Az ivóvíz-tisztítási technológiák értékelése Tolnai Béla gépészmérnök, Reitter Ferenc-díjas

Átírás

1 A hasonlósági transzformációk technikai jelentősége abban áll, hogy a modell-kísérletek elvi alapjául szolgálnak. Fényes Imre, fizikus Az ivóvíz-tisztítási technológiák értékelése Tolnai Béla gépészmérnök, Reitter Ferenc-díjas Kulcsszavak: fertőtlenítés, parti szűrés, szennyvíztisztítás, biológiai szűrés modellezése Rövid összefoglaló Természetes ivóvíz egyre ritkábban fordul elő. A vízellátó hálózatokba táplált vizet ezért valamilyen formában kezelni, tisztítani, kezelni kell. Szervetlen szennyeződések esetén fizikai-kémiai eljárásokat alkalmazunk. Szerves szennyeződések esetén a biológiai víztisztítás lenne a kézen fekvőnek tűnő eljárás. Mégis mesterséges körülmények között csak nagyon ritkán kerül bevetésre a biológia. Miért van ez így? Erre keressük a választ. Egyben alternatívát is felmutatva a biológiai víztisztás gyakorlati megvalósítására. 1 AZ IVÓVÍZ MINŐSÉGÉNEK VIZSGÁLATA Az ivóvizet szabványban rögzített módon határértékek megadásával minősítjük. kémiai és bakteriológiai szempontból vizsgáljuk. A megfelelőséget fizikai, A fizikai paraméterek közül a hőmérséklet [ C] a víz üdeségének a mérőszáma. A zavarosság [NTU] a víz tisztaságát jelzi. A kémiai megfelelőséget két csoportba szokás osztani. A mérgező anyagokkal kapcsolatos elszennyeződés mértékét toxikus vizsgálatok segítségével állapítjuk meg. A különböző elemekre vonatkozóan a szabvány szigorú határértékeket ír elő. A toxikus anyagoknak részének egészségkárosító hatása van, pl. rákkeltőek. Hatásuk nem azonnal jelentkezik. Feldúsulásuk az élő szervezetekben hosszú időszak alatt következik be. A kémiai elemek másik csoportja nem jelent közvetlen veszélyt az egészségre. A vas- és mangántartalom vagy a víz keménysége inkább a műszaki berendezésekben (pl.: vízmelegítő készülékek) vagy a víz használat során (pl. mosógépekben a fehérnemű elszennyezése) okoznak kárt. Ezen anyagok eltávolítása is indokolt, a szabvány által megkövetelt. A kémiai elemekre vonatkozóan a szabvány [mg/l] dimenzióban megadott értékeket ír elő. A bakteriológiai vizsgálatok a víz mikrobiológiai megfelelőségét célozzák. A vízkezelési eljárások részeként valamilyen fertőtlenítési eljárás segítségével avatkozunk be annak érdekében, hogy a kívánt állapotot elérjük. Ha a víz hozzáférhető állapotában nem felel meg a szabványban előírt követelményeknek, úgy valamely vízkezelési vagy víztisztítási eljárás útján gondoskodunk a víz minőségének feljavításáról. A vízminőségi paraméterek csoportosításának megfelelően, a víz minőségét feljavítani hivatott eljárások is fizikai-kémiai, illetve biológiai műveletekből állhatnak. 2 A VÍZ MEGTISZTULÁSÁNAK FOLYAMATAI A Fővárosi Vízművek történetében létezett egy párhuzam, egy kísérlet, amely kereken egy negyedszázadon át folyt. Az azóta már véglegesen leállított felszíni víztisztító-mű és a parti szűrés összevetése adta meg erre a lehetőséget. 1 /12

2 Természetes parti szűrés Mesterséges víztisztítás Folyó Kutak Víztisztítómű Gyűjtőcsatorna Hálózat Hálózatba táplálás 2-1. ábra A kísérlet A kutakból nyert víz természetes módon, parti szűrés révén tisztult meg. A felszíni vízműben mesterséges technológiát alkalmaztak, amely a parti szűréshez képest lényegesen magasabb üzemköltséggel dolgozott. 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 kicsapatás, 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. Innen a gondolat, hogy a parti szűrés egyben fertőtlenítés is. Felmerül a kérdés, hogy mesterséges víztisztítás azért maradt alul a természetes módszerrel szemben, mert a technológiai sor nem tartalmazott biológiai fokozatot. A parti szűrésű víz előnyös tulajdonságait homok-kavicsos terasz természetes adottságának tulajdonították és tulajdonítják ma is. Történtek kísérletek a természetes folyamat lemásolásra. A lassú szűrés megvalósítása ilyen elgondolás volt. A lassú szűrők biológiai szűrők, szűrőközegük homok. Az általuk kibocsátott víz ugyan kiváló, azonban a kis kapacitás és a nagy helyszükséglet miatt nem igazán terjedtek el a gyakorlatban. Helyettük inkább a fizikai-kémiai eljárások váltak szinte egyeduralkodóvá. A parti szűrés hatásmechanizmusán felépített biológiai szűrési modell vezetett el a lassú szűrés hátrányait kiküszöbölő eljárás megalkotásához. A modellalkotás során felvetett kérdés az volt, hogyan lehet a gyorsszűrés kapacitás viszonyai közepette biológiai szűrést megvalósítani. Ehhez értékelni kell mind a természetes, mind a mesterséges eljárások meghatározó tulajdonságait. 