Nm a lgrősbb marad éltbn, nm is a lgokosabb, hanm az, aki a lgfogékonyabb a változásokra. Charls Darwin A biológiai szűrés trmészt és hőmérsékltfüggés Tolnai Béla gépészmérnök Kulcsszavak: frtőtlnítés, parti szűrés, sznnyvíztisztítás, biológiai szűrés modllzés 1 A BIOLÓGIAI ÉLET Az organizmusok számos tkinttbn különböznk az élttln dolgoktól. Az gyik lgföltűnőbb, a fantáziát és a tudásszomjat mind a mai napig gyformán fölcsigázó tulajdonságuk a szaporodásra való képsségük írja Thomas Junkr A biológia történt című könyvébn. A mikrobák szaporodásra való képsség gybn az éltr való hajlamukat is jlnti. Vizs környztbn a kdvző adottságok mglét stén az élt szint bizonyosan kialakul. Más szavakkal: ha a tápanyagllátási (logisztikai) és a környzti (klimatikus) fltétlk adottak a mikrobák mgtlpsznk A mgtlpdéshz szilárd flült is kll. A szilárd flültt lht a folyóparti homokrétg, a nagy fajlagos flültű szűrőközg, a növényk gyökérzt, a víztérb lógatott mmbrán kötg, a cspgttő tst vagy a vízbn (folyóvízbn, sznnyvízbn) jlnlévő lbgőanyag is. A biológiai élttl kapcsolatosan a vizs gyakorlat két stt tart számon. Van, amikor a biológiai éltt mgakadályozni igykszünk. A frtőtlnítést az élt mérséklésénk témaköréb soroljuk. Van azonban olyan törkvésünk is, amikor kifjzttn a biológiai éltt srkntni törkszünk. A biológiai hártyákon a baktériumok végrhajtotta tápanyaglbontás tartozik id. A mikrobiológia élt gátlásának és lősgítésénk kérdési a biológiai szűrésr kidolgozott modll sgítségévl válaszolhatók mg. Ugyanazon modllt két irányból faggatva mindkét alapst működését fltérképzhtjük vl. 2 A TÁPANYAGLEBONTÁS MODELLJE A biológiai tápanyaglbontás gy sok változótól függő bonyolult folyamat. Ilyn folyamatok stén a modllzés módszréül érdms a dimnzió analízist választani. Kövtkzőkbn Szirts Tamás ljárását [7] kövtjük. A dimnzióanalízis gy kétlépcsős ljárás, amlynk során lőször a változók dimnziótlan csoportokba történő sorolásával a változószám rdukálása történik mg. A jlnségt líró rlváns változók az ún. dimnziómátrixban kapnak hlyt. 1 / 15
2-1. ábra A dimnzió- és rdménymátrix A dimnziómátrixban szrplő rlváns változók az alábbiak: Változó mgnvzés Jl SI dimnzió A tápanyag lbontás mérték ΔS kg/m 3 Kinmatikai viszkozitás Ν m 2 /s Szűrési sbsség W m/s Az oxigén diffúziós tényzőj D O2 m 2 /s Rdoxpotnciál E h m 2 kg/s 3 /A Biológiailag aktív rétg vastagsága L m Faraday állandó F As/mol Abszolút hőmérséklt T K Egytms gázállandó R m 2 kg/s 2 /K/mol A szubsztrát diffúziós tényzőj D S m 2 /s Oldott oxigén kncntráció C O2 kg/m 3 Mértékadó szncsátmérő d m m 2-2. táblázat A rlváns változók A 2-1. ábrán az rdménymátrix is szrpl, amly mátrixalgbrai művltk révén határozható mg. A blől kiolvasható dimnziótlan számok rndr a kövtkzők: Dimnziótlan szám Π 1 = ΔS / C O2 Π 2 = ν / D S Π 3 = w d m / D S Π 4 = D O2 / D S Π 5 = E h F / RT Π 6 = L / d m Mgnvzés koncntráció viszonyszám Schmidt-szám Pclt-szám diffúziós tényzők aránya Nrnst-tényző gomtriai viszonyszám 2-3. táblázat A dimnziótlan számok Az rdményül kapott dimnziótlan számok közül a P-szám és az L/d gomtria viszonyt üzmtani oldalról bfolyásolni vagyunk képsk, míg a Π 2 és Π 3 számoknak indirkt a Π 5 tényzőnk dirkt hőmérséklt függés van. Második lépésbn a dimnziótlan számok flhasználásával a jlnségt líró összfüggés is mgalkotható. Hurisztikus mggondolások mntén az alábbi függvénykapcsolat írható fl: 2 / 15
