Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák II.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

3. fejezet - A természetközeli rendszerek tisztítási hatékonysága

3. fejezet - A természetközeli rendszerek tisztítási hatékonysága

Bevezetés

A gyakorlatban alkalmazott szennyvíztisztítóktól alapvető elvárás, hogy a tisztított szennyvíz paraméterei megfeleljenek az előírásoknak, függetlenül attól, milyen technológiákat, eljárásokat alkalmaztak. Minden esetben a megadott tisztítási hatásfok elérése a cél.

A hagyományos rendszerekhez hasonlóan a természetközeli szennyvíztisztító telepek tisztítási hatékonyságát is nagyban befolyásolja a tervezés, kivitelezés és üzemeltetés színvonala, minősége.

Követelmények:

  • tanulja meg a szennyvizek nitrogén- és foszfortartalmának környezeti hatásait;

  • ismerje meg az algásodás környezetvédelmi és egészségügyi következményeit;

  • tanulja meg a lebegőanyagok, szerves szennyező anyagok, különböző nitrogén vegyületek, foszfor, nyomelemek, szerves mikroszennyezők és mikroorganizmusok természetben lejátszódó bomlási, ill. átalakulási folyamatainak elvét és gyakorlati megvalósulását.

  • tudja a talaj, mint természetes szennyvíztisztító működését;

  • ismerje meg a természetes szennyvíztisztítás közegészségügyi kérdéseit.

Általánosságban az összes természetközeli szennyvíztisztítási technológia igen hatékony a szerves anyag eltávolításban és a fertőtlenítésben is. Ez utóbbi azért nagyon fontos, mert a hagyományos szennyvíztisztítás során általában fertőtleníteni szokták a tisztított szennyvizet, mielőtt a befogadóba beengedik. A tapasztalat azonban sokszor azt mutatja, hogy amennyiben a felhasznált fertőtlenítőanyag mennyisége kellő a fertőtlenítéshez, akkor káros hatással van a befogadó élővilágára, ha pedig olyan kis mennyiségben alkalmazzák a fertőtlenítőszert, hogy ne okozzon károkat a befogadóban, ilyen esetben viszont nincs meg a kívánt fertőtlenítő hatás.

A megfelelően tervezett, létesített és üzemeltetett természetközeli szennyvíztisztító igen hatékony a patogén mikroorganizmusok eltávolításában, ezért alkalmazásuk esetén általában nincs szükség fertőtlenítésre.

A növényi tápanyagok (nitrogén és foszfor) eltávolítási mértéke részben az alkalmazott természetközeli szennyvíztisztítási technológiától függ, részben az adott technológián belül az egyes típusoktól, illetve a tervezés, és nem utolsó sorban a gondos üzemeltetés minőségétől.

A nyárfás rendszereknél jellemzően nagyon hatékony a tápanyagok eltávolítása, a tavas rendszereknél már változó lehet, az épített vízinövényes rendszereknél pedig különösen függ attól, hogy melyik típus került megvalósításra. A vízinövényes rendszerek közül a legkevésbé hatékonynak mondható az ún. vízszintes átfolyású gyökérzónás (gyökérmezős) rendszer, a leghatékonyabb pedig a lebegőhínáros, illetve - a mocsári növényes rendszerek közé tartozó - ún. átszivárgásos rendszer.

A szén környezeti hatásai, körforgása

A szennyvíz legnagyobb mennyiségben szerves és kisebb mennyiségben szervetlen vegyületeket tartalmaz. A szerves vegyületek egy része természetes eredetű, ami megfelelő körülmények között biokémiai folyamatok útján lebomlik. A természetidegen vegyületek általában perzisztensek, így biológiailag nem bonthatók, ezért a természetközeli szennyvíztisztítás során nem, vagy csak kis mértékben távolíthatók el a rendszerből.

A biogeokémiai elemciklusok közül a szénkörforgalom az, amely az ökoszisztémákon áthaladó energiaárammal a leginkább párhuzamba állítható. Ez annak a ténynek tulajdonítható, hogy az energia az élőkben mint „fixált szén” raktározódik. A szén a táplálkozási láncokba a fotoszintézis, ill. (kismértékben) a kemolitotrófok bioszintézise alkalmával csaknem teljes egészében szén-dioxid alakjában lép be. A szénciklus alapjában véve egyszerű: a szén, mint fixált szén szerves kötésben halad a táplálkozási láncokon át, és az energiafelszabadító folyamatok során a biológiai rendszerekből a légkörbe mint szén-dioxid távozik. A légkörből a szén-dioxidot azután újra a növények veszik majd fel.

Ha a bomlás aerob módon megy végbe szén-dioxid lesz belőle. Amennyiben a bomlás anaerob úton történik, a szén egy része metánná redukálódik, majd abiotikus reakciók után szintén szén-dioxiddá alakul át.

A kagylók bikarbonátból vagy karbonátból vízben oldott kalciummal, kalcium-karbonátot állítanak elő, mely az állatok pusztulása után vagy oldatba megy át, vagy kiülepedik az iszapban.