2.1 A természetes parti szűrés tulajdonságai Parti szűrés folyók part menti homok-kavics teraszán alakítható ki. A vízadóréteg megcsapolására kutak épülnek. A kutak típusa csőkút, aknakút vagy csáposkút lehet. A víz kitermelése egyedi szivattyúzással vagy szifonáltan történhet. A kút csak a víz kiemelését teszi lehetővé, szerkezeti kialakítása a víz minőségének alakulására nincs hatással. A vízminőség a biológiai szűrés helyén, a mederkapcsolati rétegben alakul ki. Árterület Szabad partszakasz mbf 100 Árvízvédelmi töltés Kerítés Rézsüs felépítmény Kerítés Partvonal LNV (legnagyobb vízállás) Talaj fedőréteg Kút Vízadó réteg A biológiai szűrés helye Víztest 70 Fekű m m ~ 400 m Az árvizi töltés távolsága Kút- Duna távolság Folyószélesség 2-2. ábra A parti szűrés viszonyai 2 / 12

3 A parti szűrés biológiai szűrés. Hatásmechanizmusa a vízben megtalálható tápanyagok lebontásán alapszik. A szűrési sebesség a szűrési útvonal mentén erősen változik, folyamatosan nő. A mederkapcsolatnál az értéke csupán 0,1 m/nap, amely a csápok résein szeresre nő, minek következtében a folyóvíz néhány nap nagyságrend időtartam alatt jut el a kútig. A szűrési úthossz mentén csupán 1-1,5 méter szakasz vesz részt a tápanyag lebontási folyamatban. Ebben a rétegben olyan alacsony a szűrési sebesség, hogy van elegendő idő a víztest és a homokszemcséken megtapadó biofilm közötti diffúzióra. szemcsék biofilm Konvektív áramlás szivárgás Diffúzió 2-3. ábra A biológiai szűrés sajátságai A biofilm megtapadásához szilárd felületre van szükség. A parti szűrésnél ezt a felületet a homokszemcsék felülete adja, az eleven iszapos szennyvíztisztításnál a megtapadás a lebegő anyagon történik. A tápanyag lebontási folyamat három egymást követő elemből áll. A soros lefutású folyamat elején a konvekciós áramlás, amely a tápanyagot folyamatosan szállítja a biofilmhez. A szivárgást vagy konvekciós áramlást a folyó és kútban mért szintkülönbség hajtja át a rétegen. A konvekciós áramlást a kútban szivattyúzással létrehozott depresszió hozza létre, illetve tatja fenn. A búvárszivattyúnak csak egyik feladata a víz kiemelése. Van egy másik, logisztikai funkciója is, mégpedig a biofilm állandó tápanyagellátása. Fogalmazhatunk másképp is. Parti szűrés nem csak úgy létezik, hanem a szivattyúzással mi hozzuk létre. A kútban létrehozott depresszió nyomáskülönbséget hoz létre, amely vizet a mederből a szűrőrétegen át a kútba hajtja a vizet. A mederkapcsolatnál létrejövő szivárgást a nagyon lassú folyamatok közé soroljuk. A diffúzió koncentráció különbség hatására a tápanyagot a biofilmbe juttatja. A diffúziós úthossz alapvetően a szemcsék méretétől függ. Minél kisebbek a szemcsék, annál kisebb a diffúzió időtartama. A diffúziós sebesség nagysága a diffundálandó anyagminőség diffúziós állandójától függ. Minél nagyobb a molekulák mérete, annál nehezebben megy végbe a diffúzió. A víztér és a biofilmen belüli tér közötti koncentráció különbség folyamatos fenntartásához a biofilmen belül a biokémiai, azaz lebontási folyamatnak működnie kell. Ahogy a szivattyúzás tartja fenn a szivárgást (a tápanyagot biztosító konvekciós áramot), úgy baktériumok végrehajtotta lebontás biztosítja a koncentrációkülönbséget, amely a diffúziót élteti, azaz létrehozza a konduktív anyagáramlást a víztér és biofilm között. Nagyon fontos kitétel, hogy a diffúziót koncentrációkülönbség hozza létre, amely koncentrációkülönbség a lebontás eredményeképpen állandósul. Ha biokémiai folyamat, azaz a baktériumok tevékenysége alábbhagy vagy meghiúsul, akkor a diffúzió sem jön létre. A kismolekulák bediffundálásának időben gyorsan kéne végbemennie. A nitrifikáció - a kismolekulájú és vele a jó diffúziós tényezőjű ammónia lebontása - mégis késve indul el. A baktériumok életműködésük biztosításhoz szenet igényelnek. A szenet a víztérből nyerik. A szén nagy szerves molekulákban van jelen. A nagy molekulák diffúziós tényezője lényegesen nagyobb. A késés a szén legyártása miatt következik be. Csak miután van szén, indul be az ammónia lebontás és vele létrejön a koncentráció különbség és beindul a diffúzió. A visszacsatolást is tartalmazó biokémiai folyamat szintén lassan megy végbe. A tápanyag lebontás soros láncában a leglassúbb láncszem határozza meg a lebontási folyamat sebességét (palacknyak-effektus), azonban feltétel, hogy mindhárom korábbi részfolyamat előbb végrehajtódjon. Ha pl. a konvektív tápanyag hozzávezetés elmarad, megszűnik a vízminőség feljavításának a folyamata. Fogalmazhatunk 3 / 12