1 L ΔS = μ(p) CO 2 Sc rh (2.1) P dm ahol rh a Π 5 (Nrnst-tényző) és ph sgítségévl lvzthtő dimnziótlan rdoxpotnciál μ(p) a biológiai szűrési tényző. 3 A BIOFILMEN TÖRTÉNŐ TÁPANYAGLEBONTÁS FELTÉTELEI 3.1 Logisztikai fltétlk A biofilm vagy biológiai hártya mikrobák közösségénk élttr, amlynk mgtapadásához szilárd flültr van szükség. A szilárd flültt biofilm hordozónak hívjuk. A biofilm hordozó állhat vagy mozoghat. A parti szűrés homokszmcséi állnak, a biológiai hártya összfüggő módon a mdrkapcsolati rétgbn alakul ki. Az rősn változó sbsségű szűrési folyamatban itt a lgalacsonyabb a sbsség. 3-1. ábra A parti szűrés sajátságai A mikrobák a mgtapadásukat kövtőn nm változtatják hlyükt. Éltbn tartásukhoz tápanyagllátásukról gondoskodni kll. A logisztikai fladat kétlépcsős. A konvktív anyagáram a biofilmhz szállítja, a konduktív anyagáram a biofilmb juttatja a tápanyagot. A konvktív áramlás nyomáskülönbség hatására jön létr, amly a parti szűrésnél folyamatos szivattyúzással tarható fnn. A konduktív anyagáramot vagy diffúziót koncntrációkülönbség hajtja. A koncntrációkülönbség a víztér és biológiai hártya között értndő. A koncntráció különbség akkor állandósul, ha a biológiai hártyán blül létrjön a bdiffundálódott tápanyag lbontása, azaz végbmgy a biokémiai rakció. A tápanyag-lbontás logisztikája thát gymást kövtő, soros lépéskből áll, amlybn visszacsatolást is találunk. A sor végén álló biokémiai rakció csak akkor jöht létr, ha z őt mglőző fázisok már tljsültk. A biokémiai rakciók (nitrifikácó és más lbontások) a biofilmn blül zajlanak. 3 / 15
Soros folyamat Részfolyamat Hajtórő Fnntartja Konvktív áramlás Nyomás különbség Szivattyúzás, kvrés Konduktiv áramlás diffúzió Biokémiai lbontás Koncntráció különbség Rdox környzt Baktériumok munkája Baktériumok éltösztön Visszacsatolás 3-2. táblázat A biológiai szűrés soros lmi és a visszacsatolás Pusztán a diffúziót jlnségét alapulvév, lglőször a lgkisbb molkulájú lmknk bl klln zuhanniuk a hártyába. Ez azonban nm mindig van így. A koncntrációkülönbség állandósult fnntartása a baktériumok aktivitásától függ. Vannak olyan baktériumok, amlyk munkájuk során a kisbb molkulájú lmk lbontásához sznt használnak l. A sznt azonban a nagy molkulájú anyagok lbontásával ugyancsak a víztérből nyrik. Kövtkzésképp a nagymolkulák lbontása így mglőzhti a kisbbkt, gyfajta visszacsatolást létrhozva záltal. 1 A tápanyag-lbontási folyamat tankönyvi blokksémája az alábbi: oldott O 2 + szrvs anyag Mikroorganizmusok CO 2 + biológiai növkdés 3-3. ábra A tápanyag lbontás blokksémája Ezn hatásmchanizmus alapján a mikroorganizmusok lakta biológiai hártyába oxigént és szrvs tápanyagot kll bjuttatni. Ez a tápanyag lbontási folyamat logisztikai lőfltétl. Az oxigén diffúziós tényzőj krkn 20*10-10 m 2 /s, nagy érték, lénygsn nagyobb, mint az ugyancsak a biofilmb diffundálni kötls szubsztrátnak. Von Guntn szrint a vizkbn található tipikus molkula vagy hlysbbn atomi képződmény össztétl az alábbi: CH O NH H PO + 138 O = 2 106 3 16 3 4 2 jllmző atomi formáció oxigén 106CO + 122H O 16NO + HPO + 18H - 2- + 2 2 3 4 széndioxid víz salakanyagok A sztöchiomtrikus képlt alapján tömörn a kövtkző mgállapításokra juthatunk: A lbontáshoz nagyon sok (!) oxigénr van szükség. A lbontott végtrmék javarészt víz és széndioxid valamint kis mértékbn gyéb salakanyagok. 1 A szns pincéig a thrautó hozza a sznt (konvktív áram). A pincablakon át lapátolással (konduktív áram) krül a szén a pincéb. Az utcáról a pincéb való áttöltés csak akkor valósulhat mg, ha odalnn az ltakarítás légtés, btárolás - folyamatos. 4 / 15
