Vízminőség és biológiai szűrés Mindent olyan egyszerűen kell csinálni, amennyire csak lehet. De nem egyszerűbben. Albert Einstein
Vízminőség és biológiai szűrés Tolnai Béla Címszavak: partiszűrés, biológiai szűrés, kutak üzemeltetése, klímaváltozás
1
LÉNYEGES ESEMÉNYEK FEJLŐDÉSTÖRTÉNETÉBEN
A
FŐVÁROSI
VÍZELLÁTÁS
A partiszűrésnek 140 évre visszatekintő múltja van. Stabilan működik. Volt azonban ezen hosszú időszak alatt néhány negatív kicsengésű esemény, amelyről érdemes szót ejteni. Nem árt ezen történéseket elemezni és belőlük következtetéseket levonva hasznosítani a tapasztalatokat.
1.1
A Palotai szigeti kutakból termelt vízminőségének romlása
A Káposztásmegyeri Vízmű építését 1904-ben fejezték be. Ezt a rendszert a Palotai szigeti és mai nevükön a Balparti I, Balparti II, Szigeti I, Sziget II telepek alkották. Az utóbbiak még ma is működnek. A Palotai szigeten ma már nincs víztermelés, mert ezen kutak vize az évek során elromlott.
Trianoni gát
1-1. ábra Víztermelés a Palotai szigeten és a Trianoni gát
Az ok, hogy az 1920-as évek elején, feltehetőleg mederszabályozási okokra visszavezethetően megépül az ún. Trianoni gát, amely a balpartot a Palotai szigettel köti össze, elvágva ezzel a folyóvíznek az útját a part menti ágban. Az áramlás megszűnésével az érintett partszakaszok eliszaposodnak. Ma már tudjuk, hogy a biológiai szűrés oxikus jellegről anoxikus jellegre vált. Anoxikus körülmények között az élővízben megtalálható vas- és mangántartalom mikrobiológiai folyamatok eredményeként feldúsul. A kutak vízminőségének romlása nem az elhibázott kútépítés, nem a helytelen üzemeltetés miatt következik be, hanem a partszakasz válik alkalmatlanná. Ha a Salbach-Kájlinger rendszerű kutakat a Palotai sziget másik oldalára építik, úgy ez a vízbázis a gátépítés ellenére valószínűleg még ma is üzemelne. A Káposztásmegyeri Főtelepen épített kutak - a gát ilyetén történő kialakítása következtében - ezzel szemben menthetetlen volt. Miután a vízminőségromlás okát abban az időben nem sikerült azonosítani, az 1930-as években elődeink a kutakból kitermelt vízminőség feljavításával próbálkoztak. Megépül egy a vas és a mangán eltávolítására alkalmas berendezés. A fizikai-kémiai elven működő mesterséges technológiai folyamat a Káposztásmegyeri Főtelepen, későbbi nevén az ún. Kisfelszíni Vízmű épületében kap helyet. A Szentendrei szigeten a termelő rendszer további bővülésével a palotai szigeti víztermelést feladják, így a vasés mangántalanító berendezés is leszerelésre kerül. A hely azonban továbbra is adott volt a mesterséges
1 /14
víztisztítási technológiákkal kapcsolatos kísérletek lefolytatásához. Itt zajlottak a Nagyfelszínű Víztisztítómű kialakítandó technológiáját megalapozó mérések. A Kisfelszíni Vízmű később felszíni vízkiemeléssel és mechanikai szűréssel ipari vizet állított elő. Az ipari minőségű víz iránti kereslet megszűnésével ma már ez a mű sem üzemel.
