Szimuláció alkalmazása szennyvíztisztító rendszerek rekonstrukciójának tervezésekor

Domokos Endre1 - Hodossy Anna2

1 Veszprémi Egyetem Környezetmérnöki és Kémiai Technológia Tanszék,
8201, Veszpérm Pf.: 158
2 Gábor Dénes Főiskola, 1037 Budapest, Bécsi út 324.

Bevezető

A kecskeméti kommunális szennyvíztisztító egy 100.000 lakos-egyenértékre (LE-re) tervezett telep, mely jelenleg totáloxidációs rendszerként működik. A telep vezetői energiatakarékossági és környezetvédelmi okokból szeretnék megvalósítani a denitrifikációt és a biológiai többletfoszfor-eltávolítást. A munkánkban számítógépes szimulációval vizsgáltuk az üzem által elkészített rekonstrukciós tervet. Nyári üzemmenetnél az megfelelően működik, de alacsony (15ºC alatti) vízhőmérsékletnél már nem tudja teljesíteni az elvárt eredményt. Ezért további számításokat végezve egy új tervet javasoltunk. Sajnos a szimuláció szerint a jelenlegi adottságok, szűkös reaktortérfogatok miatt egyik változat sem lesz képes biológiai többletfoszfor-eltávolításra.

A telep jelenlegi kiépítettsége

A kecskeméti szennyvíztisztító 1994 óta üzemel a jelenlegi formájában. A tisztítót 48000 m3-es napi terhelésre, és az azóta is érvényes III. kategóriára tervezték, melyet általában teljesíteni is tud. A szennyvíztisztító 3 darab – összesen 2270m3 térfogatú – előülepítővel, 4 darab 3000 m3-es levegőztető medencével és a hozzá tartozó 4 darab 2750-2750 m3-es utóülepítővel működik párhuzamos kiépítettséggel.

A telep terhelésének alakulása

Az 1995-ös évi vízhozam részletezése – 1. ábra - megmutatja, hogy az év nagy részében 21000 m3/nap körül van a vízhozam, míg a konzervgyár feldolgozási időszakában sem megy 23000 m3/napra fölé.

A napi ingadozás jelentősebb, ami részben a konzervgyári feldolgozás változásának, részben a lakossági vízhozam változásával, valamint az átemelő szivattyúk működésének tudható be. Egy tipikus nyári nap változásai a 2. ábrán.
A tisztítóba befolyó szennyvíz

A tisztító térfogati terhelését az üzem indítása óta folyamatosan regisztrálják, sőt 1997 márciusától a térfogatmérési adatokat és a levegőztető medencék oldott oxigén koncentrációját 30 másodpercenként rögzíti egy számítógép. A technológiai sor egyes elemeinek vizsgálatára már a fentieknél kisebb gondot fordítanak, mivel a korábbi ellenőrzések és tapasztalatok alapján a tisztítás hatékonysága stabilnak mutatkozott. Bár korábban nyári időszakban adódtak problémák az élelmiszeripari (konzervgyári) szennyvíz okozta lökésszerű túlterheléseiből, de az 1997-es év nyarára ez már nem volt jellemző. A rendszer O2 ellátása a szondák alapján általában 1,5-5 mg/l között változott, ami bőséges oxigénellátásra utalt. A nagy vízhőmérséklet és a nagy iszapkoncentráció miatt a kísérleti mérések során – az átlagosnál lényegesen kisebb terhelés mellett – végzett mérések szerint a teljes nitrifikáció melletti nagy oldott oxigén tartalom miatt csak kis mértékű denitrifikáció zajlott. Biológiai többletfoszfor eltávolítás gyakorlatilag nem volt. 

A mért adatok alapján a vízhozamhoz hasonló tápanyag-koncentrációt leíró napi görbét kell feltételezni. Ezt a 3. ábra mérési adatai is alátámasztják. A reggel 8 órakor tapasztalható KOI csúcs a konzervgyári műszakváltás eredménye, amikor is az előző műszak főző- és mosóvizeit leengedik.

