Activált iszap
Activált iszapos eljárások egy komplex szennyvíztisztító rendszer egyik részét képezik (U.S. EPA 2002) . Általában az elsődleges kezelést követően alkalmazzák ( beleértve az ülepedő szilárd anyagokat eltávolító szűrést) , tartalmaznak egy vagy több fő levegőztetett kezelőkamrát, levegőztető berendezéseket, az iszap szuszpenzióban tartására szolgáló megfelelő keverőberendezést, egy másodlagos tisztítót a biomassza elkülönítésére a kezelt szennyvízből és az ülepedett biomassza összegyűjtésére, általában egy nem lineáris, igen összetett keringtetési rendszert (pl. recirkulációs hurkok, by-passing stb.), és néha egy végső tisztítási lépés követi őket (lásd tercier szűrés és fertőtlenítés). A lejátszódó biológiai folyamatok hatékonyan távolítják el az oldható, kolloid és szemcsés anyagokat. A reaktor kialakítható biológiai nitrifikációra és denitrifikációra, valamint biológiai foszforeltávolításra.
A tervezésnek a szennyvíz összetételének és mennyiségének pontos becslésén kell alapulnia. A tisztítás hatékonysága súlyosan romolhat, ha az üzemet alul- vagy túlméretezik. A hőmérséklet függvényében a szilárdanyag-megmaradási idő (SRT) a reaktorban a BOD-eltávolítás esetében 3-5 naptól a nitrifikáció esetében 3-18 napig terjed.
A felesleges iszapot kezelni kell a víz- és szervesanyag-tartalom csökkentése és a végfelhasználásra vagy végleges elhelyezésre alkalmas stabilizált termék előállítása érdekében. Fontos, hogy ezt a lépést már a tisztítómű tervezési fázisában figyelembe vegyük).
A nagy mennyiségű bejuttatott oxigén lehetővé teszi az aerob körülmények fenntartását és az aktív biomassza optimális keveredését a kezelendő szennyvízzel. A szerves anyagok szennyvízből való eltávolításában hasznos aktív mikroorganizmusok viszonylag nagy mennyiségének fenntartása érdekében az iszapot másodlagos tisztítóban történő ülepítéssel (UNEP 2004) vagy membránszűréssel választják el a szennyvízből, és a levegőztető tartályba történő visszavezetéssel tartják a folyamatban. Ennek az alapfolyamatnak számos módosítását fejlesztették ki, beleértve a különböző levegőztető berendezéseket, az iszap összegyűjtésének és a levegőztető tartályba vagy az elsődleges tisztítóba történő visszavezetésének különböző módjait, valamint a folyamat fokozását olyan inert hordozófelület hozzáadásával, amelyen a biofilm növekedhet (kombinált fixfilmes/szuszpendált növekedésű eljárás).
Bár az aerob baktériumok a legdominánsabb mikroorganizmusok a folyamatban, más aerob, anaerob és/vagy nitrifikáló baktériumok is jelen lehetnek a magasabb rendű szervezetekkel együtt. Így a szerves anyagok eltávolítása mellett a tápanyagok (szerves ammónia, foszfor) nitrifikációval/denitrifikációval és a foszfor biológiai felvételével biológiailag is eltávolíthatók. A mikroorganizmusok pontos összetétele a reaktor kialakításától, a környezettől és a szennyvíz jellemzőitől függ (TILLEY et al. 2008). Mind a szerves anyagok, mind a tápanyagok eltávolításához optimális feltételek elérése érdekében váltakozó aerob és anaerob kamrák sorozatát alkalmazzák.
Tüzetes kezelési folyamat
A szűrés után a homok és a hasonló nehéz részecskék eltávolítása következik egy sóderkamrában, ahol leülepednek a talajra. Ez a kamra csak a durva szemcséket kívánja eltávolítani, és a szennyvíz csak viszonylag rövid időt (néhány percet) tölt benne (UNEP & MURDOCH 2004). A kisebb szilárd anyagokat egy ülepítő- vagy ülepítőmedencében távolítják el. Ebben az egységben a szennyvíz hosszabb időt (kb. egy órát) tölt a jó elválasztás érdekében. Az ebből a mechanikai elsődleges kezelésből (beleértve a szűrést és az ülepítést a szemcsekamrában és az ülepítőmedencében) származó iszapot elsődleges iszapnak nevezzük, és mint minden felesleges iszap, egy továbbfejlesztett további kezelési láncot igényel.
