A szennyvíztisztításról másképp

Átírás

1 Nem biztos, hogy jobb lesz, ha másképp lesz, de ahhoz, hogy jobb legyen, másképp kell lennie. Georg Chistoph Lichtenberg A szennyvíztisztításról másképp Tolnai Béla Kulcsszavak: szennyvíztisztítás, tápanyaglebontás, diffúzió, dimenziómentes számok Rövid összefoglaló A szennyvíztisztítás hagyományos technológiái betöltik szerepüket. Méretezésükre inkább az empíria a jellemző. A természet alkotta parti szűrés is vizet tisztít, mégpedig kedvező adottságok mellett. Mind a mesterséges, mind természetes eljárásoknak a tápanyaglebontás a hatásmechanizmusa. A hagyományos eljárások tetemes az energia felhasználása, ezzel szemben a parti szűrés nem emészt el energiát. A parti szűrés alkalmas a gyógyszermaradványok lebontására, a hagyományos szennyvíztisztítási technológiák ezzel szemben sikerrel állnak helyt a magas BOI értékű víz tápanyagának a lebontásában. Felmerül azonban a kérdés, vajon javíthatók-e ezek az eljárások? A cikk elképzeléseket felvázolva erre keresi a választ. 1 BEVEZETÉS Egy korábban csak vízellátássál foglalkozó ember számára víz- és csatornaműben elvégzett energetikai audit alapján az derült ki, hogy a vízellátás és a csatornaszolgáltatás energiafelhasználása durván azonosak. Azt várnánk, hogy a vízellátás energiaigénye a nagyobb, mégpedig a jelentősebb szivattyúzási munka következtében. Ha mélyebben megvizsgáljuk a szennyvízelvezetés és szennyvíztisztítás energiaviszonyait, úgy kiderül: a nagyobb felhasználás a szennyvíztisztításnál van. Közelebbről a fúvók hajtására fordított energia a tetemes. Kiindulva az energiaracionalizálás követelményéből, lehet-e olyan tisztítási eljárást létrehozni, amely mellőzi a fúvókat, minek következtében a biogázos energiatermelés nemcsak részben fedi le a telep energiaigényét, hanem a villamos hálózatba is táplálhatunk a megtermelt energiából. Nagyon sokáig úgy volt, hogy Budapesten, a csepeli partszakaszon a kutak szennyvizet, a főváros tisztítás nélkül a Dunába bocsátott szennyvizét tisztították ivóvízzé. Kétségkívül tény, hogy a parti szűrés bementén a tisztítandó szennyvíz töménysége merőben más, mint ami egy szennyvíztelepre megérkezik. Molekuláris szempontból azonban teljes az azonosság, hisz mindkét helyen egyazon fajta alkotóelemek találhatók meg a vízben. A partszakaszon nem találunk eleven iszapos medencéket, fúvókat, és mégis megtisztul a víz. Következésképp a szennyvíztelepen alkalmazott mesterséges és partszakaszon kialakuló természetes eljárások között kell érdemi különbségnek lennie. Miben áll ez a különbség? A mesterséges technológia jobbításának reményében érdemes az összevetést megtenni. 2 A PARTI SZŰRÉS MŰKÖDÉSI MECHANIZMUSA Csak a közelmúltban került a figyelem középpontjába a parti szűrés hatásmechanizmusának pontosabb megértése. A dimenzióanalízis segítségével megalkotásra került modell alapján a parti szűrésről a következő szűkszavú kijelentések tehetők [1]: A parti szűrés lényegi hatásmechanizmusaként a tápanyaglebontás jelölhető meg. Ez teremti meg a kutakból kiszivattyúzható ivóvíz mikrobiológiai stabilitását. A víz elsivatagotásítása révén visszatartja az élőlények jelentős részét, azaz szűr. A tápanyaglebontás a mederkapcsolati szűrőréteg első néhány méterében zajlik. A szűrési folyamat sorban oxikus és anoxikus szakaszokból áll. A szűrőréteg a legalább évi kétszeri árvíz idején ellenáramú öblítésre kerül. 1 /7