A Nagyfelszíni Vízmű megépítéséhez vezető út és leállításának indoka
1.2
Az 1960-as években, a város szűnni nem akaró vízigényének növekedésével nem tudott lépést tartani a kutak építésének üteme. (Ma már tudjuk, hogy ez a vízigény tulajdonképpen csak egy virtuális vízigény volt, amit a közgazdaságilag elhibázott, rendkívül alacsony, a költségeket nem tükröző vízár indukált [3].) A felszíni víz mesterséges tisztításával lényegesen rövidebb idő alatt volt kiépíthető ugyanolyan nagyságú termelőkapacitás. Ugyan a vízminőség messze elmaradt a kutakból kinyerhető vízminőségtől, de a „vízigényből fakadó kényszer” hatására 1967-re mégis megépül a Nagyfelszíni Vízmű, amely 1985 és 1992 között még átesett egy kapacitásnövelő rekonstrukción, azonban az 1989-es rendszerváltást követően a vízigények erőteljes csökkenése miatt 1994-ben leállításra, majd leszerelésre került. A gazdaságtalan üzem mellett, a lényegesen rosszabb vízminőség volt a másik ok, amely a mű végleges bezárásához vezetett. Ez utóbbihoz érvként szerepeljen az alábbi a természetes és mesterséges eljárásokat összehasonlító idézet: A mikroszkópikus biológiai vizsgálatok érzékenyen jelzik azt, hogy a szolgáltatott ivóvizet milyen módon nyerik, ugyanis több nagyságrenddel hatékonyabb a partiszűrésű kutak természetes biológiai szűrése, mint a Duna vizének mesterséges tisztítása [6].
A Surányi kútsor gyengébb vízminősége
1.3
Már a Surányi kútsor építésekor (1969-1973) is nyilvánvaló volt, hogy a partszakasz – szemben a többivel – bizonyos helyeken meglehetősen iszapos, aminek oka a Duna mederrendezése miatt megépült 2 db sarkantyú. Akkoriban nem tulajdonítottak nagy jelentőséget a dolognak, mert nagy szükség volt a vízre. A vízigények lényegesen nagyobb volta miatt a Surányi kútsor által termelt, némiképp rosszabb minőségű (vasmangános) víz, elkeveredve a többi jobb minőségű telep vízével a főtelepi hálózati betáplálási pontnál már megfelelő vízminőség volt tapasztalható. A vízigények csökkenésével megváltozott a keveredési arány is, emiatt néhány, a leginkább érintett kút (Surány 9, 10) kikapcsolásra került. A gát alatti holttérben (lásd ábra) a vízcsere nem kielégítő, ezen kívül a lelassult áramlás elősegítette a lerakodást, iszaposodást. A partszakasz anoxikus jellegűvé vált. Az iszaposodás hatással van a vízadóképességre - az eltömődő és a regenerálódni kevésbé képes szűrőfelület miatt csökken a vízhozam – és mikrobiológiai okokra visszavezethetően a kitermelt vízben feldúsul a vas és a mangán tartalom. A problémán segíteni több módon is lehet: 1. 2. 3.
az egyik megoldás kétségkívül a kitermelt víz vas- és mangántalanítása lehet, ahogy az a Palotai szigeti kútsor esetében is történt. Tanulva a fejleményekből ez nem lehet javasolható megoldás. Próbálkozhatunk felszínalatti vas- és mangánmentesítéssel (lásd kővetkező pontban Vyredox eljárást). Azonban a megélt kudarc miatt ez az eljárás sem ajánlható Lehet módszerként választani a kiváltó ok megszüntetését. A Duna hajózhatóságának biztosítása továbbra is cél kell maradjon, ezért a gát elbontása nem jelentheti a kiutat, viszont a vízcsere megvalósítása jó megoldásnak tűnik. Zsilip
2 / 14
Zsilip
1-2. ábra A Surányi kútsor előtti sarkantyú
Ha gát nyakába egy zsilipet építünk, amelyet a Duna vízállásától függően üzemeltetünk úgy, hogy a holttérbe mindig kerüljön oxigén dús víz. Időszakosan az átöblítésre – az áteresztő zsilip teljes nyitására - is sort kell keríteni. Bár ezt egy magasabb árhullám automatikusan is megteszi. 4. A következő megoldás nem a kiváltó okot szünteti meg, hanem a hatását igyekszik eliminálni. A mederkapcsolati réteg hiányzó oxigénszükségletét mesterségesen pótolja. Miután ennek a megoldásnak folyamatos üzemeltetési költsége van ezt inkább ott érdemes alkalmazni, ahol a kiváltó ok megszüntetésére nem kínálkozik lehetőség. Konténer
