A biológiai szűrés alkalmazása

Átírás

1 Aki a forráshoz akar eljutni, annak ár ellen kell úsznia. Ismeretlen Tolnai Béla gépészmérnök A biológiai szűrés alkalmazása Kulcsszavak: parti szűrés, biológiai szűrés, dimenzióanalízis, szennyvíztisztítás Tartalmi összefoglaló Rendszertechnikai megfontolások mentén a vízellátás (víztermelés és vízelosztás) és a csatornázás (szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás) folyamatai összevethetők. A csatornázási részfolyamatok esetében nincsen visszacsatolás, ahogy az a vízellátás esetében megvan. Ha pótoljuk ezt a hiányzó láncszemet, úgy a jövőben szennyvízhasznosításról kell beszélni. Ebből kiindulva a paradigmaváltás szükségessége vezethető le a szennyvízágazati tevékenység kapcsán. A biogáz kihozatal maximalizálása érdekében a legszélesebb értelmű módosításokra van szükség, így az eleveniszapos technológia lecserélése is felmerül. Ennek a lépésnek a megtételére a parti szűrés modellezése kapcsán teremtődött meg a lehetőség. Az új szemléletmód segítségével rávilágíthatunk a ma uralkodó eljárások tökéletlenségére és a felvázolhatjuk a nem pusztán tapasztaláson nyugvó biológiai terek méretezhetőségének kérdését. A rendszertechnikai megfontolások révén egy hatékonyabb víztisztítási technológiáig juthatunk el. 1 Rendszertechnika megfontolások 1.1 A szennyvízelvezetés kialakulása A csatornázási ágazathoz a szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás tartozik. A rendszerek kialakulása évtizedeken, illetve évszázadokon át ível. Sűrűn lakott településeken a belvíz elvezetése és a járványok megelőzése miatt kezdték el a csatornahálózatokat kiépíteni. A csapadékvíz és az utcákra kifolyó szennyvíz elvezetésének végpontja a befogadó folyó (1-1. ábra /A). A megépített csatornáknak egyetlen célja a vízelvezetés volt. A többemeletes bérházak megépülése a vízöblítéses WC-k általános elterjedését hozta. A kommunális szennyvíz elvezetésére nem épült külön hálózat, a bekötéseket a meglévő csatornákhoz csatlakoztatták (1-1. ábra /B). Az így kialakult egyesített csatornahálózat végpontja továbbra is a folyó maradt, annak ellenére, hogy a víz szennyezettsége jelentősen megemelkedett. A folyók öntisztulási képességének erőteljes csökkenése felvette a szennyvizek megtisztításának szükségességét, minek következtében a szennyvíztisztító telepek jöttek létre (1-1. ábra /C). 1 / 17

2 A Belvíz, csapadék Egycélú csatorna Duna Bérházak kommunális szennyvize B Belvíz, csapadék Duna Egyesített csatorna Mindenfajta szennyvíz Szennyvíztisztítás (Szennyvízhasznosítás) C Belvíz, csapadék Duna Egyesített csatorna Zápor túlfolyó Fekete és szürke kommunális szennyviz Belvizek, csapadék Szennyvízhasznosítás Duna D Elválasztott csatorna 1-1. ábra A szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás fejlődése A szennyvíztisztító telepek kapacitása a telepre megérkező szennyvíz mennyisége alapján határozódik meg. A méretek csökkentése érdekében felvetődött az elválasztott csatornahálózat kiépítésének gondolata. A csapadékvíz és a kommunális szennyvíz külön történő gyűjtése eltérő végpontokat jelent. A csapadékvíz tisztítatlanul közvetlenül a folyóba, míg a kommunális szennyvíz a telepre került volna. A kettős hálózat kiépítésének magas költsége az elválasztott csatornák elterjedését erősen gátolta és gátolja ma is. A szennyvíztelepek méretezése azonban racionális okokból nem csúcsterhelésre történik. A záporterhelés levezetése egy túlfolyón keresztül valósul meg. Ilyenkor a csapadékvízzel felhígított szennyvíz egy része tisztítatlanul kerül a folyóba. Környezetvédelmi szempontból ez a megoldás nem volna kifogásolható, hisz záporcsúcsok az éves óraszám elenyésző százalékában jelentkeznek. Az élővíz terhelése messze az öntisztulási képességén belül van. A vízi közmű szolgáltatás díja a rendszerváltás előtt messze az önköltség alatt volt. Ez a tény a víz pazarlásához vezetett, de ami ennél súlyosabb következmény a kapacitások is ennek megfelelően épültek ki. A rendszerváltás után a víznek piaci ára lett, amely a vízfogyasztás és így a csatornákban megjelenő víz lecsökkenéséhez vezetett. Az árban érvényesített, a vízi közműszolgáltatást közvetlenül nem szolgáló adótartalmak megjelenése a csökkenés mértékét még erőteljessé tette, amely mérték elérte a 40-60%-ot. A csatornahálózati oldalon ennek következtében megnőtt a tartózkodási idő, amely a csatornák szaghatásának intenzitásában öltött testet. A csatornahálózat biológiai reaktorként működik. A kevés víz a szárazanyag tartalom kiülepedését, a szedimentációt is elősegíti. Záporkor a megnövekedett vízmennyiség a csatornahálózatot kimossa, így a túlfolyón elengedett víz nem a hígított szennyvíz kategóriája, hanem a szennyezettségében erősen feldúsult öblítővíz kategóriája. Szemben a szennyvíztelep kapacitását meghatározó méretezési törekvéssel a megvalósuló környezeti terhelés nem mondható mérsékeltnek. A helytelenül értelmezett vízárpolitika a természet öntisztuló képességére épít. A vízellátásban újra és újra felvetődik az ivóvizet vagy tisztavizet a hálózatba dilemmája. A nyugati értékrend csak ivóvíz minőségű hálózati vizet fogad el annak dacára, hogy a víz belsőleg történő felhasználása csak töredéke a teljes vízfelhasználásnak. Az ázsiai felfogás ennél megengedőbb, ha úgy tetszik takarékosabb és csak tiszta vizet követel meg a hálózati víz minőségeként. Azt mondja, hogy a belsőleg történő felhasználás mindig 2 / 17