2 A parti szűrés körülményei dimenziótlan számokkal jellemezhetők. A parti szűrés kiváló vízminőséget produkáló viszonyaihoz a hasonlósági számok számértéke ismert. A meghatározó dimenziótlan számok a parti szűrésnél az alábbiak: Pe-szám, Sc-szám, Ne-tényező vagy rh, koncentráció viszonyszám, geometriai arányszám, diffúziós tényezők arányszáma A tápanyag lebontást a biofilmben helyet foglaló baktériumok végzik. A biológiai hártya ( mikroorganizmusok közössége) megtapadásához szilárd felület kell, amelyet szűrőréteg homokszemcséi adnak. A biológiai hártya összefüggő, de kiterjedtsége a folyó vízállásától függ. A mikrobaközösség folyamatos tápanyag ellátásában a diffúzió alapvető szerepet játszik. Ilyen jelenségek leírásához a vízben oldott anyagok diffúziós tényezőjének ismerete elengedhetetlenül fontos. A parti szűrést nagyon alacsony szűrési sebesség jellemez. A Duna kút közötti szűrési útvonalon a sebesség folyamatosan nő. A sebességnövekedés mértéke szeres. A parti szűrés télen is működik, a tápanyag lebontás ilyenkor lényegesen stabilabb. Tekintsük a parti szűrést a modellezésben kis mintának. Hasonlósági transzformációk segítségével meghatározhatók a nagy minta a mesterséges biológiai szűrés méretei, viszonyai. A méretezés egy étkező tér kialakítását célozza. Az ipari méretű tápanyaglebontás megvalósításához meg kell oldani az elegendő mennyiségű szék és asztal elhelyezését, a tápanyagellátás logisztikai feladatait, valamint az étkezőtér klimatizálását annak érdekében, hogy ott jó étvágyú egyedek telepedjenek meg. Eredményül egy eljárást kapunk, amely alapul szolgálhat a szennyvíztisztítás hatékonyságának növelésére, nagy valószínűséggel a szennyvíztisztítás új alapokra helyezésére. 3 A SZENNYVÍZTISZTÍTÁSI ELJÁRÁSOK KRITIKÁJA 3.1 Általános észrevételek A szennyvíztisztítás folyamata tulajdonképpen egy elágazó folyamat, amely a víznek és az általa szállított anyagoknak az elválasztását célozza. A vízvonal végterméke a szabványos előírásoknak megfelelő, a befogadóba visszaengedhető, tiszta víz. Az iszapvonal a szennyvíziszap hasznosításával foglalkozik. Az utóbbi időben a hasznosítás alatt egyre inkább biogáz termelést értünk. Szennyvíz Tisztított víz Rácsszemét Szennyvíz iszap Biogáz Komposzt anyag A kialakult szennyvíztisztítási eljárások hosszú évtizedek alatt alakultak ki. A méretezés javarészt empirikus megfontolások alapján történik ma is. Kiindulva a parti szűréstől tanultakból a szembetűnő gondolkodásbeli különbségek az alábbiak: A szennyvizes szakmában nem történik (vagy csak ritkán) említés a diffúziós tényezőről, pedig a biofilmek tápanyagellátásának legfontosabb lételeme a diffúzió. Diffúzióról beszélni a diffúziós tényező megmérése nélkül értelmetlen dolog. A KOI, BOI, LE ugyan jellemzik a szennyvíz terheltségét, de nem mondanak semmit a lebontandó anyagok minőségéről. A folyamat tervezésénél a mit kell lebontani a fontosabb kérdés, a mennyit kell lebontani csak másodlagosan válaszolandó meg. Érdekes azt is megfigyelni, hogy konferenciákon az eredmények ismertetése szinte mindig mértékegységgel bíró mennyiségek mentén történik. Pedig az összehasonlítás, az általánosítás megkívánná dimenziómentes számok használatát. 2 / 7

