Az aerob és anaerob szennyvíztisztítás során a mikroszervezetek a szennyvízben található szerves anyagokat használják fel energiatermelésre, lebontási termékeik pedig kis molekulájú stabil vegyületek, mint például szén- dioxid, metán, kén-hidrogén, ammónia. A szerves anyagnak a baktériumsejtekbe beépült része a sejtek ülepedésével, illetve ülepítéssel eltávolíthatók a rendszerből, mielőtt a megtisztított szennyvíz a befogadóba kerülne. Az energiatermelés során a szerves anyag többi részéből képződő stabil végtermék egy része (például N₂) gáz formájában távozik a rendszerből. Az aerob folyamatok biztosításához állandó oxigénellátásra van szükség, amelyet mesterséges levegőbejuttatással, levegőztetéssel biztosítanak a tisztítóberendezésben.

2. ábra: A növényfajok közül csak nagyon kevés tolerálja a nagy szemcseméretű lebegőanyaggal terhelt szennyvizet.

Műszaki megoldás szerint megkülönböztethetők:

• fixfilmes (aerob és anaerob),
• eleveniszapos,
• csepegtetőtestes rendszerek.

A biológiai csepegtetőtesteknél a lebontást a biológiai hártya (film) végzi. A lebontás során anyagtranszport folyamatok juttatják el a tápanyagot és az O₂-t a helyhez kötött mikroorganizmusokhoz, valamint eltávolítják a biofilmekből a lebontás termékeit. A film aerob és kis részben anaerob mikroorganizmusokat tartalmaz, az életközösségek típusai a csepegtetőtest kialakítása és tápanyag függvényében változnak. A szennyvíztisztítás műszaki megoldásai között jelenleg a legelterjedtebben alkalmazott műszaki megoldás az ún. eleveniszapos biológiai tisztítási eljárás (Lakatos & Czudar, 2008). A technológiai folyamat során a tulajdonképpeni biológiai fokozatot a levegőztetés és a kapcsolódó fázisszét- választás (ülepítés) alkotja, melynek technológiai szempontból szükséges és elmaradhatatlan része (néhány egyszerűbb megoldás kivételével) a recirkuláció. A levegőztető medencében mennek végbe azok a biokémiai folyamatok, melyek során a mechanikai tisztítás után még megmaradt alakos, kolloid és oldott szerves szennyező anyagot a mikroorganizmusok változó körülmények között lebontják. A szennyező anyagok (a baktériumpopuláció szempontjából táplálékok) lebontásához a mikroorganizmusoknak oxigénre van szükségük, melynek oldott folyadékfázisába történő bejuttatására ún. levegőztető berendezések szolgálnak. Ezek feladata, hogy a megfelelően kialakított medencében (reaktorban) a baktériumok oxigénszükségletének folyamatos kielégítése mellett a sejttömeg kiülepedés-mentes, egyenletes eloszlással történő lebegésben tartása megtörténjen, annak érdekében, hogy azok a szerves anyaghoz hozzáférhessenek, és a folyamat végtermékei is egyenletesen oszoljanak el.

Az SBR technológia

Az SBR (Sequencing Batch Reactor) jellegű szennyvíztisztítási technológiát a lényegében egy medencében, azaz egy reaktortérben lejátszódó, időben szétválasztott és ciklikusan ismétlődő szennyvíztisztítási fázisok, folyamatok jellemzik. A rendszerbe a bemenet – azaz a kezelendő szennyvíz bevezetése – közel folyamatos jellegű, míg a kimenet – azaz a tisztított szennyvíz kivezetése – szakaszos. A nyers szennyvíz – egy egyszerűsített mechanikai előkezelés (finomrács és rendszerint egy homokfogó) után – egy adott hosszúságú tartózkodási időt biztosító kiegyenlítő medencét követően kerül az SBR medencébe (reaktorba) beemelésre. Itt a tisztítási folyamatok időben rendre általában anaerob, aerob, anoxikus, aerob jellegűek. Ezt követi – az SBR medence összes gépészeti berendezésének átmeneti leállításával – az ülepítési fázis, majd a medence tetejéről a tisztított szennyvíz elvezetése, dekantálása. A medence aljára leülepedett eleveniszapból búvárszivattyúval lehetséges – amennyiben a rendszer eleveniszap-szintje megkívánja – a fölösiszap-elvétel. A fölösiszap elvétele a dekantálási fázis alatt, rendszerint annak végén zajlik le. A SBR típusú szennyvíztisztító telepek üzeme teljesen automatikus.