3 csak forralás után történjen. Hasonló dilemmával találjuk szembe magunkat a szennyvíz tekintetében is. A szennyvíz minőség szerinti elválasztása jelentős infrastrukturális és vele pénzügyi nehézségekbe ütközik. A csapadékvíz és a szennyvíz különválasztását a szennyvíztelep ésszerű méretezésnek követelménye vetette fel. A különválasztási törekvés ellenére a hangsúly a szennyvíz megtisztításán van. Egy másik felfogás szerint az elválasztás az ún. szürke, illetve fekete szennyvíz tekintetében értelmes, amely a szennyvíz hasznosításának igényéből indul ki ábra A szürke és fekete szennyvíz paraméterei A szürke szennyvíz kategóriája azt jelenti, hogy nem tartalmazza a vízöblítéses WC használatból keletkező fekáliás hányadot. Utóbbit fekete szennyvíznek is nevezik. A szürke szennyvíz mindössze 1/9-ed annyi szennyeződést tartalmaz, mint a fekete szennyvíz, így megtisztítása csak némi kezelést igényel. A szürke és fekete szennyvíz mennyiségének aránya viszont éppen fordított értelemben alakul, a fekete szennyvíz alig több mint 10%-ot képvisel. A fekáliamentes szürke szennyvizet az sz. európai szabvány, csekély mértékben piszkos szennyvízként definiálja. Akár a csapadékvíz kommunális szennyvíz, akár a szürke fekete szennyvíz elválasztásából indulunk ki, kettős hálózat kialakítására volna szükség. A kiépítés rendkívül magas költsége és a már kialakult csatornarendszerek évszázados múltja az utólagos elválasztás megvalósítását az utópia kategóriájába sorolja (1-1. ábra /D). Realitásként az egyesített hálózaton gyűjtött szennyvízzel kell számolni. Szabályozásként csupán csak az vethető fel, hogy az ipari szennyvizek ne jelenhessenek meg a csatornahálózatban, mert azok hatékony tisztítása a technológia során belekerült anyagok pontos ismeretében helyben inkább megoldható és megoldandó. Ebben az esetben, a csatorna-hálózatban csak a szürke és fekete szennyvíz keverékeként előálló kommunális szennyvíz és a csapadékvíz egyvelege jelenik meg. A telepre megérkező szennyvizet, azonban újonnan már nem szennyvíznek tekintik, hanem nyersanyagként, amelyből értékes anyagok nyerhetők vissza. Ez felveti a fizessen a szennyező elv tarthatatlanságát is azon egyszerű oknál fogva, mert a csatornahálózati szolgáltatást igénybe vevő kommunális fogyasztó nem szennyező, hanem alapanyag beszállító. A víz, mint közeg, logisztikai szerepkört tölt be, amely a feladat végrehajtása során elhasználódik. A szállított anyagból beold bizonyos mennyiséget. A kinyerhető anyagok leválasztása után a visszamaradó szennyeződés eltávolítása az élővízbe való bebocsátás előfeltétele. Ennek az új felfogásnak a szelleme a vízi közmű terminológia megváltoztatását is igényli. 1.2 Terminológiai értelmezések Közismert, hogy mindkét ágazat a víz útját követve két-két jól elkülöníthető folyamatból áll. A vízellátás esetében a víztermelést a vízelosztás követi, a csatornázás részfolyamatai a szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás. A vízellátás ezenkívül rendelkezik egy nagyon élő visszacsatolással, miszerint a vízelosztási oldalon kell szavatoljuk a szolgáltatott víz minőségét, amelyet jószerivel csak a víztermelési oldalon tudunk érdemben befolyásolni. A visszacsatolás a vízminőségen keresztül jön létre. 3 / 17

4 Vízminőség Víztermelés Vízelosztás Szennyvízelvezetés Szennyvíztisztítás 1-3. ábra A hiányzó visszacsatolás A csatornázás nem ilyen folyamat. A szennyvízelvezetés összegyűjti a keletkező szennyvizeket és megérkezteti azokat a szennyvíztelepre. A szennyvíztisztítási folyamat aztán igyekszik az előírt határértékeknek megfelelően megtisztítani a vizet. A két részfolyamat között nincs olyan értelmű visszacsatolás, mint amilyen a vízellátás esetében megvan. Ha pótoljuk a hiányzó visszacsatolást, akkor a telepi feladat irányultsága megváltozik. A pótlása csak úgy teremthető meg, ha a szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosításról kezdünk el beszélni. Vízminőség Víztermelés Vízelosztás Szennyvízelvezetés Szennyvízhasznosítás Szennyvízminőség 1-4. ábra A hiányzó visszacsatolás pótlása Ha végrehajtjuk ezt a paradigmaváltást, úgy már nem mindegy, hogy a telepre milyen minőségű szennyvíz érkezik. A szennyvízelvezetés célfüggvényt kap. Fontos, hogy ne a csatornahálózat működjék biológiai reaktorként, ne ott vesszen kárba a szennyvíz energiatartalma, hanem a szerves anyag és az őt szállító közeg minél előbb a telepre kerüljön. Nem a szennyvíz terheltségéről kell beszélni ekkor már, hanem annak energiatartalmáról. A cél, a hasznosításon van, a minél nagyobb energia kinyerésén. Ez a szemléletváltás a korábbi gyakorlat feladását követeli. 1.3 Hol kell beavatkozni? A paradigmaváltás a szennyvíztisztítás, avagy az új terminológiánknak megfelelően a szennyvízhasznosítás hatókörét nem tartja a szennyvíztelepen belül, hanem azt rendszerszinten kezeli. Így a lehetséges beavatkozások körét értelemszerűleg a szennyvízelvezetés területén is keresi. A tevékenységi láncban nem a súlypontok átrendezéséről van szó, hanem az adott területen a teendők gyökeres átalakításáról. Hagyományos technológia A csatornahálózat büdös Érkező szennyvíz Gépi/kézi rács Homokfogó Szívótér Átemelő gépház Osztómű I. III. előülepítők Előlevegőzető és denitrifikáló medence Közbenső átemelő gh. Osztómű I. III. levegőztető medencék Energiafaló technológia, miközben merül az iszap energiatartalma, és nem működik L 12 C alatt L Fölösiszap Osztó és átemelőmű I. IV. utóülepítők Recirkulációs átemelő Tisztított víz végakna Befogadó Vidéki szippantós iszap, szat: 0,5-2 % Kevertiszap átemelő Gépi iszapürítő Iszaprothasztó tornyok (1 2) 40 % CO2 60 % biogáz Pálcás iszapsűrítő Vidéki víztelenített iszap, szat: 15 % Biogáz tároló Víztelenítő gép Gázmotorok (1 2) Víztelenített iszap Komposztálás 1-5. ábra Beavatkozási lehetőségek 4 / 17