A tápanyaglbontás thát olyan szűrés, amly a vízbn található anyagokat nm pusztán szétválasztja, visszatartja azaz szűri 2 -, hanm átalakítja olyan anyaggá (víz, széndioxid) amly a biofilmből könnyn távozik, nm jlntv már további sznnyzttségt a vízbn. A molkula mért alapján mgbcsülhtő a szubsztát diffúziós tényzőj is, amlynk nagyságrndj: (3 7) * 10-10 m 2 /s között mozog. Az oxigén és a szubsztrát diffúziós tényzőjénk aránya átlagosan négyszrs. Az ipari mértű tápanyag-lbontáshoz a tápanyag folyamatos hozzávztésén kívül a kllő számú mikroba ltlpítéséhz lgndő nagyságú flültr is szükség van. Adott térfogatban a rndlkzésr álló flült annál nagyobb minél kisbb a biofilmhordozó rétg d m mértékadó szmcsátmérőj. A tápanyagllátás logisztikáját és a flült mértékét az ún. P-szám jllmzi. P ahol üzmi jllmző w d m D s wd D S m a szűrőrétg tulajdonsága a tisztított víz sajátsága szűrési sbsség mértékadó szmcsátmérő szubsztrát diffúziós tényző (3.1) A Pclt-szám másként kifjzv a konvktív és konduktív anyagáramok arányát mutatja, amly gybn utal a baktériumok által blakható flült nagyságára is. A biológiai szűrés modllzéskor a P-szám - gyütt más dimnziótlan számokkal a dimnzióanalízis sgítségévl krült lvztésr [1]. Egy dimnziótlan szám csak akkor tkinthtő hasonlósági kritériumnak, ha a jlnségt líró dimnziótlan diffrnciálgynltnk is gyütthatója. A Navir-Stoks és transzportgynlt által alkotott diffrnciálgynlt-rndszr mgoldása útján a biológia raktorokban ljátszódó folyamatok sbsség-nyomás-koncntráció viszonyai térbn és időbn határozhatók mg. Az gynltk mgoldása a kzdti és prmfltétk mgadásának nhézségi valamint a biológia tápanyaglbontás kövtkztébn folyamatosan újratrmlődő koncntráció különbség billsztésénk mgoldatlansága miatt nm gyszrű és így a numrikus mgoldás sm az. A nvztt gynltk dimnziótlan alakjának flírásakor a Pszám, illtv annak rciproka gyütthatóként jlntkzik. Ezért a P-szám a biológiai szűrés hasonlósági kritériuma is. Annak llnér, hogy a biofilmhordozók struktúrája mrőbn különböző, a rajtuk mgtapadó biológiai hártyán blül a mikrobák végrhajtotta tápanyaglbontás azonos. Függőn a logisztikai fltétlktől a lbontás mérték, avagy a biológiai szűrés hatékonysága különböző lht. Az gymástól ltérő tulajdonságú és flépítésű víztisztítási ljárások stébn a hasonlóságot a P-szám trmti mg. A parti szűrésről tudjuk, hogy a nm éppn tiszta Duna-vízből gy lépésbn ivóvízminőségt állít lő. A parti szűrés lőnyös viszonyait a P-szám nagysága tükrözi vissza, amlynk érték P =10-20 között alakul. A parti szűrés hatásmchanizmusa is a tápanyaglbontás. 2 Szűrés szűkn vtt értlmbn az a művlt, mlynk során szilárd halmazállapotú anyagot folyékony vagy légnmű közgtől szétválasztunk. Itt most szélsbb értlmbn visszatartásnak tkintjük a lbontást is. 5 / 15
Hatékonyságának kdvző volta miatt zért hozzá hasonlítjuk az összs többi tápanyaglbontáson alapuló tchnológiai ljárást is. A P-szám kiszámítása csak a parti szűrés kapcsán gyszrű. A többi ismrt biológiai tápanyag-lbontást végrhajtó lrndzés stébn lsősorban az gynértékű szmcsmért vonatkozásában gomtria mggondolásokat kll tnni. Az alábbi táblázat az gynértékű és a mértékadó szmcsmért mghatározását mutatja b. Biofilm hordozó Nagy fajlagos flültű anyagok: zolit aktív szén Gomtria Paramétrk, Egynértékű szmcsmért Fajlagos flült a [g/m 2 ] Granulátum szmcsmért d [mm] sűrűség ρ [kg/m 3 ] V d = 6 F Mértékadó szmcsmért Ha d < 5b dm d ahol b= baktérium mért ha d 5b d m = d Cspgttőtst (műanyagtömb) Anyag: KPE Tömbflült A [m 2 /m 3 ] Tömbsűrűség ρ t [kg/m 3 ] Anyagsűrűség ρ [kg/m 3 ] V d m = d d = 6 F Ultraszűrő: spagtti forma L Szálgomtriából számítva V d m = d d = 6 F Szűrés kívülről bflé (vákuumos rndszr) db V = d 2 k - db 4 π L Baktériumok külső flültn a dk F = d πl k Elvn iszapos tchnológia d= 50 500 *10-3 mm a lbgő anyag mért, (Szakirodalmi adatok alapján) Eloszlás alapján d = d d m= d 3-4. táblázat Az gynértékű és mértékadó szmcsmértk mghatározása Ahogy azt a táblázatból látjuk a biofilm mgtapadása gymástól rősn ltérő gomtriai formákon valósulhat mg. Az összhasonlíthatóság érdkébn a különböző stkt a gömbi és csak külső flülttl rndlkző homok szűrőrétghz viszonyítjuk. Az összvtés alapja az, hogy az adott térfogat/flült arányú biofilmhordozó milyn mértű homokszmcsévl gynértékű. Ha a d gynértékű szmcsátmérő nagyobbra adódik, mint a mikrobák mért 3, akkor a d m mértékadó szmcsátmérő azonos az rdményül kapott d gynértékű szmátmérővl, d m =d. Ezzl szmbn, ha a mikrobák mért a nagyobb, úgy önkénysn a mértékadó szmcsátmérő nagyságát az átlagos mikroba mért ötszörösér választjuk. A mértválasztás alkalmasságát csak a 3-6. ábra arányai szmléltsn támasztják alá. 3 a mikrobamért átlagosan b=2,5*10-6 m, azaz 2,5 mikrométr 6 / 15