4 úgy is, a kutak szivattyúzása hiányában a parti szűrés nem alakul ki. A tápanyag folyamatos hozzávezetése a biofilm életben tartásának előfeltétele. A parti szűrés a fentiek értelmében akár bonyolultnak is mondható, azonban működtetését tekintve olcsó, hatékonyságát illetően pedig kiváló. A folyó szennyezettsége okán a mikrobiológus tiltja, hogy a Duna vizéből igyunk, sőt a fürdőzést sem javasolja. A szűrési útvonal végén a mederkapcsolattól néhány 10 méterre található kútban megjelenő vizet viszont ivóvíz minőségűnek minősíti. Ezt jelenti, hogy a parti szűrés rendkívül hatásos. Furcsának tűnik, de az Antarktiszt a csapadék hiányt tekintve sivatagos kontinensnek tekintik, ahogy a parti szűrésű víz a tápanyagszegénységre nézvést ugyancsak az elsivatagosodás jegyeit mutatja. A baktériumok életfeltételeinek megvonása következtében a biológiai szűrés hatásmechanizmusa egyben fertőtlenítés is. Hasonlóan a klórozáshoz a hálózat tekintetében ún. előremutató jellegű fertőtlenítés, mert ahogy a maradék klórtartalom, úgy a víz tápanyagszegénység, mint tulajdonság is megmarad a hálózatban. Emiatt a parti szűrt víz a hálózatba táplálás előtt csak biztonsági klórozást igényel. Ez a tulajdonság fejezi ki a parti szűrés lényegét. 2.2 Mesterséges felszíni víztisztítás A magyarországi víztisztítási technológiákról a Technológiai fejlesztések a víztisztításban című tanulmány alapján[9] átfogó képet kapunk. Szorítkozva a felszíni vizek tisztítására, megállapítható, hogy kialakult technológiák lényegi elemei mechanikai-kémiai jellegűek, azokban nem található biológiai fokozat. Az alábbi folyamatábra jól szemlélteti ezt. Folyó Vízkiemelés Előklór Dobszűrő Mikroszűrtvíz tároló Átemelés Vegyszeradagolás 1 (kaolin) Ülepítés, Homokfogók Vegsszeradgolás 2 (KMnO4, aktívszénpor) Labirint és levegő keverés Derítés Ózon bekeverő Ózon Homok szűrők Homok szűrt víz Átemelés Aktívszén adszorberek Utóklór, fertőtlenítés Aktívszén kezelt víz tároló Hálózatba táplálás Mechanikai tisztítás, előkezelés Kémiai tisztítás 2-4. ábra Egy mindent felvonultató hagyományos technológiai sor Az eddigiek és az ábra alapján az alábbi megállapításokra juthatunk: a tisztítási folyamat általában két fő részből áll, a mechanikai előkezelésből és a kémiai tisztításból, a technológiai sor elején alkalmazott előklórozással megvalósított (másutt kálium-permanganátos) oxidáció a műtárgyakon az élet megakadályozását szolgálja, függően a folyó- (vagy tó-) víz tisztaságától az egyes fokozatok kikapcsolhatók, a tisztítási sorból kihagyhatók (a 2-4. ábrán a szaggatott vonallal jelzett útvonalak), a dobszűrés a durvaszennyezések visszatartására szolgál, a koaguláló vegyszerek adagolása a vízben oldott és nem oldott kémiai elemek kicsapatásra szolgál, az ülepítők és derítők szerepe a gravitációs úton történő szilárd és folyadék fázis szétválasztása, ózonizálással az oldott alkotóelemek oxidálása történik meg, a képződő szilárd csapadékot homokszűrőn tartjuk vissza, az íz- és szaganyagok megkötésre szolgál az aktívszenes adszorber, hálózatba táplálás előtt klóros fertőtlenítés a víz mikrobiológiai megfelelőségének biztosításra szolgál. A különböző konkrét megvalósítások ezen elemek variálásából állnak. Az egyes technológiák különböznek egymástól, mégis van egy közös tulajdonságuk: nem tartalmaznak (!) biológiai tápanyaglebontó fokozatot. 4 / 12

5 A kémiai víztisztításokkal kapcsolatosan hátrányként mindig meg szokták említeni a rákkeltő trihalometánok keletkezését és a vízben nem kívánatos AOX származékok megjelenését. Ezek az anyagok nem természetes velejárói a víznek, a klóradagolás következményeként jönnek létre. Mondhatjuk azt is, az emberi beavatkozás ezen elemek képződésének az okozója. Javítandó a helyzeten aztán egyéb fertőtlenítőszerek adagolásával próbálunk célt érni, mint klórdioxid, hypo. Alapvetően azonban nem a klóradagolással van a baj, hanem azzal a körülménnyel, hogy ezek a vegyületek a vízben található szerves tápanyagokkal való találkozáskor jönnek létre. Tápanyagszegény víz esetén ilyen a parti szűrt víz nem találkozunk ezekkel a problémákkal. Ezért érthetetlen, hogy tápanyag lebontási fokozat miért nem része az ivóvíz tisztítási technológiáknak. A szennyvíztisztításnál a tisztítási technológia lényegi előírása a szubsztrát mennyiségének csökkentése. Az ivóvíztisztítás esetében a szerves anyag mennyiségére vonatkozó KOI, BOI típusú paraméterek nem az elsődleges, hanem csak az indikátor vízminőségi jellemzők között szerepelnek. Következésképp a tisztítás technológiák sem fókuszálnak, nem tartják feladatuknak a szerves tápanyag mindenáron történő csökkentését, pedig az ivóvíz mikrobiológiai stabilitásának a tápanyagszegénység egy fontos eleme, ha nem a