Ugrás a tartalomhoz

Szennyvíztisztítási technológiák II.

Dr. Simándi Péter (2011)

Szent István Egyetem

6. fejezet - Természetközeli szennyvíztisztítási technológiák csoportosítása

6. fejezet - Természetközeli szennyvíztisztítási technológiák csoportosítása

Bevezetés

E tanulási egységben bemutatásra kerülnek a természetközeli szennyvíztisztítási technológiák csoportosítása. A definíció megfogalmazásában és csoportosításukban nincs teljes összhang a kutatók között, de abban megegyeznek, hogy az ökoszisztémák hordozói alapján két nagy csoportba lehet osztani azokat: vízben és talajon kialakult rendszerűek. Természetesen ezen belül további felosztások lehetnek.

Követelmények:

  • ismerje meg a természetközeli szennyvíztisztítási technológiák csoportosítását, működésük elvi alapjait;

  • tanulja meg a szilárd hordozójú rendszerek típusait, tulajdonságait;

  • tudja a vizes rendszerek típusait, működésüket.

Mint korábban már említésre kerültek a természetes szennyvíztisztítás előnyei: olcsó beruházás-igényű, külső (emberi) beavatkozás nélkül megy végbe természetes folyamatok révén a tisztítás, melyhez a tápanyagokat maga a szennyvíz szolgáltatja. A biológiai és kémiai tisztítás együttesen történhet stabilizációs tavakban, halastavi hasznosítás úján, növénytelepes tisztítás vízinövényekkel, mezőgazdasági hasznosítással egybekötve (öntözés, fás kultúrák öntözése).

A természetes tisztítási eljárások minősítését, versenyképességüket egymással, és a hagyományos tisztítás technológiával szemben az alábbi fontosabb tényezők befolyásolják:

  • az eljárások üzemeltetési paraméterei (pl. hidraulikus terhelés, tartózkodási idő, szervesanyag-terhelés, fajlagos területigény, stb.);

  • az elfolyó víz minősége, eltávolítási hatásfok a fontosabb komponensek esetében;

  • az előzőekből következő beruházási, működési és fenntartási költségek, valamint a fajlagos tisztítási költség;

  • egyéb szempontok (esztétikai, közegészségügyi és környezetvédelmi, stb.).

Természetközeli szennyvíztisztítás (természetes szennyvíztisztítás): olyan szennyvíztisztítási megoldás, melynek során a baktériumok lebontó tevékenységét és a növények tápanyagfelvételét, valamint a kialakuló komplex szárazföldi vagy vízi ökoszisztémát használják ki többletenergia, ill. vegyszer hozzáadása nélkül. Ezeket passzív technológiáknak is nevezik.

Előnyei:

  • környezetbarát technológiák;

  • építési, működtetési és fenntartási költségük alacsony;

  • energiaigényük kicsi;

  • hatékony működtetésük különleges szakképzetséget nem igényel;

  • szélsőséges üzemelési körülmények között is képesek működni;

  • más célokra nem használható területeken is kialakíthatóak;

  • esztétikusak.

Hátrányai:

  • nagy a területigényük (a hosszú tartózkodási idő miatt);

  • speciális követelmények (topográfia, talajtípus) merülhetnek fel;

  • előfordulhat a tisztítási hatásfok szezonális változása, ez nehézségeket okozhat az elfolyó paraméterekre vonatkozó vízminőségi előírások folyamatos betartásában;

  • beüzemelésük hosszú időt vehet igénybe (főként mesterséges lápok esetében);

  • az esetleges kivitelezési hibák sokáig rejtve maradhatnak.

A hagyományos szennyvíztisztítási technológiák esetében a szerves anyagok lebontását baktérium szuszpenzió végzi, a szükséges oxigénmennyiséget levegőztetéssel viszik be a rendszerbe. Ez az energiaigényes intenzív szennyvíztisztítás teszi lehetővé a tartózkodási idő csökkentését, ezáltal a szükséges műtárgy térfogat és a beruházási költségek csökkentését is.

A természetes tisztítási technológiákra a változatosság, sokszínűség jellemző. A különböző módszerek azonban lényegüket illetően sok tekintetben hasonlítanak egymáshoz. Ezekben a rendszerekben a szerves anyagok lebontását szintén baktériumok végzik, amik vagy a vízben szuszpendálva, vagy hordozón (talaj, homok, vízinövények gyökérzete) megtelepedve helyezkednek el. A szerves anyag oxidálásához szükséges oxigén diffúzióval, a makrofiták aerenchimájának aktív oxigéntranszportjával, vagy az algák fotoszintézise révén jut a rendszerbe. Ez az oxigén-utánpótlás azonban lassúbb folyamat a levegőztetésnél, ezért a természetes szennyvíztisztítókban nagyobb tartózkodási idő szükséges a megfelelő minőségű tisztított víz előállításához, ennél fogva helyigényük is nagyobb a hagyományos eljárásokénál.

