Az élelmiszertechnológiai láncban a feldolgozás, tisztítási és működtetési folyamatok során

jelentős mennyiségben keletkezik számottevő szerves- és szervetlenanyag-tartalommal rendelkező

szennyvíz. A feldolgozástechnológiától és az alapanyagoktól függően a keletkező szennyvizek mennyiségi

és minőségi jellemzői jelentős eltéréseket mutathatnak, előrejelzésük sokszor nem is lehetséges. Emiatt a

csatornarendszerbe, esetleg környezetbe való kihelyezésük előtt a szennyvizek károsanyag-taralmát

mindenképpen csökkenteni kell, amelyre napjainkban már számtalan technológia rendelkezésre áll. Számos

tudományos kutatás számolt be arról, hogy bizonyos oxidoreduktív reakciókon alapuló folyamatokkal a

szennyvizek szerves szennyezőanyag-tartalma jelentős mértékben csökkenthető. Kutatásaink során

mikrohullámmal kombinált Fenton-eljárás szennyezőanyag-tartalom csökkenésre gyakorolt hatásait

vizsgáltuk húsipari szennyvíz esetében, eltérő dóziskoncentrációkkal és mikrohullámú működtetési

paraméterekkel. Kutatásunk továbbá kiterjedt a szerves anyagok eltávolításának dielektromos paraméterek

mérésével történő nyomon követhetőségére is a klasszikus analitikai metódusok mellett