legfontosabb. A Fertőtlenítés és fertőtlenítési rendszer című tanulmányban [4] bizonyítást nyert, hogy a tápanyag-szegényítés hatásmechanizmusát tekintve egyben fertőtlenítés (!) is. Az életölő előklórozás ellenére azért megjelenik a kémiai víztisztításnak kikiáltott technológiai soron is a biológia. Megtelepszenek a baktériumok a derítők kolloid részecskéin, a pelyheken és két hónap mert belepi a biológia - után az aktív-szénszűrő is megszűnik adszorberként működni. Ugyanis, ahol a feltételek rendelkezésre állnak folyamatos tápanyag hozzávezetés, elegendően kicsi konvektív sebesség a diffúzió létrejöttéhez, megfelelő ph és rh, kialakul az élet. Biofilm képződik és létrejön a tápanyaglebontás. Ez a tápanyag-lebontás, ha nem tudatosan méretezett, hatékonysága bizonytalan lehet. A hálózatba táplálandó víz mikrobiológia megfelelőségének biztosítása miatt van szükség utóklórozásra. Az adagolandó klór mennyisége sokszor nagyon jelentős mértékű is lehet. 2.3 A mesterséges biológiai víztisztítás megvalósítása Mesterséges biológiai víztisztításról akkor érdemes beszélni, ha a lassú szűrés rendkívül jó tápanyagelbontó képességét a gyors szűrés teljesítményével, kapacitásával tudjuk ötvözni. Ehhez a parti szűrés és általában biológiai szűrés modellezésére van szükség. A modellezés a dimenzióanalízis segítségével történt [1], amelynek eredményeként a jelenséget leíró változók dimenziótlan csoportokba sorolhatók. A kapott dimenziótlan számok közül a Pe-számnak meghatározó jelentősége van, mert a tisztítandó víz tulajdonságát, az üzemeltetés körülményeit és a szűrőközeg legfontosabb sajátságát is magába foglalja. Miután a Pe-szám egyben a dimenziótlan transzportegyenlet együtthatója [11], ezért egyúttal hasonlósági szám is. A Pe-szám egy invariáns, amely a biológiai szűrés hasonlósági transzformálhatóságában meghatározó szerepet játszik. Kiindulva abból, hogy a parti szűrés kiváló minőségű vizet állít elő, a parti szűrés Pe-számban tükröződő paramétereit rögzítjük. A parti szűrés Pe-száma 5-15 közötti értéktartományban található. A méretezés tulajdonképpen abból áll, hogy a parti szűrés természetes koordinátáit átvetítjük tervezendő mesterséges rendszerre. A hasonlóságot a Pe-szám állandó értéken tarása biztosítja. Az egyes lépéseket és azok megalapozásait [1] taglalja részletesen. A hivatkozott írásban szennyvíztisztítás a feladat. A szennyvíztelepre megérkező szennyvíz és szennyvizeket is befogadó élővíz azonban a vízben megtalálható molekulák tekintetében lényegében nem különbözik egymástól, viszont a terheltség szempontjából amit a KOI, BOI, TOC, BDOC paraméterek valamelyikével mérünk a különbség tetemes, szoros. A szennyvíztisztításnál a nagy terheltség miatt nagymennyiségű levegő hozzávezetésére is szükség van. A számolás lépéseit az alábbi táblázatban követhetjük nyomon. Jel Magyarázat Érték Dim. d e a zeolit egyenértékű szemcseátmérője 5,88E-07 m a baktériumok mérettartománya (0,5-5)Em 06 b a baktériumok átlagos mérete 2,50E-06 m d m := most jobb híján 5*b 1,25E-05 m Pe:= a partiszűrés Pe száma 10 D S := ózonizálást feltételezve 5,00E-10 m 2 /s W 4,00E-04 m/s 5 / 12

6 w ezt kell beállítani a kívánt Pe-hez 34,56 m/d Q:= ennyi a csepeli vízmű kapacitása m 3 /d F= Q / w szükséges szűrőfelület m 2 n:= szűrőegység darabszám 40 db f 1 = F / n egy szűrő felülete 109 m 2 a sz := egy szűrő szélessége 5 m a h = f 1 / a sz egy szűrő hosszúsága 22 m L:= biológiailag aktív réteg a medernél (Jekel szerint) 1,50 m d parti homokszemcse mérete 1,3 mm L/ Geometriai hasonlósági szám a partiszűrésnél L m =L/d * d m hasonlósági transzformáció 1,44 cm h := 20 * L m a szűrőréteg vastagsága biztonsággal!!! 2,88 dm V = h * F Térfogat m 3 ρ szűrőtöltet (a zeolit) sűrűsége 850 kg/m 3 m = V / ρ szűrőtöltet tömege kg ár a zeolit ára 45 Ft/kg K = ár * m / 1000 / 1000 szűrőtöltet költsége 48 mft t =( V / Q ) *24 *60 tartózkodási idő 12 min Értelmezzük a táblázat számértékeit: 2-5. táblázat A fő méretek megállapítása A homok szűrőréteget zeolitra cseréltük. A zeolit paramétereiből számolt d e egyenértékű szemcseátmérő kisebb, mint a baktériumok mérete, ezért helyette a geometriai megfontolás alapján meghatározott d m mértékadó átmérővel számolunk tovább. A technológiai soron ózonadagolást irányoztunk elő. Az ózonnak a nagy szerves láncmolekulák felszabdalásában van szerepe, amelynek végső célja a szubsztrát diffúziós tényezőjének növelése. A Pe-szám alapján, annak invarianciája révén a szűrőegység átáramlási keresztmetszete határozható meg. A kapott keresztmetszet kereken 4000 m 2. A csepeli vízműben a homok és aktív-szén-szűrők