3 3.2 A hagyományos eljárások kritikája A következőkben az egyes technológiákat csak az összehasonlítás erejéig, a lényegi elemek kiemeléséig tárgyaljuk Eleveniszapos technológia Az eleven iszapos medencékben eredendően nincs szilárd felület, amelyen a biológiai hártya megtapadhatna. A biofilm az eleveniszap pelyhein, töredezett módon alakul ki. Az aerob medencékben levegő hozzávezetés történik, amely az egész medencét egy forrongó katlanná varázsolja. A biológiai szűrés modellezésekor a biofilm tápanyag ellátása a Pe-szám nagyságának függvénye, amely a lebontási mechanizmus logisztikai alapfeltétele. A parti szűrés esetén ennek értéke: körül alakul. A modell szerint Pe>50 esetén már nem jön létre érdemleges tápanyaglebontás. Az első kérdés tehát, amit az eleven iszapos technikával kapcsolatosan fel kell tenni: hogyan értelmezhető itt a Pe-szám, és ha értelmezhető, hogyan kell kiszámolni. Talán tudománytalannak tűnik, de ha a levegőztető medencében étkezésnek kell zajlania az olyan, mintha egy zötyögő vicinális, dohányfüstös, dugig teli büfé-kocsijában levest kellene kanalazni. Lehet, de csak nagyon alacsony hatásfok mellett. Az eleven iszapos medencében is történik tápanyaglebontás, méghozzá mondhatni nem is rossz hatásfokkal. Ennek azonban ára van, a fúvók energia költsége. A lebontáshoz az általános képlet szerint oxigénre van szükség. oldott O 2 + szerves anyag Mikroorganizmusok CO 2 + biológiai növekedés A hozzávezetés mikéntje azonban nem közömbös. Az eleveniszapos technika hatékonyságának növelése tekintetében a gondolkozásinkább abban az irányban történik, hogy hogyan lehet a levegő hozzávezetést optimálisabbá tenni (ferde befúvó elemek alkalmazása), hogyan lehet elkerülni a téglatest alakú medencében a holttereket. Az alapvető probléma azonban az, hogy ebben a térben nincs a biológiai hártya megtapadására alkalmas fix szilárd felület. Az való igaz, hogy a hatékonyság fokozása érdekében az eleveniszapos medencékbe aktívszénnel átitatott szivacsdarabokat tesznek. Ez azonban csak az elegendő számú szék és asztal biztosítása terén tett szerény lépésként fogható fel. Az eleveniszapos technológia 14 C alatt nem vagy csak vontatottan működik. Ennek az az oka, hogy az étkezőtérben nincs rendezett áramlás, emiatt a hőmérséklet csökkenésből fakadó viszkozitás növekedést nem lehet kihasználni. Következésképp az eleveniszapos technikával szemben áramlástechnikai kifogás merül fel Fluid ágyas technológia Ez a technológia is csak a levegő hozzávezetésének mikéntjével van elfoglalva. A biofilm megtapadásához itt sem áll rendelkezésre szilárd felület. A pelyheken megtapadó, erősen töredezett biofilm nem összefüggő biológiai hártyaként van jelen. 3 / 7

