8.25 Nirifikáció-denitrifikáció ?

8.25. NITRIFIKÁCÓ - DENITRIFIKÁCÓ - hogyan másképp?

Az ammónia gáz vízben oldódva ammónium ionként létezik:

NH3 + H2 O ↔ NH4+ + OH-

A vizelet meghatározó része a szennyvíznek, jellegzetes szagát az ammóniumtól kapja. Az ammónium lebontása így a szennyvíztisztítás egy fontos feladata. Az ammónium (NH4+) kismolekula (M=14+4*1=18), könnyen diffundál a vízben. Az ammónium diffúziós tényezőjének nagysága irodalmi adatok alapján kereken 20*10-10 m2/s.

A tápanyaglebontás logisztikai előfeltétele - az alacsony Pe-szám - relatíve kényelmesen biztosítható.

Az ammónium biológiai lebomlása a biofilmen belül több lépésben történik. A 8.25-1. ábra szemlélteti ezt a folyamatot.

8.25‑1.ábra Az ammónium lebontása

Tegyünk néhány általános megállapítást:

A lebontási folyamat nitrifikáció (ammónium-nitrit-nitrát) és denitrifikáció (nitrát-nitrit-nitrogén gáz) részfolyamatokból áll. A nitrifikáció lezajlásához feltételként oxigénre van szükség, a denitrifikációhoz szénforrás (vagy hidrogénforrás) kell. A nitrifikáció levegőztetett reaktorban zajlik, a denitrifikációnál a levegő nem kívánatos.
Az ammóniumtól a nitrogén gázig tartó lebontási folyamat tehát többlépcsős biokémiai folyamat. Az egyes lépcsők sorosan követik egymást. A szubsztrátból keletkező termék a következő lépésben szubsztrát lesz. Az egyes lépéseket más és más baktériumok katalizálják. A baktériumok nem vesznek részt ezekben a folyamatokban, testfelépítésük enzimjeinek van katalizátor szerepük. A katalizáció eredménye az aktiválási energiaszint lecsökkenése, miáltal a biokémiai reakciók könnyebben valósulhatnak meg. A lebontás során felszabaduló energiát a baktériumok életvitelük fenntartására, szaporodásra használják.

A 8.25-1. ábrán a sztöchimetrikus egyenletek baloldalát a „szubsztrát” és a „feltétel” együtt adják. Mindkettőnek be kell diffundálnia a biofilmbe és ott atomi szintre lebomlania, hogy a „termék” képződése végbemehessen. A „szubsztrát és „feltétel” ilyetén való szétválasztása felesleges. A szubsztrát megjelölés nem biokémiai szempontból érdekes, csupán a szennyezés általánosított azonosítására szolgál.

A Fővárosi Csatornázási Művek Délpesti Szennyvíztelepe két biológiai tisztítási fokozattal rendelkezik.

forrás: FCSM

8.24‑2. ábra Az FCM Délpesti Szvt kettős biológiai technológiája

A hagyományos eleveniszapos technológia egy élőgépes elemmel is kiegészült. A növényzet hajszálgyökérzete növeli a nem levegőztetett, illetve levegőztetett reaktorterekben a biofilmhordózó felületet. Más szerepe nincs. A nitrifikáció-denitrifikációs folyamat itt is lejátszódik. A nitrifikáció lezajlásához levegő hozzávezetés kell, a denitrifikáció szénforrását az iszapból meríti. A 8.25-2 ábrán az ún. belső recirkuláció – nitrát visszavezetés – nitrifikáló bioszűrőről történik.

A második biológia tisztítási fokozat szűrőágyas megoldású. Az ún. nitrifikációs szűrő levegőztetett, a szűrőtöltet anyaga égetett vulkanikus tufa, amelynek vastagsága 4,2 m. A denitrifikációs szűrőegységben metanol adagolás van. A szűrőtöltet itt is égetett vulkanikus tufa, a vastagsága 2,8 m.

Az egyes fokozat hatékonyságának megítéléséhez induljunk ki a hagyományos szemléletből. (lásd 8.25-3. táblázat)

8.25‑3. táblázat Az egyes fpokozatok hatékonysága

Az első biológiai fokozat a befolyó KOI jelentős részét, 89 %-át eltávolítja. Az ammónium lebontása azonban javarészt a második biológiai fokozaton zajlik, a hatékonyság itt 93%-os.