összes keresztmetszete ennél kisebb: 10 db homokszűrő * 102 m 2 /db + 9 db aktív-szén-szűrő * 56,6 m 2 /db = 1530 m 2. A területigény mintegy 2,6-szeres. A biofilmhordozó szűrőréteg vastagságára a geometriai hasonlósági kritérium alapján cm nagyságrendű értéket kapunk. A gyakorlati szűrőréteg vastagság biztonsággal ennél nagyobb. A tartózkodási idő méretezési szemlélet esetén a szűrőréteg térfogata számított. A diffúzió létrejöttében viszont az álló biofilmhez képest a konvektív anyagáramlási sebesség nagysága számít. A keresztmetszet tehát az elsődleges, de emellett szükség van a szűrőréteg megfelelő vastagságára is, hisz ezzel a baktériumok által belakható, elegendő nagyságú felületet biztosítjuk. A szűrőréteg vastagságát egyedül a tisztítandó víz terheltsége szabja meg. A parti szűrés folyó vizet tisztít, a felszíni vízmű is ugyanazt vizet kapja bemenetén, így a nyersvíz terheltség ugyanaz. A parti szűrés esetén a víz oldott oxigéntartalma elegendő a megtisztuláshoz, a mesterséges technológia esetén is elég kell legyen. Szemben a szennyvíztisztítással, az ivóvíztisztítás esetén külön levegő hozzávezetésére nincs szükség. A zeolit szűrőtöltet ára csak töredéke az aktív-szén töltet árának. A helyigényt a keresztmetszet (ez egy nagy értékre adódik) és a vastagság (amelynek értéke a szokásos szűrőrétege vastagságokhoz képest kicsi) együtt határozza meg. Az optimális térbeli elrendezés a tervezés feladata. A mesterséges biológiai víztisztítás technológia sora elvi elrendezésben a következő lehet: 6 / 12

7 Folyó Vízkiemelés Dobszűrő Ózon bekeverő Ózon Biológia szűrők Pe <30 Biztonsági klórozás Szűrt víz Hálózatba táplálás Mechanikai előkezelés Biológiai tápanyaglebontás + fertőtlenítés 2-6. ábra A biológiai víztisztítás folyamatábrája Ahogy a parti szűrésnél nem találunk vegyszeradagolást, nincsen eleven iszap visszaforgatás, nem világítanak UV lámpatestek, ugyanolyan puritán a biológiai víztisztítás folyamatábrája is. A parti szűrés szűrőrétege az évenként kétszer lezajló árvíz levonulásakor ellenáramú öblítésben részesül. Ez a gyakoriság elegendőnek bizonyul a szűrőréteg tisztántartása tekintetében. Mechanikai szűrés esetén a szűrőréteg a szennyezés visszatartását szolgálja, biológiai szűréskor is megmarad ez a mechanikai értelemben vett visszatartó jelleg, de a szűrőréteg szemcséinek ekkor jobbára a biofilmhordozó szerep jut. Ebben a megváltozott szerepkörben nem a jobb, kevésbé jó adszorpciós tulajdonság, hanem a baktériumok által benépesíthető felület a döntő. Nagy mennyiségű tápanyag lebontáshoz sok baktériumra van szükség, amelyek csak nagy felületen helyezhetők el. 2.4 Az aktív-szén szűrés és a membrántechnológia helye a szűrések között A szűrési sebesség alapján lassú és gyors szűrőkről beszélünk. A szűrőrétege anyagminőségét tekintve pedig homok- és aktív-szén szűrőket építünk. Biológiai értelemben sokkal inkább egy adott Pe-számmal bíró szűrési folyamatról van szó. Biológiai tápanyag lebontásról Pe<50 esetén beszélhetünk, vagy másképpen fogalmazva a szűrés mechanikai jellege Pe>30 esetén már inkább kidomborodik[1], [6]. A még pontosításra szoruló értékek átfedést mutatnak, amely átmeneti jelleget jelent, azaz nincs egyértelmű határértéke, hogy mely pontig alakul ki még érdemi tápanyaglebontó biológia. Egy lakásban, ha megjelenik egy vízszintes felület, annak az a sorsa, hogy előbb vagy utóbb rákerül valami, egy váza egy könyv, vagy ha más nem, hát belepi a por. Így van ez a természetben is. Ha a vizes környezetben a logisztikai és a klíma feltételek fennállnak, a biológia kialakul. Az érdemleges tápanyag lebontási biológiai aktivitáshoz a logisztikai feltételt tekintve Pe < 50 szükséges. Biofilm Mikrobák Belső felület ábra Az adszorpció és a biofilm kialakulása nagy fajlagos felületű anyagon Ha az aktív-szén-adszorberént működik, akkor szűrőközeg, ha biológiai aktivitást tapasztalunk a felületén, akkor biofilm hordozó. Biofilm hordozóként azonban a baktériumok relatíve nagy mérete miatt, nem tudjuk a 7 / 12