4 A tápanyaglebontás hatékonyságát az aktív szénnel átitatott szivacsdarabok hozzákeverésével növelik. Az áramlás itt valamivel már rendezettebb, de nem kielégítően az. Következésképp a fluid ágyas technológia sem működhet 14 C alatt Csepegtetőtestes eljárás A csepegtetőtestes eljárás esetében sem lehet egykönnyen kiszámolni a Pe-számot. A szennyvíz többnyire gravitációsan áramlik át a tölteten, a levegő hozzávezetése alulról történik. Magán a testen réteges áramlás alakul ki, kívül oxikus, a falmentén anoxikus fázisokkal. Az áramlás a Coanda effektus következtében tapad a felületre, követi annak alakját. A testek a folytonooságot rendre megszakítják. A réteg leválik, hogy a levegő beoldódása megvalósulhasson. A csepegtető testes eljárás már nagyon hasonlít a partiszűréshez Szűrőágyas megoldás A szűrőágyas megoldás felépítése a parti szűréssel szinte teljesen azonos. Ami nagyon fontos: van fix szilárd felület a biológiai hártya megtapadására. A kísérleti berendezés méretezésénél [2] nem használtak hasonlósági megfontolásokat, pusztán empíriát. Nagy fajlagos felületű szűrőtöltet, a zeolit került alkalmazásra, de senki nem számolta ki az egység Pe számát. A Pe-szám nagysága pedig perdöntő, mert ahogy az előbb már utaltunk rá, bizonyos nagyság fölött nem jön létre, nem jöhet létre a kellően hatékony biológiai szűrés. 4 / 7

5 A szűrőágyas kísérleti berendezés forrás: Palkó-Oláh [2] Hasonlóképpen működik a gyökérzónás szennyvíztisztítás is. A felületet itt, ahol a biológiai hártya megtapadhat, a talaj szemcséi és a növényzet gyökérzete adják. 4 ÚTKERESÉSEK 4.1 A már megvalósult technológiák kiegészítése Várhatóan az élővizekbe visszavezethető vizekre vonatkozó szabványelőírások a jövőben szigorodni fognak. Különösen vonatkozik ez a gyógyszermaradványokra és a hormonszármazékokra. Az elvégzett mérések tanúsága szerint és itt most tekintsünk el a nagyon kis mennyiségek érzékelés kapcsán fennálló méréstechnikai problémáktól az élő folyóvizekben mérhetők ilyen anyagok, a kútvízben eddig nem találtak ilyent. Következésképp a parti szűrés lebontja ezeket. A gyógyszermaradványokat és hormonszármazékokat azonban nem a parti szűrésnek kell kivonnia a élővízből, hanem már az oda való bekerülésüket kell megakadályozni. A hormonszármazékok és gyógyszermaradványok forrása a széklet és a vizelet, azaz a kommunális szennyvíz. A szennyvízkezelő mű tehát az a hely, ahol az eltávolításukról gondoskodni kell. A hagyományos technológiák azonban kellő garanciával nem bontják le ezeket az elemeket. Ha tehát pusztán ezt a problémát kívánjuk uralni, kézenfekvő megoldásnak kínálkozik a hagyományos technológiai sor kiegészítése. 5 / 7

6 Hagyományos technológia Kieglészítés Gépi/kézi rács Homokfogó Szívótér Átemelő gépház Osztómű I. III. előülepítők Előlevegőzető és denitrifikáló medence Közbenső átemelő gh. Osztómű I. III. levegőztető medencék Osztó és átemelőmű I. IV. utóülepítők Tisztított víz végakna Befogadó Érkező szennyvíz L L Fölösiszap Recirkulációs átemelő A partiszűréstől tanultak alapján méretezett biológiai szűrfokozat Vidéki szippantós iszap, szat: 0,5-2 % Kevertiszap átemelő Gépi iszapürítő Iszaprothasztó tornyok (1 2) Pálcás iszapsűrítő Vidéki víztelenített iszap, szat: 15 % Biogáz tároló Víztelenítő gép Gázmotorok (1 2) Víztelenített iszap Komposztálás A parti szűréstől tanultak alapján méretezett szűrőfokozat beépítése lehet a megoldás. Ez a kiegészítés értelemszerűen nem oldja meg a szennyvíztisztítás kritikájában felvetetteket, csak a szigorodó előírásokra reagál. 4.2 Megoldás a technológiai sor reformja révén A telepre beérkező szennyvíz lebegőanyag tartalma még nagyon magas. Az előülepítés után a víz zavarosságát alapul véve már szinte tiszta vizet nyerünk. Szemre olyan tisztát, amilyen egy közepesen szennyezett folyó vize, amilyen a parti szűrés bemenetén is megjelenik. Kétfokozatú előszűrés alkalmazása mechanikai értelemben véve már biztosan szűrhető vizet ad. Ebben a már relatíve tiszta vízben azonban oldott formában még jelentős szerves anyag közte gyógyszermaradvány - van. A nagyságrendek az alábbiak: 6 / 7