A természetes szennyvíztisztítóknak számos típusa van. Általában két csoportot szokás megkülönböztetni:

  • szilárd hordozó alapú rendszereket, és

  • víz alapú rendszereket.

A szilárd hordozójú szennyvíztisztítási eljárások az alábbiak:

  • szennyvízszikkasztás;

  • szennyvízöntözés;

  • talajszűrés vagy homokszűrés;

  • rapid infiltráció;

  • gyökérzónás tisztítás.

Ezeknél az eljárásoknál az üzemi vízszint a felszín alatt van, a tisztítást a hordozón megtelepedett baktériumok végzik. A különbség az eljárások között abból adódik, hogy a tisztításban makrofiták részt vesznek-e sem, illetve mekkora a megengedhető fajlagos terhelés.

A vizes rendszereknek az alábbi típusok nevezhetők:

  • csörgedeztetéses rendszer;

  • stabilizációs tó;

  • lagúnás szennyvíztisztítás;

  • úszó vagy lebegő vízinövényes szennyvíztisztítás;

  • nádastó (természetes vagy mesterséges).

Ezeknél a szennyvíztisztító típusoknál az üzemi vízszint a felszín alatt van. A szennyvíztisztításban aktívan részt vesznek vízinövények (algák vagy makrofiták).

Amint az látható, a két fő csoport között folyamatos az átmenet, a vízszint-emeléssel eljuthatunk a szilárd hordozójú eljárásoktól a vízalapú eljárásokig. A tisztított szennyvíz minőségének javítása érdekében a tiszta típusok helyett gyakran alkalmaznak kombinált rendszereket.

A két típuscsoport között vannak hasonlóságok és különbségek a tisztítási mechanizmusok tekintetében is. A szerves anyagok lebontása (BOI5 eltávolítás) mindkét csoportban bakteriális tevékenység eredménye. A nitrogéneltávolításban legfontosabb folyamat a denitrifikáció, de egyes típusoknál az algák (stabilizációs tó) vagy a makrofiták (gyökérzónás tisztítás, nádastó, úszó vízinövényes tisztítás) nitrogén felvétele is figyelembe vehető. A foszforeltávolítás mechanizmusa hosszabb időléptékben az adszorpció illetve kemoszorpció, szezonálisan viszont a vízinövények foszforfelvétele is a fontosabb folyamatok közé sorolható. A két csoport közötti különbség a lebegőanyag eltávolításának mechanizmusa tekintetében éles. A szilárd hordozó alapú rendszerekben a szűrés a legfontosabb lebegőanyag eltávolítási folyamat, míg ugyanez a vizes alapú rendszerekben a kiülepedés.

A természetes szennyvíztisztítási eljárások közül több megvalósítható szigetelt rendszerben is. A meder agyag vagy műanyag fólia szigetelése ugyan jelentős beruházási költségnövelő tényező, azonban általa megakadályozható a talajvíz szennyezése, ezáltal környezetvédelmi szempontból elfogadhatóbb tisztítási technológia valósítható meg.

Egy lehetséges másik csoportosítást is ismertetek, néhány mondatban összefoglalva a főbb jellemzőket is.

Szárazföldi rendszer: a szennyvizet talajra eresztik a szennyezőanyagok vízből történő eltávolítása érdekében. A bonthatóakat a talajmikroorganizmusok elbontják, a fémeket és a perzisztens szerves anyagokat a talaj és/vagy a gyökérzóna kiszűri. Lehetőségei:

  • lassú beszivárogtatás;

  • szennyvíz-öntözés;

  • gyors beszivárogtatás;

  • csörgedeztetés;

  • szikkasztás.

Lassú beszivárogtatás: a szennyvíz növénnyel borított területen való elhelyezése. A tisztítás a víz talajon történő átszivárgása közben megy végbe (15. ábra).

15. ábra. Szennyvíz elosztása lassú beszivárogtatásnál: felszíni, árkos, permetező technika

Előnye az alkalmas talajok széles skálája, talajvíz visszapótlás.

