Természet közeli víztisztítás

Sallai László, Molnár Tamás, Fodor Dezso

SZTE MGK, Takarmányozástani és Muszaki Intézet

1. Bevezetés, célkituzés 2. Természet közeli szennyvíztisztítási technológiák 2.1. Szennyvíztisztító tavak és lagúnák 2.2. Felszíni csörgedezteto rendszerek 2.3. Gyors elszivárogtató rendszerek 2.4. Szántóföldi ártalmatlanítás 2.5. Természetes mocsarak 2.6. Felszíni átfolyású épített mocsarak 2.7. Integrált természet közeli tisztító rendszerek 2.8. Gyökérzónás rendszerek 3. A szennyezoanyag eltávolítás 3.1. A víz megtisztulásának folyamatai 3.2. A víz homérsékletének hatása 4. Vízszintes és függoleges átfolyású víztisztító rendszerek összehasonlítása 4.1. Oxigén 4.2. A kémhatás (pH) 4.3 Nitrát eltávolítás 5. A gyökérzónás szennyvíztisztító rendszerek kialakítása 5.1. A töltet anyaga 5.2. Bemeneti és kimeneti szerkezetek 5.3. Szigetelés 5.4. Növényzet 5.5. A telepítés 6. Összefoglalás 7. Javaslatok 8. Irodalomjegyzék
Environment friendly sewage water treatment technology Laszlo Sallai, Tamas Molnar, Dezso Fodor SZTE MGK Science of Nutrition and Engineering Institute
Abstract There are several different ways to treat the sewage water. The present practice to drainage from each other long distance situated setlements, to get subsidy for the local authorities, but the running of these very expensive and not environment friendly. Dealing with the treatment of kommunal sewage water is our important interest, in the second place we have to fullfeel the environmental standards in connection with the joining to the European Union. In our country there are many half ready made plans in the case of villages counting drainaging with one bigger setlement’s sewage water treatment plant transporting the wastewater through 10-20 km. According to sustainableity analysis this solutions produce enormous invironmental deficit. Int he case of small setlements is a manifest solution the environment friendly sewage water treatment technology, inside it the utilisation of the constructed wetland technology(reedbed, cottonwood systems). These plants are offered first of all for setlements under 2000 inhabitants. They are more cost effective to install and simple and inexpensive to run compared with the conventional biological and mechanical purification plants. Compared with these widespred artificial technologies the advantages of a ecological wastewater purification plant are the following: low investment costs (the sewage network is necessary of course); low maintainance and running costs(there is no energy consumption in the purification; there is no utilisation of chemicals and no secundary sewage sludge; landscape fit, environmental installation.
Kivonat A szennyvizet sokféleképpen lehet kezelni. A jelenlegi gyakorlat, hogy összecsatornáznak egymástól távolabb eso kistelepüléseket, hogy az önkormányzatok támogatáshoz jussanak, de ezek üzemeltetése természetesen többletköltséggel és környezeti terheléssel jár. A kommunális szennyvíz kezelésével elsosorban saját jól fel fogott érdekünk, másodsorban az Európai Unióhoz való csatlakozásunk környezetvédelmi eloírásainak teljesítése kapcsán kell foglalkozni. Hazánkban számtalan, többé-kevésbé kidolgozott terv létezik a kistelepülések esetében, amely a keletkezo kommunális szennyvíz akár 10-20 kilométeres utaztatásával számol egy-egy nagyobb település tisztítójába való becsatornázással. A fenntarthatósági elemzések szerint ezek azonban hatalmas környezeti deficitet mutatnak. Kistelepülések esetében kézenfekvo megoldás az ún. természet közeli szennyvíztisztítási technológia, ezen belül pedig a gyökérzónás (nádas illetve nyárfás) tisztítók alkalmazása. Elsosorban kétezer fo alatti települések számára ajánlottak. A megvalósítást és az üzemeltetést tekintve költségkímélobbek, mint a hagyományos biológiai-mechanikai tisztítók. Ezen elterjedt muvi technológiákkal összehasonlítva egy természet közeli szennyvíztisztító az alábbi elonyökkel rendelkezik: alacsony beruházási költség (a települést nyilván itt is csatornázni kell), csekély üzemeltetési és karbantartási költség (a tisztítóban nincs energiafelhasználás), nincs vegyianyag-felhasználás és nincs másodlagos szennyvíziszap, tájbaillo, környezetbarát muszaki létesítmény. 