Kompresszor
Légtartály Figyelőkótból szivattyúzva Levegő bekverő
1-3. ábra Oxigénpótlás a partélen (sematikus ábra)
Meg kell azonban jegyezni, hogy ez utóbbi megoldás üzemköltsége messze kevesebb, mint az egy a kút (vagy kutak) után kapcsolt kezelőmű esetében az fennáll. A fogyasztás csökkenés következtében előállt jelentős kapacitás többlet miatt a Surány 9 és 10 kutakból kitermelhető vízre nincsen szükség. Nélkülözésük nem veszélyezteti a vízellátást. A vízminőség visszaállíthatóságának elvi jelentősége van. A Duna állandó hajózhatóságának megteremtéséhez a mederrendezésekre szükség van. Nem szerencsés azonban, ha ezek a lépések egyoldalúan történnek meg és a sarkantyúk kivitelezést követően utólag kerülne konstatálásra, hogy elromlott a kutak vízminősége. Jobb lenne eleve olyan megoldásokat jóváhagyni – pl. sarkantyúépítés zsilippel – amelyek a hajózhatóság és a víztermelés szempontjait együttesen veszik figyelembe. Ehhez azonban bizonyítani kell a fenti elgondolások helyességét.
1.4
A Vyredox eljárás alkalmazásának kudarca
A vas és mangán problémák uralására ún. felszín alatti vas- és mangántalanítási eljárások is bevetésre kerültek. Ezek lényege, hogy a kutat körülvevő vízadó rétegbe szikkasztó kutak útján oxigén dús vizet juttatunk. Az eljárások törekvése helyes, azonban a kutak közvetlen környezetében a kontinuitási törvény következtében már olyan nagy a szűrési sebesség – és vele nagy a Pe-szám is -, hogy a kellően hatékony biofilm kialakulására nincs lehetőség [9]. Ezen túlmenően a vízadórétegbe már bekerült vas és mangán lerakódik, és ha a kezdetekben
3 / 14
javulást is képes felmutatni eljárás, az idővel „kifullad”, miközben a szűrőréteg kolmatálódása (eltömődése) visszafordíthatatlanná válik.
1-4. ábra a Vyredox eljárás elrendezése
Az előző 1.3 pontban megjelölt 4. megoldás lényegében a Vyredox - és a nagyon hasonló Subterra - eljárásokon alapul, azzal a különbséggel, hogy az oxigén bejuttatásának helye a mederkapcsolatnál van. A legalább évi kétszeri, rendszeres árhullámok után az apadáskor mindig egy ellenáramú öblítés is megvalósul, amely a mederkapcsolati szűrőréteg regenerálódását segíti elő.
1.5
A Déli termelő rendszeren a vízkezelés szükségessége és várható megszűnése
A II. Duna-expedició (a Fekete erdőtől a Fekete tengerig) egy nagyon figyelemreméltó eredménnyel szolgált. A volt szocialista országok fővárosai alatt 20-50 km-es hosszban, a víztestben erős biológiai aktivitás figyelhető meg, amely a tisztítatlanul bebocsátott szennyvíz miatt jön létre. A folyóvíz regenerálódása természetes folyamat, amelynek azonban oxigénemésztési következménye van. A folyó „biológiailag aktív” zónájában található víztermelő telepek partszakaszai – ilyen a csepeli-halásztelki-ráckevei kútsor is – emiatt a kívánatos oxikus jelleg helyett anoxikussá váltak. Két úton lehet ez esetben is eljárni, vagy vas- és a mangántartalom kiszűrésére kezelőműveket építünk - ez történt – vagy megszüntetjük a kiváltó okot. A budapesti Központi Szennyvíztisztító üzembelépésével az okot megszüntető állapot 2010-ben elő fog állni. Következésképp a Ráckevei és Csepeli ivóvízkezelőművek a partszakasz oxikus jellegének visszaállásával feleslegessé válnak [5]. Miután a partszakasz nem iszapos, csupán a víztestben csökken le jelenleg az oldott oxigén szintje, emiatt a regenerálódásra relatíve hamar lehet számítani. Megj.: Ha ez így van, felesleges volt a ráckevei vízmű rekonstrukciója és hasonlóképpen feleslegesnek látszik a csepeli vízkezelőmű tervezett irányítástechnikai rendszerének cseréje is. A vízfogyasztás további csökkenésével kérdésessé válik a Déli termelőrendszer szükségessége mennyiségi szempontból is.