5 A ábrán egy hagyományos (eleveniszapos) technológiai sort látunk, bejelölve azokat a helyeket, ahol a fentiek szellemében érdemi változtatásra van szükség A szennyvízelvezetés célfüggvénye A csatornahálózat eddigi Pató Pál-i üzemeltetésétől a jövőben azt kell elvárjuk, hogy a szennyvíz az útja mentén minél kevesebbet veszítsen energiatartalmából, azaz a hálózatban a tartózkodási idő legyen a lehető legrövidebb. Az ilyen formában megfogalmazott célfüggvény feladatot ró a tervezőre, az üzemeltetőre egyaránt. A tervező az új csatornák létesítésekor újra kell gondolja a lejtéseket, az elrendezések módját, az üzemeltetőnek pedig az átemelő gépházak üzemének összehangolásában van teendője. De van dolga az árhatóságnak is. A díjak kialakításakor tekintetbe kell lenni a szennyvízelvezetés vizes logisztikára alapozott működési módjára, pontosabban annak üzemeltethetőségére. A water closet vízzel működik. Az így kialakított rendszerben pedig a működés feltétele az elegendő mennyiségű víz megléte. Ha ez hiányzik, megnő a tartózkodási idő, a csatornák szaghatása erőteljes lesz, minek következtében a kinyerhető energia csak kevesebb lehet. A csatornahálózatban megjelenő víz mennyiségét leginkább a díjakon keresztül lehet befolyásolni. Az elmúlt időszakban a díjak növekedése különböző adókkal megtermelt módon is - a vízfogyasztás erőteljes csökkenéséhez vezetett. A csökkenés mértéke több mint 50 %. A víz és csatornadíjak nem kellően átgondolt emelésének így lehet negatív technológiai következménye Az iszap hasznosítása Biogáztermelés és a visszamaradó hányad komposztálása Az iszapból rothasztás útján biogáz nyerhető. A biogáz kihozatal maximalizálása azt követeli, hogy előülepítés után a teljes iszapmennyiség rothasztásra kerüljön. Ebből egyben az is következik, hogy olyan víztisztítási technológiára van szükség, amely nem használja az iszapot működésében. Az iszap megfelelő előkészítés után kerül az ún. rothasztó tornyokba. A rothasztás anaerob körülmények között zajlik, melynek folyamán biogáz (metán és széndioxid keveréke) keletkezik valamint az energiájától megfosztott szilárd halmazállapotú nedves iszap marad vissza. A biogázt a magas (cca 40%) széndioxid tartalma miatt meglehetősen drága eljárással tisztítani kell. Fel kell merüljön a kérdés, hogy a széndioxid kivonása helyett, annak bekerülését megakadályozni nem olcsóbb-e? Az iszap-előkészítés lényegét tekintve víztelenítést jelent. A rázóasztalok és a prések fizikai elven hajtják végre az iszapsűrítést. Azonban sem a rázás, sem a préselés nem történik a levegő kizárásával. Következésképp a műveletek során a besűrített iszap jelentős mennyiségű oxigént nyel el, amely aztán a rothasztó toronyban az anaerob viszonyokat lerontja, elősegítve ezáltal a biogáz széndioxid tartalmának növekedését. Valószínűleg a biogáz széndioxid tartalma nem teljesen szüntethető meg, de a tartalom mérséklése talán igen és a bekerülésének, ill. megjelenésének megakadályozása biztosan kisebb ráfordításokat igényel, mint az utólagos eltávolítás. A rothasztókat a működés feltételeként fűteni és bennük az iszaptartalmat állandóan keverni kell. A fűtésre gázmotorok hulladék hője is használható. De az energiatermelés során keletkező sokszor felesleges hőmennyiség a komposztálandó iszap szárítására céljából is bevethető. A gyakran alkalmazott szolár szárítás látszólag olcsó ugyan, de kevésbé intenzív Az iszap teljes mennyiségének komposztálása Vannak olyan vélemények is, amelyek az iszap hasznosítását nem a biogáz termelésben látják. Azt állítják, hogy a teljes iszapmennyiséget komposztálni kell. A komposzt mezőgazdasági felhasználása az emberiség alapvető érdeke, mert ezzel lehet a talajok erózióját megakadályozni és így a Föld élelmiszertermelő képességét megőrizni [3]. Ez a gondolat vetette fel és adja értelmét a szürke (szappanos) és fekete (fekáliás) szennyvíz elválasztása szükségességének. A szürke szennyvizet jószerivel csak kezelni kell, a fekete szennyvíz tisztítása ebben a felfogásban nem indokolt, hisz most a komposztmennyiség maximalizálása a cél. Nagy városokban a szürke és fekete szennyvizek utólagos elválasztása csak nagy ráfordítások mellett volna megvalósítható. A fennmaradó lehetőségként ez a szennyvíztelepen annyiban korrigálható, hogy az előülepítőről a teljes iszapmennyiséget az iszapvonalra irányítjuk. Az összes iszapmennyiséget így maradéktalanul komposztáljuk. A visszamaradó, a logisztikai folyamat során elhasználódott vizet (used water) tisztítjuk. Ez a víz már csak oldott állapotú szennyezéseket tartalmaz. 5 / 17

6 Az iszap elégetése Az iszap komposztálásának is vannak ellenzői. Az egyesített rendszerű csatornákon begyűjtött városi szennyvizek esetében nem ellenőrzött kellőképpen a bebocsátott szennyvizek minősége. Tartalmazhat a beérkező víz nehézfémeket, fáradt olajat, stb. Emiatt a komposztálás, majd azt követően a szántóföldeken való elhelyezés nem jöhet szóba, mert elszennyeznénk vele a termőföldet. Ezért egy jobb alternatíva mondják - az iszap elégetése, ahogy az a rácsszeméttel is történik. Ennek a meglátásnak természetesen van valóságalapja, és ezen a ponton válik tarthatatlanná az a vélemény, miszerint nem az a fontos, hogy milyen a szennyvíz minősége, a lényeg, hogy fizessenek érte. A hatósági feladatok itt a környezetvédelme érdekében jelölhetők meg. A bebocsátások vízminőségét a Környezetvédelmi Hatóságnak ugyanúgy ellenőriznie kell, mint ahogy azt az ivóvíz esetében az ÁNTSZ teszi Az elhasznált víz tisztítása Az előülepítés után a víz a szűrhetőség szempontjából már tisztának tekinthető. Alkalmazható volna két előülepítési fokozat, de nincs rá szükség. Az előülepítőről lekerülő vízben már csak oldott állapotban találhatók eltávolítandó anyagok. A helyzet teljesen hasonló a parti szűréshez. A Duna víz molekuláris szempontból ugyanazokat az elemeket tartalmazza, mint a szennyvíz. Gondoljunk csak arra az esetre, amikor a szennyvíz tisztítatlanul kerül az élővízbe. A különbség csupán a hígítás, illetve a töménység mértékében van. A kérdés tehát az, hogy biológiai szűréssel a víz megtisztítása elérhető-e? A szennyvízhasznosítás azon feltételének, miszerint az energia kihozatal legyen maximális, azzal felelhetünk meg, hogy a víz megtisztításához nem használunk iszapot. A hagyományos szennyvíztisztítás oxikus-anoxikus üzemű medencéiben az iszap energiatartalma szükségképpen folyamatosan merül, csökkentve ezzel a biogáz kihozatal mértékét. (Megjegyzés: A lefedett Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telepen az oxikus/anoxikus terek robbanás veszélyes terek, ezért üvegfallal elzártak. Oda a belépés csak védőeszközök használatával lehetséges.) A tápanyaglebontáshoz sok levegőre van szükség, amelynek nem közömbös a beviteli módja. A tányéros mélylevegőztetőknek azért olyan nagy a nyomásigénye, mert a levegő hozzávezetése előnytelen módon történik, azt a nagy viszkozitású eleven iszapon kell átjuttatni. A fúvók működtetése sok energiát emészt fel. Az előülepítést követően, a szűrhetően tiszta víz esetében lehetőség kínálkozik a fúvók ventilátorokra történő lecserélésére. A következőkben az összevetések technikáját alkalmazva ezt boncolgatjuk. Ettől a ponttól kezdve általában víztisztításról kell beszélni, nincs értelme elválasztani egymástól az ivóvíztisztítást és a szennyvíztisztítást. A tisztítandó víz minőségét is árnyaltabban érdemes értelmezni. Arról kell beszélni, hogy mit kell kivenni a vízből. Ahogy azt majd később látni fogjuk itt a szerves anyagok diffúziós tényezője lesz a döntő paraméter. Egy egészen más természetű kérdés, hogy mennyit. A mennyiséget mérő töménységet (LEÉ, TOC, BDOC, KOI, BOI 5 ) is szokás a vízminőséggel azonosítani. A következőkben ezt inkább a víztisztítása tekintetében terheltségeként, a beérkező szennyvízre nézvést a kinyerhető energiatartalom mértékeként érdemes felfogni. 2 A biológiai szűrés 2.1 A parti szűrés sajátosságai Az egykori NDK és az NSZK együttlétezése tulajdonképpen egy kísérletnek is felfogható, amely a szocializmus, illetve a kapitalizmus életképességét volt hivatott bizonyítani. Ebben a próbában az volt a döntő, hogy a két állam a háború után szinte egyazon időpontban jött létre, így a pillanatnyi fejlődés összevetésével azonnal le volt mérhető a két fejlődési út különbsége. A Fővárosi Vízművek történetében is létezett ilyen párhuzam, egy kísérlet, amely kereken egy negyedszázadon át folyt. Az azóta már véglegesen leállított felszíni víztisztítómű és a parti szűrés összevetése adta meg erre a lehetőséget. A kutakból nyert víz természetes módon, parti szűrés révén tisztult meg. 6 / 17