Hátrányai:

  • a többi szárazföldi módszernél nagyobb területigény (a kisebb terhelések miatt);

  • talajvízszennyezés veszélye

Jellemzői:

  • hidraulikus terhelés 1-15 mm/nap;

  • szervesanyag-terhelés 50-500 kg/ha/nap;

  • nitrogénterhelés a növények szükségletétől függ;

  • elfolyó: BOI<2 mg/l, TSS<2 mg/l, TN<3 mg/l, TP<0,1 mg/l;

  • foszforeltávolítás fő mechanizmusa: adszorpció és kiülepedés;

  • víz területre vezetés technikája: felszíni, árkos vagy permetező.

Szennyvízöntözés: fő cél a növényzet (valamilyen haszonnövény) vízzel és tápanyaggal való ellátása, a szennyvíztisztítás másodlagos.

Előnyök:

  • alternatív vízforrás;

  • a tisztítási eljárás kombinálása a termeléssel;

  • a haszonnövények ellátása vízzel és tápanyaggal;

  • az adott terület mezőgazdasági értékének növelése;

  • a műtrágya szükséglet csökkentése

Hátrányok:

  • az öntözött növényekre mérgező hatású összetevők előzetes eltávolítása szükséges;

  • szigorú egészségügyi és környezeti szabályozások a lehetséges szennyeződésekre és mérgező összetevőkre.

Gyors beszivárogtatás: a tisztítás mechanizmusa nagyjából megegyező a lassú beszivárogtatáséval. A szennyvíz mindkét rendszerben fizikai, kémiai és biológiai folyamatokban vesz részt a talajban.

Előnyei:

  • más szárazföldi módszerekhez viszonyítva kis területigény;

  • hidegebb éghajlaton is alkalmazható;

  • talajvíz visszapótlás.

Hátrányai:

  • nyitott rendszer

Gyors beszivárogtatás jellemzői:

  • szennyvizet egy talajjal kitöltött földmedencébe engedik;

  • a szennyvíz a talajon való átszivárgás során tisztul meg;

  • talaj szemcseeloszlása fontos;

  • legjobb talajok a viszonylag durva textúrájúak (agyagos iszapok, iszapos homokok);

  • növényzet nincs - terhelés túl magas ahhoz, hogy a tápanyagfelvételnek jelentős hatása lehessen az eltávolításban;

  • rendszerint utótisztító, vagy mechanikailag előtisztított szennyvíz tisztítására használják;

  • 1-3 nap elárasztás, 5-10 nap száradás.

Videó: Beszivárogtatás

Csörgedeztetés: a szennyvíz egy megfelelő lejtésű, fűvel borított, teraszosított lejtőn folyik le. A tisztítási folyamatok a kiülepedés, a szűrés, az adszorpció valamint a mikrobiális átalakítás és lebontás (16. ábra).

16. ábra. Csörgedeztetés

Előnyök:

  • a lassú beszivárogtatásnál kisebb területigény a magasabb hidraulikai terhelés miatt;

  • előtisztításként csak szűrés szükséges,

Hátrányok:

  • megfelelő domborzati viszonyok szükségesek a kialakításához;

  • talajvízszennyezés veszélye.

Szikkasztás:

  • három részből állnak: előülepítő, oxidációs medence, felszín alatti elosztó csőhálózat;

  • hidraulikus terhelésük 0,4-4,9 cm/nap;

  • szerves anyag, lebegőanyag és a foszfor eltávolítása közel 100%-os;

  • az ammónia teljes mértékben nitrifikálódik, az összes nitrogén eltávolítása kb. 40%;

  • ritkán lakott területeken megfelelő megoldás.

Vízi rendszer: olyan szennyvíztisztítási mód, amelyben vízi növényeket és állatokat is használnak a tisztítás elérésére (17., 18. ábra).

A lagúnák és tavak: egy vagy több nyílt vízfelszínű, szigetelt medencéből állnak. Miközben a szennyvíz átfolyik rajtuk, a szennyezőanyagokat mikroorganizmusok lebontják.

A lagúnák és tavak lehetnek:

  • anaerob;

  • aerob;

  • levegőztetett;

  • úszónövényes.

Anaerob lagúnák és tavak jellemzői:

  • átlagos mélység 2,5-5 m; tartózkodási idő 20-50 nap;

  • savképződés és anaerob bontás;

  • erősen terhelt ipari és mezőgazdasági szennyvizekre alkalmazhatók.

Aerob lagúnák és tavak jellemzői:

  • sekélyek (30-60 cm), tartózkodási idő 2-6 nap;

  • oldott oxigén tartalom: algák fotoszintézise és a felszín átlevegőzése miatt.