Beszédes, Sándor

Dittrich, Ernő

Hodúr, Cecilia

Jákói, Zoltán Péter

Lemmer, Balázs

Vágvölgyi, Andrea

Repository of the Academy's Library

EFOP-3.6.2-16-2017-00010 III. RING – FENNTARTHATÓ NYERSANYAG-GAZDÁLKODÁSIII. SUSTAINABLE RAW MATERIALSSopron, 2019. október 10 – 11. KONFERENCIAKÖTET - PROCEEDINGS Szerkesztő: Czupy Imre Tudományos bizottság: Czupy Imre Kiss Tibor Mucsi Gábor Nagy Sándor Rákhely Gábor Ajánlott hivatkozás: Czupy I. (szerk.) (2019): III. RING Fenntartható nyersanyag-gazdálkodás. III. Sustainable Raw Materials. Konferenciakötet. Proceedings.  Sopron, Hungary 2019. e-book 310 p. ISBN 978-963-334-353-1 Copiright © Soproni Egyetem Kiadó, Sopron, 2019. Felelős kiadó: Alpár Tibor rektorhelyettes    III. RING – Fenntartható Nyersanyag-gazdálkodás Tudományos Konferencia 2019 október 10-11 - Sopron   VÍZSZENNYEZŐ ANYAGOK LEBONTÁSA MIKROHULLÁMMAL INTENZIFIKÁLT FENTON-REAKCIÓ ALKALMAZÁSÁVAL  Jákói Zoltán,1; Lemmer Balázs1; Hodúr Cecilia1,2; Vágvölgyi Andrea3; Dittrich Ernő4; Beszédes Sándor1 1Folyamatmérnöki Intézet Szegedi Tudományegyetem, Mérnöki Kar 6725 Szeged, Moszkvai krt. 9. jakoiz@mk.u-szeged.hu   2Környezettudományi és Műszaki Intézet Szegedi Tudományegyetem 6726 Szeged, Közép fasor 52  3Erdészeti-műszaki és Környezettechnikai Intézet Soproni Egyetem  4Környezetmérnöki Tanszék Pécsi Tudományegyetem, Műszaki és Informatikai Kar   Absztrakt: Az élelmiszertechnológiai láncban a feldolgozás, tisztítási és működtetési folyamatok során jelentős mennyiségben keletkezik számottevő szerves- és szervetlenanyag-tartalommal rendelkező szennyvíz. A feldolgozástechnológiától és az alapanyagoktól függően a keletkező szennyvizek mennyiségi és minőségi jellemzői jelentős eltéréseket mutathatnak, előrejelzésük sokszor nem is lehetséges. Emiatt a csatornarendszerbe, esetleg környezetbe való kihelyezésük előtt a szennyvizek károsanyag-taralmát mindenképpen csökkenteni kell, amelyre napjainkban már számtalan technológia rendelkezésre áll. Számos tudományos kutatás számolt be arról, hogy bizonyos oxidoreduktív reakciókon alapuló folyamatokkal a szennyvizek szerves szennyezőanyag-tartalma jelentős mértékben csökkenthető. Kutatásaink során mikrohullámmal kombinált Fenton-eljárás szennyezőanyag-tartalom csökkenésre gyakorolt hatásait vizsgáltuk húsipari szennyvíz esetében, eltérő dóziskoncentrációkkal és mikrohullámú működtetési paraméterekkel. Kutatásunk továbbá kiterjedt a szerves anyagok eltávolításának dielektromos paraméterek mérésével történő nyomon követhetőségére is a klasszikus analitikai metódusok mellett.   Kulcsszavak: szennyvíz, szennyvízkezelés, mikrohullám, Fenton-reakció, dielektromos paraméterek  1. Bevezetés Az élelmiszeripari gyakorlatban jelentős mennyiségben, a húsfeldolgozás, tisztítási és működtetési folyamatok során keletkező húsipari szennyvizek számottevő szerves- és szervetlenanyag-tartalommal rendelkeznek. A feldolgozástechnológiától és az alapanyagoktól függően a keletkező húsipari szennyvíz mennyiségi és minőségi jellemzői - különösen tekintettel a környezetre is veszélyes toxikus anyagokra és szennyezőkre - nagyban változhatnak, pontos előrejelzésük gyakran nem is lehetséges. Emiatt a csatornarendszerbe, esetleg környezetbe való kihelyezésük előtt a szennyvizeket ártalmatlanítani szükséges megfelelő szennyvízkezelési eljárások alkalmazásával. Számos korábbi tudományos kutatás igazolta, hogy bizonyos, oxidoreduktív reakciókon alapuló vegyi folyamatokkal a szennyvizek és iszapok szerves szennyezőanyag-tartalma eredményesen lecsökkenthető. Ezek közül a napjainkban egyre nagyobb figyelmet kapó Fenton- és Fenton-típusú reakciók tekinthetők az egyik legeredményesebb és leghatékonyabb alternatívának, köszönhetően az alacsony anyag- és működtetési költségeknek, valamint az ipari szinten is egyszerű kivitelezhetőségük miatt.  