7 Természetes parti szűrés Mesterséges víztisztítás Folyó Kutak Víztisztítómű Gyűjtőcsatorna Hálózat Hálózatba táplálás 2-1. ábra A kísérlet A Felszíni vízműben mesterséges technológiát alkalmaztak. A merőben eltérő tisztítási eljárások legfontosabb közös tulajdonsága az, hogy mindkettő egyazon minőségű vízből dolgozik, azaz mindkét eljárás bemenetén ugyanaz a nyersvíz található. Mégis a flokkulálás, derítés, gyorsszűrés alkotta mesterséges technológiai sor által előállított víz minősége nagyságrendekkel rosszabb volt, mint a kútvíz. A szabványban előírt mikrobiológiai vízminőség szavatolásához a mesterséges víztisztítás jelentős mértékű klóradagolást igényelt, míg a parti szűrésű víz esetében kismértékű biztonsági klórozás is elegendőnek bizonyult. A Duna, miután áldásos szolgáltatásait tekintve szennyvizek befogadója is, így molekuláris értelemben a szennyvízben megtalálható elemek benne is előfordulnak. Budapest hosszú éveken át tisztítatlanul vezette szennyvizét a Dunába. A város alatti folyószakaszon dolgozó kutak a Csepel-szigeti kutak szennyvizet voltak kénytelenek tisztítani, nem terheltségi értelemben, hanem a vízben megtalálható molekulák tekintetében. A kutak beépítette partszakaszon nincsen vegyszeradagolás, nincsenek UV lámpatestek és nincs eleveniszapos visszaforgatás sem, mégis megtisztul a víz. Sőt sokkal jobban, mint az a mesterséges technológiák esetében történik. Értelmes törekvés tehát a parti szűrés fogásainak megismerése és azok alkalmazása. A parti szűrés hatásmechanizmusát modellezés segítségével érthetjük meg. A dimenzióanalízis technikájának felhasználásával volt levezethető az az összefüggés, amely leírja a folyamatot [1]. Foglaljuk össze a legfontosabb megállapításokat: A parti szűrés biológiai szűrés és a vízben megtalálható tápanyagok lebontásán alapszik. Az általánosan elfogadott látásmód szerint a tápanyaglebontás hatásvázlata az alábbi: oldott O 2 + szerves anyag Mikroorganizmusok CO 2 + biológiai növekedés 2-2. ábra A biokémiai folyamat hatásvázlata Az oxigén jelenlétét és mikroorganizmusok részvételét igénylő biokémia folyamat biofilmben zajlik. A végtermék biológiai növekedés és széndioxid. A biofilm szerepe kulcsfontosságú, amely felépítését tekintve dinamikus képződmény. Megtapadásához szilárd felületre van szükség ábra A biofilm dinamizmusa A parti szűrés esetében ezt a szilárd felületet a szűrőréteg homokszemcséi adják. A szűrőrétegen kialakuló egybefüggő biofilm áll és hozzá képest a szivárgó folyadék mozog. A megtapadás-növekedés-szétszóródás jellemezte lüktetés létrejöttéhez azonban előfeltételekre van szükség. A mikrobák helyhez kötöttek. Ezért ahhoz, hogy a biofilmen belül a tápanyaglebontás megvalósulhasson, a 7 / 17

8 tápanyagot oda kell szállítani és oda be kell juttatni. Ennek a logisztikai feladatnak a működését legszemléletesebben az áramlási képén mutathatjuk be. Konvekciós áramlás Konvektív áramlás szivárgás szemcsék biofilm Diffúzió Víztérbe nyúló bordás felületnövelő elrendezés Diffúzió Biofilm (biológiai hártya) Bio-kémiai folyamatok a biofilmen belül Szilárd megtapadási felület (pl. homokszemcse) 2-4. ábra Az áramlási kép és a folyamat lépcsői A vízben oldott tápanyag beszállítása két lépésben valósul meg: egyrészt konvektív módon, szivárgással történik, másrészt konduktív formában, diffúzió útján jön létre. Mind a szivárgás, mind a diffúzió lassú folyamatok. A konvektív áramlást a kútban előidézett depresszió tartja fenn, nyomáskülönbség hatására jön létre. (A parti szűrés tehát nem eleve van, hanem szivattyúzással mi hozzuk létre és tartjuk fenn.) A diffúzió hajtóereje a koncentrációkülönbség, amely a biofilmen kívüli, ill. belüli terek közt jelentkezik. A tápanyag bejutva a biofilmbe ott a baktériumok közreműködésével lebomlik és ezt követően már más anyag koncentrációját képviseli, újratermelve ezzel a koncentráció különbséget. Ha a biofilmen belül nem történik meg a lebontás, úgy megszűnik a diffúzió hajtóereje is. A tápanyag lebontási folyamatban pontosabban annak mértékében - fontos szerepet játszik még a szemcsék mérete. Kisebb szemcsék esetén rövidebb a diffúziós úthossz, amely kedvez a diffúzió beteljesedésének. A kisebb szemcsék ezen túlmenően adott kiterjedésű térrészben nagyobb felületet képviselnek, miáltal nagyobb felületen több mikroba fogható munkára. Nagyon fontos megfigyelni azt is, hogy a biológiai tápanyaglebontás egymást követő lépésekből áll, vagy más néven a folyamat soros. A konvektív anyagáramot (a szivárgást) sorrendben a konduktív áram (a diffúzió) követi. A biofilmen belüli biokémiai lebontás csak a logisztikai lépések bekövetkezte után válik lehetségessé. Ha a sorban bármelyik lépcső sérül, a folyamat hatékonysága alábbhagy. A biofilm leválása a szétszóródás következménye, amely a szűrőréteg eltömődését okozhatja. A rendszeres időközönként bekövetkező árvizek a partszakasz szűrőrétegét ciklikusan öblítik, és ezzel regenerálják is. Eddigi meglátásainknak megfelelően érdemes felrajzolni a parti szűrés elrendezését. A keresztmetszeti ábra jellemzi leginkább a viszonyokat: 8 / 17