8 rendelkezésre álló felületet kihasználni. Fogalmazhatunk úgy is: az aktív-szén biofilm hordozónak ugyan megfelel, de ahhoz feleslegesen jó. Emiatt alkalmazása a mikrobák letelepítésére gazdaságtalan. A belső üregeket a mikrobák elzárják. Így az aktív-szén az eredetileg ráruházott adszorpciós feladatának sem tud eleget tenni. A csepeli ivóvízkezelő mű a kútvíz vas- és mangántartalmának lecsökkentésére épült. A technológiai sor tartalmaz aktív-szén szűrési fokozatot is. Az anoxikus körülmények között dolgozó (dolgozott) partszakasz kisebb hatékonysággal ugyan, de a tápanyag lebontásában elsődlegesen vesz rész. A technológiai sorban az ózon adagolás elsődleges célja a vas és mangán oxidálása, hogy az így keletkező szilárd csapadék a homok töltetű gyorsszűrőkön visszatartható legyen. Az ózonizálás azonban a kútvízben még valószínűleg megtalálható szerves molekulákra is hat, azokat hasítja. A kisebb molekulák diffúziós tényezője ezáltal megnő. Az aktív-szén szűrőkön megvan tehát minden feltétel, hogy előnyös biológia alakuljon ki. A tápanyaglebontás hatékonyságáról a Pe-szám informál. A szűrés Pe-számának meghatározását az alábbi táblázatban követhetjük nyomon. Kapacitás [m 3 /d] Aktív-szén- szűrők darabszáma 9 [db] Egy szűrő keresztmetszete 56 [m 2 ] Teljes keresztmetszet 504 [m 2 ] Szűrési sebesség 3,44E-03 [m/s] Egyenértékű szemcseátmérő 1,76E-09 [m] Mértékadó szemcseátmérő 5,00E-06 [m] Szubsztát diffúziós tényezője 5,00E-10 [m 2 /s] Pe aktív-szén 34 [-] 2-8. táblázat A csepeli ivóvízkezelő mű aktív-szénszűrőjének Pe-száma Levonhatjuk a következtetést: az aktív-szén töltet ellenére a szűrőn érdemi tápanyag lebontás nem jöhet létre, hisz Pe>30, ugyanakkor valamilyen biológia kialakul rajta. A tapasztalat szerint véglények, férgek telepszenek meg. Valószínűleg más Pe-szám értékek mellett más mikrobák jelenléte a domináló. Ennek részletes feltérképezése fontos volna. Az ún. Vincent-diagram a ph - rh síkon ábrázolja a patogén baktériumokat [1]. A betegségek elleni küzdelmet Vincent az adott ph - rh viszony megváltoztatásában látja, azaz vond meg a baktériumtól az előnyös életkörülményeket és a betegség megszűnik. Ennek fordítva is igaznak kell lennie: biztosítsd az életkörülményeket és a mikrobák munkára foghatók. A biológiai szűrés analógiájaként a hidraulika jelenségét használtuk [1], [6]. Megjelent a λ = f(re) mintájára a μ = f(pe) függvénykapcsolat kimérésének igénye. Az ún. T-diagram, a biológia szűréselmélet meghatározó összefüggése azonban így nem teljes. Kiindulva a mikrobiológia élet logisztikai és klimatikus feltételeiből inkább a μ = f(pe, rh) függvénykapcsolat ismerete volna kívánatos. A μ szűrési tényező interpretációjakor [1] azt, mint felület növelő hatást értelmeztük. A baktériumi világ életösztöne (lásd a 2-3. ábrán a vízbe nyúló biofilm bordázatot) és mikrobák tápanyaglebontó képessége, étvágya a felület növeléseként is felfogható. rh μ rh A B Pe Pe 2-9. ábra A Pe rh diagram megjelenési formái 8 / 12

9 Az egyelőre csak elvben létező diagram változatokban Pe a logisztikai, rh a klimatikus feltétel. ahol Pe = w d m / D s w szűrési sebesség, d m mértékadó szemcseátmérő, D s szubsztrát diffúziós tényező rh = f(e h, T, ph) a dimenziótlan redoxpotenciál Eh redoxpotenciál, T abszolút hőmérséklet, ph kémiai kémhatás A μ = f(pe, rh) szűrési tényező ismerete a tápanyag lebontás mértékének kiszámításához van szükség [1]. A biológiai szűréselmélet kiteljesítéséhez tulajdonképpen a 2-9 ábra baloldali függvénykapcsolatának kimérésére van szükség. A viszonyok számbavétele, az egyes tartományok feltérképezése más úton is történhet. Hasonlóan a Vincentdiagram logikájához egy (Pe, rh) értékpárhoz hozzárendelhető a tipikus mikrobaháztartás. A PCR 1 mérési technika az ujjlenyomat típusú eljárások közé tartozik. A 2-9 ábra jobb oldali ábrázolásán az adott viszonyhoz PCR méréssel meghatározott mikrobaháztartási képet fűzünk. Valószínűsíthető, hogy az A és B tartományokhoz tipikus baktériumcsoportok tartoznak. Ez volna a T-digram egy másik megjelenési formája. Az aktív-szén-szűrés mellett nagy divat ma mikro-, ultra- és nanoszűrésekről beszélni. Már-már a mindenre alkalmas megoldásként emlegetik. De vajon így van-e ez? A membránszűrések hatásmechanizmusát magyarázva a következő ábrázolásokkal találkozhatunk: kis molekulák nagy molekulák kis molekulák nagy molekulák mikrobák mikrobák víz víz membrán membrán ábra A membrán szűrés magyarázata Forrás: [9] Technológiai fejlesztések A baloldali ábra fél a mikro-, a jobboldali pedig az ún. ultraszűrést reprezentálja. A hatásmechanizmust tekintve a membránszűrés tulajdonképpen egyfajta mechanikai visszatartást jelent. A membránok pórus mérete függvényében nagyon kisméretű szennyezések tarthatók vissza. Kiindulva az életösztönre vonatkozó alaptételéből, miszerint, ha vizes környezetben adottak a tápanyagellátási, és a környezeti feltételek, akkor biológiai aktivitás kialakul. Más szavakkal a membrán felületét is előbb-utóbb belepik a baktériumok. Ahogy az az aktív-szén esetében is tapasztalható volt, a mikrobák gátját jelentik az eredeti funkció az adszorpció kiteljesedésének. Minden bizonnyal így van ez a membránszűrők esetében is. Olyannyira, hogy szennyvíztisztítás esetén levegő hozzávezetéséről is gondoskodunk: Forrás: [10] Membran Clarification ábra A membrán szűrő levegőztetése szennyvíztisztítási alkalmazás esetén 1 Polymerase Chain Reaction 9 / 12

