Keresés

Az aerob granulált iszap

Az aerob granulált iszap (AGS) egy forradalmian új szennyvíztisztítás irány
Fazekas Bence - Gulyás Gábor - Kárpáti Árpád
Pannon Egyetem, Környezetmérnöki Intézet

Bevezető

A biológiai szennyvíztisztítás alig több mint egy évszázada az eleveniszapos és a biofilmes változataival indult fejlődésnek. A kezdetek ciklikus szennyvízbevezetését és elvételét (SBR) hamarosan teljesen felváltotta az utóülepítéssel és iszaprecirkulációval működő folyamatos folyadékmozgatás, levegőztetés. Az SBR üzemmód csak a műszerezettség, szabályozás jelentős fejlődését követően jöhetett csak újra gyakorlatba, a múlt század nyolcvanas éveitől. Valamennyi változat iszaptermelésének a tovább-feldolgozására a nagyobb telepeknél a mezofil anaerob iszaprothasztás, biometanizáció már a múlt század közepétől gyakorlattá vált. Lassan fél évszázada annak is, hogy a töményebb, biológiailag jól bontható cukor-, majd hasonló ipari szennyvizek közvetlen metanizációjánál az anaerob iszapgranuláció is általánossá vált. 
A lakossági szennyvizek eleveniszapos, biofilmes, majd integrált, hibrid változatainak a kialakítása sokféle technológiát eredményezett. A korábban statikus biofilmet a hordozóval együtt mozgatva dinamikus, jobb környezetett, tápanyagellátást biztosító, egyidejűleg hibrid rendszerré alakították az elárasztott reaktorokban. Ezzel a fő célja a fajlagos térfogati teljesítmény növelése mellett a nitrifikáció biofilmben történő intenzifikálása lett. Az eleveniszap kedvező a szerves anyag nagy sebességű átalakítására, immobilizálására. A biofilm mellette, a nitrifikálók abban történő elszaporítására. Közülük azonban csak az eleveniszap volt alkalmas a többletfoszfor biológiai eltávolítására. Azt az eleveniszap anaerob/anoxikus/aerob reaktorsoron történő átvezetése tudja csak biztosítani, ami az integrált, vagy hibrid technológiát az eleveniszaposéhoz hasonlóan bonyolítja.
Az anaerob granulált iszap analógiájára századunk első éveiben sikerült az ammónium-N mellékági eltávolítására anaerob granulált iszapos megoldást kidolgozni (ANAMMOX). A gyakorlatban a nitrit és ammónium nitrogénné történő összekapcsolása eleveniszapban nem bizonyult túlzottan sikeresnek az arra képes mikroorganizmus fajok igen lassú szaporodása, több mint tíz napos feleződési ideje következtében. Az utóbbi 10 évben azután megvalósították a szakaszos üzemű SBR megoldással az aerob granulált iszapos (GAS) szennyvíztisztítást is. Ezzel a szerves anyag, nitrogén és foszfor egyaránt jó hatásfokú eltávolítása is biztosítható egyetlen, szeparált utóülepítő nélkül működő reaktorban, az eleveniszaposakénak kevesebb, mint fele energia (költség) igénnyel. Igazán kiforrott technológiává (Nereda) azonban csak napjainkra érett. 