9 2-5. ábra A parti szűrés viszonyai A 2-5. ábra alapján a következő megállapításokat tehetjük: A parti szűrés egy változó sebességű szűrés. A szűrési útvonal mentén a sebesség növekedés mértéke akár a szeres értéket is elérheti. A szűrési sebesség a mederkapcsolati rétegben a legalacsonyabb, nagysága kisebb, mint 0,1 m/d A biológiailag aktív réteg a mederkapcsolatnál alakul ki, amelynek vastagságát a szakirodalomban [12] 0,5-1,5 m-re teszik. A tápanyaglebontás négy ok miatt hagyhat alább, ill. szűnhet meg: o ha elfogy az oxigén (a rétegben már nincs utánpótlás) o ha elfogy a tápanyag (nincs már mit lebontani) o ha oly mértékben megnő a szűrési sebesség, hogy a tápanyag elhalad a biofilm előtt, nem hagyva időt a lassú diffúzióhoz (a logisztikai előfeltétel nem teljesül) o ha a nem adottak a klimatikus feltételek (előnytelenek a ph és rh vizes környezeti értékek) A szűrőrétegnek a biológiailag aktív sávon kívüli része a szűrésben már nem vesz részt, elsősorban hőháztartási szerepe van, amelynek nyáron a víz üdeségét, télen a víz melegebb hőmérsékletét köszönhetjük. A folyamat modellezésénél fontos szerepet játszik az ún. Pe-szám (Peclet): ahol Pe w d D S üzemi jellemző wd D S a szűrőréteg tulajdonsága a tisztított víz sajátsága szűrési sebesség szemcseátmérő a szubsztrát diffúziós tényezője 9 / 17

10 ,amely az üzem, a szűrőréteg és a tisztítandó víz tulajdonságait egyaránt magába foglalja. Fogalmazhatunk másképp is. A Pe-szám ötvözi a konvektív és a konduktív áramlás valamint a felület nagyságára utaló jellemzőket. A parti szűrés Pe-számának értéke 5-15 között mozog. A három tényezőből álló dimenziótlan változó kiszámítása a mennyiségek problematikus mérhetősége és meghatározhatósága miatt nehézségekbe ütközik. 2.2 A mesterségesen megvalósuló tápanyaglebontások adottságai A hagyományos ivóvíz tisztítási eljárásoknál általában nem kifejezett törekvés a tápanyaglebontás. Többnyire kémiai, elektrokémiai reakciókkal érnek célt, kiegészítve fizikai elemekkel, mint a gravitációs elválasztás vagy a mechanikai szűrés. A szennyvíztisztításról ez nem mondható el. A szennyvíztisztásnak is lehetnek kiegészítő elemei mint a rácsszemét eltávolítása, vagy a homok és zsírfogók azonban a lényeget tekintve biológiai eljárás képezi a technológia lényegi elemét. A leginkább elterjedt eljárás az ún. eleven iszapos technológia. Flokkulátum Levegő befúvás Keverés 2-6. ábra Az eleveniszapos technológia sémája. A biológiai tápanyag lebontás itt is a biofilmben történik. A biofilmhordozó maga az iszap, ill. annak pelyhei. A biofilm nem egy fix képződmény, hanem töredezett kialakítású, amelyet megkülönböztetve a statikus biofilmtől, flokkulátumnak is neveznek. A parti szűrés tulajdonságainak elemzésénél megállapítottuk, hogy a biofilmen belüli tápanyaglebontásnak előfeltétele a logisztikai elemek beteljesedése. Azért mert a konvektív és konduktív áramlás elemei nem ismerhetők fel könnyen az eleveniszapos reaktortérben az még nem jelenti azt, hogy ezek a jegyek itt nem léteznek, velük nem kell foglakozni. A szennyvíz nagy terheltsége miatt a lebontáshoz sok oxigénre van szükség. A levegő hozzávezetésének ezért meghatározó a jelentősége van. A levegő befújása azonban nemcsak az oxigén ellátást szolgálja, hanem a keveredés révén a konvektív áramlás előidézője is. A parti szűrésnél a konvektív sebesség nagysága az álló homokszemcsékhez, azaz az álló biofilmhez képest volt értelmezett. A szivárgási sebesség nagyon kicsi (0,1 m/d), szemmel nem érzékelhető érték. Ha ugyanezt a sebességet az eleven iszapos technológiánál szeretnénk meghatározni, az nehézségekbe ütközne, de szemmel láthatóan ez az érték nagyságrendekkel nagyobb, mint az a parti szűrés mederkapcsolati rétegében tapasztalható. Ha az eleveniszapos technológia biológiai reaktorterének Pe-számát szeretnénk kiszámolni, akkor jószerivel csak minőségi megállapításokat tehetünk: A flokkulátum, azaz a pelyhek kicsi szemcsemérete biztosan ellensúlyozza a relatíve nagyobb konvektív sebességet. A szubsztrát diffúziós tényezője ugyanaz, mint a parti szűrésnél. A tápanyag lebontási modell szerint [1], hatékony tápanyag lebontás Pe > 50 mellett jön létre. A szennyvíztisztítás mai gyakorlata nem számolja ki a Pe-számot. A konvektív sebesség fogalmát, a könnyen meghatározható tartózkodási idő és iszapkor fogalmakkal helyettesítik. Ezekre empirikus úton intervallumokat határoz meg. A nagyobb tartózkodási idő és kisebb konvekciós sebesség ugyan egy irányba mutató változók, de könnyen belátható, hogy a tartózkodási idő értelmi lényegét tekintve nem azonos a konvektív sebesség fogalmával. A konvektív áramlással a biofilmhez szállítjuk a tápanyagot. Ha ez az áramlási sebesség túlzottan nagy, a tápanyag elgyalogol a biofilm előtt, nem hagyva elegendő időt a diffúzióra. A tartózkodási idő ugyan elegendő időt hagy, de nem szállít. Ezért a folyamat jellemzésére nem szerencsés fogalom. A konvektív áramlást külső erő, a parti szűrésnél a szivattyúzás, az eleven iszapos technikánál a levegő befúvás vagy a keverés hozza létre. A konduktív áramlást a nyomáskülönbség, a diffúziót a koncentráció különbség hajtja. Ahhoz azonban, hogy a koncentráció különbség folyamatosan létrejöjjön a biofilmen belül a biokémiai reakcióknak le kell zajlaniuk. 10 / 17