Ez elsődleges kezelés után az aktív iszapot tartalmazó főegység következik. Az előkezelt szennyvíz egy levegőztetett tartályban keveredik a másodlagos tisztítóból származó koncentrált alulfolyó aktíviszappal. A levegőztetés vagy mechanikus felületi keverőkkel, vagy sűrített levegővel működő, vízbe merülő diffúzorokkal történik (WSP 2008). A levegőztetés oxigént biztosít az aktív iszap számára, és egyúttal alaposan összekeveri az iszapot és a szennyvizet (UNEP & MURDOCH 2004). A levegőztetés és a keveredés során a baktériumok kis csomókat vagy flokkokat képeznek (TILLEY et al. 2008). Ilyen körülmények között az aktív iszapban lévő baktériumok lebontják a szennyvízben lévő szerves anyagokat. A szerves anyagot energiához, növekedéshez és szaporodáshoz használják fel. A végtermékek szén-dioxid (CO2), víz (H2O) és új sejtek.
A levegőztetőkamrában töltött néhány óra után a keverék a másodlagos ülepítőmedencébe (tisztítóba) kerül, ahol a flokkulált mikroorganizmusok leülepednek és eltávolításra kerülnek a szennyvízáramból. A leülepedett mikroorganizmusok (az aktív iszap) ezután visszakerülnek a levegőztető tartály fejrészébe, hogy ismét összekeveredjenek a szennyvízzel, és tovább növekedjenek, új iszapot képezzenek és lebontsák a szerves anyagokat. Az iszap optimális mennyiségének fenntartása érdekében a rendszerben a leülepedett iszap visszaforgatásának mértéke 20 és 100% között változik. A naponta keletkező iszapfelesleget (hulladék aktív iszap) az elsődleges tisztítóberendezésekből származó iszappal együtt egy további kezelési láncban kell feldolgozni. A hagyományos többletiszap-feldolgozási lánc anaerob lebontásból, sűrítésből, égetésből és biztonságos ártalmatlanításból áll, pl. hulladéklerakóban. Fenntarthatóbb megoldás lenne az iszap komposztálása (akár a lebontás előtt, akár a lebontás helyett) a tápanyagok mezőgazdasági célú újrafelhasználása érdekében.
A hidraulikus tartózkodási idő az egész rendszerben néhány órától néhány napig terjed a folyékony fázis esetében. A felesleges iszap feldolgozása a sűrítés és az alkalmazott anaerob emésztés típusától függően némileg hosszabb ideig is eltarthat. A megfelelően megtervezett és működtetett aktíviszap-üzemekből származó szennyvíz kiváló minőségű, általában 10 mg/l vagy annál kisebb BOD- és TSS-koncentrációjú (CRITES & TCHOBANOGLOUS 1998). A biológiai oxigénigény (BOD) és a lebegő szilárd anyagok (TSS) eltávolítása általában 80-100% között van, a befolyó koncentrációtól, a rendszer beállításától és a hőmérséklettől függően (UNEP 2004; SANIMAS 2005; WSP 2008).