A szervetlen szén-dioxid bekapcsolódása a szerves világ életfolyamataiba, annak redukciójával történik, amit egyes mikroorganizmusok és növények vagy fotoszintézis, vagy más kémiai reakciók segítségével végeznek. A természetes vízi életközösségek legfontosabb szén-dioxid termelői a planktonok, algák és a vízi növények.

Az élőgépes szennyvíztisztítási technológia sajátosságaiból kifolyólag ezt a munkát kemo-autotrofikus mikroorganizmusok, illetve baktériumok végzik. A szennyvíztisztítók jó hatásfokú működéséhez szükséges, hogy megfelelő mennyiségben legyen jelen szén, ugyanis ez szükséges ahhoz, hogy a baktériumok le tudják bontani a nitrogén- és foszforvegyületeket.

A szén körforgalmát a 4. ábra szemlélteti.

4. ábra. A szén körforgása

A nitrogén és a foszfor környezeti hatásai

A szennyvízből a darabos és szilárd anyagok eltávolítása az ún. mechanikai előkezelés során fizikai módszerekkel (rácsszűrés, ülepítés, felúsztatás) történik, az oldott szerves anyagok eltávolítására pedig bonyolult biokémiai folyamatok és együtt élő mikroorganizmusok kiegyensúlyozott, lebomlást eredményező élettevékenysége révén kerül sor. A vízben lévő szennyezőanyagok valójában táplálékul szolgálnak a baktériumok és gombák számára.

A tervezés során minden egyes esetben alapvetően szükséges annak mérlegelése is, hogy az egyes jellemző szennyező anyagok (például a szerves anyagok, a nitrogén, a foszfor), milyen mértékű eltávolítására van szükség az adott helyen, a választott befogadó védelme érdekében, mivel a tisztítás mértéke jelentősen befolyásolja a beruházási és üzemeltetési költségeket is. A kérdés megválaszolásához vizsgálni kell a helyi környezeti adottságokat, a környezeti elemek (felszíni- és felszín alatti vizek, talaj, levegő) érzékenységi fokozatát, a környezeti elemek terhelhetőségét, és mindezt a legfejlettebb tudományos ismeretek és széleskörű szakmai tapasztalatok alapján szükséges tenni.

Többnyire köztudott, hogy a nitrogén és foszfor eltávolítása a szennyvízből a vízi és a vízparti élővilág, az állatok és a növények védelme miatt szükséges. Ezeken túl az embernek is személyes érdeke a vizek tisztaságának megőrzése, hogy biztosítani tudja a megélhetéséhez, egészségéhez szükséges tiszta ivó- és fürdővizet. Ennek megvalósításához a következő problémákkal is szembe kell nézni:

  • a „véletlen” és a szándékos szennyezések, valamint egyéb emberi mulasztások miatt - a vizek szennyezettsége folyamatosan növekszik;

  • a legtisztább és többnyire legolcsóbb vízforrások már mind felhasználásra kerültek;

  • fokozatosan az egyre szennyezettebb vizeket is igénybe kell venni.

A szennyezett víz hatásai, illetve a nitrogén (formák) veszélyei:

  • a szennyezés (pl. ammónia) az élővilágra nézve jelentős károsodást, sok esetben pusztulást jelent;

  • az ivóvízben lévő nitrát (és nitrit) különösen a csecsemőkre veszélyes, akár halálos is lehet;

  • szintén a nitrát (és nitrit) felnőtt embernek is okozhat egészségkárosodást, rendszeres és hosszú távú fogyasztás esetén;

  • a növényi tápanyagokkal, vagyis nitrogénnel és foszforral szennyezett felszíni vizek az algák túlzott elszaporodáshoz (vízvirágzáshoz) biztosíthatnak kedvező életteret.

Az algásodás környezetvédelmi és egészségügyi következményei lehetnek:

  • időszakos oxigénhiány, és ennek következtében halpusztulás a felszíni vizekben,

  • az algák pusztulását követően a szerves anyag mennyiségének növekedésével gyorsabb lesz a felszíni vizek feliszapolódása, ezért (is) gyakoribb iszapeltávolításra lesz szükség,

  • nagymértékű algásodás következtében alga-toxinok (mérgek) kerülnek a vízbe, melyek a vízi állatok szervezetében akkumulálódnak. Ha az ember elfogyasztja ezeket az állatokat, illetve alga-toxint tartalmazó vízben fürdik, akkor előfordulhatnak krónikus mérgezések, illetve hosszú távú következmények:

    • közvetlen hatás: émelygés, fejfájás, láz, rosszullét, hányinger, hányás, hasmenés, bőrgyulladás, szemgyulladás, nehézlégzés, légzőrendszeri károsodás, gyomor- és bélhurut, májgyulladás;

    • közvetett hatás: a szennyvíztisztítás során a fertőtlenítésre használt klórnak és ózonnak, az algákkal - sejtjeik építőanyagaival, valamint anyagcsere-termékeikkel - történő reakcióba lépése következtében trihalometánok (THM-ek) keletkeznek, amelyek köztudottan rákkeltő hatásúak, illetve a belső szervek, pl. máj károsodását okozzák;

    • hosszú távú hatás: biológiai változást okozó (mutagén), magzatkárosító (teratogén), rákkeltő (karcinogén) hatás.