7 Tapasztalati összefüggések Koncentráció [mg/l] Duna KOI a 5 Duna O 2 10 Beérkező szennyvíz KOI b Ülepített szennyvíz KOI c ~ 0,7 b Ülepített szennyvíz BOI d ~ 0,6 c Ezt a viszonylag magas koncentrációt kell a mesterséges biológiai szűrőnek lebontania. A parti szűrésnél a szűrési sebesség nagyon alacsony, w= 0.1-0,5 m/d. Ahhoz, hogy a mesterségesen épített szűrők mérete helyszükséglet és költségek szempontjából elfogadható legyen, a szűrési sebességet növelni kell. Ahhoz, hogy a Pe-számot a kívánt alacsony értéken tartani tudjuk, a képletben szereplő többi változót kell a megfelelő irányban módosítanunk. A nyilak az alábbi képletben az irányokat jelzik. w Pe D S d A d egyenértékű szemcseátmérő csökkentése nagy fajlagos felületű szűrőréteg alkalmazásával érhető el. A kis szemcseátmérő adott térfogatban egyben a nagyobb felületet is jelenti, azaz az elegendő mennyiségű szék és asztal biztosítása követelményének is megfelel. A zeolit fajlagos felülete m 2 /g, az aktívszéné függően a minőségétől m 2 /g nagyságrendű. A tápanyag diffúziós tényezője, D s a molekulamérettel arányos. A diffúziós tényező növelése a molekulák szabdalásával érhető el. Ezt a célt szolgálja az ózonfokozat beépítése. A baktériumok munkája következtében a szűrő felső rétegtől számítva az oldott oxigéntartalom rohamosan csökken, azt pótolni kell. A parti szűrésnél nincs oxigén utánpótlás. Nagyobb terhelésnél, az oxigén elfogyásával a szűrési hatékonyság csökken, de az ivóvízminőség előállításához szükséges tartományban marad. A szennyvíztisztításra használt állandó sebességű szűrőberendezésre érkező szennyvíz szerves anyag terheltsége azonban jóval nagyobb. Ez csak annyit jelent, hogy az elfogyó oxigént pótolni kell. Az oxigén hozzávezetése megtörténik a hagyományos technológiák esetén is, de a legalapvetőbb logisztikai feltétel meglétéről - a Pe-szám alakulásáról - ott még említés sem történik. Ha történne, úgy a szennyvíz laborok egyik legfontosabb mérőberendezése a szerves tápanyag diffúziós tényezőjének meghatározására szolgáló mérőberendezés lenne. Van még egy szempont, amit érdemes felvetni. Az eleveniszapos technológiánál az aerob és anaerob terekben a visszavezetett iszap tulajdonképpen elég. Az iszap azonban potenciális energiaforrás. Ha az előülepítés után a teljes mennyiség rothasztható ahogy ez a javasolt, a parti szűrés alapján méretezett szűrőágyas változatban megvalósul úgy a nyerhető biogáz mennyisége nagyobb lesz. A szűrőn - úgymond hasznosítás nélkül -, csak az oldott állapotú szennyezés lebontására kell sor kerüljön. 5 IRODALOMJEGYZÉK [1] Tolnai, B.: A biológiai szűrés modellezése és méretezése nem publikált írás, Budapest, [2] Palkó, Gy. Oláh, J.: Talajszűrő biológiai hatásfokának lebontás-hatásfokának javítása zeolit töltet alkalmazásával. Maszesz Hírcsatorna, január-február. 7 / 7