A szennyvíztisztítás kialakulása, időbeni dinamikus fejlődése

A lakossági szennyvizek tisztása azok elvezetésének, fertőzésveszélye csökkentésének céljából fejlődött ki. A tisztítást az élővizektől kölcsönvett biológiai megoldásokkal lehetett sikeressé tenni. Ennél a víz (levegő) oxigénjét hasznosítva, a vízben élő, egymáshoz tapadt mikroorganizmusok lebegő csoportjaival (iszappelyhekkel) és azok felületekhez tapadó változataival (biofilmekkel) működik a szerves anyag széndioxiddá, nitrogénné és kiülepíthető iszaptömeggé alakítása. A mikroorganizmusok összetapadása a felületükön kialakuló, időnként saját tömegüket is meghaladó extracelluláris polimer anyag (EPS) következménye, amelynek azonban az elsődleges célja a vízben levő tápanyagok adszorbeálása, majd hidrolizálása, megfelelő aprítása, átalakítása, hogy a tápanyagok a sejtmembránon keresztül a sejt bioreaktorába transzportálhatók legyenek. Az iszapszaporulat tehát az élő és elhalt sejtek anyaga, illetőleg az EPS igen nehezen visszaoldódó része.
Az eleveniszapos szennyvíztisztítás igazi technologizálását mintegy száz esztendeje az utóülepítő beépítése, s a keletkező iszap recirkuláltatása jelentette. Ezt követően a mikroorganizmusok levegőellátásának a folyamatos javítása vált a teljesítménynövelés meghatározójává. A korszerű biofilm hordozó műanyagtöltetek kialakítása új fejlesztési távlatokat nyitott, mind a statikus, mind a mozgó biofilm hordozók eleveniszappal vegyes felhasználásának.
A múlt század közepére egyértelmű lett, hogy a szennyvíz eleveniszapos tisztításánál a szerves anyagot hasznosító heterotrof és az ammóniumot oxidáló autotrof mikroorganizmus csoportok olyan egyensúlyát (részarányát) kell biztosítani, amely a lakossági szennyvízből mindkét szennyezőanyag kívánt mértékű eltávolítását lehetővé teszi (Fazekas et al., 2013). Ez a szerves anyag ellátás limitációval oldható meg. A biofilmnél a film mélységében a diffúzió korlátozta eltérő tápanyag ellátottság, a ammónium oxidálók megfelelő szelekcióját, relatív túlszaporodását eredményezheti. A lassabban szaporodó biofilm kisebb mértékű „leszakadása” révén (biofilm iszapkora) a bennük koncentrálódó nitrifikálók térfogati teljesítménye is nagyobb lehet, mint az iszappelyhek konzorciumáé. Ennek a hasznosítására napjainkra sokféle biofilmes, eleveniszapos-hibrid rendszerben sor került. Hasonló szelekciót hasznosít az alig tíz esztendeje üzemesített granulált iszapos Anammox technológia, valamint a lakossági szennyvizek tisztítására, napjainkra kifejlesztett aerob granulált iszapos (GAS) megoldás is. Az utóbbi a gömbformába zsugorodó biofilmjében, a speciális tápanyagellátás ciklizálással még a biológiai többletfoszfor akkumulációt is megvalósította.