A harmadlagos tisztítás

A biológiai egység technológiai fejlődése a mikroszennyezők eltávolítását célozza meg. A környezetvédelem, az élővizek védelme fontos szempontként tűzte ki a nitrogén- és foszforformák csökkentését. A hagyományos rendszerek mellett megjelent az igény ezen szennyezőanyagok csökkentésére. Számos kémiai, fizikai-kémiai, biokémiai megoldási lehetőség merült fel. Mindezen megoldások alapkutatások, fél-üzemi és üzemi kísérletek alapján a biotechnológia igénybevételével alakultak ki. A harmadlagos tisztítási fokozat számos technológiai megoldást kezdeményezett, mind a foszfor-, mind a nitrogénformák eltávolításának érdekében. Minden törekvés fő célja az ún. mikroszennyezők egyes fajtáinak radikális megszüntetése, illetve a tűrési határon belül való tartása, az élővizek minőségének szinten tartása, javítása céljából. A nitrogénformák alapvetően biológiai, a foszforformák biológiai és kémiai tisztítástechnológiai eljárással távolíthatók el a szennyvízből.

A harmadlagos tisztítás egyik módja a kémiai tisztítás, melynek a lehetőségei a következők:

• koaguláció:
  vegyszerek gyors bekeverése eredményeként, a kicsapódás következtében a nagyon finom részecskék mikropelyhekké tömörülnek;
• flokkuláció:
  koaguláció után bekövetkező folyamat, amikor a szennyvizet gyengén kell keverni, hogy nagyobb pelyhek keletkezzenek (Réti, 2001).

 3. kép: A biológiai szennyvíztisztítás lényegében az élővizekben, illetve a talajban lejátszódó természetes folyamatokon alapszik. Természetes vízi ökoszisztémákban a szennyező anyagok mikrobiális átalakítása és mineralizációja azokat ismét hozzáférhetővé teszi az azokat felhasználó élővilág számára.

A jövő szennyvíztisztítási technológiái

Membrán biotechnika reaktor (MBR)
A biológiai tisztítók intenzifikálásának egyik legismertebb módja a membrán biotechnika alkalmazása. A hagyományos eleveniszapos aerob rendszereknél a tisztított víz és a tisztítást végző eleveniszap elválasztása gravitációs úton, ülepítéssel történik. A membrántechnika esetén ezt a műveletet ultraszűrő membránok alkalmazásával érjük el. Ez a különbség jelentős eltéréseket eredményez a két technológia között. Az ultraszűrés miatt magasabb lebegőanyag-koncentráció érhető el a membrán biorektorokban.

Ultraszűrés

Az eleveniszap elválasztása a tisztított víztől ultraszűrő membránok segítségével történik. Az általában alkalmazott üreges szál-köteg membrán-modul 0,035 mikronos névleges és 0,1 mikronos abszolút pórusmérettel rendelkezik. Általában magas nyomáson, keresztirányú keringtetés következtében történik a szűrés, és egy gyenge vákuum hatására történik az elválasztás. Ez a módszer lényegesen alacsonyabb energiafelhasználást eredményez, mint az a hagyományos membránok esetében tapasztalható.

Fordított (reverz) ozmózis (RO)

A fordított ozmózis az ozmózis folyamatának megfordítása nyomás hatására. Az ozmózis során az oldószer áramlása figyelhető meg egy hártyán keresztül a hígabb oldat irányából a töményebb oldat felé. Ha túlnyomást alkalmazunk a töményebb oldatra, akkor az áramlás iránya megfordul, és az oldószer a töményebb oldat felől a hígabb oldat irányába áramlik.