10 Ezt pedig tipikusan az oxikus tápanyaglebontás elősegítése miatt teszik. Következésképp a membránoknak a biofilm hordozásában is szerepet szánnak. A megtapadó mikrobák itt is ugyanúgy elállják az utat, mint az az aktív-szén esetében is megtörténik, azaz nem a mechanikai értelemben vett visszatartás lesz az elsődleges, hanem a tápanyaglebontás. Ha ez így van, úgy lényegesen olcsóbb biofilmholderek alkalmazásával is célt érhetünk. A Pe-szám nemcsak a hasonlóság kritériuma, hanem egyben a tápanyaglebontás fokmérője is. A parti szűrésnél a homokszemcsék átmérője valódi méret, az aktív-szén esetében az egyenértékű szemcseátmérő már csak fikció. Meghatározása az azonos térrészben rendelkezésre álló felületazonossága alapján történik. Ezt a felületet azonban a baktériumok nagyobb méretüknél fogva nem tudják belakni. A mértékadó szemcseátmérőt ezért korrigálni kell, amelyet a baktériumok mérete alapján önkényesen vettünk fel. (az érvelést lásd [6]-ban). A membránszűrők kötegelt, henger alakú üreges szálakból állnak. A szűrés a membránfelületén való áthaladással valósul meg, amely történhet kívülről befelé (vákuumos rendszer) vagy belülről kifelé is (túlnyomásos változat). Ennek megfelelően a biofilm vagy a külső vagy a belső felületre tapad. A membrán geometriai struktúrája nem gömbi. Az összehasonlíthatóság érdekében mégis ismerni kéne az egyenértékű szemcseátmérőt. A gondolatmenet itt is hasonló lehet, mint azt a nagy fajlagos felületet felmutató anyagok esetében tettük, azaz ugyanazon térrészben a membránköteg által képviselt felület, mekkora gömbökkel helyettesíthető. A számítást a Lázbérci ultraszűrésre elvégezve a következő sajátosságokat kapjuk: d e egyenértékű szemcseátmérő 2,71E-03 m w szűrési sebesség (átlépési sebesség) 1,04E-05 m/s D s 1,50E-10 m 2 /s Pe ultraszűrés 187 A d e egyenértékű szemcseátmérő a makaróni szál anyagtérfogata és felülete hányadosának a 6- szorosa. A szűrési sebesség megegyezi a hengerpaláston az átlépési sebességgel, amelynek nagyságrendjét az átbocsátott vízmennyiség és az összfelület hányadosaként jól becsülhetünk. A szubsztrát diffúziós tényezőjét a parti szűrésnél használt értékekkel azonos Az ultraszűrésre meghatározott Pe-szám alapján (Pe ultraszűrés >50)megállapíthatjuk, hogy a biológiai szűrésre vonatkozó feltételek nincsenek meg (!). De a baktériumok megtelepedése nemcsak emiatt nem történhet meg. Az eltömődés megakadályozása végett a membránszűrőket nagyon gyakran öblíteni kell: 20 perc üzem után 1 perc öblítés. Ezen túlmenően a szálakat napi egyszer vegyszeres áztatásnak kell alávetni. Noha a membránszűrés jól automatizált, mégsem tartozik a problémamentes, egyszerű üzemeltetésű eljárások közé. Ha ezeket az elemeket a szennyvíztisztás utófokozataként vetjük be (lásd ábrát), úgy az egység biológiai szűrőnek nem a legalkalmasabb, azon kívül nagyon drága technológiáról van szó, amelynek költségei a fordított ozmózis költségének kategóriájába esik. 3 A VÍZ TISZTÍTÁSÁNAK MELLŐZÉSE Szentmártony professzor az áramlástan tudománya mellett gyakran beszélt életbölcsességekről. Egy ilyen könnyed előadása a Hogyan tartsunk értekezletet? címet viselte. A kérdést rögtön az előadás elején meg is válaszolta: Ne tartsunk értekezletet!, illetve csak akkor, ha az feltétlenül muszáj. Amikor a hálózatba táplálandó víz nem felel meg a szabvány előírásainak, készek vagyunk rögtön felvetni a víztisztítás lehetséges alternatíváit. A víz tisztítására azonban nincsen szükség, ha eleve tiszta vizet használunk, vagy megelőzzük annak elszennyeződését. Lássunk példákat mindkét esetre. A Békéscsabai Vízmű termelő telepeinek egy részénél a kutakból kitermelt arzéntartalma szabványérték feletti. A költséges víztisztítás helyett a békéscsabaiak a vízbázis cserét választották. Határon túli területről, regionális vezetékrendszeren át arzénmentes vizet importálnak, illetve fognak importálni. A vízbázis csere mellett döntött Barcs önkormányzata is. A vassal, mangánnal és ammóniával terhelt és a kívánatosnál melegebb mélyfúrású kútvizet parti szűrésű vízre cserélik. A barcsi Dráva-szakasz a rendszerváltás előtt határsáv volt. A partszakasz megközelíthető sem volt, így parti szűrésben nem lehetett gondolkozni. Most azonban a határok átjárhatósága közepette az előnyösebb tulajdonságú 10 / 12