A szerves anyag, majd N és P eltávolítási igény növekedése és következményei

A nitrifikáció a szennyvíztisztításban a múlt század ötvenes éveire a fejlettebb országokban általános igény lett az ammónium halakra gyakorolt toxicitása miatt. A nitrát nitrogénné történő redukciója nélkül azonban az élővizek alga és növényvilága válik N-tápanyagban túltáplálttá, egyidejűleg veszélyt jelentve a csecsemőkre is (methemoglobinémia). A denitrifikáció így a hatvanas évekre vált igénnyé. Szerencsére a nitrát nitrogénné alakítását a heterotrof mikroorganizmusok kellő szerves anyag ellátásnál könnyen biztosíthatják. Csak kellő nagyságú, nem levegőztetett, anoxikus iszapos tér biztosítását kell ehhez a rendszerben. Közvetlen ezután, a múlt század hatvanas éveinek végére szükségessé vált a foszfor döntő hányadának az eltávolítása is a szennyvízből az édesvizek eutrofizációjának csökkentésére. Ezt előbb kémiai, majd a hetvenes biológiai többletfoszfor eltávolítással sikerült megoldani. 
Az utóbbihoz egy további mikroorganizmus csoport, a foszfor-akkumuláló heterotrofok (PAH) szelektív elszaporítására volt szükség. Ehhez az eleveniszapos rendszer elejére egy anaerob tér beiktatása kellett. Abba kell érkeznie a nyersvíznek, melynek az acetát tartalma és a mikroorganizmusok ciklikus környezetváltozása (anaerob/aerob) a foszfor akkumuláló heterotrof (PAH) MO-k szelektív elszaporodását eredményezi. Ezeket rendszerbe építve a múlt század nyolcvanas éveire kifejlesztették a teljes tápanyag eltávolítást is biztosító folyamatos betáplálású eleveniszapos rendszereket. Térfogati teljesítményük a szimultán szerves anyag oxidáció és nitrifikáció miatt ugyanakkor erősen korlátozott, csak 1 kg KOI/m3d tisztítótérfogat körüli. Az ülepített lakossági szennyvíz KOI/TKN arányát figyelembe véve ez mintegy 0,15 kg összes N/m3d tisztítótérfogat nitrogéneltávolító térfogati teljesítménynek felel meg.
A hordozón rögzített statikus, vagy dinamikus biofilmek mélyebb rétegeiben persze denitrifikáció is történhet, amit azonban alig lehet szabályozni. Az ilyen biofilmekben a biológiai többletfoszfor akkumuláció még reménytelenebb. A folyamatosan aerob filmfelület és közel egyenletes tápanyag ellátottság miatt a biofilm mélyebb rétegeiben ahhoz a foszfor akkumuláló heterotrofok (PAH) kevert iszapéhoz hasonló szelekciója nem alakulhat ki. Ezt viszont könnyen biztosíthatta a térben ciklizált, biofilmmel integrált eleveniszap (A2/O). Ilyenkor a denitrifikációhoz és a biológiai többletfoszfor eltávolításhoz nincs szükség a biofilm utaztatására sem az egyes tereken keresztül, elég csak az iszapos folyadék áramoltatása. A nitrifikálók ilyen biofilmes szelekciója a hibrid rendszerek térfogati teljesítményét a tisztán eleveniszaposakénak a háromszorosára is növelheti. Ez mintegy napi 3 kg KOI/m3 szerves anyag és csaknem 0,5 kg összes N eltávolító teljesítményt jelent egy köbméter reaktortérre számolva. Előnye a megoldásnak, hogy a hibrid rendszer biofilmje nem terheli az utóülepítőt, ugyanakkor csaknem megduplázhatja az oxikus zónában működő biomassza tömeget. A biofilmtömeg foszforeltávolítása az eleveniszapénál kisebb, ezért a többletfoszfor eltávolítását rendszerint vegyszeresen kell támogatni. Ha ezt az előülepítésnél teszik, a biológia iszaphozama alig változik. Az eleveniszapos anaerob térrészben a nyersvíz acetátjával a PAH-ok megfelelő dominanciája jöhet létre, ami kedvező esetben elég lehet a teljes biológiai foszforeltávolításhoz is a már említett, eleveniszapénak többszörös térfogati teljesítménnyel. Sajnos a biológiai foszforeltávolítás az eleveniszapos és hibrid rendszerekben sem kellően stabil, ezért a vegyszeres támogatást rendszerint mindig kiépítik hozzá a foszforeltávolítás folyamatos biztonsága érdekében.