    17. ábra. Lagúna

    18. ábra. Nádastó

Levegőztetett lagúnák és tavak jellemzői:

  • mélysége 2-6 m, tartózkodási idő 3-10 nap;

  • mechanikai levegőztetés vagy diffúzió.

Úszónövényes lagúnák és tavak jellemzői:

  • a szennyvizet olyan medencékbe vezetik, ahol szabadon úszó növények vannak a víz felszínén. A tisztítás fizikai, kémiai és biológiai folyamatok során történik, ezek a nitrifikáció, a denitrifikáció, az ammónia elpárologtatás, a növényi felvétel és a kiülepedés;

  • növények: békalencse, vízi jácint;

  • nyers szennyvíz és elsődleges kifolyó is tisztítható, vagy felhasználható másodlagos vagy akár harmadlagos tisztításra is.

Mesterséges lápok: olyan területek, ahol elegendő hosszú ideig van a vízszint a talaj felszínén, vagy a fölött ahhoz, hogy a talaj folyamatosan vízzel telített állapotban legyen és a területen vízi-mocsári növényzet fejlődhessen. Két változata ismeretes:

  • gyökérzónás: egy szigeteléssel ellátott medencéből vagy csatornából áll, amelyet porózus anyaggal töltenek ki. Ebben vízimocsári növényzet nő. A víz szintje megfelelő működés esetén a felszín alatt marad. Az áramlás iránya vízszintes, vagy függőleges lehet;

  • szabad felszínű az előzőhöz hasonlóan egy szigeteléssel ellátott medencéből vagy csatornából áll, amelynek talajában vízi-mocsári növényzet nő. A rendszeren kis mélységű víz folyik át, nyílt felszínnel.

A gyökérzónás rendszerekben (nevezik nádágyas, gyökérmezős, talajszűrő árkos módszernek is):

  • a szennyvíz a rhizómákkal sűrűn átszőtt talajon történő átfolyás során tisztul meg;

  • a növényi tápanyagok eltávolítása növényi felvétel, talajszemcsékhez kötődés és biológiai folyamatok során megy végbe;

  • a szerves anyagok eltávolításában biológiai folyamatok vesznek részt;

  • lebegőanyagok eltávolítása szűréssel történik.

Előnyök:

  • magas BOI és TSS eltávolítás;- szag és fertőzésveszély kicsi;

  • jó oxigénellátottság a növények által.

Hátrányok:

  • lassan fejlődik ki a növényzet;

  • eltömődés veszély.

Növények: nád, gyékény, sás.

Szabad felszínű mesterséges láp

Előnyei:

  • a szennyezőanyagok eltávolítása a talajhoz és a növényi hulladékhoz kötődés által;

  • a szennyezőanyagok mikroorganizmusok általi átalakítása és lebontása;

  • helyi anyagokból, vagy azok felhasználásával építhetőek;

  • tájba illeszkednek és teret nyújtanak az élővilágnak-

Hátrányai:

  • hideg időben hatásfokcsökkenéssel kell számolni;

  • hosszú beüzemelési idő (míg a növényzet ki nem fejlődik, a hatásfok nem teljes).

Egy másik csoportosítás a tisztításra felhasznált anyagi hordozók alapján történik, mely szerint a természetközeli szennyvíztisztítási technológiák a következőek:

vizes rendszerűek:

  • csörgedeztetés (overland flow);

  • szennyvíztisztító tavak;

  • ülepítő (anaerob) tavak;

  • nem levegőztetett (fakultatív tavak);

  • levegőztetett (aerob) tavak;

  • utótisztító tavak;

  • úszó- vagy lebegőnövényes, élőgépes (Living mashines) szennyvíztisz-títás;

  • természetes vagy mesterséges nádastó (wetland).

Szilárd hordozójú rendszerűek:

  • szikkasztás;

  • öntözés: mezőgazdasági területen, erdőn;

  • homok vagy talajszűrés;

  • gyors beszivárogtatás;

  • gyökérzónás/növényágyas szennyvíztisztítás.

Általában a különböző kutatók/szerzők eltérő szemléletű csoportosítást alkalmaznak, de lényegében többé-kevésbé mindegyik szerepelteti a fenn felsoroltakat.

Pl. Vermes L. a Hulladékgazdálkodás, hulladékhasznosítás című tankönyvében a hulladékhasznosító ökoszisztémákra fekteti a hangsúlyt. Megállapítja, hogy a témával foglalkozó szakemberek a „(…) szerves eredetű és összetételű hulladékok természetes elemekből álló, de mesterségesen irányított ökológiai rendszerekben való ártalmatlanítását és hasznosítását sürgetik (...)”.