1.6
A Szigetszentmiklósi kútsor kényszerű feladása
A Szigetszentmiklósi vízbázis sajátossága nagymértékben eltér a többi partiszűrésre alapozott vízműtől. A kutak a Csepel-sziget soroksári-ráckevei Dunasága mentén létesültek. A szigetcsúcson megépített Kvassay-zsilip a főág hajózhatósága miatt épült meg (1910-1962), minek következtében a soroksári-ráckevei a Dunaságban az áramlási sebesség olyan alacsonnyá vált, hogy - a lebegtetett hordalék leülepedése révén - a kutak vízutánpótlódását biztosító szűrési folyamatok a termelési lehetőségeket mennyiségi és minőségi szempontból is lerontották. A 9 db csápos kútból álló telep 1972-73-ban épült. Elsősorban vízminőségi problémákra visszavezethetően a kutak termelésből való kikapcsolása 1986-ban indult el és a telep 1995-ben véglegesen megállításra került. A folyóág előnytelenné vált adottságai miatt nem lett volna szabad a telepet megépíteni. A megvalósított dúsítás sem volt képes a vízminőséggel kapcsolatos kifogások enyhítésére. Valószínűleg a már említett partél
4 / 14
„levegőztetés” jobb eredményekre vezethetett volna. Szigetszentmiklóson nem elromlott a vízminőség, hanem már eleve jó sem volt. Nem a partiszűréssel volt itt sem a baj, hanem az emberi beavatkozás következményeivel.
1.7
Levonható következtetések
A természetes partiszűrés hosszú évtizedek óta stabilan és hatékonyan működik. Lényegesen jobb eredményeket produkálva, mint a mesterséges eljárások. A rendszeres árhullámok következtében önregenerálódásra képes. A partiszűrésnél nem a kút a főszereplő, hanem sokkal inkább a szűrőréteg és annak is inkább a mederkapcsolati környezete. A szűrési hatékonyság romlása is mindig akkor következett be, amikor szűrőréteget érték behatások, amikor nem kerültek felmérésre az emberi beavatkozás következményei (gátépítés, sarkantyúkialakítás és tisztítatlan szennyvíz bebocsátás). Ahhoz, hogy ez a természet adta lehetőség a jövőben is kiaknázható legyen, elsősorban a működés jobb megértésére van szükség. Csak az alaposabb megismerése révén vagyunk képesek a beavatkozások vagy a környezeti változások hatását ellensúlyozni. A történetiség – a korábbi hibákból való tanulás – emiatt oly fontos. Ahogy a jelenségek valódi természetének időben történő fel nem ismerése, úgy a tapasztalatok figyelemmel kívül hagyása, következményekkel jár, általában súlyos anyagi következményekkel.