Anaerob és aerob iszapgranuláció és fejlesztése

Az élelmiszeripari szennyvizek anaerob tisztításának fejlődése, az iszapgranuláció mindezekkel párhuzamosan, mint ahogy a bevezető is említette, ugrásszerű térfogati-teljesítmény növekedést eredményezett, de csak a szerves anyag eltávolításban. A fejlesztést az élelmiszer és egyéb ipari ágazatok energiaigénye is generálta. Minimális iszaptermeléssel minél több metánt, s vele energiát kinyerni, még ha az ilyen tisztítás a közcsatorna előírásait tudja is csak kielégíteni. Ha a tisztítandó szennyvíz igen nagy mennyiségű ammóniumot, vagy fehérjét tartalmaz, még azt sem. Az anaerob granulált iszap az eleveniszapossal szemben ugyanakkor egy nagyságrenddel történő térfogati teljesítmény-növelést tett lehetővé mezofil hőmérsékleten, ami a kérdéses ipari vizek döntő részénél biztosítva volt (Fazekas et al., 2013). Az anaerob granulált iszap nagy sűrűsége és ülepedési sebessége lehetővé tette a , az elkülönített ülepítés nélküli tisztítást. A reaktorokban 60 g/l körüli iszapkoncentráció alakítható ki, ami nagy fajlagos térfogati teljesítményt (10-20 kg KOI/m3d) biztosít. 
Az anaerob iszapgranuláció kidolgozása ugyanakkor hasonló aerob granuláció kialakítására sarkallta a kutatókat a térfogati teljesítménynövelés érdekében. Különösen ígéretesnek tűnt az aerob granuláció a nitrifikáció térfogati teljesítményének az egyidejű növelésére. Hamarosan kiderült azonban, hogy folyamatos levegőztetéssel aerob iszapgranuláció nem alakul. Végül a megfelelő aerob granulációhoz elengedhetetlen lett a szakaszos, célszerűen iszapréteg alá történő nyersvíz betáplálású (SBR), szabályozott, szakaszos levegőztetéssel történő üzemeltetés, amelyek mellett a reaktorban történő gyors ülepítés is elengedhetetlen a megfelelő iszapgranulációhoz (GAS). Az aerob granulált iszap nitrogéneltávolítása optimális oxigénellátottságnál jónak bizonyult. Később az is kiderült, hogy az iszapgolyócskákban a tápanyag ellátás gondos szabályozásával még a PAH mikroorganizmusok szelekciója is elérhető, mint azt az 1. ábra mutatja. Ez a megoldás azonban csak az utóbbi években került üzemesítésre. 
 
1. ábra: A mikroorganizmusok elhelyezkedése az átlagosan 30-130 mikron méretű, mechanikailag instabil eleveniszap pelyhekben és a többszöröse méretet elérő tömör, szilárd granulumokban. 
PAO- foszfor akkumuláló, denitrifikáló, nitrifikáló, GAO - glükogén akkumuláló mikroorganizmosok anaerob, anoxikus, oxikus környezet


Granulált aerob iszapos (GAS) tisztítás (Pronk et al, 2015)

Az aerob iszapgranuláció fejlesztése a jelen évtizedben az anaerobéhoz hasonló eredményt ért el. Teljes tápanyag eltávolításra alkalmas változatuk ma már több nagyüzemben is működik. Az SBR üzemmód, speciális tápanyagellátás és levegőztetés olyan iszapgranulációt eredményezett, melyhez nem szükséges szeparált utóülepítés. Ezt a 2. ábra érzékelteti.
 
2 ábra: Eleveniszap, granulált iszap (GAS) és biofilm a folyadékfázisban ülepítés után.