11 vízbázisra való áttérés kézenfekvő. A természetvédelmi területen folyó Dráva vízminősége esetenként ivóvíz minőségű, a partszakaszán megépített kutak vize is minden évszakban és folyójárás mellett az. Hosszú évtizedeken át az csepeli-ráckevei, érdi és ercsi partszakaszon a kútvíz vas és mangán tartalma a szabványos érték felett alakult. Budapest szennyvize ebben az időszakban javarészt tisztítás nélkül került a Dunába. A II. Duna-expedíció (a Fekete-erdőtől a Fekete-tengerig) mérései a nagyváros alatt jól érzékelhető módon oxigén hiányos víztestet mutattak ki. A szennyvíztisztítás a folyóban zajlott és ennek következtében használódott el az oxigéntartalom. Az érintett partszakaszokon a redukáló anoxikus jelleg a vas és a mangán feldúsulását okozta. Ez jelent meg a kútvízben, aminek eltávolítására kezelőművek megépítésére volt szükség. Koncentrálva azonban a keletkezési okra, helyesebb lett volna az ivóvízkezelő művek megépítése helyett a szennyvíztisztítás korábbi megvalósítása. Így elkerülhető lett volna az ivóvíztisztítás területén a milliárdos nagyságrendű pénzek elköltése. Sajnos a jelenség ok-okozati felismerése, a víztisztítás elkerülhetőségének kötelező vizsgálata ma még nem általános. 4 A VÍZ VEGYI TISZTÍTÁSÁNAK SZÜKSÉGESSÉGE ÉS ELVETÉSE Ha a tisztítandó víz a mélyfúrású kutak vize gyakran ilyen kémiai szennyeződéseket tartalmaz, akkor nincs más lehetőségünk, mint azokat kémiai úton eltávolítani. A vas és mangán vagy újabban az arzén eltávolítására kidolgozott kémiai eljárások megbízhatóan működnek. Az ammónia a szerves vegyületek családjába tartozik. A vízből való eltávolítása sokszor feladat. A törésponti klórozás az egyik gyakran alkalmazott technológia. Ez az eljárás azonban kémiai eljárás, holott a szerves anyag eltávolítására a biológiai megoldás alkalmasabb volna. Az ammónia eltávolítás a szennyvíztelepeken mindennapos gyakorlat, ott az biológiai úton történik. Nincs magyarázat arra, hogy az ivóvíztisztításnál miért is kellene a kémia eszköztárát használni. Ahogy az A biológiai szűrés alkalmazása című tanulmányban [6] megállapítást nyert, homok-szűrőrétegen, gyorsszűrés közepette a biológiai ammónia eltávolítás hatékonysága rendkívül alacsony. Az ammónia eltávolításához is megfelelő Pe-számú szűrőegységre van szükség. 5 ÖSSZEFOGLALÁS A parti szűrés adottságait rögzítve hasonlósági transzformáció segítségével mesterséges műtárgyakban megvalósítható biológiai szűréshez jutunk (lásd 2-6. ábrát). Az így kialakított technológiai sor rendkívül egyszerű, és lényegében ugyanazokat a jegyeket viseli magán, mint a természetes parti szűrés. Az átbocsátási sebesség szükségszerű növelése két dolgot követel: a szűrőréteg cseréjét és az ózonadagolás alkalmazását. A biofilm hordozó kismértékben mechanikai szűrőréteg is, így a technológia kialakításakor levegős fellazításra és öblítésre is gondolni kell. Összevetve ezt az eljárást az ivóvíz-tisztításban meghonosodott kémiai módszerekkel és a magának helyet kérő membrán technológiákkal, a legszembetűnőbb tulajdonság a biológiai szűrési technológia egyszerűsége, gazdaságossága, amely mind a beruházási, mind az üzemeltetési költségek terén is megmutatkozik. Az ivóvíz-tisztítási feladat takarékos megoldása nem feltétlenül jelenti testes értsd alatta minél nagyobb értékű projektek megvalósítását. Figyelve a közel és távolabbi múlt közbeszerzési történéseit, ez bizony komoly hátrányt fog jelenteni a meghonosodásban. 11 / 12

12 6 IRODALOMJEGYZÉK [1] Tolnai, B: Bevezetés a biológiai szűrés modellezésébe és méretezésébe nem publikált kézirat, a szabadalmi bejelentés ügyiratszáma: P [2] Tolnai, B.: Partiszűrés a fertőtlenítés weini útja MHT Vándorgyűlés, Baja, [3] Tolnai, B. Reichart O.: Az ivóvíz stabilitásának egy lehetséges mérőszáma MHT Vándorgyűlés, Sopron, [4] Tolnai, B.: Fertőtlenítés és fertőtlenítési rendszer VízműPanoráma, Budapest, [5] Tolnai, B..: Szennyvíztisztítás másképp, avagy a paradigmaváltás szükségessége ÖKOAQUA, Debrecen, [6] Tolnai, B..: A biológiai szűrés alkalmazása MHT Vándorgyűlés, Kaposvár, [7] Baticz, O. Molnár, G. -:Csábi, I.-né Dorkó, J.: AOX-mérés ivóvíz mintákban XIV. Mavíz, Országos Vízi Közmű Laboratóriumi Értekezlet, Szeged, május [8] Juhász, E.: A szennyvíztisztítás története MAVÍZ kiadvány, Budapest, [9] MAVÍZ Műszaki Bizottság Technológiai fejlesztések a víztisztításban MAVÍZ tanulmány, Budapest, [10] Degremont Water Treatment Handbook Factsheets Membran Clarification of urban Wastewater in Water [11] Karches, T.: Numeriokus áramlástan a szennyvíztisztításban: reaktorok tervezése és intenzifikálása BME, Építőmérnöki Kar, Vásárhelyi Pál doktori iskola Védésre bocsátott PHD értekezés, / 12