1. Ábra A kecskeméti telepre befolyó víz havi átlaga 1995-ben

2. Ábra A kecskeméti telepre 1997.08.14-15-én befolyó szennyvíz mennyiségének változása

3. Ábra A kecskeméti szennyvíztelepre befolyó víz tápanyag tartalma

A tervezett változtatások

A Bácsvíz Rt. vezetősége felismerte, hogy a kecskeméti telepet még a szigorúbb határértékek bevezetése előtt át kell alakítani. Ennek érdekében a vállalat szakemberi elkészíttették a jelenlegi telep átkötésének vázlatát, mely az 4. ábrán látható. Bár mint később látni fogjuk, ez nem a legjobb terv, de a vállalat kérésére ezt a változatot vizsgáltuk (Domokos E., 1998.). Az átalakítás új műtárgy építése nélkül kívánja megoldani a három lépcsős tisztítást. 

A szennyvíz a homokfogóból az osztóaknába kerül, ahonnan a három előülepítőre vezetik rá. Az előülepítők összes térfogata 2*800 illetve 670 m3, amihez 2*490 illetve 380 m2-es felület tartozik. Ez összesen 1360 m2-es felület, ami a minimális 500 m3/órás terhelésnél 0,36 m/órás, maximális 1300 m3/órás terhelésnél pedig 1,04 m/órás felületi terhelést jelent. Az előülepítő primer iszapját az fölösiszap elősűrítőből nyert iszappal keverve biológiai rothasztó-toronyba vezetik. A rothasztóból nyert gázból elektromos áramot állítanak elő, amit levegőztetésre használnak. A többletenergiát a városi hálózatra táplálják fel.

Az előülepített szennyvíz közvetlenül az anaerob medencébe, vagy egy 2750 m3-es kiegyenlítő medencébe jut, ahol elindulnak a hidrolízis folyamatai. A kiegyenlítőből illetve az ülepítőből a szintén 2750 m3-es anaerob medencébe érkezik a szennyvíz. Innen egy 3000 m3-es anoxikus medencébe kerül a szennyvíz, ahova a nitrátban dús szennyvizet is recirkuláltatják. Ezután a tisztítandó víz egy kaszkádsorra érkezik, először az I.-es számú, nagyobb terhelésű, 3000 m3-es levegőztető medencébe, ahonnan a folyadék II. és III. kisebb terhelésű levegőztető medencébe vezetik. A tisztított szennyvíz ezután a 2*2750 m3-es 2*1017 m2-es felületű utóülepítőkbe kerül, végül a tisztított elfolyó-vizet a Csukás-érbe vezetik.

4. Ábra A kecskeméti telep tervezett átalakítása (Szondi T., 1997)
A szimuláció eredményének értékelése

A szimuláció eredményei az 5.-10. ábrán láthatóak. Mint a grafikonból is kitűnik, a tervezett átalakítás esetén az ammónium-nitrogén koncentráció kisebb, mint 1 mgN/l, míg a nitrát koncentráció 3-6 mgNO3/l közé áll be. A rendszer többlet biológiai foszforeltávolításra ilyen kiépítettségben sem képes, elsősorban az alacsony (8,5 napos) iszapkor miatt, de ez a probléma megoldható vegyszeres foszforeltávolítással.

Sajnos ezek a jó értékek csak nyáron igazak. Az elfolyó víz ammónium-ion- és nitrát-tartalma 15C-os vízhőmérsékletnél éppen határértéken van, míg ha a víz hőmérséklete ezen érték alá süllyed (ami télen gyakran előfordul), akkor a rendszer nem tudja teljesíteni a határértékeket. Ezt a helyzet a hőmérséklet csökkenésével tovább súlyosbodik, míg kb. 10C-on szinte teljesen leáll a nitrifikáció és a 8-10. ábrán látható elfolyóvizet fogja a rendszer produkálni.

A számítógépes modell eredményei alapján a fenti terv megvalósításra alkalmas. Az eredményeket értékelve megállapítható, hogy a rendszer a tápanyaghiány határán mozog, amit főleg az előülepítővel elvitt tápanyag jelentős mennyisége okoz. Viszont minél nagyobb az elvett tápanyag mennyisége annál több biogázt (elektromos áramot) tudnak előállítani, ami jelentős bevételforrás. Ez nyáron csak a csúcsterhelések idején okoz kisebb gondot, de télen az egész üzemmenetet bizonytalanná teszi. 