1. Bevezetés, célkituzés A környezet állapotának átfogó javítása Magyarországon is fontos szempont mind az ember, mind más élolények életkörülményeinek fenntartása illetve javítása céljából különösen az Európai Uniós csatlakozással járó elvárások ismeretében. Az utóbbiak foleg a hulladékkezelésre és a szennyvíztisztításra koncentrálnak. A szennyvizek tisztításának nagyarányú fejlodése volt tapasztalható az 1950-es évektol kezdve, ekkortól számos szennyvíztisztító telep épült hazánkban is. E felfutás elso évtizedeiben a hangsúly foleg a megtisztított víz mennyiségén volt, de az ekkor létesült tisztítómuvek nem mindig tudták azt a vízminoséget produkálni, melynek a befogadóba történo engedése nem változtatja meg lényegesen annak minoségi paramétereit. Másrészt ezek általában a nagyobb településekhez kötheto költséges nagy beruházások voltak, melyek ugyan az érintett város szennyezés kibocsátását jelentosen csökkentették, ám az ezek rendszereibe be nem kapcsolható, távolabbi kistelepülések számára nem bizonyultak követheto példáknak. Az alacsony népességu települések kisebb költségen megvalósítható, egyszeruen és kis költséggel üzemeltetheto szennyvíztisztító technológiát igényelnek. Mivel ezek nem valósultak meg jelentos számban, a kistelepülések a csatornázottság és a hozzá kapcsolódó szennyvíztisztítás tekintetében számottevoen lemaradtak. Aktuálissá vált tehát egy, az elobbi kívánalmaknak megfelelo hatékony és elérheto, hazánk viszonyaihoz adaptált tisztítási technológia kifejlesztése, illetve átvétele. A hazai gyakorlatban is megjelent már néhány kísérleti jellegu, ill. prototípusként megvalósult, természetes vagy telepített nádasokat alkalmazó gyökérzónás típusú tisztító telep, sot hatásfokukról és muködésük részleteirol már vannak értékelt adatok. 2. Természet közeli szennyvíztisztítási technológiák A természet közeli és a hagyományos (eleveniszapos) szennyvíztisztítási technológiák alapjában véve a felhasznált energia forrásában, és a technológia kiépítéséhez és üzemeltetéséhez felhasznált anyagokban különböznek. A hagyományos eljárásnál a nem megújuló energiák használata a meghatározó. Habár a szennyezo anyagok ártalmatlanítása természetes biológiai folyamatokon alapul, a reaktor tartály betonból készül, a folyamatokhoz pedig gépi keverést, mesterséges levegoztetést és vegyszereket is használnak. A természet-közeli szennyvízkezelési eljárások megújuló energiákat hasznosítanak (napsugárzás, szélenergia, vízenergia), kialakításuknál pedig minimális mennyiségu mesterséges anyagot (HDPE fólia, beton, stb.) használnak fel. A természet közeli technológiák rendszerint területigényesebbek, a hagyományos technológiák pedig energia igényesebbek (Pásztor 2003). 2.1. Szennyvíztisztító tavak és lagúnák A tavas rendszerek a legrégebbi és egyben a legelterjedtebb tisztítási technológiák közé tartoznak. A tavak lehetnek passzív jelleguek, megújuló energiaforrással muködok, vagy mesterségesen levegoztetett, szigetelt medence kialakításúak. Az un. fakultatív tavak úgy vannak kialakítva, hogy a víz felso része aerob az alsó része pedig anaerob legyen. A természetes levegoztetés az oxigén diffúziójának és a vízben élo algák oxigén termelésének köszönheto. Az átlagos biológiai oxigén igény (BOI5) 14- 50 kg BOI/ha naponta, 80-180 napos tartózkodási ido mellett. Celluláris tószerkezettel, vagy a víz alatt elhelyezett terelo lemezek segítségével növelhetik a tényleges tartózkodási idot. A tavak mélységét 1,2- 2,5 méter között választják meg. A megfeleloen