Megjegyzi, hogy a világ számos országában a témában folyó kutatások jelentős részének végső célja ilyen ökológiai rendszerek kialakítása és fejlesztése.

Két nagy csoportot határoz meg:

  • a vízben (víz-növény-állat) és

  • a talajon/talajban (talaj-növény-állat) kialakult ökoszisztémák.

3 folyamatábrával lehet alátámasztani a fentieket (19., 20., 21. ábrák).

19. ábra. Szennyvíztisztítás, elhelyezés és hasznosítás vízi- és talajrendszerekben. Technológiai alapséma

20. ábra. Szennyvíztisztítás, elhelyezés és hasznosítás vízi- és talajrendszerekben. A változatok és kombinációk alapesetei

21. ábra. Szennyvíztisztítás, elhelyezés és hasznosítás vízi- és talajrendszerekben. A változatok és kombinációk alapesetei

Más szerzők az alábbi csoportosítást használják, melyek egyben a Magyarországon alkalmazásra javasolt természetközeli szennyvíztisztító rendszerek (lsd.: 1. ábra):

  • tavas rendszerek;

  • faültetvényes talajbiológiai rendszerek;

  • épített vízinövényes rendszerek;

  • a kombinált természetközeli rendszerek.

A következő tanulási egységek részletesen tárgyalják ez utóbbi természetközeli szennyvíztisztító rendszereket, éppen azért, mert Magyarországon jelenleg ezek a technológiák találhatók meg.

Összefoglalás

A természetközeli szennyvíztisztítási típusokat összefoglalva így lehet csoportosítani:

  1. Növényzet nélküli tavas rendszerek:

    1. tórendszer levegőztetés nélkül,

    2. tórendszer mesterséges levegőztetéssel.

  2. Növényzetes tavas rendszerek (ún. épített wetland-ek)

  3. Faültetvényes talajbiológiai tisztítás = Nyárfás szennyvízelhelyezés

  4. Sorba kötött 2-3 féle természetes eljárás

1. Növényzet nélküli tavas rendszerek: vízben élő mikroszervezetek (gombák, baktériumok, algák) lebontó tevékenységének következtében fokozatosan végbemegy a szennyvíz szervesanyagainak lebontása, mineralizálása, stabilizálása.

Alkalmazás:

  • kedvezően és gazdaságosan használhatók, ahol elegendő terület áll rendelkezésre és megfelelőek az éghajlati viszonyok is,

  • célszerű: telepre érkező vízmennyiség nagymértékű ingadozása várható (pl. üdülőterületek).

Legkedvezőbbek: a sorbakötött tavas rendszerek, amelyek általában 3 lépcsőből állnak: anaerob tó, fakultatív tó és utótisztító aerob tó.

2. Növényzetes tavas rendszerek (ún. épített „constructed” wetland-ek)

Fő jellemző: szigetelt rendszerek

Típusai a növény élettere szerint csoportosíthatóak:

  • mocsári növényes,

  • lebegő hínáros,

  • hínáros.

Mocsári növényes rendszerek a víz áramlási iránya szerint:

  • vízszintes áramlás,

  • függőleges áramlás,

  • mindkettő irányba történő áramlás.

Mocsári növényes rendszerek a víztest elhelyezkedése szerint:

  • felszín feletti átfolyású, (SVF v. Free water surface system),

  • felszín alatti átfolyású, (FA-rendszer v. gyökérzónás ill. -mezős).

  • a kettő kombinációja, átszivárgásos.

A lebegőanyagok, szerves szennyező anyagok, különböző nitrogén vegyületek, foszfor, nyomelemek, szerves mikroszennyezők és mikroorganizmusok a természetben lejátszódó biológiai, kémiai és fizikai, ill. ezek együttes hatására bomlanak le, alakulnak át, épülnek be a növényekbe vagy kötődnek meg a rendszer különböző alkotóin.

Ellenőrző kérdések és feladatok

Kérdések

  1. Csoportosítsa a természetközeli szennyvíztisztítási eljárásokat!

  2. Mi jellemző a szárazföldi rendszerekre?

  3. Mik a fő csoportjai és tulajdonságai a vízi rendszereknek?

  4. Mik a mesterséges lápok és jellemző tulajdonságaik?

  5. Milyen technológiákat ismer a vízi- és talajrendszerekben történő szennyvíztisztítás, elhelyezés és hasznosítás alkalmazása során?