11 Ha a tápanyag diffúziós tényezője nagy, úgy gyorsabban és könnyebben jön létre a bediffundálódás. Ebből az következne, hogy a kisebb molekulák mint az ammónia - lebontása előbb, gyorsabban történik meg. Mégis ez fordítva van. Ennek az a magyarázata, hogy a biokémiai reakciók egy része, - így a kétlépcsős nitrifikálás is - szénfelhasználással járnak. A nitrifikálás beindulásához előbb szenet kell előállítani, azaz a szerves, nagy molekulájú szénvegyületek lebontására előbb kell sort keríteni. A nitrifikáció ezért indulhat csak meg később. A lényegesen jobb diffúziós paraméterekkel rendelkező ammónia bediffundálása akkor válik folyamatossá, ha már dolgoznak nitrobaktériumok, előállítva a külső víztér és a biofilmen belüli tér közötti az ammóniára vonatkozó koncentráció különbséget. Víztér Biofilm C k Koncentráció különbség vezérekte szivattyú Biofilmhordozó Konvektív tömegáram ΔC=C k-c b Diffúzió C k >> C b C b Biokémiai reakciók eredménye Ha nincs lebontás ΔC=0, megszűnik a diffúzió 2-7. ábra A folyamatos diffúzió visszacsatolás révén állandósul A molekulák lebontásának eme sorrendisége, egyben azt is jelenti, hogy a tápanyaglebontási folyamat soros voltáról alkotott elképzelésünket némileg árnyalnunk kell, hisz a konduktív áramlás létrejötte a sorban későbbi biokémiai folyamatoktól függ. Ha nincs lebontás, nincs koncentráció különbség, nincs diffúzió. Azaz létezik egyfajta visszacsatolás a két utolsó láncszem között. Érdemes még egy dologra felhívni a figyelmet. Az oxikus és anoxikus medencék között szerkezeti értelemben csupán az a különbség, hogy az egyikben éppen van levegő hozzávezetés, a másikban nincs. Ezt a szerepet időközönként felcserélik. Az oxikus, ill. anoxikus jelzők azt sugallják, mintha a két medencetérben különböző biokémiai folyamatok zajlanának. Ha azonban a levegőztetés keverési, a konvektív áramlást előidéző szerepét tekintjük, más következtetésekre jutunk. A levegő hozzávezetés megszüntetésével tulajdonképpen lecsökkentjük a Pe-számot. Hogy ez pontosan mit jelent, ahhoz még ki kell mérni a biológiai szűrés ún. T-diagramját (lásd később). A hidraulika és a biológiai szűrés folyamatai hasonló jelenségek [1]. A hidraulika a Moody-diagram kimérésével lezárt fejezetnek tekinthető, a biológiai szűréselmélet kiteljesedése azonban még várat magára. A következő táblázatban a részletek kifejtése nélkül csak jelezzük a már megtett és a még hiányzó lépéseket. Hidraulika l D c M kg S Π Π Π Biológiai szűrés ΔS ν w D O2 E h L F T R D S C O2 d m kg s K A mol Π Π Π Π Π Π Π 1 =Δp /ρc 2 ~ Δp /(ρ/2) c 2 )) Π 2 =L/d Π 3 = ν/(cd) = 1/Re Euler szám a csőszakasz hosszának és átmérőjének a viszonya Reynolds szám reciproka Π 1 = ΔS / C O2 Π 2 = ν / D S Π 3 = w d / D S Π 4 = D O2 / D S Π 5 = E h F / RT Π 6 = L / d koncentráció viszonyszám Schmidt-szám a diffundáló anyagra nézve Peclet-szám diffúziós tényezők aránya Nernst-tényező, ill. korrigálva rh geometriai viszonyszám 11 / 17

12 L ρ Δp = λ c d 2, 2 ΔS = μ C O2 DS ν L rh w d D d O2 λ Reynolds Hagen - Poisseuille Rouse Colebrook - White Blasius Nikuradse Kármán Re Nikuradse Moody k/d μ Tápanyag lebontás van Aktív szén szűrés Pe <50 Lassu szűrés Parti szűrés Biológia szűrés (mechanikai szűrés is) 1? Gyors szűrés Átmeneti tartomány Pe >30 Tápanyag lebontás nincs Főként mechanikai szűrés Pe Moody-diagram T-diagram 2-8. ábra A hiányzó T-diagram A két, látszólag távol eső folyamat modellezése dimenzióanalízissel történt. Az első lépés a változók felsorolása, azaz a dimenzió mátrix felírása, ezt követi a változók számának redukálása, a dimenziótlan számok megalkotása. Módszertan ehhez [9]-ben találunk. Heurisztikus megfontolásokkal a jelenséget leíró összefüggés felírásáig is eljuthatunk, majd mérés útján kell meghatározni a csősúrlódási (λ) ill. a szűrési (μ) tényezők függvényét. A Moody-diagrammal már rendelkezünk, a T-digram kimérése még várat magára. A T-diagram a biológiai terek korrekt méretezésének lehetőségét teremti meg. Amíg nem rendelkezünk ezzel az eszközzel, addig a méretezés csak becsléseken nyugodhat. 3 Biológia szűrők méretezése 3.1 A hasonlósági transzformáció A biológiai szűrők méretezésének alapgondolata rendkívül egyszerű. Adva a parti szűrés, amelyről tudjuk, hogy kiváló minőségű vizet állít elő az esetenként erősen szennyezett folyóvízből. Rögzítsük ezeket a paramétereket természetes, azaz dimenziótlan változók mentén, majd használva a hasonlósági transzformáció kínálta lehetőségeket határozzuk meg a mesterséges eljárás métereit. A parti szűrésre jellemző Pe-szám nagysága A parti szűrés hatékony biológiai szűrés, a hasonlósági transzformációval ennek a tulajdonságnak a megőrzését érjük el. A Pe-szám tartásának feltételét a következőképpen fejezhetünk ki. w d Pe mesterséges szűrés = := Pe D S parti szűrés A képletben a nyilak a változtatás irányát jelzik. A kismintára (a parti szűrésre) jellemző alacsony szűrési sebességhez képest, a nagymintán (méretezendő mesterséges szűrő esetében) az átfolyási teljesítmény növelése érdekében a szűrési sebességet növelni kell. Következésképp a Pe-szám változatlan értéken való tartásához amely a hasonlóság feltétele - a számlálóban szereplő szűrőközeg d szemcseátmérőt csökkenteni, míg a nevezőben található D S diffúziós tényezőt növelni kell. A szemcseátmérő csökkentése a homok helyett nagy fajlagos felületű szűrőtöltet alkalmazását kívánja. A diffúziós tényező növelése pedig ózonkezeléssel történhet. Az ózonadagolás hatására a szerves tápanyagok nagy molekulájú szerkezete összetöredezik. Az így létrejövő kisebb méretű molekuláknak a közismert Stokes-Einstein összefüggés szerint pedig nagyobb a diffúziós tényezője. Gyorsszűrők biológiai jegyeket tehát csak akkor lesznek képesek felmutatni, ha megváltoztatjuk magát a szűrőközeget és a szűrendő szennyvizet ozonizálásnak vetjük alá. Ahogy a Moody-diagram a hidraulika tudományának, úgy az un. T-diagram a biológiai szűrés elméletének alapösszefüggése. A Moody-diagram ismert, minden hidraulikával foglakozó tankönyvben megtalálható A T- diagram, azonban még nincs kimérve. Következésképp a μ szűrési tényező érteke még nem létezik. 12 / 17