Az olyan tápanyagok, mint a nitrogén és a foszfor szintén eltávolíthatók az aktíviszapos eljárással, de a hibrid aktíviszapos rendszerekben különböző levegőztetett és nem levegőztetett kamrák beállítását igénylik. A nitrogén biológiai eltávolítása először a szerves nitrogén ammóniává történő átalakulásával történik, majd az ammónia (NH4+) aerob átalakulása nitritté (NO2-), majd nitráttá (NO3-) és a nitrát anaerob átalakulása gáznemű nitrogénné (N2), amely aztán a légkörbe kerül. Az ammóniának a nitrit köztes lépésén keresztül nitráttá történő átalakulását nitrifikációnak nevezzük. A nitrát gáznemű nitrogénné történő átalakulását denitrifikációnak nevezzük. Így mind az aerob, mind az anaerob (anoxikus) folyamatok kombinációja szükséges a nitrogén teljes eltávolításához a szennyvízből. Számos aktíviszapos tisztítórendszerben az anaerob tartály vagy a levegőztetett medence után és a tisztítás előtt (poszt-denitrifikáció), vagy közvetlenül a levegőztető tartály előtt (pre-denitrifikáció) van beépítve. Az elődenitrifikáció esetében a nitrifikáció a levegőztetett medencében, az aerob előmedence után történik. A denitrifikáció csak akkor következik be, amikor a levegőztetett tartályból származó, nitritet tartalmazó szennyvíz az iszaphoz hasonlóan visszakeringtetésre kerül.
A foszfor eltávolítása az aktíviszapos rendszerekben történhet kémiai vagy biológiai úton. A foszfor biológiai eltávolítása a hagyományos szennyvíztisztító rendszerben a foszfor egyes baktériumsejtek általi felvételével történik. Ezzel a módszerrel azonban csak kevés foszfor távolítható el, mivel az illékony iszapban a foszfor tömegfrakciója csak kb. 2,5% (HAANDEL&LUBBE 2007). Ez 500 mg/L KOI-koncentrációjú kommunális szennyvíz esetében körülbelül 2-7 mg P/L szennyvízkoncentrációt eredményez (HAANDEL&LUBBE 2007). Általában azonban a szennyvíz foszforkoncentrációjának ≤ 1 mg P/L értékre történő csökkentésére lesz szükség.
Egy másik biológiai eljárás a fokozott biológiai foszforeltávolítás. A fokozott biológiai foszforeltávolítás néhány speciális foszforfelhalmozó baktérium tenyésztésén alapul, amelyek a hagyományos aktív iszapban lévő 2,5% P-hez képest akár 38%-os P-felhalmozódást is eredményezhetnek az iszapban (HAANDEL&LUBBE 2007).
Ha mind a nitrogént, mind a foszfort el kell távolítani, a kombináció még összetettebbé válik. A fokozott biológiai foszforeltávolításhoz általában egy anaerob szakasz (a PAO-tenyésztéshez), egy anoxikus szakasz (a denitrifikációhoz) és egy aerob szakasz (a nitrifikációhoz és a foszforfelhalmozódáshoz) sorozatban szükséges.
Az aktíviszapos rendszereket, ahol az értékes tápanyagokat (foszfor és nitrogén) és szerves anyagokat elégetik ahelyett, hogy a mezőgazdaságban az élelmiszertermelésbe visszaforgatnák, ma már nem tekintik fenntarthatónak. A nitrogéneltávolítás bevezetése egy aktíviszap-üzembe jelentősen megnöveli a reaktor térfogatát, és a levegőztetéshez szükséges energiafogyasztás 60-80%-kal nagyobb mértékű növekedéséhez vezet (MAURER 2003). A foszfor eltávolítása vagy vegyszerek hozzáadását és a szervetlen iszap későbbi ártalmatlanítását, vagy a komplexitás és a reaktor térfogatának növelését igényli a fokozott biológiai foszforeltávolításhoz.
A BOD, a nitrogén és a foszfor tekintetében meghatározott szennyvízelvezetési célok elérése érdekében az alapvető aktíviszap-konstrukción különböző kiigazításokat és módosításokat végeztek. A jól ismert módosítások közé tartoznak a szekvenáló szakaszos reaktorok (SBR), oxidációs árkok, mély aknák, kiterjesztett levegőztetés, mozgóágyak és membrán bioreaktorok.