A tisztított víz lebegőanyag tartalma ennek ellenére az eleveniszapos SBR rendszerekéhez hasonlóan kielégíti a tisztítási követelményeket. Ezen túl az aerob granulumok stabilak, szétesésre nem hajlamosak, mint a korábbiak túltáplálás esetén, s nem csak a nitrogén, de egyidejűleg a foszfor eltávolítására is képesek. Természetesen az ilyen granulált iszapnak azért jelentős fajlagos iszaphozama van. A granulumokat a foszforeltávolításhoz a (PAH) mikroorganizmusaikkal megfelelő ütemben el kell távolítani, egyébként a foszfát eltávolítása visszaáll egy lényegesen alacsonyabb szintre. Az ilyen rendszerben kialakuló iszapkor éppen ezért mintegy másfélszerese a kis terhelésű eleveniszapos teljes tápanyag eltávolítást biztosító rendszerekének (30 nap körüli), míg a fajlagos iszaphozam közelítőleg fele az ott jelentkezőnek. Érdekes jelenség, hogy az ammónium oxidációja és a nitrát redukciója is a granulum közvetlenül felszín alatti rétegében történik a biofilmekéhez hasonlóan. A golyócskák valamivel mélyebb, tömören rögzült rétegében ugyanakkor foszfor-, és glikogénakkumuláló fajok elszaporodtak el. 
A nitrogén eltávolítása az ilyen iszapnál teljes hányadában a granulumok felső, szilárdabb kérgében a szimultán nitrifikáció és denitrifikáció révén valósul meg. A nitrogén eltávolítását a levegőztetett ciklus oxigénellátásával lehet szabályozni (közelítőleg 1,5 mg/l körüli), de az ammónium koncentrációja alapján az oxigénkoncentrációt a levegőztetési szakasz vége felé szükségszerűen csökkenteni kell denitrifikáció fokozása érdekében. A golyócskák belsejében a nitrogén eltávolító és foszfor-akkumuláló (ciklikusan betároló) mikroorganizmusok alatt a kívülről épülő iszaptömeg folyamatos bontása, hidrolízise folyik. A golyók felszíni részén, a legnagyobb sebességgel szaporodó heterotrof szervezeteket fonalait ugyanakkor protozoák legelészik, tisztítják, hasznosítják. Ezzel ők is hozzájárulnak az iszapgranulációhoz, és fajlagos iszaphozam csökkentéséhez.
Ez az aerob granulált iszapos lakossági szennyvíztisztítási technológia (GAS) időben talán az eddig legutolsónak kidolgozott megoldás, amely Nereda márkanéven ismeretes. Fejlesztése, üzemesítése az Anammox rendszerekénél is hosszabb időt igényelt. A két külföldön megépített „tanuló” üzem után 2010-ben Epeben épült fel a Royal Haskoning DVH első hollandiai aerob granulált iszapos (GAS) hazai üzeme. A cég második igazán nagy ilyen hazai üzeme 2013 júliusában lett azután kész Garmerwoldeban. Beüzemelése ugyanazon év őszén történt. Fél év után érte el a teljes tervezett kapacitást. A próbaüzem 2014 márciusától decemberig tartott. A március és december között mért eredményei a szerves anyag megfelelő eltávolítása mellett az összes nitrogén 7 mg/l, s az összes foszfor 1 mg/l alá történő csökkentését bizonyították. Fontosnak bizonyult a foszforban gazdag fölösiszap nagyon gyors víztelenítése és betáplálása a rothasztásra, hogy a foszfor visszaoldódása minimális legyen, alig kerülhessen vissza az a tisztításra.
Az SBR rendszerű tisztítóban az előülepített szennyvíz betáplálása a reaktor alán levő iszaprétegbe történik a mintegy fél órás ülepítést követő 1 órás folyadék kiszorításos, dugószerű áramú nyersvíz bevitel mellett (folyadékelvétel felszíni réteg kiszorításával). Így a teljes medencetérfogat folyamatosan vízzel van töltött. A két párhuzamosan kiépített SBR egységbe valamivel kevesebb, mint napi 4-4 ciklusban (ciklusidő 6,5 óra), váltakozva kerül feladásra az előülepített szennyvíz. A ciklusonkénti levegőztetési idő ilyenkor 5 óra. A reaktorokban a HRT közelítőleg 2/3 nap, ami az eleveniszapos tisztítókéhoz hasonló biológiai terhelést is jelentett (0,1 kg KOI/kg TSSd – 0,8 kg KOI/m3d) a tejes tápanyag eltávolításhoz. A ciklusidő 3-edét