2 2.1
A PARTISZŰRÉS A partiszűrés hatásmechanizmusának modellezése
A partiszűrésű víztermelésről a közvélemény – beleértve a szakmai közvéleményt is - azt tartja, hogy tiszta, üde és jóízű ivóvíz előállítására képes a mégoly szennyezett folyóvízből is. A szűrés mechanikai tulajdonságairól sok ismerettel rendelkezünk, azonban a mikrobiológiai hatásmechanizmus kellő magyarázata még várat magára. Számos kérdés fogalmazható meg ezzel kapcsolatban: hogyan működik, a szűrőrétegben hol zajlik le, milyen körülmények zavarják a hatékony működét, a jövőben is kihasználható lesz-e ez a természet adta lehetőség? Wein János nemcsak felismerte a természetes szűrés jelentőségét, hanem konok módon hitt is benne. Ma azonban már nem elég a partiszűrés jótékony hatásairól egyoldalúan meggyőződni, hanem a feltett kérdésekre egzakt válaszokat is kell tudni adni. Egy bonyolult ökológiai rendszer esetében a válaszokat megadni csak modellezés útján kínálkozik lehetőség. Sok változóval jellemezhető folyamatok esetén – és ilyen a partiszűrés is - kívánatos, a változók darabszámának lecsökkentése. Erre kínál módot a dimenzióanalízis alkalmazása. Az Edgar Buckingham által kidolgozott módszer nemcsak a dimenziótlan változókat határozza meg, hanem lehetőséget kínál a jelenséget leíró számszerű összefüggés megalkotására is. Ez utóbbihoz heurisztikus megfontolások mellett konkrét mérések lefolytatására is szükség van. A partiszűrés hatásmechanizmusának feltérképezése is a dimenzióanalízis segítségével történt [2],[9]. Az eredményül kapott ún. tápanyag-lebontási modellben az ún. szűrési tényező az egyik keresett változó, amely mérések útján határozható meg. A szűrés tényező dimenziótlan mennyiség, amely a mikroba háztartást - benne baktériumok tápanyag lebontási hajlandóságát – számszerűsíti. A modell alapján megfogalmazhatunk néhány fontos következtetést:
A biológiai szűrés a mederkapcsolatnál zajlik. A kialakuló biológiai hártya vastagságának van határértéke, amely néhány dm vagy 1-2 m nagyságrendben mozog. A szűrőréteg d szemcseátmérőjét, a szűrendő víz tápanyagtartalmának D diffúziós tényezőjét és az üzemeltetésre jellemző w szűrési sebességet magába foglaló Pe-számnak szintén van határértéke, amelynek nagysága Pekrit =2000-3000 körüli. A Pe-szám az egyes szűrési eseteket sorba rendezi és egyértelműen elválasztja egymástól a biológiai, ill. a mechanikai szűrési eseteket. Ennek a felfogásnak megfelelően, nem lassú és gyors szűrésről kell beszélni, hanem minden szűrés egyben mechanikai szűrés is, azzal a megkötéssel, hogy a szűrőkön biológia csak a Pekrit alatti értékek mellett alakulhat ki. Ennek a feltételnek a létezése ad alapot a mesterséges biológiai szűrők méretezésére is. A modell lehetőséget kínál az egységes szűréselmélet megalkotására, ahogy az a XX. század derekán, a hidraulikai Moody diagram felvételével is történt.
5 / 14
A modell egyben azt is kiköveteli, hogy méréseink eredményét ne dimenziós formában, hanem ahogy az a hasonlóságelméletben szokásos, dimenziómentes változók mentén közöljük. Csak így lehet a különböző helyeken és időben végzett mérések eredményét összevetni.
2.2
A kutak szerepe a vízminőség előállításában
A máttyusi definíció szerint a víztermelő rendszernek elsődleges feladata, hogy mindenkor elegendő és megfelelő minőségű vizet állítson elő. A vízigények kielégítésének kényszere időszakában a vízminőségi szempont szerepe háttérbe szorult. Elég volt csak megállapítani, hogy a partiszűrés hatékonysága kiváló, ami igaz is volt. Ebben az időszakban az volt a vállalati közbeszéd tárgya, hogy melyik az a kúttípus, amely a mennyiségi követelményeknek a leginkább megfelel. A csápos kút vált végül az uralkodó műtárggyá. A kúttípus szerepe azonban inkább csak kútépítési-technológiai szempontból fontos. Az az érvelés, amely az ún. törpecsápos kutak előnyeit