üzemelo tavas szennyvíztisztítók jó eredményeket mutatnak BOI5 csökkentésben, de a szükségszeruen jelenlevo algák miatt a lebegoanyag tartalom igen magas az elfolyó vízben. A tavaknak van nitrogén (TN) eltávolító képessége, de foszfor (TP) eltávolításra csekély mértékben alkalmazhatók (IWA 1995). A tavas és lagúnás szennyvíztisztítók kialakítása és muködtetése ugyan egyszeru, de a hosszú tartózkodási ido miatt a területigényük nagy. Ez az eljárás az eleveniszapos technológia átmeneti kiváltásában, különösen a nagyobb kapacitás tartományban figyelembe veheto megoldás, de helyette inkább az igényesebb kivitelezésu egyéb eljárások alkalmazása célszeru (pl. gyors homokszurés, nádastó stb.). A tavas rendszerek megfelelo terhelés esetén jól nitrifikálnak és denitrifikálnak, ebben a tekintetben a gyökérmezos telepeknél jobbnak bizonyulnak (Somlyódy 2002). 2.2. Felszíni csörgedezteto rendszerek A felszíni csörgedezteto módszernél, kis permeabilitású talajon kialakított lejtos teraszokra, azok legmagasabb pontjára, szakaszosan adagolják be az elokezelt szennyvizet. A szennyvíz nem szivárog be a talajba, hanem lassan (a felületen szétterülve) a gravitáció hatására a dús növényzeten keresztül lecsorog az alsó gyujtocsatornába. A lebego anyagok egy része eközben leülepszik, az oldott szennyezok pedig adszorbeálódnak a növények és a talajszemcsék felületén. A tisztítandó vizet napi 8-12 órán keresztül engedik a területre, majd a pihentetési periódusban a mikroorganizmusok lebontják (oxidálják) a vízbol kivált szerves anyagokat. A tápanyagok (N, P) beépülnek a biomasszába, átalakulnak nitrifikációs folyamatban vagy a talajban megkötodnek. Egy átlagos csörgedezteto rendszer hossza 30- 60 m , meredeksége pedig 1-6 %. Ezen tisztítóknál gyakori probléma a megfelelo, életképes vegetáció fenntartása és az egyenletesen szétterülo lefolyás biztosítása. A tisztítás hatásfoka lebego anyagokra nem kielégíto (IWA 1995). 2.3. Gyors elszivárogtató rendszerek Ezek a nagy terhelhetoségu tisztítók jó áteresztoképességu talajokon alakíthatók ki. A tisztítandó vizet szakaszosan adagolják egy kis méretu sekély gödörbe. A víz onnan elszivárog megemelve a talajvíz szintjét a medence alatt. A talaj permeabilitása gépi talajlazítással vagy növények beültetésével tartható fenn. A tisztítás hatékonysága limitált, az oldott szennyezok mennyisége nem vagy alig csökkentheto. Viszont a lebego szerves anyagok és a tápanyagok egy része jól eltávolíthatók ezzel a módszerrel. Az aerob talajrétegben a redukált nitrogén vegyületek nitráttá alakulnak, így megnövelhetik a talajvíz nitrát tartalmát. A kis terület- és energia-igénye miatt, ha a helyi szabályozás és egyéb körülmények lehetové teszik, akkor ez lehet az egyik leggazdaságosabb szennyvízkezelési eljárás (Somlyódy 2002). 2.4. Szántóföldi ártalmatlanítás Ennél a módszernél a szennyvizet öntözo rendszerrel juttatják ki mezogazdasági területre vízkezelés és végleges elhelyezés céljából. Az öntözést csak szünetek beiktatásával lehet végezni, hogy a talaj aerob rétege regenerálódni tudjon és, hogy a szárazföldi növények meg ne „fulladjanak”. A területre rendszerint valamilyen takarmánynövényt, füvet, hüvelyeseket, gabonát vagy fákat ültetnek. A termények begyujtésével és a learatásával a beépült tápanyagok egy része eltávolítható a területrol. Az átlagos hidraulikus terhelés 0,15-1,6 cm/nap. A talaj csövezésével ez az érték növelheto, de ez nagyon költségesé teszi az eljárást. A nagy területigény, a csatornázási és szivattyúzási költségek miatt a legdrágább természet közeli tisztítási módszerek egyike (Reed 1995). 2.5. Természetes mocsarak A szennyvíz kezelésére többnyire csak azok a természeti területek alkalmasak, amelyeknek a vegetációja teljesen alkalmazkodott a rendszeres elárasztáshoz. Ezek a területek azonban rendszerint valamilyen védelem alatt állnak, ezért ezek terhelése nem, vagy csak elokezelt szennyvízzel megengedett. A természetes élohelyek szennyvízkezelésre történo felhasználása, a legolcsóbb eljárás mind a kiépítés mind az üzemeltetés szempontjából. Az üzemeltetési költségek foként a környezeti monitoringra fordítódnak (IWA 1995). 