kitevő levegőztetés megfelelő szerves anyag és nitrogéneltávolítást biztosít. A próbaüzem végére egyébként az eleveniszappal átoltással indított üzem kezdetben 30 perc ülepítés utáni 90 ml/g térkitöltésű iszapja (SVI30, ami (analóg az iszapindexel, vagy Mohlmann indexel) 35 ml/g térkitöltésű granulált iszappá alakult. Ennek az 5 perc ülepedés után mért térkitöltése átlagosan 45 ml/g lett (SVI30), miközben az iszap több mint 80 %-a 0,2 mm részecskeméretűnél nagyobb granulum volt. A rendszerben termelődő iszap tehát igen gyorsan ülepedett. Ennek ellenére az ilyen üzemi tisztításnál valamekkora flokkuláló iszaphányad is keletkezik az iszapban, ami többféle összetevőkből adódik össze, s végül is javítani látszik az iszap vízszűrő képességét, lebegőanyag mentesebb elfolyó vizet produkálva.
A GAS tisztító térfogati teljesítménye 0,75 kg KOI/m3d, a fajlagos iszaphozama 0,27 kg TSS/kg KOI lett átlagosan. Esős időben a terhelés valamivel meghaladhatta az 1 kg KOI/m3d értéket is. A medencékben az iszapkoncentráció a kezdeti 4 kg/m3-ről a próbaüzem végére megduplázódott. Az iszaptérfogat az igen rövid ülepítés után a medencében 30 % körülinek adódott, ami a 7 méteres folyadékszínt esetén alig több 2 méternél. Ez tette lehetővé a ciklusok első órájában a viszonylag gyors, dugószerű áramlású nyersvíz betáplálást a medencefenék iszaprétege alá. Ugyanebben az időben a túlfolyó víz egy részét is ugyanide visszaforgatták a denitrifikáció fokozása érdekében. Az eleveniszapos rendszereknél szükséges 3-4-szeres recirkuláció aránnyal szemben a granulált aerob iszapnál ez 0,3 körül elégséges. A nagyobb esőzések esetén a két SBR egység hidraulikus terhelését mintegy a száraz idei duplájára sikerült növelni. Ez a teljes ciklus 6,5 óráról 3 órára, s a levegőztetési ciklus 1 órásra történő csökkentését igényelte, ilyenkor másfélszeresére növelve a folyadékfeladás időtartamát is. A foszforeltávolítást ilyen terheléseknél vegyszeres foszfor kicsapatással támogatták. Ilyenkor 0,18 Fe(III)/P mólarányban adagolták a kicsapószert, amivel 90 %-os foszfor eltávolítást tudtak tartani az SBR egységekben.
A GAS tisztító rész fajlagos energiafogyasztása a keverők és iszapos víz recirkulációk, az utóülepítés és iszaprecirkuláció hiánya, a medencék vízszintjének megnövelése és a levegőztetés jobb szabályozása eredményeként lényegesen kisebb lett az eleveniszapos holland telepek átlagáénál. Csak a vízmélység növelése maga 5-10 % energiaigény csökkenést eredményez. Átlagosan így az GAS üzem az eleveniszaposaknál fajlagosan 58-63 %-al kevesebb energiát használt a tisztításhoz. A Garmerwolde-ban üzemelő AB üzem 0,33 kWh/m3 tisztított szennyvíz fajlagosával szebben a granulált aerob iszapos rész 0,17 kWh/m3 fajlagossal üzemelt. A GAS egység a helyi, párhuzamosan működő eleveniszaposra vonatkoztatva 51 %-os energia megtakarítással működött. 

Konkluzió

Az aerob granulált iszapos tisztítás azonban elvében nem alkalmas a víz szerves anyagában rejlő energia közvetlen, tehát szekunder biológiai átalakítást megkerülő hasznosítására. Ezzel szemben igen egyszerű berendezésekben, elfogadható térfogati teljesítménnyel képes a szerves anyagok és a tápanyagok jelenlegi igényeket kielégítő tisztítására. Fontos kérdés azonban, hogy a biológiai tisztítás, az iszaprothasztás/energia visszanyerés, valamint a maradék iszap továbbhasznosításának összes energiaigénye és költsége hogyan alakul a jövőben. Ezt a közeljövő környezeti feltételeinek és energiaellátottságunknak az alakulása alapvetően befolyásolhatja.

Hivatkozás

Pronk, M., de Kreuk, M. K., de Bruin, B., Kamminga, P., Kleerebezem, R., Van Loosdrecht, M. C. M. (2015) Full scale performance of the aerobic granular sludge process for sewage treatment. Water Res. 84, 207-17.