3-5. ábra A mértékadó átmérő önkénys mgválasztása A 3-6. ábra a használatos biofilmhordozó anyagok gynértékű és mértékadó szmcsátmérőink nagyságát logaritmikus léptékbn mutatja. A baktériumi mértnél kisbb gynértékű szmcsátmérő biológiai szmpontból nm használható ki, mrt a baktériumok nagyobb mértüknél fogva nm képsk blakni a rndlkzésr álló flültt. A mstrségsn lőállított műanyag tölttk stébn a fjlsztésnk a nagyobb fajlagos flült lérés irányába kll mutatni, d baktériumi mértnél kisbb gynértékű szmcsátmérő lérés flslgs, mrt a flült úgysm lnn kihasználható. A P-szám képltébn szűrési sbsségt a szűrőgység átbocsátási sbsségévl azonosítjuk. A parti szűrés stébn is mggondolás mntén vttük számba a szűrési sbsségt, azaz nm számoltunk a hézagtényző sbsségnövlő hatásával. Álló biofilm stén a diffúzió szmpontjából fontos rlatív sbsségérték mghatározása gyértlmű. Az lvn iszapos tchnológia stébn a szmcs (a lbgőanyag) mértér vannak irodalmi adatok, azonban az áramló víz és a flokkulátumon mgtapadó mozgó biofilm közötti rlatív sbsség (a diffúzió szmpontjából z számít) nagyságát mgbcsülni is nhéz. A parti szűrésnél a szűrési sbsség érték nagyon alacsony, w = 0,1-0,3 m/d. Szmml nm érzéklhtő érték. Az lvn iszapos tchnológiánál a kvrés és a lvgő hozzávztés okozta sbsségkomponnsk nagysága azonban jlntős. Vizuálható módon az. Az lvniszapos tchnológiában vannak oxikus és anoxikus mdncék. Az gyikb blfújunk a másikba nm és zt váltogatjuk is. Ha történik lvgő hozzávztés, akkor a mdnc oxikus, ha nm akkor anoxikus. D vajon z a különbség? Az oxikus mdncébn a kvrés mlltt a lvgő hozzávztés konvktív sbsségnövkményt okoz, kövtkzésképp rosszabbá válnak a diffúzió létrjötténk fltétli. Az anoxikus mdncébn z a zavaró 7 / 15
sbsségkomponns lmarad, van idő a diffúzióra és a lbontás addig folyamatos, amddig az oldott oxigén kitart. Emlltt oxigént nm igénylő folyamatok is lzajlanak. A tartózkodási idő (iszapkor, kontakt idő) szmléltű mértzésnél csak a mozgatás tény és nm annak sbsség számít. Szmlélttésként vssünk össz két azonos tartózkodási idjű stt. F 1 [m 2 ] Q [m 3 /h] h 1 [m] F 2 [m 2 ] Q [m 3 /h] Q / F 1 = w 1 Q / F 2 = w 2 h 2 [m] w 1 << w 2 h 1 / w 1 = t = h 2 / w 2 P 1 << P 2 3-6. ábra Különböző krsztmtsztű szűrő azonos tartózkodási idővl Az azonos t tartózkodási idő llnér a biológiai szűrés, d az adszorpciós mgkötés szmpontjából sm azonos a két st, mrt a P-számok rősn különböznk gymástól. A diffúzió a nagyobb krsztmtszt stén jön létr inkább, zzl szmbn a nagyobb szűrési sbsség mlltt nm marad idő a kialakulásához, létrjött stlgs, valószínűséghz kötött. Mind az adszorpciós mgkötés, mind a biológiai szűrés stébn a diffúzió fontos szrpt játszik. Biofilm Mikrobák Blső flült 3-7. ábra Adszorpció és biológiai tápanyaglbontás A pórusokba illtv a biofilmb a koncntráció különbség hajtja krül b a mgkötndő sznnyző vagy a lbontandó tápanyagot. Az adszorbciós mgkötés révén a koncntráció a víztér és a blső trk között gyr inkább kigynlítődik. A mgtlt állapot bkövtkztkor a szűrőrétg (az aktív szén) raktiválására van szükség. Ha ugyanaz a szűrőközg biofilmhordozó szrpt tölt b, úgy a koncntráció különbség a biológiai aktivitás kövtkztébn a tápanyag lbontásával folyamatosan újratrmlődik. A 3-8. ábrán jól mgfigylhtő a blső flült kihasználatlansága biofilmhordozó alkalmazás stén. A baktériumok mértüknél fogva a blső trk flültét nm képsk 8 / 15