taglalja, az inkább csak a beruházás gazdaságosságát és időbeli átfutását firtatja. Ez kétség kívül nagyon fontos szempont volt a tömeges kútépítés időszakában. Amikor a kutak üzemének automatizálási algoritmusának megalkotása került szóba, akkor már nem a kúttípus, hanem a vízkiemelés módja került előtérbe. Az első paradigmaváltás az adott területről kiemelhető vízmennyiség maximalizálása érdekében következett be. Akkor lesz a kitermelhető víz mennyisége maximális, ha a partszakasz terhelése egyenletes [8]. A szifonált csőkútsor esetében ez hidraulikai úton biztosított, hisz az egy helyen az ún. kútgépházban történő szivattyúzás közel egyenletesen terheli a kútsort. Az egyedi szivattyúzású akna- és csápos kutak esetében erről a kútirányítási algoritmusnak kell gondoskodnia. Ezen meggondolás alapján született meg a kútcsoporton belüli egyenletes terhelésszétosztást megvalósító algoritmus. A partiszűrés hatásmechanizmusának modellezésénél kiderült, hogy a biológiai szűrés a mederkapcsolatnál, a vízadó réteg kezdeti deciméter-méter nagyságrendű rétegében valósul meg. A távolabb elhelyezkedő kút tehát nem a vízminőség előállításának a helye vagy eszköze, csupán egy a vízadó réteget megcsapolni képes műtárgyról van szó. A kútüzem azonban befolyással van a szűrési sebességre és így a vízminőség alakulására is. Ez a második paradigmaváltás – miszerint a nem a kút felel a vízminőségért – a termelési rendszer egészére vonatkozó, a kútcsoportok közötti egyenletes terhelésmegosztás valósíthatjuk meg [6]. Ennek különösen akkor van jelentősége, amikor tartósan alacsony Duna vízállás mellett kell a vízellátást biztosítani. Ilyenkor a tápanyag lebontási modellből következően [9] az a helyes követendő stratégia, ha minden kútcsoport és benne minden kút mindig üzemel, mégpedig a fogyasztói igénynek megfelelő, lehető legalacsonyabb terhelés mellett. Ha a valamelyik kútból a kiemelt víznek a szűrőréteg nem kellő hatékony működése miatt nem megfelelő minősége, akkor azt nem szabad a termelésből kikapcsolni. Ha kikapcsoljuk – és ide számít az ürítőre való járatás is -, úgy a többi kútra nagyobb teher jut – hisz a fogyasztói igényeket ekkor is ki kell elégíteni -, amely a szűrőréteget a szükségképpen megnövekedő szűrési sebesség miatt előnytelenebb helyzetbe hozza. A tartósan alacsony vízállású és az árvízi időszakokban, ha a vízminőséget a partiszűrés elégtelen működése vagy más okok miatt nem tudjuk garantálni, marad a mesterséges fertőtlenítés (klórozás) bevetése. 2.2.1
A kutak és kútcsoportok üzemirányítása
A kút fogalma egyértelmű, mert műtárgy mivolta révén szabatosan definiálható. A kútcsoportok esetében ez már nem ilyen magától értetődő. A szubjektív halmazbesorolásról van szó. Lehet a kútcsoporthoz tartozás kritériuma az azonos elnevezés, amely többnyire az építés időszakában alakult ki. Almássy és Holnapy azokat a kutakat tekinti egy csoportnak, amely egy adott vízbázison találhatók, és amelyek egymásra hatása a felszín alatt tetten érhető. Hisz ez a tulajdonság fontos szerepet játszik a vízadóréteg optimális kitermelhetőségében. Nem számít eretneknek az a csoportosítási szempont sem, amely egy halmazba az azonos fajlagos energiafelhasználási mutatóval rendelkező kutakat sorolja. Az így létrejött csoportosítás azonban már nem garantálja feltétlenül az ugyanazon vízbázishoz való tartozást. A pusztán energetikai alapú célfüggvénytől azonban nem várhatjuk el, hogy a vízminőségre optimalizáljon. A szállítási feladat célfüggvényénél nem az a perdöntő, hogy az egyes súlyok mekkorák, az egymáshoz képesti eltérés a fontos. A kútcsoportokat egy formán súlyozó célfüggvény alkalmazásával azt érhető el, hogy az adott terhelésből mindegyik csoport a kapacitásának megfelelő legkisebb terhelés hárul. Ez biztosítja azt, hogy a közeli kútcsoportok nem terhelhetők túl.