78    2. Irodalmi áttekintés A Fenton-reakciók során használt reagens H2O2 és egy disszociációra képes Fe(II) ion tartalmú vegyület adott arányú oldata, amely felhasználható szerves komponensek és egyéb szennyezőanyagok oxidálására. A Fenton és foto-Fenton-reakciók egyik legfőbb előnye, hogy kémiai-fizikai tulajdonságaikból adódóan felhasználhatók csökkentett energetikai igény mellett a víz- és szennyvízkezelésben, szobahőmérsékleten és atmoszferikus nyomás mellett is. A lejátszódó reakció általános sémáját a következő egyenlet írja le (Turney, 1995): 𝐹𝑒#$ + 𝐻#𝑂# →	𝐹𝑒*$ +	∙ 𝑂𝐻 + 𝑂𝐻, A Fenton-típusú reakciók másik előnye, hogy - például az ózonalapú előkezelésekkel szemben - a reakció során képződő szabad hidroxil-gyökök képesek a hidrofil és hidrofób szerves szennyezők degradálására is (Jung et al., 2016). A Fenton-reakció alkalmazásakor sok anyag és/vagy berendezés esetében a hosszú tartózkodási idő nem előnyös. A reakcióidő lecsökkentése tehát az ipari gyakorlatban is gyakran megoldandó feladat Számos korábbi kutatás foglalkozott a mikrohullámú energiaközlés, mint intenzifikáló eljárás alkalmazásaival. A mikrohullámú (MW) sugárzás bizonyítottan felhasználható különböző környezettechnológiai és tisztítási folyamatokban, mint például extrakciós műveleteknél (Prevot et al., 2001), radioaktív hulladékok remediációjában (Wicks & Schulz, 1999) és kémiai katalízisekben (Zhang et al., 2005), illetve biológiai hasznosíthatóság fokozásában (Ahn, 2009 és Yang et al., 2013).  A szennyvízkezelésben a mikrohullám, mint önálló kezelési eljárás is hatékonyan alkalmazható (Lin et al., 2009), ugyanakkor a legfrissebb tudományos eredmények alapján a mikrohullámú energiaközlés kombinálása más folyamatokkal vagy anyagokkal (pl. oxidálószerekkel, híg savval/lúggal, fotokatalitikus folyamatokkal) tűnik a leghatékonyabb megoldások egyikének. A mikrohullámú hőkeltés speciális tulajdonságai miatt alkalmas a katalitikus degradációs hatásfok növelésére (Jones et al., 2002). Az önállóan alkalmazott Fenton-reakcióhoz képest a mikrohullámú kombinációban használt folyamat jobb tisztítási hatásfokot eredményezett metilénkék színezőanyag eltávolításakor (Liu et al., 2013). Továbbá a gyógyszergyári szennyvizek szervesanyagterhelésének csökkentésére is hatékonynak bizonyult (Yang et al., 2009). A mikrohullámú sugárzásnak az anyaggal való kölcsönhatásának jellemzésére szolgál a dielektromos állandó, illetve a dielektromos veszteségi tényező. A veszteségi tényező és a dielektromos állandó hányadosa adja az úgynevezett veszteségi szög tangensét (tanδ) (Clark et al., 2000). Egy adott frekvencián a dielektromos paraméterek értéke függ az anyag hőmérsékletétől és fizikokémiai struktúrájától, ezáltal alkalmasak egyes fizikai és kémiai változások detektálására is (Kovács et al., 2018).  Jelenlegi kutatásunk a húsipari szennyvizekben jelenlévő szervesanyag-tartalom csökkentésének mikrohullámmal kombinált Fenton-típusú reakcióval történő lehetőségét célozta, illetve a szerves anyagok eltávolításának nyomon követhetőségét a dielektromos jellemzők mérésével.   3. Anyag és módszer A kísérleteinkhez helyi üzemből származó húsipari szennyvizet használtunk fel. A szennyvíz főbb jellemzőit - kémiai oxigénigény (KOI), össz. szilárd anyag tartalom (TS), teljes nitrogéntartalom (TN) és biológiai oxigénigény (BOI5) és pH. – az 1. táblázat foglalja össze. A kémiai oxigénigény spektrofotometriás-, az ötnapos biológiai oxigénigényt respirometriás módszerrel mértük.       79         1. táblázat. Az felhasznált szennyvíz alapparaméterei  A mikrohullámú kezeléseket egy 2,45 GHz frekvenciájú magnetronnal ellátott Labotron 500 típusú berendezésben végeztük két teljesítménylépcsőben (500 W és 250 W). A Fenton-típusú oxidációs folyamathoz 30%-os H2O2 (VWR, Magyarország) és 88%-os FeSO4 (VWR, Magyarország) különböző arányú keverékét használtuk fel. Az oxidációs kísérleteknél a minták pH-ját előzetesen 3,0 értékre állítottuk. A különböző kísérleti beállítások során rendre 100 cm3 térfogatú szennyvízmintákat használtunk fel. A mikrohullámú kezelések után közvetlenül a mintákat 25°C-s hőmérsékletre hűtöttük le, majd a KOI és dielektromos mérésekhez 120 perc után vettük le a mintákat. A dielektromos paraméterek mérését egy DAK-3.5 (SPEAG, Svájc) típusú dielektromos szenzorhoz kapcsolt ZVL3 (Rhode&Schwarz, Németország) vektor hálózati analizátorral végeztük 200 MHz és 2400 MHz közötti frekvenciaintervallumon. 