13 3.2 A tényezők meghatározásának nehézségei Tovább nehezíti a dolgot, hogy az egyes tényezők meghatározása is nehézségekbe ütközik, ezért becslésekre kényszerülünk: A szűrési sebesség maghatározása Szűrők esetében a szűrési sebességet az átfolyó vízmennyiség és a szűrő keresztmetszetének hányadosaként definiáljuk. Az így értelmezett sebesség érték azonban nem a valódi szűrési sebesség, csak arányos vele. Helyesebb volna, ha a szűrőközeget jellemző fajlagos hézagtérfogattal korrigálnánk a definiált értéket. Ebben a dolgozatban alkalmazkodva a szokásjoghoz -, sem a parti szűrés mederkapcsolati sebességének becslésénél, sem a méretezés során nem helyesbítjük a szűrési sebesség értékét A diffúziós tényező nagysága A szubsztrát diffúziós tényezőjének amit a képletbe kell helyettesíteni meghatározása nem egyszerű. Az egyenes út az volna, hogy mintavétel után a szennyvíz labor kimérné az értékét. A diffúziós tényező mérése azonban nem tartozik a könnyű mérések közé, ezen kívül a szennyvízben oldott állapotban nagyszámú különböző anyagminőség lelhető fel. A modellezés szempontjából melyik számít? Célszerűnek látszik egyfajta egyenértékű diffúziós tényező bevezetése, amelyet a következő képlettel definiálhatunk: D = S n i=1 n i=1 DC i C i i, ahol n a szennyvízben fellelhető tápanyagok száma Ebben a felfogásban a tisztítandó vízben található tápanyagok C i koncentrációját mérjük meg. Az egyes anyagminőségekhez tartozó D i diffúziós tényezők, mint fizikai jellemzők ismertek, miáltal az egyenértékű D S diffúziós tényező kiszámolható. Ezt az értéket szerepeltetjük aztán a hasonlósági számokban (Pe, Sc). Követhetünk egy másik utat is. Von Gunten meglátása szerint [14] a vizekben a következő tipikus molekula található: CH O NH H PO O = 106CO +16NO + HPO +122H O +18H A fenti képlet baloldalán nem konkrét molekulát találunk, hanem a kiindulási vegyületek atomcsoportok szerinti összeállítását. Jól látszik az is, hogy a biokémiai folyamat végbemeneteléhez nagyon sok oxigénre van szükség. A lebontás után javarészt vizet és széndioxidot kapunk, de keletkezik nitrát és foszfát is. A lebontandó atomcsoport molekulasúlya: Elem Atomtömeg Tömegmennyiség Összesen C * H 1 212*1 + 48*1 + 3*1 263 O *16 + 4* N 14 16* P 31 1*31 31 Molekulatömeg M 3554 Relatív molekulatömeg: Mr = 3554 / A molekulatömeg és a Schmidt-szám között kimért és képletbe öntött összefüggés van [5]. Ennek az összefüggésnek a segítségével esetünkben a Schmidt-szám értékére 0,507 0,507 Sc = 140M = 140*3354 = at kapunk. Használva a Schmidt-szám képletét, a diffúziós tényező számértéke a következő lesz: ν 1, 3*10 m -10 m D S = = = 1, 47*10 Sc 8838 s s 13 / 17

14 Az oxigénnek is be kell diffundálni, azonban az oxigén diffúziós tényezője hasonlóan a klórhoz rendkívül nagy, értéke kereken D = 20*10 oxigén m s Ózonadagolással a lebontandó atomcsoport kisebb méretű darabokra esik szét. Az ózon aprítókés működésének eredményét azonban még ki kell mérni. A beavatkozás értelmét a diffúziós tényező növekedésében szeretnénk lemérni Az egyenértékű szemcseátmérő A part menti szűrőréteg szemcseeloszlása sem egyenletes. Az egyenértékű szemcseátmérőt méréssel határozzuk meg. A mérés az ún. szemcseeloszlási görbe meghatározása útján történik. A különböző frakciókat (homokot, kavicsot) tartalmazó szűrőréteget egy egyenletes szemcseeloszlású, ugyanazt a felületet felmutató közeggel azonosítjuk. Az ehhez tartozó szemcseméret az egyenértékű szemcseátmérő. A homok és kavics szemcsék csak külső felületüket tekintve mutatnak felületet. Közelítőleg gömbnek tekintve a szemcséket egy adott térrészben a mikrobák letelepedésére alkalmas felület nagysága könnyen kiszámolható. Az összfelület annál nagyobb, minél kisebbek a szemcsék. A nagy fajlagos felületű anyagok külső felületük mellett a granulátum belső szerkezetében is rendelkeznek felülettel. Ezeket a különleges anyagokat három tulajdonsággal szokás jellemezni: a granulátum mérete, azaz a szemcse átlagos, valódi átmérője, az anyag sűrűsége vagy fajsúlya, és az anyag fajlagos felülete. Ezen három tulajdonság segítségével ehhez csak a gömb térfogatának és felületének képletét kell ismerni kiszámolható az egyenértékű szemcseátmérő. Egy olyan szemcse mérete, amely már csak külső felszínén mutat felületet. Ezáltal válnak összevethetővé a különböző szűrőanyagok a Pe-szám képletében. d d m Fd = Fd m Belső felülete is van Csak a felszínén mutat felületet 3-1. ábra Az egyenértékű szemcseátmérő Nagy fajlagos felületű anyagok esetén az egyenértékű, vagy mértékadó szemcseátmérő nagyon kicsi értékre adódik, amely a biológiai szűrők méretezése szempontjából nagyon üdvözítő volna. Megfigyelték azonban [8], hogy a nagy fajlagos felületű anyagok belső szűk vágataiban csak részben alakul ki a biofilm. A korlátot a baktériumok és a vágatok méretének viszonya jelenti. mikrobák Szemcsefelület szűk vágat 3-2. ábra A biofilm kialakulásának akadályai a belső felületeken. 14 / 17

15 Ahogy azt az ábrán plasztikusan jól megfigyelhetjük: ha a baktérim nagyobb méretű, mint a vágat nyílása, úgy a belső terekbe a mikroba már nem fér bele (szembesülve az Apu! Hod med be, az a nagy elefánt az oroszlán barlangjába? szindrómával). A mikrobák letelepedésére rendelkezésre álló felület valójában tehát kisebb, mint ahogy azt a fajlagos felület nagysága alapján kiszámolható. A fajlagos felület mérése nem közvetlenül, planimetrálással történik, hanem közvetett módon gáz elnyeltetéssel végzik. Ha a méréshez használt gázmolekula mérete kicsi, úgy nagy felületet kapunk, amelyet az említett okokból nem tudunk kihasználni. A fajlagos felület mérése a biológiai szűrés szempontjából tehát akkor volna korrekt, ha a mikrobák méretének megfelelő gázmolekulát használnánk. Miután nem ismert a fent vázolt probléma méréses megoldása, ezért a mértékadó szemcseátmérő becslésére is kényszerülünk. Feltételezzük, hogy a mikroba méret 5-szöröse jó érték lehet. Jel Zeolit Aktív szén Granulátum mérete [mm] d 5 1,5 Sűrűség [kg/m 3 ] Fajlagos felület [m 2 /g] Egyenértékű szemcseátmérő [m] (a ábra logikájának megfelelően) d e 5,88* ,76* 10-9 Baktériumok mérete [m] b (0,5-5)*10-6 := 2,5*10-6 Mértékadó szemcseátmérő [m] (korrigált érték) d m d m :=5* b = 1,25* Alkalmazási példák 4.1 Szennyvíztisztítási méretek A következő excel számolótábla a méretezés legfontosabb lépéseit tartalmazza. Adat/Képlet Magyarázat Érték Dim. Pe:= a parti szűrés Pe-száma 10 [-] d m := a baktériumok méret 5-szöröse 1,25E-05 [m] D S := ózonizálást feltételezve 5,00E-10 [m 2 /s] w = Pe*D S /d m ezt kell beállítani a kívánt Pe-hez 4,00E-04 [m/s] w a szűrési sebesség m/d-ben 34,56 [m/d] Q:= ennyi az Észak-pesti szennyvíztelep kapacitása [m 3 /d] F= Q / w szükséges szűrőfelület [m 2 ] n:= szűrőegység szám 40 [db] f = F /n egy szűrő felülete 130 [m 2 ] a:= egy szűrő rövidebb oldala 5 [m] b = f / a egy szűrő hosszabb oldala 26 [m] L:= biológiailag aktív réteg a medernél (Jekel szerint) 1,50 [m] d:= parti homokszemcse mérete 1,30E-03 [m] L/d hasonlósági szám a modellben [-] L m =L/d * d m a biológiai aktív réteg vastagsága a szűrőn, ha Duna vizet kellene tisztítson 1,44E-02 [m] BOI szv:= BOI értéke az előülepítés után 400 mg/l BOI Duna := BOI értéke a Dunában 5 mg/l BOI szv /BOI Duna ennyiszer töményebb a szennyvíz 80 h = L m * BOI szv /BOI Duna arányosítással a szűrőréteg vastagsága 1,15 [m] V = h * F a szűrő térfogata [m 3 ] ρ:= a szűrőtöltet (a zeolit) sűrűsége 850 [kg/m 3 ] m = V / ρ a szűrőtöltet tömege [kg] ár:= a zeolit ára (árajánlat alapján) 45 [Ft/kg] K = ár * m a szűrőtöltet költségigénye 230 [mft] t =( V / Q ) a tartózkodási idő szűrőn 48,08 [min] 15 / 17