Az eleveniszapos technológián a Pe-szám kiszámítása a konvektív sebesség meghatározása miatt reménytelen. A szűrőágyas fokozaton viszont lehetséges, amelyet 8.25-5. táblázat adataiból számolhatunk ki.

8.25‑4. táblázat A szűrőágyak Pe-száma

A 8.25-4. táblázat szerint a bioszűrők a meglehetősen magas Pe-számok ellenére is hatékonyan működnek. Pe-számok kiszámításánál az ammónium diffúziós tényezőjét használtuk. A gyógyszermaradványok és hormonok diffúziós tényezője azonban 4-10-szer kisebb, amely a Pe-számot is ennek megfelelően növeli. A bioszűrő tehát ebben a kialakításban nem fog megfelelni az egyre szigorodó követelményeknek - a gyógyszermaradványok és hormonok lebontása - követelménynek. Nemcsak a szűrési sebesség nagy, hanem a szűrőtöltet fajlagos felülete is nagyon kicsi.

Érdekes képet mutat a négy biológiai reaktortér (nem levegőztetett-levegőztetett-nitrifikációs-denitrifikációs) Ne-tényezőjének alakulása, vagy másként a reaktortér klimatikus elhelyezkedése a Vincent diagramon. A 8.25-5. táblázat összesíti a „térképi ábrázolhatóság” adatait.

8.25‑5. táblázat Környezeti viszonyok

A Vincent-diagram a reaktorterek működésének állapotára utal. Ha térképi pont elvándorol, úgy az optimális viszonyok megváltozására gyors online mérésekkel tudunk következtetni. A 8-25-6. ábrán jól megfigyelhető, a levegőztetett (2, 3 pontok) és nem levegőztetett terek (1, 4 pontok) karakterisztikusan elválnak egymástól. A reaktor környezeti szempontból mérhető hatékonyságát a Ne=0 vonaltól mért merőleges távolság adja. A 8.25-6. ábrán összevetésként megadás került más reaktorterek adata is (Tolnai, A biofilmen felüli folyamatok, 2019).

8.25‑6. ábra A déli szvt reaktorai a Vincent diagramon

A szennyezett vízben nemcsak ammónium található, hanem számos szerves nagymolekula is. Ezeket – beleértve az ammóniumot is – összefoglaló néven szubsztrátnak hívjuk. Szubsztrátnak abban az értelemben, hogy lebontásuk révén a mikroorganizmusok életük fenntartásához, szaporodásukhoz energiához jutnak. Általában nem konkrét molekuláról beszélünk, hanem egyfajta jellegzetes molekuláról, amelyek a víz szennyezettségét adja. van Gunten szerint a szerves molekulák tipikusan formaldehid (CH2O), ammónia (NH3), foszforsav (H3PO4) részekből állnak, rakodnak össze. Lebontásuk oxigéndús környezetben az alábbiak szerint történik:

Termékként sok szén-dioxid (CO2), sok víz (H2O), némileg kevesebb nitrát ion (NO3-) és még kevesebb hidrogén-foszfát ion (HPO42-), valamint hidrogén ion (H+) keletkezik.

A feltételek megléte esetén a nitrát a denitrifikációs lépésekben tovább bomlik, nitrogén gázzá.

A foszfor eltávolítása történhet biológiai úton és kémiai kicsapatás révén is. A foszfor végül az iszappal együtt távozik a vízből. A foszfor biológiai eltávolítása is - hasonlóan a nitrifikáció-denitrifikáció folyamatához - több lépésben megy végbe.

A nagymolekulák lebontásánál fontos a molekula méret legalább nagyságrendi ismerete. A tipikus struktúrával bíró szerves vegyület molekula tömegét az alábbi táblázat adja

8.25‑7. ábra A tipikus molekula tömege

Ha a vízben ilyen méretű molekulák alkotják a szennyezést, akkor alacsony – cca 2*10-10 m2/s - diffúziós tényezővel kell számolni. Emiatt a kellően alacsony Pe-szám biztosításához a biofilmhordozó közegnek nagy fajlagos felülettel kell rendelkeznie és a konvektív sebesség nagysága is alacsony kell legyen. Az eleveniszapos technológia a konvektív sebesség nagy volta miatt nem is képes kiszűrni pl. a gyógyszermaradványkat. Nagy molekulák kiszűréséhez alacsony Pe-szám mellett működő szűrőágy lehet csak képes.

Vissza