4. Eredmények és értékelésük  A kísérletek során meg kívántuk határozni, hogy a mikrohullámú energiaközlés milyen hatással bír a Fenton-reakció hatékonyságára a szennyvízminták kezelése során. Megállapítható, hogy a mikrohullámú kezelés önmagában nem okozott számottevő csökkenést a kémiai oxigénigény mértékében (i.e. nem csökkentette szignifikánsan a minták szervesanyag-tartalmát), azonban a Fenton-típusú oxidációs reakció hatékonyságát megnövelte a KOI-csökkenést tekintve. Rögzített Fe2+/H2O2 dózis (rendre 150/120 mg/mg) esetében az MW energia növelése rendre magasabb KOI-érték csökkenést eredményezett. A kombinált folyamatban a mikrohullámú teljesítmény szervesanyag-tartalom csökkenésre gyakorolt hatása a besugárzott MW energiától függött; azonos közölt energiamennyiségnél a nagyobb (500 W) teljesítménylépcső magasabb KOI értéket eredményezett, így a kisebb, 250 W-os teljesítmény alkalmazása bizonyult az előnyösebbnek (1. ábra).    1. ábra A kémiai oxigénigény (KOI) értékei a közölt fajlagos MW energia függvényében  Jellemző Mértékegység Érték pH [-] 6.8 ± 0.2 Teljes lebegőanyag-tartalom  w% 2.3 ± 0.15 Kémiai oxigénigény  mgO2/L 1568 ± 38 Biokémiai oxigénigény  mgO2/L 407 ± 53 Teljes nitrogéntartalom  mg/L 95  11 80   Adott mértékű (30 kJ, 45 kJ, 60 kJ) besugárzott mikrohullámú energia esetében a szervesanyag-tartalom csökkenés mértéke észrevehetően függött az adagolt Fe2+/H2O2 aránytól. Magas koncentrációban (300/240 mg/mg) alkalmazott Fe2+/H2O2 reagens esetén a közölt MW energiától függetlenül kisebb volt a mért kémiai oxigénigény a folyamat végén, mint a kisebb koncentrációk esetén, vagyis az oxidációs folyamat hatékonyságának szempontjából a magasabb koncentrációk alkalmazása bizonyult az előnyösebbnek. Ugyanakkor a közölt MW energia megnövelésével megközelítőleg azonos KOI érték érhető el úgy is, ha az adagolt Fe2+/H2O2 koncentrációt lecsökkentjük, vagyis a mikrohullámú kezeléssel a folyamathoz szükséges reagensek mennyisége számottevően redukálható (2. ábra)  2. ábra A kémiai oxigénigény (KOI) értékei az adagolt reagens-koncentráció függvényében Korábbi kutatásaink során igazoltuk, hogy szennyvíziszapok mikrohullámmal történő kezelése során a lebontási hatékonyság a dielektromos paraméterek mérésével nyomon követhetővé válik (Lemmer et al., 2017). A különböző anyagok dielektromos viselkedésére hatással van a frekvencia, a hőmérséklet és az alapanyagmátrix fizikokémiai tulajdonságai (Jha et al., 2011). Amikor valamilyen kémiai és/vagy termikus kezelés során a szennyvíz oldhatatlan formájú szerves anyagai vízoldható formába kerülnek, akkor a dielektromos jellemzők megváltozását várjuk. Ennek igazolására, illetve hogy a dielektromos jellemzők és a szervesanyag-tartalom csökkenés között korreláció van, a mikrohullámmal kombinált Fenton-típusú reakció után ellenőriztük a minták dielektromos veszteségi szög tangensét (tanδ). A dielektromos paraméterek mérésekor a 200-2400 MHz frekvenciaintervallum került végigpásztázásra. Nyugvó közegű és 25°C-on rögzített mintahőmérsékletű mérés esetén a nagyobb különbség a különböző minták dielektromos paraméterei között az alacsonyabb frekvenciatartományban adódott. A dielektromos tulajdonságok (dielektromos állandó, veszteségi tényező, veszteségi szögtangens, reflexiós együttható, stb.) közül a veszteségi szög tangense bizonyult a legmegfelelőbbnek a kezelt szennyvíz szervesanyag-koncentráció változásának a meghatározására. Ezen megfigyeléseink alapján a veszteségi szögtangens (tanδ) értékeit 200 MHz-en mértük a kezelések után. A dielektromos mérések igazolták, hogy a tanδ értéke alkalmas a mikrohullámú-oxidációs reakció által előidézett szervesanyag-tartalom csökkenés nyomon követésére. A KOI értékek csökkenésével a tanδ arányosan megnőtt, és a különböző kísérleti beállítások (közölt MW energia, reagens dózis, stb.) során kapott KOI értékek változásával hasonló tendenciát mutat (3. ábra) 81    3. ábra A veszteségi szögtangens (tanδ) értéke a közölt MW energia függvényében  A 4. ábra szemlélteti a dielektromos veszteségi szögtangens (Δtanδ, a), és az oxidációs folyamat alatt bekövetkező kémiai oxigénigény értékeinek változását (ΔKOI, b). Az ábrákon látható, hogy a két vizsgált paraméternél a változási tendencia hasonló, így a kettő között (i.e. a dielektromos veszteségi szögtangens és a szervesanyag-tartalom csökkenés) feltételezett korreláció bizonyítható.    