Sekvenciális szakaszos reaktorok (SBR)
A folyamat szakaszosan is üzemeltethető, ahol a különböző feltételeket ugyanabban a reaktorban, de különböző időpontokban érik el (UNEP & MURDOCH 2004). A kezelés öt szakaszból álló ciklusból áll: feltöltés, reakció, ülepítés, lehúzás és üresjárat. A reakciótípus során oxigént adnak hozzá egy levegőztető rendszerrel. Ebben a fázisban a baktériumok oxidálják a szerves anyagot, akárcsak az aktíviszapos rendszerekben. Ezt követően a levegőztetést leállítják, hogy az iszap leülepedhessen. A következő lépésben a vizet és az iszapot dekantálással szétválasztják, és a tiszta réteget (felülúszó) kivezetik a reakciókamrából (METCALF & EDDY 2007). Az iszaptermelés mértékétől függően az iszap egy része is kiürülhet. Egy üresjárati fázis után a tartályt új szennyvízzel töltik fel (UNEP & MURDOCH 2004). A szakaszos üzemmódhoz legalább két tartályra van szükség, mivel a folyamatos befolyó szennyvizet az üzemeltetési fázis alatt tárolni kell. A (nagyon) kis rendszerek (pl. kis településeket kiszolgáló rendszerek) csak egy tartályt alkalmazhatnak. Ebben az esetben a befolyó anyagot vagy egy tóban kell visszatartani, vagy folyamatosan a tartály aljára kell engedni, hogy ne zavarja az ülepedési, a merítési és az üresjárati fázisokat. Az SBR-ek alkalmasak kisebb vízhozamokra, mivel az egyes tartályok méretét a másik tartályban a kezelési időszak alatt keletkező szennyvíz mennyisége határozza meg (UNEP & MURDOCH 2004). Az SBR aktivált iszapos rendszerekkel kapcsolatos további információkért lásd WSP (2007) vagy U.S. EPA (1999).
Oxidációs árkok
Az oxidációs árkok nagy kerek vagy ovális árkok (csatornareaktorok) egy vagy több vízszintes levegőztetővel, amelyek biztosítják az oxigénellátást, valamint keverik és mozgatják a tartalmat az árokban. A szűrt befolyó anyag belép az oxidációs árokba, levegőztetik, és körülbelül 0,25-0,35 m/s sebességgel kering (SANIMAS 2005). Az üzemeltetés lehet folyamatos vagy szakaszos. Elsődleges ülepítésre általában nincs szükség, de általában másodlagos ülepítőmedencéket használnak. Az egy főre jutó szükséges kezelési térfogat körülbelül 1 m³ (SANIMAS 2005). Az oxidációs árkok olyan területeken alkalmasak, ahol a földterület rendelkezésre állása magas. Előnyük, hogy viszonylag könnyen karbantarthatók és ellenállnak a kisebb településeken gyakran előforduló sokkterhelésnek (pl. reggeli és esti órákban). A jellemző hidraulikai tartózkodási idő 24 és 48 óra között van, az iszap 12 és 20 nap közötti életkorral (Wikipedia 2010). Az oxidációs árkokkal kapcsolatos további információkért lásd: U.S. EPA (2000), WSP (2007) vagy WSP (2008).
Mély aknák
Ahol kevés a földterület, a szennyvíz tisztítása történhet oxigén befecskendezésével egy nyomás alatt lévő visszavezető iszapáramba, amelyet egy mélyen a földbe ásott oszlopos tartály aljába fecskendeznek. Az ilyen típusú aktíviszap-reaktort mélyaknának nevezik. Az ilyen aknák akár 100 m mélyek is lehetnek. Ahogy a szennyvíz felemelkedik, az akna alján lévő nyomás által az oldatba kényszerített oxigén molekuláris oxigénként kiszabadul. Ez rendkívül hatékony oxigénforrást biztosít az aktív iszapban lévő mikroorganizmusok számára. A felszálló oxigén és a befecskendezett visszatérő iszap biztosítja a keveredés fizikai mechanizmusát. A kevert iszapot és a befolyó szennyvízmennyiséget a felszínen dekantálják, és szétválasztják a felülúszó és az iszap komponensekre. A mélyaknás tisztítás hatékonysága magas lehet, de az építéshez, üzemeltetéshez és karbantartáshoz képzett szakemberekre van szükség; és emellett nagy mennyiségű energiát is igényelnek (a Wikipedia (2012) alapján).