Az algásodás legjellemzőbb gazdasági következményei lehetnek:

  • az ivóvíztározókból gyakoribb iszapeltávolítás szükséges;

  • az ivóvíztisztítás során nagyobb vegyszermennyiség és hatékonyabb tisztítási technológia szükséges.

Mind a kettő többletköltséget jelent, elsősorban a vízműveknek, és ennek következtében a vízfogyasztó emberek, a lakosság számára.

A vizek mezőgazdasági eredetű nitrát szennyezéssel szembeni védelméről szól a 27/2006. (II. 7.) Korm. rendeletet.

A 5. ábrán a nitrogén, a 6. ábrán pedig a foszfor természetbeli körforgása látható. Mindkét ábrán a piros nyilak mutatják az emberi tevékenység (köztük a szennyvíztisztítás) következtében a körforgásba jutó foszfor (P) és nitrogén (N) formákat. Lehetőség szerint csökkenteni kell ezen emissziós forrásokat, illetve a kibocsátott szennyezőanyagok mennyiségét.

5. ábra. A környezetben végbemenő nitrogén körforgás

6. ábra. A környezetben végbemenő foszfor körforgás

Szennyezőanyagok eltávolítása

A szennyvíz természetközeli eljárásokkal történő tisztítását a természetes fizikai, kémiai és biológiai folyamatok biztosítják, amelyek a talaj-víz-növény által alkotott ökoszisztémákban fordulnak elő. A természetes rendszerek képesek arra, hogy - legalább egy bizonyos mértékig - eltávolítsák a szennyvíz szennyező anyagainak számító, szinte minden nagyobb és kisebb méretű alkotóelemet, amelyek a lebegőanyagok, a szerves anyagok, a nitrogén, a foszfor, a nyomelemek, a szerves mikro-vegyületek és egyes mikroorganizmusok.

Lebegőanyagok

Azoknál a rendszereknél, ahol a vízborítás, illetve az átfolyás jellemzően talajfelszín feletti – pl. nyíltfelszínű épített vízinövényes rendszereknél, tavas rendszereknél -, a szennyvíz szilárd lebegőanyag tartalma részben ülepedéssel kerül eltávolításra, amelyet még fokoz a nagyon kis sebességű vízmozgás, illetve a sekély vízmélység, részben pedig kiszűrődik az élő növényzeten, valamint a növényi hulladékokon való áthaladás során. További szilárdanyag eltávolítás jelentkezik a talajfelületen való áthaladáskor.

Azoknál a rendszereknél, ahol vízmozgás jellemzően talajfelszín alatti – pl. a nyárfás rendszerek szivárogtató árkainál és a gyökérzónás wetlandeknél -, a szennyvíz szilárd lebegőanyagai elsősorban a talajon vagy az alkalmazott kitöltő anyagon való áthaladáskor szűrődnek ki, de az ülepedés is jelentős lehet a szennyvíz kijuttatásakor. Mivel a szennyvíz szilárd anyagai hajlamosak arra, hogy akadályozzák, esetleg eltömjék a szivárogtató szűrő felületet, ezeket a rendszereket úgy kell tervezni és üzemeltetni, hogy a szivárgási kapacitás veszteségük a lehető legkisebb legyen.

Szerves szennyező anyagok

A szennyvíz bomló képes szervesanyagai, akár oldott állapotúak, akár szilárd lebegő anyagként vannak jelen, mikrobiológiai lebomlás révén kerülnek eltávolításra. A szervesanyag lebontást végző mikroszervezetek jellemzően a talajszemcsék, a növényzet és a növényi hulladékok felületén nyálkás biofilmként helyezkednek el. A természetközeli rendszereket általában oly módon tervezik és üzemeltetik, hogy az aerob környezet (az oxigén jelenléte) biztosított legyen, azaz hogy zömében aerob mikroorganizmusok végezzék a lebontást. Ugyanis az aerob lebomlás sokkal gyorsabb és teljesebb, mint az anaerob (oxigén nélküli), és ezért az anaerob lebomlással járó kellemetlen bűzhatások is elkerülhetők. Egyetlen kivételes esetben nem alkalmaznak aerob rendszereket, amikor a nitrogén maximális eltávolítását tervezik a denitrifikációs folyamatok révén. Ilyen esetekben periódikusan anoxikus (oxigénhiányos) körülményeket kell kialakítani a rendszerben a denitrifikáció fokozása érdekében.

A természetes rendszerek aerob szervesanyag lebontási kapacitása korlátozott, mivel az ilyen rendszerek nagyrészt az atmoszférából veszik fel az oxigént. Ezért ezeket a rendszereket úgy kell méretezni, hogy a kijuttatott szervesanyag (BOI terhelési intenzitás) biokémiai oxigénigénye kisebb legyen, mint a rendszer becsült oxigén felvételi képessége.

Nitrogén (N)

A nitrogén szerves vagy szervetlen formában fordul elő a vízben. A szervetlen formában előforduló nitrogén a redoxi viszonyoktól függően ammónia (anaerob viszonyok), vagy nitrát (aerob állapotban) alakjában található. A szennyvízből történő nitrogén eltávolítás mechanizmusa attól függ, hogy a nitrogén mely formája – a nitrát, az ammónia vagy a szerves nitrogén – vesz részt a folyamatban.