16 V eleven := az Észak-pesti telep biológiai reaktorterének térfogata [m 3 ] BER = V eleven / V A biológiai reaktorterek térfogatának aránya 17,97 [-] A méretezés a T-diagram ismeretében lényegesen megalapozottabb volna. A táblázat azonban egy jó becslést ad. A kapott számok egyértelműen bemutatják, hogy a szennyvízhasznosítás alapállású szűrőágyas technológia életképes. Érdemes a kényszerű becsléseket mérésekkel még alátámasztani, pontosítani. Nem kizárt, hogy az elvégzendő mérések fényében a főméretek tekintetében némi változás állhat be. Az előnyök és hátrányok felsorolásával vessük össze a szűrőágyas és az eleveniszapos technológiákat. A következő táblázat, ha szűkszavúan is, de rávilágít a lényeges eltérésekre: Szűrőágyas technológia Eleveniszapos technológia (a parti szűrés hasonlósága alapján méretezve) Alapállás Szennyvízhasznosítás Szennyvíztisztítás Biogáz termelés A teljes iszapmennyiség gázosítható A biogáz kihozatal lényegesen kisebb, mert a víz tisztításának folyamatában az iszap kimerül. Szükséges biológiai reaktortér kerekítve 20-sor kisebb reaktor tér Nagyobb beruházási költség szükséges Biofilm hordozó Szükség van rá és jelentős többlet Maga az iszap látja el ezt a költséget igényel. Öblítés Öblíteni kell, amelynek vannak vonzatai Partiszűrésnél évente kétszer Itt cca 2 naponta esedékes a szűrők öblítése feladatot. Nem merül fel a feladat. Keverés Nincs rá szükség A keverés villamos energiafelhasználással jár. Reaktor tér mélysége A szűrőréteg vastagsága 1,5 m A reaktortér mélysége nagy, 8 m Levegő bevitel Alulról kisteljesítményű ventillátorral 1,5 m vastag szűrőrétegen át. Az öblítés egyben levegő bevitel is. Működés télen A parti szűrés télen is stabilan működik, így a szűrőágyas technológia is. Üzemeltetés Feladás a technológiára szivattyúzással Merőben más gondolkozást igényel. Tulajdonképpen a szűrők öblítésére kell ügyelni. A mélylevegőztetést biztosító fúvók energia igénye nagy. 12 C alatt a tápanyaglebontás gyakorlatilag leáll. Az átáramlás folyamatos, az üzemeltetés feladata az oxikusanoxikus terek váltogatásából áll. Mindkét technológia esetében meg kell történjen. A technológiai soron való átjutás mindkét esetben gravitációs. 4.2 Biológiai ammónia eltávolítás viszonyai ivóvíztisztítás esetén A kétlépéses nitrifikáció biokémiai egyenletei közismertek: NH OH 1,5 O Nitrosomonas NO H 2 H O NO 0,5 O Nitrobakter NO Az első lépcsőt követően nitrit keletkezik, majd nitrit nitráttá alakul. A reakció oxigénigénye is ismert. A korábbiakhoz képest lényegesen kevesebb, ezért általában levegő befúvására sincsen szükség, megteszi az egyszerű levegőztetés is. Az ammónia diffúziós tényezője ismert: D ammónium = 19,4*10-10 m 2 /s. A kis molekula méret miatt nagyon jónak mondható érték ez. Vegyünk egy szűrőegységet, amelyről a tervezők azt állítják, hogy ammónia eltávolításra méretezték: Szűrőtöltet: Szűrési sebesség: 1,5 mm szemcseméretű homok 3,16 m/h Számítsuk ki ezekkel a paraméterekkel a Pe-szám értékét: 16 / 17

17 3 4 wd 1,5*10 m 8,8*10 m / s 10 2 D 19, 7*10 m / s Pe 670 Következtetés: Ammónia eltávolításra ez a szűrő nagy valószínűséggel nem a legalkalmasabb, mert hatékony biológiai tápanyaglebontás Pe < 50 mellett valósulhat csak meg. 5 Hivatkozások, irodalomjegyzék [1] Tolnai, B: Bevezetés a biológiai szűrés modellezésébe és méretezésébe a szabadalmi bejelentés ügyiratszáma: P [2] Montana University (USA) Biofilms in Drinking Water Treatmant and Distribution [3] Országh, J.: A bioelektronika tudományos bírálata [4] Reichart, O.: Az rh fogalmának, értékének levezetése Kézirat, [5] Szűcs E.: Hasonlóság és modell Műszaki Könyvkiadó, Budapest [6] Pascik,I.- Kárpáti Á.: Eleveniszapos szennyvíztisztítás hatásfokának javítása új típusú, adszorbeáló rögzítő felületre történő biofilm beépítéssel Hibrid rendszerként MHT hidrológiai Vándorgyűlés, Baja, [7] Palkó, Gy.- Oláh, J.: Talajszűrő biológiai lebontás-hatásfokának javítása zeolit töltet alkalmazásával MASZESZ Hírcsatorna, Budapest, január-február [8] Tarjányiné Szikora, Sz.: Bioszűrőkben alkalmaható szemcsés biofilm hordozók minősítése és összehasonlítása VII. Szennyvízágazati Konferencia (MAVÍZ/FCSM), Budapest, november [9] Szirtes, T.: Dimenzióanalízis és alkalmazott modellelmélet Typotex, Budapest, [10] Daigger, G. T.: The Wastewater (Used Water) Treatmnet Plant of th. IWA Conference of Large Wastewater Treatments Plants, Budapest [12] Jekel, I. Grünheid,S.: Ist di Uferfiltration eine effektíve Barriere gegen organische Substanzen und Arzneimittelrückstände GWF Wasser-Abwasser 148 (3007) Nr. 10. [13] Sali E.: Hőskora a csatornázásnak is lehet Az úttest alatt: új utakon BUDAPEST újság, 2102 febr és márc. [14] Eckert, P. Irmscher, R.: Over 130 years of experience with Riverbank Filtration in Düsseldorf Journal of Water Supply 2006/4 17 / 17