Javaslatok

A kecskeméti telep szimulációja során több további vizsgálatot is elvégeztük. Vizsgáltam a kaszkádsor bekötésének változásakor a tisztított elfolyóvíz minőségét. Az adatok kiértékelésekor megállapítottam, hogy a nitrifikáció jelentős mértékben visszaesik, ha a II. és III. medencét nem párhuzamosan, hanem sorosan kötjük. Ezen felül vizsgáltam a teljesen kiegyenlített terhelésű rendszer működését is, ami szintén jelentős hatásfokromlást hozott a nitrifikációban. (Domokos E., 1998.)

Ezen kívül javasolható a fuzzy elvű szabályzórendszer bevezetése, amely igen jó eredményeket tud felmutatni a toxikus védekezésben. (Hodossy A. et al., 1998.)

5. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 20C-on (NH4-N)

6. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 20C-on (NO3-N)

7. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 20C-on (PO4)

8. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 10C-on (NH4-N)

9. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 10C-on (NO3)

10. Ábra A kecskeméti telep elfolyó vize 10C-on (PO4)

Ha a tervezett átalakítások hatását a hagyományos, statikus számítási módszerrel ellenőrizzük, akkor a következő jellemző értékeket kapjuk:

Qbe ~ 24000 m3/nap (~ 1000 m3/óra)			Cboi=0,45kg/m3
Vox=9000 m3						Vösszes = 17500 m3
X=4kg/m3						Bd=17500m3*0,45kg/m3=7875kg
Mx=17500m3*4kg/m3=70000kg			Mx,ox=9000m3*4kg/m3=36000kg
c=70000kg/7875kg=8,8 nap			ox=36000kg/7875kg=4,6 nap

A fentiekből kiderül, hogy a rendszerben az iszapkor igen alacsony, ami bizonytalanná teszi a nitrifikációt. Ezért javasolható az iszapkoncentráció megnövelése legalább 5000 mg/l-re, ami már 11,1 napos iszapkort (és 5,7 napos oxikus iszapkort) eredményez.

A vállalat által javasolt tervben feltüntetett kiegyenlítő medencének nincs igazi jelentősége, mivel a  rendszer elbírja – sőt „jót is tesz neki” – ha rendszeresen változik a terhelése.

11. Ábra A kecskeméti szennyvíztisztító általunk javasolt átalakítása

A szimulációs vizsgálatok alatti eredmények alapján a 11. ábrán látható kiépítést javaslom megvalósítani, ami egy jól bevált technológia (UCT) megvalósítása a kecskeméti telepre. A javasolt kiépítésben a rendszerben az iszapkor nem változna, de az oxikus iszapkor 7,6 napos lenne, ami már egy biztonságosabb működést eredményez.

A javasolt tisztítókiépítés esetén a 12. ábrán látható elfolyóvízzel lehet számolni 20ºC-on, míg a 13. ábrán láthatóval 10 ºC-on.

12. Ábra A kecskeméti szennyvíztisztító elfolyóvize a javasolt kialakítás esetén 20 ºC-on

13. ábra A kecskeméti szennyvíztisztító elfolyóvize a javasolt kialakítás esetén 20 ºC-on

Összefoglalás

A munkában áttekintettük egy szennyvíztisztító telep rekonstrukciós tervét, amit számítógépes szimulációs módszerrel vizsgáltunk. Megállapítottuk, hogy a telep vezetősége által tervezett átalakítások csak 15 ºC feletti vízhőmérsékletnél váltják be a hozzájuk fűzött reményeket, míg a biológiai többletfoszfor-eltávolítás az előülepítőkben elvett jelentős tápanyagmennyiség miatt nem lehetséges.

Ezután bemutattunk egy másik rekonstrukciós javaslatot és megállapítottuk, hogy az új javaslat esetén az ammónia-nitrogén szint 15 ºC-nál alacsonyabb vízhőmérséklet esetén is határéréték alatt marad, de a nitrát koncentrációja már nem megfelelő. Ahhoz, hogy a szennyvíztisztító telep télen is jól működjön elengedhetetlen újabb műtárgy építése és/vagy az előülepítőben elvett tápanyag mennyiségének csökkentése.

Irodalom

Domokos E., Diplomamunka, Veszprémi Egyetem, Veszprém 1998.
Hodossy A., Domokos E., Fuzzy logika alkalmazása a szennyvíztisztításban, MHT Veszprém Megyei Területi Szervezetének szemináriuma, Veszprém, 1998. május 18., Kiadványkötet 108-115.
Szondi Tamás, Szakmérnöki dolgozat, 1997.