4. ábra A KOI-értékek változása (a) és a veszteségi szögtangens változása (b) az alkalmazott kezelések függvényében  5. Összefoglalás Kísérleteink során húsipari szennyvízminták szervesanyag-tartalmának csökkentésének lehetőségeit vizsgáltuk mikrohullámmal kombinált Fenton-típusú reakcióval. A kísérleti eredmények alapján megállapítható, hogy a reakció hatékonyságának szempontjából a magasabb Fe2+/H2O2 koncentráció a kedvezőbb, ugyanakkor mikrohullámú energiaközléssel kombinálva ugyanolyan mértékű szervesanyag-bontáshoz – közölt energiától függően – szignifikánsan kevesebb mennyiségű reagens is elegendő. Az alkalmazott mikrohullámú kezelések esetében az alacsony teljesítményszint és a magas közölt összes MW energia bizonyult a leghatékonyabbnak a KOI-csökkenés szempontjából. A dielektromos mérések igazolták, hogy az eltávolítási hatékonyság pontosan nyomon követhető, az egyes dielektromos paraméterek közül pedig a veszteségi szögtangens bizonyult a legmegfelelőbbnek a folyamat leírásához.   82   Köszönetnyilvánítás  A kutatócsoport köszönetet mond a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal – NKFIH, K115691, és Az EFOP-3.6.2-16-2017-00010 azonosító számú „Fenntartható nyersanyag-gazdálkodás tematikus hálózat fejlesztése – RING 2017 által nyújtott anyagi támogatásért. Az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-19-2-SZTE-62 Kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának szakmai támogatásával készült.			 	   Hivatkozások  Ahn J. H. - Shin S. G. - Hwang S.: 2009. Effect of microwave irradiation on the disintegration and acidogenesis of municipal secondary sludge. Chemical Engineering Journal 153, 145–150. Clark D. E. - Folz D. C. - West J. K.: 2003. Processing materials with microwave energy. Materials Science and Engineering A 287 (2), 153–158. Jha, S. N. - Narsaiah K. - Basedya A. L. - Sharma R. - Jaiswal P. - Kumar S. – Bhardwaj R.: 2001. Measurement techniques and application of electrical properties for non-destructive quality evaluation of foods-a review. Journal of Food Science and Technology 48, 387–411. Jung C. – Deng Y. – Zhao R – Torrens K.: 2016. Chemical oxidation for mitigation of UV-quenching substances (UCQS) from municipal landfill leachate: fenton process versus ozonation. Water Research 108, 260-270. Kovács P. V. - Lemmer B. - Keszthelyi-Szabó G. - Hodúr C. - Beszédes S.: 2018. Application of dielectric constant measurement in microwave sludge disintegration and wastewater purification processes. Water Science and Technology 77 (9), 2284–2291. Lemmer B. - Veszelovszki-Kovács P. - Hodúr C. - Beszédes S.: 2017. Microwave-alkaline treatment for enhanced disintegration and biodegradability of meat processing sludge. Desalination and Water Treatment 98, 130–136 Lin L. - Yuan, S. - Chen, J. - Xu Z. - Lu X.: 2009. Removal of ammonia nitrogen in wastewater by microwave irradiation. Journal of Hazardous Materials 161, 1063–1068. Liu, S.-T. - Huang J. – Ye Y. - Zhang A.-B. - Pan L. - Chen X.-G.: 2013. Microwave enhanced Fenton process for the removal of methylene blue from aqueous solution. Chemical Engineering Journal 215–216, 586–590. Prevot A. B. – Gulmini M. – Zelano V. – Pramauro E.: 2001. Microwave-assisted extraction of polycyclic aromatic hydrocarbons from marine sediments using non-ionic surfacant solutions. Analytical Chemistry 73, 3790-3795.  Turney, T. A.: 1995. Oxidation Mechanisms. Butterworths and Co, Londom, p. 196. Wicks G. G. - Schulz R. L.: 1999. Microwave Remediation of Hazardous and Radioactive Wastes. WSRC-MS-99-00762. Yang Q. - Yi J. - Luo K. - Jing X. - Li, X. - Liu Y. & Zeng G.: 2013. Improving disintegration and acidification of waste activated sludge by combined alkaline and microwave pretreatment. Process Safety and Environmental Protection 91, 521–526. Yang Y. – Wang P. - Shi S. - Li Y.: 2009. Microwave enhanced Fenton-like process for the treatment of high concentration pharmaceutical wastewater. Journal of Hazardous Materials 168, 238–245. Zhang H. - Hayward D. O. - Mingos D. M. P.: 2003. Effects of microwave dielectric heating on heterogeneous catalysis. Catalysis Letters 88, 33–38.  83

Vízszennyező anyagok lebontása mikrohullámmal intenzifikált Fenton-reakció alkalmazásával

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of the Academy's Library