blakni. Ez a tény vzttt az gynértékű és mértékadó szmcsmért mgkülönbözttéséhz. A parti szűrésnél a szűrőrétg tisztántartása is trmészts módon történik. A lbontás során kltkző kis mnnyiségű salakanyag évi kétszri öblítéssl, az árvíz lvonulásakor történik mg. Az alábbi táblázatban a biológiai szűrést mgvalósító tchnológiák összhasonlítását látjuk. Ssz Biológiai szűrés D S [m 2 /s] d [m] d m [m] w [m/s] W [m/h] P [-] Mgjgyzés 1 Parti szűrés 1,5-10 1,3-3 1,2-6 10 Ivóvízminőségt állít lő 2 Parti szűrés alacsony vízállás mlltt 1,5-10 1,3-3 2,4-6 20 Mérsékltn hatékony 3 Szűrőrétg: homok Ammónia ltávolítás gyorsszűrőn 19,4-10 1,5-3 8,8-4 3,16 670 Nm működht hatékonyan (Kcskmét) gyorsszűrési viszonyok mlltt?! 4 Aktív-szén szűrés (Cspl) 5,0-10 1,8-9 1,2-5 3,5-3 12,6 34 Férgk, véglényk jlnnk mg Nm hatékony!? 5 Elvniszapos sznnyvíztisztítás 1,5-10 0,1-3 0,1-3??????? 18-szoros raktor mértk 6 Cspgttőtsts sznnyvíztisztítás 240 m 2 /m 3 1,5-10 7,7-4 7,7-4 2,8-4 1 1440 adódnak Nm hatékony!? Hatékonyságát a szükségsnél nagyobb mért növlés árán éri l. Cspgttőtsts sznnyvíztisztítás 7 5,0-10 7,7-4 7,7-4 2,8-4 1 432 Hatékonyabb?! Ózonnal Sznnyvíztisztítás biológiai szűréssl 10-15 mikron porozitású 8 5,0-10 5,9-7 1,2-5 4,2-4 1,5 10 (zolit) biofilmhordozó lgndő volna?! Nm alakul ki érdmlgs 9 Ultraszűrés (Lázbérc) 1,5-10 2,7-3 2,7-3 1,0-5 187 biológia?! 3-8. táblázat A biológiai szűrésk összfoglaló táblázata A táblázatban valós és fltétlztt stk is szrplnk. A biológiai szűrésnk ddig nm volt átfogó lmélt. A biológiai tápanyaglbontás hatásmchanizmusán alapuló ljárások stébn nm krült kiszámításra a P-szám. A 3-9. táblázat a flllhtő adatokból rr tsz kísérltt. Annyit mgállapíthatunk, hogy a hasonlósági kritérium számszrű alakulásával magyarázhatók az gys ljárások lőnyihátrányai. Azonban még sok mérésr van szükség a szűrési lmélt pontosabb mgalapozásához. 3.2 Környzti fltétlk 3.2.1 Klimatikus jgyk A biológia hártyán blül a kívánt biokémiai rakciók lzajlása a mikrobáktól függ. A hatékonyság is a mikrobák tvéknységénk a kövtkzmény. Klimatikus jgyk alatt a baktériumok tvéknységévl közvtlnül összfüggő sajátságokat értünk. Azokat a környzti tényzőkt soroljuk id, amlyk mghatározzák a nagyétkű mikrobák ltlpdését, illtv a ltlpdés után azok étvágyát. Louis-Claud Vincnt francia antropológus és vízkutató a ph és az rh változók által kifszíttt síkon, az ún. Vincnt-diagramon fltérképzt baktériumok okozta btgségkt és azt mondta, hogy btgségk llni küzdlm annyit jlnt, hogy ltoljuk a klimatikus viszonyokat gy olyan irányba, ahol azok már nm érzik jól magukat, miáltal a baktériumok és vlük a btgség is kihal. Ez a tétl fordítva is igaz kll lgyn. Ha azt akarjuk, hogy a baktériumok llksn részt vgynk a tápanyag lbontásában, olyan viszonyokat kll trmtni, amit ők kdvlnk, ahol ők jól érzik magukat. A ph a kémhatás dimnziótlan jlzőszáma, az rh-t értlmzhtjük úgy, mint dimnziómnts rdox-potnciált, amlynk képlt az alábbi: 9 / 15
2E rh = h T + 2 ph (3.2) R ahol 2, 303 = 0,1984 mv K -1 F Az rh skála 0-42-ig trjd, 0-15 érték rősn rdukáló, 25-42 érték pdig rősn oxidáló rndszrt jlz. Minél nagyobb az rh-érték, a közg annál rősbb oxidáló hatással rndlkzik. Az összfüggés alapján jól látható, hogy rh az E h rdox-potnciál mlltt magába foglalja a T abszolút hőmérsékltt és a ph kémhatást is. Az rh mindn napos használata a víztisztításban nm gyakorlat, stnként tudományos lfogadottsága is vitatott. Ennk llnér Francois Jacob Nobl-díjas francia orvos a különböző mikroorganizmusokat az rh függvényébn