Szerves nitrogén

A szerves nitrogén, mint szilárd lebegőanyag található a szennyvízben, amelyet ülepítéssel vagy szűréssel lehet eltávolítani. A szilárd fázisú szerves nitrogén beépülhet közvetlenül a szilárd humuszba. Némely szerves nitrogén hidrolizálódik oldott aminósavvá, amely tovább aprózódhat ammónium iont (NH4+) eredményezve.

Ammónia-nitrogén

Az oldott ammónia kikerülhet közvetlenül a levegőbe, párolgással, gázként. Ez az eltávolítási mód viszonylag csekély mértékű (kevesebb, mint 10%), kivéve a stabilizáló tavakat, ahol a hosszú tartózkodási idő és a nagy pH ingadozások együtt az ammónia jelentős párolgását idézik elő. A természetes rendszerek esetében a bemenő és az átalakult ammónia legnagyobb része ion-csere reakcióknak köszönhetően időszakosan hozzá tapad (adszorbeálódik) a talajszemcsékhez és az elektronikusan töltött szerves részecskékhez. Az adszorbeálódott ammóniát képesek felvenni a növényzet és a mikoorganizmusok, vagy átalakulhat nitrát-nitrogénné, aerob körülmények esetén, a biológiai nitrifikáció révén. Mivel a természetes rendszerek ammónia megkötő kapacitása véges, szükségszerű, hogy a nitrifikáció felszabadítson adszorbeálódott ammóniát és ily módon regenerálja az adszorbeáló helyeket. Ez a megkötő-felszabadító körfolyamat különösen fontos talajfelszín feletti átfolyású rendszereknél, ahol az adszobció korlátozódik a talajfelszín lejtésével, illetve az adszorbciós kapacitás fokozottan limitált.

Nitrát-nitrogén

A nitrát-nitrogén, mivel negatív töltésű, az ioncserés adszorbciós reakciók nem kötik meg, hanem oldott állapotban marad és szállításra kerül a szivárgó vízzel. Ha a nitrát nem kerül eltávolításra vagy növényi felvétel révén, vagy denitrifikációval, át fog szűrődni vagy el fog szivárogni az alsóbb felszín alatti vizekbe. Azoknál a rendszereknél, ahol alapvetően jellemző a vízszivárgás, a nitrát közegészségügyi kockázatot jelenthet.

Ezért ezeket a rendszereket úgy kell tervezni és üzemeltetni, hogy elérjék a szükséges nitrogén eltávolítási mértéket, a felszín alatti vizek védelme érdekében.

A nitrátot felveheti a növényzet, de a felvétel csak az aktív növekedési periódus alatt fordul elő, a gyökér zóna szomszédságában. Ahhoz, hogy valódi nitrogén eltávolítást érjünk el a növények révén, a növényzetet le kell aratni és el kell távolítani a rendszerből. Ha a növényzet a rendszerben marad, a növényzetben lévő nitrogén recirkulálódik és újra belép a rendszerbe, mint szerves nitrogén. A növényzet általi felvétel és a learatás képezi az alapvető nitrogén eltávolítási mechanizmust a lassú (25 mm/h feletti) beszivárogtatáson alapuló rendszereknél, pl. a szennyvíz mezőgazdasági hasznosításánál.

Biológiai denitrifikáció

A nitrát szintén eltávolítható a biológiai denirtifikáció révén, amikor a gáz formájában keletkező nitrogénoxid és molekuláris nitrogén a levegőbe távozik. A biológiai denitrifikáció képezi a leggyakoribb nitrogén eltávolítási mechanizmust a gyors (5-50 mm/h) beszivárogtatásnál és a vízinövényes rendszereknél. A denitrifikációt a fakultatív baktériumok végzik, anoxikus (oxigénhiányos) környezeti feltételek mellett. Nem szükséges azonban, hogy a teljes rendszer anoxikus legyen ahhoz, hogy a denitrifikáció bekövetkezzen. A denitrifikációról ismert, hogy az az aerob helyek szomszédságában lévő anoxikus mikro-helyeken következik be. Mindemellett azonban ahhoz, hogy a legnagyobb mértékű denitrifikálási szintet elérjük, optimalizálni kell a denitrifikáció számára megfelelő körülményeket. Az anoxikus feltételek biztosításán túlmenően, a teljes denitrifikálási reakcióhoz szükséges egy bizonyos szén/nitrogén arány biztosítása is. A természetes rendszereknél a szén/nitrogén arány (a KOI és az összes nitrogént tekintve) legalább 2:1 legyen ahhoz, hogy a teljes denitrifikáció bekövetkezzék. Részben az elhaló növényzet széntartalma szolgálhat potenciális szén forrásként, különösen a vízinövényes rendszereknél, de a nagyterhelésű rendszereknél, mint a felszíni lefolyású vagy a gyors beszivárogtatású rendszereknél a szénforrást a kibocsátott szennyvíz kell, hogy tartalmazza. Ily módon maximális nitrogén eltávolítást nem lehet elérni ezeknél a természetes rendszereknél akkor, ha a második fokozatú tisztítás után vezetjük rájuk a szennyvizet, mivel ezek szén/nitrogén aránya jellemzően kisebb, mint 1:1.