Az aerob termofil biológiai szennyvíztisztítás

Az aerob termofil biológiai eljárást viszonylag új szennyvíztisztítási technológiának vagy folyamatnak tekintjük (Rozich & Bordacs, 2002). Először az 1970-es években fejlesztették ki ezeket a rendszereket, és „fluidágyas rothasztónak” nevezték, mert a statikus reaktorú aerob komposztálás és fluidágyas biológiai eljárás keresztezésének tekintették.

Az aerob iszapgranulációs szennyvíztisztítás

A szennyvíztisztítás intenzifikálásának kézenfekvő módszere az arra alkalmas biológiai megoldások (aerob és anaerob szerves anyag-, nitrogén- és foszforeltávolítás) térfogati teljesítményének, pontosabban a biológiai folyamataik fajlagos (egységnyi mikroorganizmus-tömegre vonatkoztatott) sebességének a maximálása.

Az eleveniszap rögzítése új típusú adszorbeáló hordozókon

Biológiai szennyvíztisztító berendezések magas hatásfokának alapfeltételei, különösen ipari, biológiailag nehezen vagy nem lebontható (perszisztens) szennyezőket tartalmazó szennyvizek esetében:

• a vízben oldott szennyezők lebontásához mérvadó „specialista”, mikrobiológiailag kevert törzsek elegendő mennyisége a bioreaktorban,
• az aktivitásukhoz szükséges optimális viszonyok biztosítása a bioreaktorban, illetve a vízben (pH-érték, redoxpotenciál, hőmérséklet stb.), valamint
• a szennyvízmátrix (ion-tartalom, szenynyezők, illetve inhibitorok koncentrációja) megfelelő beállítása.

Intelligens polimergélek a szennyvíz-technológiában

Új, intelligensnek nevezhető anyaggal kísérleteznek a műegyetem kutatói, amely a jövőben a szennyvíztisztítás során felválthatja a hagyományos eleveniszapos pelyhet. Iaszón, az intelligens iszappehely leginkább a kocsonyához hasonlítható. Az ember történelme során számos problémával kellett szembenéznie. A huszonegyedik század legnagyobb kihívása bolygónk védelme, a környezetvédelem. Ide sorolható vizeink tisztaságának megőrzése, a szennyvíztisztítás is. A szennyvíztisztítás kapcsán a technológiai kérdések már megoldottak. A szakemberek képesek eltávolítani a szerves anyagokat, a nitrogént, a foszfort és egyéb mikroelemeket is. Ez a folyamat azonban költséges és bonyolult.

Lakatos Gyula, Czudar Anita, Igaz Titusz, Kozmáné Szirtesi Krisztina

Felhasznált szakirodalom

1. Benedek P. & Valló S. (1976): Víztisztítás – szennyvíztisztítás zsebkönyv. Műszaki Könyvkiadó, Budapest.
2. Felföldy L. (1981): A vizek környezettana. Általános hidrobiológia. Mezőgazdasági Kiadó, Budapest.
3. Felföldy L. (1987): Biológiai vízminősítés, vízügyi hidrobiológiai. VIZDOK, Budapest.
4. Klein, L. (1962): River pollution. Causes and effects. Butterworths Sci. Publ., London, 456 pp.
5. Lakatos, Gy. (1978): The phenomenon and significance of benthonic eutrophication in Lake Velence, Hungary. Acta Biol. Debrecina 15: 147-168.
6. Lakatos, G. (1998): Constructed wetlands for wastewater treatment in Hungary. p. 191-206. In: Vymazal, J., Brix, H., Cooper, P.F., Green, M.B., Haberl, R. (eds.) Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe. Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands.
7. Lakatos G. & Czudar A. (2008): Környezetvédelem I. Szennyvíztisztítás. DEENK Kossuth Egyetemi Kiadója, Debrecen.
8. Öllös G. (1992): Vízellátás. VIZDOK, Budapest.
9. Réti L. (2001): A III. szennyvíztisztítási fokozat helye, szerepe, indokoltsága a hazai és európai uniós szennyvíztisztítási elvárásokban. MHT XIX Vándorgyűlés, 3/7.
10. Rozich, A. & Bordacs, K. (2002): Use of thermophilic biological aerobic technology for industrial wastewater treatment. Wat. Sci. Tech. 46: 83-89.

SzennyvízVíztisztítás

---