osztályozta. rh = 0 7,4 rdukáló (rjdő) anarob mikroorganizmusok rh = 7,4 14 mikroarofil mikroorganizmusok rh = 14 42 oxidáló (lélgző) arob mikroorganizmusok Mgjgyzés: Ahogy a ph= 0-14 skála, úgy az rh = 0-42 skála is nagyon nagy távolságokat jlnt. Az ivóvíz és a sznnyvíz trült vonatkozásában mindkét változó stébn csak gy szűk intrvallum bjárásáról bszélhtünk. Alkalmazóként nincs okunk kétségb vonni az rh mérőszám jlntőségét és használhatóságát. A 3-10. ábrán vázolt diagram zért bátran használja zt a fogalmat. rh 40 30 42 A B 20 10 3-9. ábra Az rh - P tartományai Az rh-p változók által kifszíttt síkon a Vincnt-diagram mintájára az A, B tartományokhoz a jllmző mikrobaháztartás fűzhtő hozzá. 4 A TÁPANYAGLEBONTÁS HŐMÉRSÉKLETFÜGGÉSE A parti szűrés és a sznnyvíztisztítás biológia raktorai a szabad ég alatt működnk. A fizikai, kémiai és biológiai folyamatok nnk mgfllőn az évszakokra jllmző hőmérséklti viszonyok mlltt mnnk végb. A dimnzióanalízissl lvzttt (2.1) képlt kibontható és a kövtkző alakot vszi fl. ΔS = μ P C O2 DS ν L rh w d D d m O2 10 20 30 40 50 60 P m (4.1) 10 / 15
A változók közül a diffúziós tényzők és a kinmatikai viszkozitás függ a hőmérséklttől. Az összfüggéskt C-ban mgadott méréssl mghatározott diagramokból nyrjük (lásd 4.1 ábra). Kinmatikai viszkozitás Diffúziós tényző szorzó 4-1. ábra A hőmérsékltfüggés Mint az a diagramok alapján jól látható az évszakoknak mgfllő 0-25 C-os hőmérséklti tartományban a kinamatikai viszkozitás a hőmérséklt csökknésévl cca 2-szrsér nő, míg a diffúziós tényzők hőmérséklti szorzótényzőjénk nagysága flér csökkn. A dimnziótlan rdoxpotnciál (3.2) összfüggésébn a T abszolút hőmérséklt szrpl. A klimatikus viszonyokat líró változó nnk mgfllőn a téli-nyári hőmérsékltk vonatkozásában csak kis mértékbn ingadozik. A különböző folyamatokkal kapcsolatban a 10 C-os hőmérsékltváltozás hatására bkövtkző változások mértékét az alábbiak szrint adják mg: Folyamatok Q 10 Fizikai folyamatok (diffúzió, viszkozitás) 1,6 2 Kémiai rakciók 2 3 Biokémiai rakciók (mikrobaszaporodás sbsség 3 5 4-2. táblázat A lfolyási sbsségk változása Közismrt tény, hogy az lvn iszapos sznnyvíztisztítási tchnológia hatékonysága téln alábbhagy. Ezzl szmbn az ugyancsak biológiai tápanyaglbontással működő parti szűrés téln, alacsony hőmérséklt mlltt stabilabban működik. A 4-3. ábrán a Duna - kút útszakaszon mérték a tápanyaglbontás mértékét. A folyóvízbn még mgtalálható tápanyag UV adszorpcióval mért mnnyiség a mdr oldali kskny vízadó rétgbn bomlik l. A téli és a nyári lbontás mérték között van különbség, téln a parti szűrés láthatóan hatékonyabban működik. 11 / 15
4-3. táblázat A parti szűrés tápanyag lbontása téln nyáron. Magyarázható- z a különbség a fnt taglalt mgfontolásokkal? Ehhz ábrázoljuk a (4.1) összfüggést (lásd 4-5. és 4-6. ábrákat). A P-szám függvényébn gy hiprbolasrgt kapunk. A hiprbolák nagyon alacsony P-számoknál visszahajlanak, amlyt μ(p) szűrési tényző okoz. A szűrési tényző a mikrobaszaporodásra vonatkozó ún. logisztikai függvény [8] sgítségévl vzthtő l, alakja a 4-4. árának mgfllő. μ K=1 P 4-4. ábra A szűrési tényző alakulása A függvény paramétri méréssl határozandók mg. Lgyn a nyáron a parti szűrésr jllmző pont a 4-4. ábra az 1 jlű pontja. 