6 / 14
2.2.2
A kutak rekonstrukciójának tervezése
A kutak a víziközművek nem elhanyagolható nagyságú vagyonelemei. A velük kapcsolatos állagmegóvási munkák (kúttisztítás, kútrekonstrukció) tervezése nagy körültekintést igényel, mert több paraméter egyidejű figyelembevételével lehet csak a rekonstrukciós igényt és a munkák sorrendiséget megalapozni. A rekonstrukciótervezés a vagyongazdálkodás témakörébe tartozik. A szemtől elzárt, földalatti műtárgyak esetében a kockázatértékelés az az eljárás, amelyet bevethetünk. Hasonlóan az elosztóhálózathoz, 2005-ben a kutakra is elkészült egy ún. a Fuzzy-modell [13]. Amikor a modellépítés zajlott, a tápanyaglebontási modell még nem volt ismert, a vízminőséggel kapcsolatos információkat a kúthoz kötöttük. Csak később vált egyértelművé, hogy a vízminőség „előállítása” nem a kútnál történik, következésképp a vízminőséggel kapcsolatos tulajdonságok sem köthetők a kúthoz. A rekonstrukció céljául kitűzött vízminőségjavítás sem volt reális elvárás. A vízminőség a rekonstrukciótervezési folyamatban csak áttételesen játszik szerepet. A tevékenység sokkal inkább a kút vízadó-, ill. működőképességnek a helyreállítását szolgálja. 2.2.3
A kolmatáció, a szuffózió és inkrusztáció jelenségéről
A kolmatáció és az inkrusztáció rokon fogalmak, mindkettő lerakódást jelent. Az utóbbi lerakódást a kemény jelzővel is illetik. A fogalmak mögötti jelenségek létező jelenségek, azonban a jelentőségük erősen eltúlzott. Korábban a kolmatáció jelenségét a kútavulás fogalmához is hozzákötötték. Kútavulás alatt a kolmatáció miatti termelési kapacitáscsökkenést értjük, amellyel a kútépítésekkel kapcsolatos beruházási többletigényeket indokolták. A fogalom jól hangzik, de tény, hogy kutat eddig nem a kolmatáció következményének okán kellett felhagyni. Egy ilyen döntéshez mindig egészen más út vezetett. Lerakódás ide, lerakódás oda, már Wein János is megmondta: ... hol a Duna annyi eséssel bír, hogy minden évi többszöri megáradásai alkalmával egész medrét feltúrja, úgy hiszem, a szűrőfelület bedugulásától nincs mit félni.” A meder regenerálódási képessége tehát a meder kolmatáció jelentőségét háttérbe szorítja. Ha ez nem így volna, csupa eltömődött szűrőrétegű kút került volna már leállításra. A kút közvetlen közelében a szivárgási sebesség nagymértékben változik és a talajszemcsék elsodródása jöhet létre. A jelenséget tudományosan szuffóziónak hívjuk, az üzemeltetési gyakorlatban ezt a kút homokolásának nevezzük. Különösen az ún. rángatásos üzem során fordulhat elő, amelyet a szivattyúk hirtelen be/kikapcsolásával idézünk elő. A kutakba történő hajtásszabályozók beépítése éppen a lágy fokozatmentes indulást és leállást szolgálja. Kismértékű homokolás nem okoz gondot az üzemeltetés során, mert a cca. 7 évenként esedékes kúttisztításkor az aknába került homok eltávolításra kerül. A homokolás nagy gondot akkor okoz, ha az aknában felgyülemlő homokmennyiség eléri a csápsíkot és eltömi a csápokat. Ilyen mértékű szuffóziós hatásmechanizmusú „homokolás” azonban eddig nem volt tapasztalható. A ráckevei kútsoron észlelt jelentős homokbetörés a szénacél csápok átszakadása miatt következett be. Ez a felismerés vezetett oda, hogy a csápok anyaga a jövőben rozsdamentes acél legyen. Kívánatos továbbá az is, hogy a csápok kihajtásakor a csápszakaszok egyesítése menetesen történjen. A hegesztés elvben jó megoldás, azonban a szűk helyen, csöpögő vízben végrehajtandó művelet hibalehetősége nagy. 2.2.4
A talajvíz dúsítás szerepe és értelme
Elsősorban a kutak hozam növelése érdekében alkalmazzuk dúsítást. Ennek a lényege abban áll, hogy az élővízből közvetlenül kitermelt vizet elszikkasztjuk beljebb, a háttérben fekvő rétegbe. A szikkasztás dúsító kutak, illetve dúsító medencék segítségével történhet. kút gát
átemelő gh.