2.6. Felszíni átfolyású épített mocsarak Ezt a technológiát gyakran említik szabad (nyílt) vízfelszínu szuromezo (free water surface constructed wetland), vagy nádastó néven is. A szabad vízfelszínu rendszerek egy sekély vízzel töltött medencébol (amelynek medre gyökeres növények számára alkalmas táptalajjal van bélelve) és egy sekély vízszintet biztosító szerkezetbol állnak (1. ábra). Muködésük és kinézetük szerint természetes lápokra vagy mocsarakra emlékeztetnek. A víz mélysége néhány centiméter és egy méter között változhat. Az oldott és lebego szennyezo anyagokat tartalmazó befolyó szennyvíz a suru vegetáción keresztül nagy területen szétterjed. Az oldott formában lévo BOI, TN és TP megkötodik a talajban és a növényeken, vagy a mikroszervezetek révén átalakul. A lebego anyagok BOI, TN, TP tartalma pedig ülepedés vagy felületi megkötodés révén kerül ártalmatlanításra. A szabad vízfelszínu rendszerek jó hatásfokkal távolítják el a lebegoanyagokat (már az elso néhány méteren), a könnyen ülepedo szerves anyagok gyorsan kiszurodnek, leülepednek. Az oldott BOI lebontásáért a mikroszkópikus baktériumok és gombák a felelosek. A nitrogén a nitrifikáció és a denitrifikáció, valamint a növényi tápanyagfelvétel hatására ártalmatlanná válik. A foszfor eltávolítás adszorpció, abszorpció, komplexképzodés és kicsapódás (Fe, Al ionokkal) révén valósul meg. A leggyakrabban eloforduló növényfajok a szabad vízfelszínu rendszerekben: káka (Scripus sp.), csetkáka (Elocharis sp.), papirusz sás (Cyperus sp.), nád (Phragmites australis), gyékény (Typha sp.) (Botta 1984). A tisztítókba telepített növényeknek el kell viselniük a rendszeres elárasztást és a változatos összetételu és koncentrációjú szennyezoanyagok jelenlétét. A növények vízben való elhelyezkedése szerint megkülönböztetnek víz alatti, felszínen úszó és kiemelkedo fajokkal muködo szabad vízfelszínu mesterséges mocsarakat.

1. ábra Felszíni átfolyású épített mocsár vázlata (IWA 1995).
2.7. Integrált természet közeli tisztító rendszerek. A különbözo tisztítási technológiák sorosan, ill. párhuzamosan összekapcsolva jobb hatásfokúak lehetnek, és célirányosan alakíthatók a bejövo szennyvíz és a befogadók paramétereihez. Erre egy jó példa az NRCS (Natural Research Conversaton Service) egy tápanyag és üledék kezelo rendszere, amely öt sorba kapcsolt egységbol (2. ábra) áll: ülepíto medence, felszíni átfolyású egység, szabad vízfelszínu mesterséges mocsár, szennyvízkezelo tó és egy szekunder felszíni átfolyású tisztító (IWA 1995).

2. ábra Integrált vízinövényes tisztító rendszer (Maine USA, IWA 1995).
2.8. Gyökérzónás rendszerek Európában a természet közeli szennyvíztisztítási módszerek közül eloször a felszín alatti átfolyású rendszereket alkalmazták háztartási szennyvizek tisztítására. Ezek a rendszerek biztosítják a legstabilabb téli muködést, szaghatásuk minimális és a földalatti átfolyás miatt a legkisebb biológiai veszélyt jelentik. A gyökérmezos rendszerek alapvetoen nem nagy mennyiségu lebegoanyag kiszurésére alkalmasak, mert eltömodésre hajlamosak. A technológia egy biofilmes tisztító rendszerként fogható fel, aminek legfontosabb feladata az oldott szennyezo anyagok átalakítása és lebontása a biológiailag aktív filmfelületeken. A biofílm tápanyag és oxigén ellátását a hidraulikus terhelés biztosítja, ezért a hidraulikus és a fajlagos biológiai terhelésnek mindig egyensúlyban kell lenni. A gyökérzónás szennyvíztisztítóknál kulcsfontosságú az eloülepítés mértéke, mert így jelentosen csökkentheto a telepek biológiai terhelése. Továbbá a telepek vizsgálatánál fontos, hogy ha lehetoség van rá, akkor az ülepíto utáni szennyvíz megtisztulását értékeljük, mert annak koncentrációja többé-kevésbé kiegyensúlyozott. A befolyó szennyvízbol vett minták koncentrációja nagyon ingadozó lehet, és ez nagy mérési hibát okozhat. A gyökérmezos telepek csoportosítása A gyökérmezos telepeknek két csoportja van a víz áramlása alapján: a vízszintes és a függoleges átfolyású rendszerek. 