4-5. táblázat A parti szűrés a T-digramon Ha a hőmérséklt lcsökkn a D S szubsztrát diffúziós tényző érték is mintgy a flér sik vissza. A P-szám duplájára nő, azaz ugyanazon a görbén a 2 pontba jutunk. Téln a locsolások lmaradásával kisbb a téli vízfogyasztás. Ugyanazon a partszakaszon kisbb lsz a szűrési sbsség, miáltal szintén ugyanazon a görbén a 3 pontba jutunk. Téln kisbb az oxigén diffúziós tényzőj és nagyobb a víz kinmatikai viszkozitása. A nvzőbn található oxigén diffúziós tényző és a számlálóban található viszkozitás változása cca négyszrs növkdést hoz, miközbn a biofilmn blül a biológiai aktivitás a flér csökkn. A szorzó hatás átvisz gy másik görbér, ahol a balra kivtíttt lbontási mérték nagyobb, mint a nyári. A modll thát képs visszatükrözni a mérés során tapasztaltakat. A parti szűrésnél a homokszmcsékn mgtapadó biofilm áll. A vízadó rétgn átszivárgó víz szűrési sbsség (a rlatív sbsség) jól mérhtő. Érték nagyon alacsony: w = 0,1-0,3 m/d. Az lvniszapos sznnyvíztisztítás P-száma nhzn mghatározható, mrt a plyhkn mgtapadó biofilm és a folyadék is mozog. Rlatív sbsségük csak statisztikailag értlmzhtő. A lvgő hozzávztés és a kvrés hatására létrjövő sbsség nagysága 12 / 15
szmml is jól érzéklhtő, nagyságrndkkl nagyobb érték a parti szűréshz képst. A rlatív sbsség a 0 - w max tartományban változik. Az iszapplyhk mért ahol a baktériumok mgtlpsznk irodalmi adatok szrint 0,1 mm, azaz 1-4 m nagyságrndbn mozog. Ez cca 10-szr kisbb a parti szűrés homokszmcséink mérténél. A sznnyvízbn mgtalálható molkulák mért közl azonos a Duna vizébn mgtalálható molkulák mértévl. Kövtkzésképp a D S szubsztrát diffúziós tényző így közl azonosnak tkinthtő a két st vonatkozásában. A sbsségérték hiánya miatt a P-szám értékét nm tudjuk kiszámítani, d a parti szűréshz képst érték biztosaan lénygsn magasabb. Jlnts a 4-6. ábrán az 1 pont a nyári állapotot. 4-6. táblázat Az lvniszapos tápanyaglbontás téli bfulladása Ha lcsökkn a hőmérséklt, a D S diffúziós tényző a flér csökkn, miközbn a P-szám duplájára nő, záltal ljutunk a 2 pontba. Az oxigén hozzávztés és a kvrés téln sm marad l, így a parti szűréshz hasonló sbsségcsökknésr (P-szám csökknésr) nm számíthatunk. A más hiprbolára való átugrás a szorzással itt is ugyanolyan mértékbn mgtörténik, d hatása a tápanyaglbontásra nézv kicsi. Ha hhz hozzávsszük még a biológiai aktivitás csökknést is úgy az lvn iszapos tchnológia gyébként sm magas lbontó képsség a téli időszakban a nullához közlít. A hatékonyság romlás llnsúlyozására az iszapkor növlés javasolt, azonban nnk hatása nm tud jlntős lnni. Az igazi javulás a P-szám csökkntés révén ahogy a parti szűrésnél automatikusan mgtörténik volna lérhtő. A sznnyvízhasznosítás gondolatának mgvalósításánál a tljs iszapmnnyiség az iszapvonalra krül. Kövtkzésképp a visszamaradó lhasznált víz tisztításához kivülről bvitt biofilmhordozó flültr van szükség. A fixfilms mgoldásban a szűrési sbsség jól dfiniált és kllőn alacsonyra állítható b. Ez az lrndzés gybn az alacsony hőmérsékltnél jlntkző problémát is mgoldja. 5 ÖSSZEFOGLALÁS, KÖVETKEZTETÉSEK Az Irodalomjgyzékbn mgjlölt írások több oldalról is mgvilágították a kérdés lmélti és gyakorlati háttrét. A kövtkzttéskt pontokba szdv, az alábbi üzntk fogalmazhatók mg. 13 / 15
1. A jövőbn nm sznnyvíztisztításról kll bszélni, hanm sznnyvízhasznosításról. Ez a látszólag súlytalan trminológiai különbség gészn máshova tszi a hangsúlyokat. Érdmi paradigmaváltáshoz vzt. 2. A tljs iszapmnnyiség hasznosítandó (rothasztandó, komposztálandó). Az légtés is szóba krülht, d az nm volna hasznosításnak nvzhtő. A tljs iszapmnnyiség komposztálása a prfrált, mrt csak z által gátolható mg a trmőföldk már-már visszafordíthatatlan róziója. 3. Szükség van gy olyan ljárásra, amly az iszap plyhi hlytt más biofilmhordozót használ. Ilyn ljárás a cspgttőtsts ljárás, amlynk mértzés ma tartózkodási idő alapján történik. Előtérb krül a biológiai szűrés. Ehhz a parti szűrés modllj jó alapot, ötltt ad. A hasonlóságlmélti transzformáció alapján kidolgozott mgoldás adottnak tkinthtő. 