Foszfor (P)

A természetes rendszereknél a legfontosabb foszfor eltávolítási folyamat a kémiai kicsapódás, valamint az adszorpció és bizonyos mértékig a növényzet általi felvétel. A foszfor, mely főként ortofoszfát formájában fordul elő, a talaj állományában található agyagásványokhoz, valamint bizonyos szerves talajszemcsékhez kötődik. A kalciummal (semleges és bázikus pH mellett), vassal és alumíniummal (savas pH esetén) történő kicsapódás kisebb arányban fordul elő, mint a megkötődés, de az is ugyanúgy lényeges. Az adszorbeálódott foszfor szilárdan kötődik és általában ellenáll a kimosódásnak.

A talaj foszfor megkötő képessége szintén véges, azonban meglehetősen nagy, még a homoktalajoknál is. 88 évi üzemelés után, a Michigan állambeli Calumet város tisztítatlan szennyvizének gyors beszivárogtatású rendszerénél a talajvíz foszfor koncentrációja igen alacsony (kevesebb, mint 0.1-0.4 mg/l). A hosszútávú alkalmazás azonban előidézte, hogy a talajba oldódó foszfor mennyisége fokozódott, alapvetően a felszín 30 cm-es legfelső rétegében, jelezve a réteg foszforral való telítettségét.

Egy természetes rendszerrel elérhető foszfor eltávolítás mértéke függ attól, hogy a szennyvíz milyen mértékben érintkezik a talaj állományával. Ily módon azok a rendszerek, melyek jellemzője a talajfelszín feletti vízborítás, mint a felszíni csörgedeztetés vagy a vízinövényes rendszerek, általában limitált képességgel bírnak a foszfor eltávolítás tekintetében.

Nyomelemek

A nyomelemek (elsősorban fémek) eltávolítása főként szorpció (a fogalom magába foglalja a kicsapódás és a megkötődés jelenségét is) révén következik be, és kisebb mértékben bizonyos fémek esetében a növényi felvétel által is. A fémek visszamaradnak a talajban vagy a vízinövényes rendszerek üledékeiben. A legtöbb talaj és iszap visszatartási kapacitása, a legtöbb fém vonatkozásában általában igen nagy, különösen a 6,5 feletti pH tartományban. Alacsony pH és anaerob körülmények esetén némely fém sokkal oldhatóbb és oldatba megy át. A fémek eltávolítása igen eltérő az egyes rendszereknél, a befolyó koncentrációtól és a helyi körülményektől függően. A közölt fém eltávolítási hatásfok értékek a legtöbb fém esetében általában 80-95% közöttiek. Alacsonyabb eltávolítási hatásfok várható a felszíni vízborítású wetlandeknél és az úszónövényes vizes rendszereknél a kismértékű víz-talaj/iszap kontakt, illetve az iszap anaerob állapota miatt.

Szerves mikroszennyezők

A szerves mikroszennyezők szennyvízből történő eltávolítása elpárolgás és adszopció útján, valamint az azt követő biológiai- vagy fotokémiai bomlás következtében történik meg.

Mikroorganizmusok

A baktériumok és az élősködő szervezetek (protozoák és bélférgek) eltávolítási mechanizmusai a legtöbb természetes rendszernél általánosak, úgymint az elhalás, a kiszűrődés, leülepedés, befogás, ragadozás, sugárhatás, kiszáradás és megkötődés formájában. A vírusok csaknem kizárólagosan adszorpció és az azt követő elhalás következtében kerülnek eltávolításra. A lassú- és a gyors beszivárogtatású rendszerek, melyek közös jellemzője, hogy a szennyvíz áthalad a talajon, képesek arra, hogy teljes mértékben eltávolítsák a szennyvíz mikroorganizmusait. A lassú szivárogtatású rendszereknél, általában közepes és finom szerkezetű talajok esetében 1,5 m-es szivárgási úton belül el lehet érni a teljes eltávolítást. Ehhez a gyors beszivárogtatású rendszereknél hosszabb szivárogtatási távolság szükséges, a talaj vízáteresztő képessége és a hidraulikai terhelés függvényében. Minden egyéb természetes rendszer képes csökkenteni a szennyvíz mikroorganizmus tartalmát, eltérő nagyságrendben, de általánosságban elmondható, hogy ahol a rendszerből elfolyó vízre bakteriális határérték vonatkozik, nem kerülhető el a fertőtlenítés lehetőségének megteremtése.

A talaj, mint természetes szennyvíztisztító

Közismert, hogy a kertes (falusias) településeken a háztarásokban keletkező hulladékot (konyhai hulladékot, mosogatóvizet, mosdóvizet, fekáliát stb.) évszázadok óta a lakóház környezetében, a kertben vagy a szántón a földbe helyezik el. Tehát egyértelműen megállapítható, hogy a háztartási hulladék, ha nem tartalmaz a természetben elő nem forduló vegyületeket, nem természetidegen anyag, ezáltal lebomlik.

A keletkező szennyvizeket megfelelő tisztítás után felszíni vízbe vagy a talajba lehet elhelyezni, ahol tovább tisztul. A továbbtisztítás (öntisztulás) folyamata a talajban lényegesen gyorsabb, mint a felszíni vízben. A talajba kerülő szennyvíz alkotóinak egy részét a talaj általában a növények útján hasznosítja, másrészt ártalmatlanítja az alábbiak szerint.