2.8.1. Vízszintes átfolyású rendszerek A vízszintes átfolyású technológiában (3. ábra) a bejövo szennyvíz egy többé-kevésbé vízszintes síkban haladva szivárog át egy porózus tölteten (kavics, föld), majd annak végén összegyujtve, megtisztulva elvezetheto. A szennyvíz aerob, anoxikus és anaerob zónák rendszerén keresztülhaladva a következo tisztítási mechanizmusokon megy keresztül: mikrobiális lebontás, kémiai átalakulás, fizikai szurés. A leggyakrabban ültetett növényfajok: nád (Phragmites australis), pántlikafu (Phalaris arundinacea), vizi harmatkása (Glyceria maxima), gyékény (Typha sp.). A szerves szennyezok anaerob és aerob mikroorganizmusok segítségével egyaránt lebontódhatnak a gyökerek és az azokat hordozó közeg felületein. Az oxigén a levegobol diffúzióval és a gyökerek révén (a szár átszellozteto alapszövetén keresztül) kerül a talajba. A növényi gyökerek oxigén transzportja nem elegendo a teljes aerob lebontáshoz, ezért az anoxikus és anaerob folyamatoknak is nagy a jelentosége. Az ülepedo és lebego anyagok szurés és kiülepedés útján jó hatásfokkal távozhatnak el a szennyvízbol. A nitrogén koncentráció elsosorban nitrifikáció és denitrifikáció, másodsorban adszorpció, elillanás és növényi tápanyag felvétel útján csökken le. Az ammónia oxidációja (nitrifikációja) nitráttá a talaj oxigén tartalmának függvénye. Vizsgálatok kimutatták, hogy a növényi gyökerek nem tudnak megfelelo oxigén ellátást biztosítani, ezért a nitrifikáció nem lehet teljes a vízszintes átfolyású rendszerekben. A foszfor foleg a vas és alumínium ionok hatására csapódik ki, ha azonban a töltet (kavics, kotörmelék) kis alumínium és vas tartalmú, akkor a foszfor eltávolítás is csekély mértéku (IWA 1995).

3. ábra Vízszintes felszín alatti átfolyású gyökérmezo hosszmetszete (Vymazal 2002); 1. mechanikailag tisztított szennyvíz, 2. elosztó zóna nagyméretu kövekkel, 3. szigetelo fólia, 4. töltet (talaj, kavics, homok, vagy zúzott ko), 5. növényzet, 6. az elfolyó víz gyujtocsöve, 7. gyujto zóna nagyméretu kövekkel, 8. a vízszint a túlfolyó magasságának állításával szabályozható, 9. elfolyó víz
2.8.2. Függoleges átfolyású rendszerek A függoleges átfolyású rendszer is egy porózus hordozón (rétegzett homok, kavics) kialakított növény (rendszerint nád) ültevényt jelent (4.ábra). Muködésében azonban eltér a vízszintes átfolyású rendszertol. A tisztítandó szennyvizet szakaszosan adagolják a talajfelszínre vagy (közvetlenül a felszín alá), ami szétterülve, lefelé kezd szivárogni maga elott „tolva” a talaj pórusterében lévo levegot. Az így kialakult aerob közegben mikroorganizmusok közremuködésével végbemehet a szerves anyag lebontása és az ammónia nitrifikácója. A tisztítás csak szakaszos üzemben végezheto ui. meg kell várni az elárasztás elott, hogy a talaj pórustere újra telítodjön levegovel. A növényi gyökerek oxigénbevitele elhanyagolható az elobb részletezett levegobevitelhez képest. Megjegyzendo azonban, hogy a helytelen üzemeltetés (tartós elárasztás) következtében akár rosszabb oxigéntranszport is létrejöhet, mint a vízszintes átfolyású rendszerek esetén. A rendszer lebego anyag eltávolító képessége kicsi ezért gyakran egy vízszintes átfolyású egységet csatolnak utána. A függoleges átfolyású rendszerek újabban ismét elotérbe kerültek, mivel megnövekedett az igény olyan természet közeli technológiákra, amelyek képesek nitrifikálni és denitrifikálni, (IWA 1995 és Mahlum 1998).

4. ábra Nád-gyökérzónás függoleges átfolyású tisztító szerkezete (Vymazal 2002)
(Continue, next page...)