4. A sznnyvíznk vagy használt víznk vagy általában a tisztítandó víznk minőség (mit kll kivnni blől) és trhltség (mnnyit kll kivnni blől) van. Az lőbbit az anyagfüggő diffúziós tényző, az utóbbit a KOI, BOI összgző típusú paramétrk képvislik. A folyamat mgtrvzés a vízminőségr vonatkozik, a mnnyit kérdés a brndzés nagyságát bfolyásolja. Ezért a tápanyaglbontó ljárást illtőn nincs különbség parti szűrés és a sznnyvíztisztítás között. A nagyobb trhlés nagyobb flültű szűrőrétgt igényl, ahol ugyanaz zajlik, nvztsn biológiai lbontás. 5. Nm lassú vagy gyors, nm homok- vagy aktív-szén szűrésről kll bszélni, a szűrésnk P-száma van. Nagy P-számok stén a biológiai lbontás már fajlagosan nm hatékony. Az mpíria alapján mgépíttt brndzés rndkívül nagy mértű lsz. 6. A szűréslmélt kitljsítéséhz ki kll még mérni az ún. T-digaram mindkét formáját. A diagramnak inkább a szűréslmélt kitljsítésébn van jlntőség. 7. A sznnyvíztlpn kll lnni ózonfokozatnak, amly a diffúziós tényző nagyságát a molkulák aprítása révén növli. A sznnyvízlaborban mérndő a diffúziós tényző. 8. Nm lht úgy általában folyamatokról hasonlóságlmélti mgfontolások mllőzésévl bszélni, z alól a víztisztítás sm lht kivétl. Az általánosság biztosításához a mérési rdményk közlés trmészts koordinátákban mérv, dimnziótlan számok mntén történht csak hatékonyan. 9. Lht biológiai trkt a T-diagram hiányában is mértzni, amlyhz néhány dolog bcslésér van szükség. Ezzl a mgfontolással 18-szor kisbb raktor mértk adódnak. Ha pontosítások után csak ötszörös lsz viszony, az sm volna lhanyagolható különbség a bruházási költségkt illtőn. 10. Az lvn iszapos tchnológia azért nm kllőn hatékony, mrt a szükségs lvgőzttéssl mozgatjuk is az anyagot, amly mozgatás túl gyors. A diffúzió csak korlátozottan jön létr. A diffúzió mghiúsulása a magyarázata az lvn iszapos tchnológia téli bdugulásának is. 11. A lvgő hozzávztést l kll választani az étkzéstől, ahogy azt a cspgttő tsts ljárás is tszi. Ott csak az a baj, hogy ddig snki nm számolta ki a logisztikai lőfltétlként szolgáló P-szám értékét. 12. Szmbn a jlnlg uralkodó kémiai mgoldásokkal a biológiai ammóniamntsítés ignis kézbn tartható, csak tudni kll mi és miért zajlik ott. 13. Az ivóvíztisztításnak kll lgyn tápanyag-lbontó biológiai fokozata, mrt a tápanyag-szgényítés gybn frtőtlnítés is[4]. A hálózat szmpontjából szükségs klórozásnak csak bbn az stbn nm lsznk trihalomtán és AOx származék mlléktrméki. 14 / 15
14. A parti szűrésnél nincs lvn iszap, nincs klór, nincs UV lámpa, mégis makulátlanul mgtisztul a víz és a frtőtlnítés is végbmgy. A tisztítás gy lépésbn történik. Ennk az talonnak z lérés cél kll lgyn. 15. Az ivó- és sznnyvíztisztítás gy tőről fakad. A szétválasztás csak közgészségi szmpontból indokolt, miszrint a sznnyvízzl foglakozók n érintkzznk az ivóvízzl. 16. Sznnyvíztisztítás stébn a jlntkző mgtakarítások nagyobbak. Az lkrülhttln paradigmaváltásnak a sznnyvíz hasznosításáról (wastwatr rcycling) kll szólnia. 17. A mstrségs ivóvíztisztítás is hatékonyabb és olcsóbb, ha az biológiai úton (is) történik. 6 IRODALOMJEGYZÉK [1] Tolnai, B: Bvztés a biológiai szűrés modllzéséb és mértzéséb nm publikált kézirat, 2007-2011. a szabadalmi bjlntés ügyiratszáma: P0800635 [2] Tolnai, B.: Partiszűrés a frtőtlnítés wini útja MHT Vándorgyűlés, Baja, 2008. [3] Tolnai, B. Richart O.: Az ivóvíz stabilitásának gy lhtségs mérőszáma MHT Vándorgyűlés, Sopron, 2010. [4] Tolnai, B.: Frtőtlnítés és frtőtlnítési rndszr VízműPanoráma, Budapst, 2012. [5] Tolnai, B..: Sznnyvíztisztítás másképp, avagy a paradigmaváltás szükségsség ÖKOAQUA, Dbrcn, 2012. [6] Tolnai, B..: A biológiai szűrés alkalmazása MHT Vándorgyűlés, Kaposvár, 2012. [7] Szirts T: Dimnzióanalízis és alkalmazott modlllmélt Typotx Kiadó, Budapst. 2006. [8] Sydsætr, K. Hammond, P. I.: Matmatika közgazdászoknak (8.4 fjzt) Aula kiadó, 2000. 15 / 15