  • A víz jelentős részét felveszik a növények és saját testük építésére használják fel, vagy elpárologtatják. A hasznosításra nem kerülő víz a talajvízbe jut. Útközben a talajrétegen átszivárogva megtisztul.

  • A szerves anyagok (a BOI-val, illetve a KOI-val mérhetők) oxidálódnak a talajban, vagyis veszélytelen szervetlen anyagokká alakulnak át.

  • A nitrogénvegyületek a növények tápanyagai. Így azok jelentős részét a növények felveszik és saját testük építésére hasznosítják. A felhasználásra nem kerülő nitrogénvegyületek lebomlása megtörténik a talajban. A lebomlás közbenső és végterméke az ammónia és a nitrát veszélyes vízszennyező anyag. Ezért ezeknek az anyagoknak a felszíni vagy talajvízbe való jutását meg kell akadályozni.

  • Egyéb, nem kívánatos anyagokat (pl. nyomelemeket) is tartalmaz még a szennyvíz, amelyeket a talaj általában kiszűri és megköti.

  • Mosó- és mosogatószereknek az a csoportja, melyek a kereskedelmi forgalomban kaphatók, biológiailag bonthatók és sem a szennyvíztisztításra, sem a szikkasztásra káros hatással nincsenek.

  • A mosószerek egy másik csoportja az ún. „kemény” mosószerek biológiailag nehezen bonthatók, károsak a szennyvíztisztításra és a szikkasztásra egyaránt. Ezeknek a szereknek a forgalmazását a legtöbb európai országban, így hazánkban is jogszabályok tiltják.

  • A baktériumokat a talaj kiszűri, melyek a talaj pórusainak a „fogságában” elpusztulnak (külföldi mérések szerint 30-60 cm vastag talajrétegen átszivárgó szennyvíz baktériumtartalma 99,9%-kal csökken). A vírusokat, mivel lényegesen kisebb szervezetek, a talaj kevésbé szűri ki

A felsoroltakból könnyen belátható, hogy a talaj igen nagy hatású természetes szennyvíztisztító lehet, ha a természet szabta feltételeket biztosítjuk.

A szivárgás és a szikkasztás közti különbség az, hogy a szivárgás esetén a szennyvíz csak kis mértékben tisztul meg, míg szikkasztás esetén a tisztulás mértéke igen nagy. Ennek oka az, hogy szikkasztás esetén a talaj szikkasztási felületén kialakul egy úgynevezett „biológiai hártya”. A biológiai hártya egy 2-3 mm vastag „kocsonyás” réteg, melyben óriási mennyiségű szennyvíztisztító baktérium található. A biológiai hártyán átszivárgó szennyvízből ez kiszűri a lebegő és oldott szennyező anyagokat és az így megtisztított víz jut tovább a talaj mélyebb rétegei felé. A biológiai hártyán kiszűrődött lebegő és oldott szennyező anyagok a hártyában élő baktériumok táplálékául szolgálnak, melyeket azok elfogyasztanak és zömmel szervetlen anyaggá alakítanak át (elhalt baktériumok lesznek). Ezek a talaj szerkezetébe beépülve gyakorlatilag már további szennyezést nem jelentenek. Szivárgás esetén a szennyvíztisztítást végző biológiai hártya nem tud kialakulni. Ez a magyarázata annak, hogy a tisztítás mértéke lényegesen kisebb, mint a szikkasztás esetén.

Az előzőekből egyértelmű, hogy szikkasztással kell a szennyvizet a talajba elhelyezni és nem szivárogtatással.

A nyárfás rendszereknél jellemzően nagyon hatékony a tápanyagok eltávolítása.

Tudjuk, hogy vannak a természetben rekuperáló (visszanyerő) és dekomponáló (lebontó) szervezetek, melyek egyedei sokszor visszaszorult vagy visszahúzódott, látens állapotban ott vannak minden természetes ökoszisztémában. Életre hívásuk, „munkára fogásuk” nem csak lehetősége, hanem kötelessége is az embernek. Meg kell találni a módját a lebontó szervezetek aktívabb, célirányos felhasználásának, éppen az egyre szaporodó hulladék hasznos feldolgozásában. Ez a bolygatatlan ökoszisztémákban nem, vagy csak korlátozott mértékben sikerülhet, mert ezek terhelhetősége a számtalan befolyásoló tényező meghatározott keretek között tartja. De az ember által kialakíthatók olyan mesterséges ökológiai rendszerek, amelyek hulladék-feldolgozó képessége sokszorosan meghaladhatja a természetes rendszerekét.

Ismerni kell és figyelembe venni az ökoszisztéma szerkezetét, a benne lezajló kölcsönhatások törvényszerűségeit, mert nem lehet egyoldalú beavatkozással elérni a célt. Ezek figyelmen kívül hagyása a szabályozó mechanizmus felmondja a szolgálatot, az ökoszisztéma szerkezete összeomlik, egyensúlya felborul: az ökoszisztéma elpusztítása következik be.

A pusztulás lehet: talajerózió, víz- és légszennyezés, mérgezési tünetek, tömeges halpusztulás stb. Ilyenkor a káros változások okát kell megkeresni és ennek alapján a változásokat a helyes irányba terelni. Ez azonban jelentős emberi és anyagi ráfordítást igényel, sokkal kézenfekvőbb az ésszerű megelőzés, az ökológiai ismeretek felhasználásával.

Az ökoszisztéma egyik sajátossága a tűrőképesség, amely a kedvezőtlen változásokat – bizonyos határokon belül – kompenzálni képes. Ha az emberi beavatkozás nem radikális, akkor az ökoszisztéma kiheveri azt, regenerálja önmagát. Akkor következik be környezetromlás, ha nem ismerjük a tűréshatárt, vagy túlbecsüljük azt, tevékenységünkkel az ökoszisztémát ezen a határon túl terheljük. Ennek elkerülése érdekében a termelés és a környezetkímélés szempontjait egyaránt érvényesítő ökológiai optimalizálásra kell törekedni.

Közegészségügyi kérdések

A talajon való szennyvíztisztítás közegészségügyi kérdéseinek körébe tartoznak:

  1. a bakterológiai ágensek és a betegségek esetleges bekerülése a magasabb rendű biológiai fajokba, köztük az emberbe;

  2. a kemikáliák, amelyek bekerülhetnek a talajvízbe és elfogyasztás esetén egészségügyi kockázatot képezhetnek, valamint

  3. a takarmányok, amikor gabonafélék öntözését végzik az elfolyó szennyvízzel.

Bakterológiai ágensek

A fertőző baktériumok és vírusok levegőben való szétszóródása, illetve a talajon és a talajban való túlélése, valamint az ott dolgozó munkásokra való hatása – különös figyelmet érdemel. Fontos leszögezni, hogy a szennyvízzel a földekre kijuttatott patogén szervezetek és az ezek által az állatokban, illetve az emberben esetleg kialakuló betegségek csak egy igen hosszú és összetett folyamat révén vezet járványhoz. Mindemellett a megelőző óvatossági intézkedéseket meg kell tenni az esetleges betegség terjesztés elkerülése érdekében.

Ez különösen fontos, amikor tisztított szennyvíz szórófejes öntözése történik, a cseppfertőzés terjedhet a széllel. A megfigyelések alapján általánosságban elmondható, hogy a baktériumok széllel való terjedése fokozódik a levegő magasabb relatív páratartalmával, a nagyobb szélsebességgel, az alacsonyabb hőmérséklettel, valamint a csökkenő ultraviola sugárzással.

Ahhoz, hogy minimalizáljuk a közegészségügyi kockázatot, illetve hogy megállapítsuk a szükséges védőtávolságot, minden egyes esetben külön-külön kell mérlegelni (1) az emberek helyszínre való bejutásának mértékét, (2) az öntözött terület méretét, (3) a védőzóna, a fásítás, a bokorültetés lehetőségét és (4) a jellemző időjárási viszonyokat. Az utaktól, a kerítésektől és az épületektől való tipikus távolság az USA-ban 15-60 m.

Talajvízminőségi kérdések

Az USA-ban azoknál az (elsősorban a lassú és gyors beszivárogtató) rendszereknél, ahol a szennyvíz egy része átszűrődhet a talajvízhez, mely tényleges vagy potenciális ivóvízbázisként szolgál, a tervezést és a működtetést úgy kell végezni, hogy a befogadó talajvíz minősége mindig jobb legyen a hatóság által az ivóvíz minőségére meghatározott határértékeknél.

Mivel a nitrát a csecsemők methemoglobinémia (kék babák) betegségének az okozója, a nitrát-nitrogén határérték koncentrációját 10 mg/l-ben szabta meg a legfőbb ivóvizes jogszabály.

A természetes rendszereknél előforduló nehézfémek nem jelentenek veszélyt a felszín alatti vizek tekintetében, mivel a nehézfémek rendszerint kiszűrődnek a talaj legfelső néhány 10 cm-es rétegében, a kémiai kicsapódás, illetve az adszorpció révén, még gyors beszivárgás és nagyobb hidraulikai terhelések esetén is. A hosszú ideje működő ún. szennyvízöntöző rendszereknél tett megfigyelések során azt találták, hogy nincs növekedés a talaj fém koncentrációjában, a normál mezőgazdasági területekhez viszonyítva.

A baktériumok eltávolítása igen összetett folyamat, amikor a szennyvíz a finomszerkezetű talajon halad át, de igen erőteljes lehet a durva szemcsés homokos talajoknál, melyeket a gyors beszivárogtató rendszereknél alkalmaznak. A töredezett kövek vagy a mészkő üregek viszont a baktériumok több száz méterre történő eljutását is biztosíthatják. Ezt a helyzetet azonban el lehet kerülni a helyszín kiválasztásának megfelelő geológiai vizsgálataival.

Nehézfémek akkumulációja

A nehézfémeket a természetes rendszereknél alkalmazott talaj és üledék visszatartja, melyekből azokat a növények képesek felvenni. Közegészségügyi szempontból az elsődlegesen figyelembe veendő fém: a kadmium. A kadmium képes feldúsulni a növényekben, és elérni egy olyan szintet, amely már az emberre és az állatokra nézve toxikus, a növényre nézve azonban az ún. fitotoxikus koncentráció alatti. Ennek következtében a kadmium az egyik fő korlátozó elem a szennyvíziszap talajon való elhelyezésénél, a megengedett iszap-terhelés számítása szempontjából.

Nehézfémek akkumulációja

A nehézfémeket a természetes rendszereknél alkalmazott talaj és üledék visszatartja, melyekből azokat a növények képesek felvenni. Közegészségügyi szempontból az elsődlegesen figyelembe veendő fém: a kadmium. A kadmium képes feldúsulni a növényekben, és elérni egy olyan szintet, amely már az emberre és az állatokra nézve toxikus, a növényre nézve azonban az ún. fitotoxikus koncentráció alatti. Ennek következtében a kadmium az egyik fő korlátozó elem a szennyvíziszap talajon való elhelyezésénél, a megengedett iszap-terhelés számítása szempontjából.

A szennyvíz talajon való elhelyezése esetén a kadmiumra nem kell különösebb figyelmet fordítani. Az ausztráliai Melburne 76 éven át üzemelő szennyvízelhelyező területének monitoring rendszerénél semmilyen kadmium akkumulációt nem tapasztaltak azokhoz a növényekhez képest, amelyeken nem történt szennyvízelhelyezés.

A többi potenciális szóba jöhető fém, vagy nem felvehető a növények számára (pl. az ólom), vagy a fitotoxikus (a növények tekintetében toxikus) koncentrációjuk sokkal alacsonyabb, mint az élelmiszerláncban kockázatot jelentő szint (pl. cink, ezüst és nikkel).

A természetes szennyvíztisztító eljárások tervezési célja többféle lehet: BOI5, lebegőanyag, nitrogén, foszfor, vagy nehézfém eltávolítás, esetenként ezek valamilyen kombinációja. A tervezés a meghatározó tervezési paraméter (MTP) (Limiting Design Paraméter, LDP) koncepción alapszik. Az LDP (MTP) az a jellemző, ami meghatározza a terhelés függvényében azt a legnagyobb területet, ami a rendszer hatékony működéséhez szükséges. Az igénybe vett földterület pedig ezeknek az eljárásoknak legfontosabb költségeleme. A 2. táblázatban a különböző rendszerekre vonatkozó LDP-k (MTP-k) láthatók. A táblázat alapján megállapítható, hogy a különböző rendszerek esetében eltérő szempontok határozzák meg a szükséges területet.

2. táblázat. Meghatározó tervezési paraméterek (MTP=LDP) néhány természetes szennyvíztisztító telepre

A különböző technológiák üzemeltetési paraméterei a hidraulikus terhelés, a tartózkodási idő, a szervesanyag-terhelés, a fajlagos felület, a befolyó és elfolyó víz minősége, valamint az eltávolítási hatásfok alapján hasonlíthatók össze. Ezekről paraméterekről a Szennyvíztisztítási technológiák I. kötetben már volt szó. A szennyvíz minőségét általában csak a fontosabb komponensekre vonatkozóan kell elemezni, ezek a következők:

A különböző technológiák üzemeltetési paraméterei a hidraulikus terhelés, a tartózkodási idő, a szervesanyag-terhelés, a fajlagos felület, a befolyó és elfolyó víz minősége, valamint az eltávolítási hatásfok alapján hasonlíthatók össze. Ezekről paraméterekről a Szennyvíztisztítási technológiák I. kötetben már volt szó. A szennyvíz minőségét általában csak a fontosabb komponensekre vonatkozóan kell elemezni, ezek a következők:

BOI5: Biológiai oxigénigény (ötnapos);

TSS: Lebegőanyag koncentráció;

TN: Összes nitrogén koncentráció;

TP: Összes foszfor koncentráció.

Összefoglalás

A természetes szennyvíztisztítás során ugyanazt a tisztítási hatásfokot kell elérni, mint a hagyományos többfokozatú eljárások során. Ahhoz, hogy ezt teljesíteni lehessen, több szempontot kell figyelembe venni: szennyvíz fizikai, kémiai paraméterei; mennyisége, alkalmazott technológia, talaj szerkezete, begogadó tulajdonságai, stb.

A megfelelően tervezett, létesített és üzemeltetett természetközeli szennyvíztisztító igen hatékony a patogén mikroorganizmusok eltávolításában, ezért alkalmazásuk esetén általában nincs szükség fertőtlenítésre.

A növényi tápanyagok (nitrogén és foszfor) eltávolítási mértéke részben az alkalmazott természetközeli szennyvíztisztítási technológiától függ, részben az adott technológián belül az egyes típusoktól, illetve a tervezés, és nem utolsó sorban a gondos üzemeltetés minőségétől.

Ellenőrző kérdések és feladatok

Kérdések

  1. Milyen környezeti hatásai vannak a nitrogénnek és a foszfornak?

  2. Melyek az algásodás környezetvédelmi és egészségügyi következményei?

  3. Milyen lehetőségek vannak a különböző szennyezőanyagok eltávolítására?

  4. Miben nyilvánul meg a talaj természetes szennyvíztisztító hatása?

  5. Milyen közegészségügyi hatásai vannak a természetes szennyvíztisztítási eljárásoknak?