Duna
agyagfekű
2-1. ábra Dúsítás
7 / 14
Dúsító medence
A dúsításnak egyrészt víztárolási szerepe van, mivel a szűrőréteg jelentős mennyiségű vizet képes eltárolni, és alacsonyabb folyóvízállás esetén ez kitermelhető. Másrészt részlegesen a vízminőség javítását is szolgálja. Ha a dúsítás, azaz a beszivárogtatás a víztermelő műtárgyak és a háttérterület között történik, akkor a háttérterület felől a megcsapoló berendezések felé kialakult áramlási irány megfordítható. Így elkerülhető, hogy a szennyezett háttérterület felől (például mezőgazdasági vegyszerezés által) víz kerüljön a parti szűrőrétegen keresztül a víztermelő berendezésekbe. Miután a dúsító medencékbe szivattyúzással kerül a víz, ezért a dúsítás energiaigényes folyamat. Gazdaságossági szempontból csak nagyon indokolt esetben vethető be. A hatékony háttérszennyezés visszatartása érdekében a dúsítás nem lehet szakaszos üzemű. Meg kell jegyezni azt is, hogy a dúsító medence szikkasztó felületén az öntisztulása nem megoldott, ahogy az a folyó oldalon adottság. A dúsító medencéket ezért rendszeresen kotorni kell. Düsseldorfnál a Rajna meder erősen eliszaposodott. A vízigények biztosítása érdekében kénytelenek dúsítást alkalmazni. A folyóvíz hordaléka dúsító medencékben is lerakódik, ezért azokat rendszeresen kotorják. Veszélyt jelenthet továbbá az illetéktelenek számára könnyen hozzá férhető nyitott vízfelszín. Miután a dúsító medence a kutak közvetlen környezetében helyezendők el, így az esetleges pl. terror cselekményből származó szennyezés gyors beszivárgásával kell számolni. Az összes előny és hátrány mérlegelésével levonhatjuk a következtetést, hogy a dúsítás szerepe Budapesten erősen megkérdőjelezhető (fel is hagytunk vele), a jelen terhelési viszonyok mellett pedig egyszerűen nem indokolt. 2.2.5
A vízminőség mérések száma és helye a termelő rendszeren
A laborban történő vízminőség mérések költséges műveletek. Ezért helyes az a törekvés, hogy azokat csak az indokolt számban hajtsák végre. A minimálisan elvégzendő ellenőrző mérések számát a vízminőségi szabvány is rögzíti. Ezen kívül minden víziközmű vállalat további méréseket is végez annak érdekében, hogy az üzemeltetési anomáliák és a káros környezeti hatások időben kiderülhessenek. Legyen idő a szükséges beavatkozások megtételéhez. Nem mindegy azonban, hogy ezeket a rendszeres vízmérési pontokat hol és milyen megfontolások mentén alakítjuk ki. Hosszú évek gyakorlatának megfelelően a néhány évvel ezelőttig a víz útját követve az első mintavételi pont a kút volt. A kutakat havi rendszerességgel ellenőrizték. A karbantartásokhoz köthető beavatkozások után is a vízminőségi mérési eredményhez volt kötve a hálózatra kapcsolhatóság.
Egyedi szivattyúzási kútsor
partél
folyó
Vízminőségmérés a biológia szűrés helyén
Mintavétel a kutakban
Mintavétel gyűjtőpontpontban
2-2. ábra Mintavételi helyek a kutak előtt, a kutakban és a kutak után
A laborköltség csökkentésének eredményeként ma már a kutakban nem történik rendszeresen vízminőség mérés, helyette csak az ún. gyűjtőpontokban vesznek adott gyakorisággal mintát. Ha minta eredménye pozitív, csak akkor történik meg a „tettes” megkeresése, azaz a kiterjesztés. Ha gyűjtőpont előtt sok kút található, úgy ez a nyomozási tevékenység meglehetősen időt rabló és alacsony hatékonyságú munka: mire a probléma kiderül, az árvíz már régen levonult. A termelési rendszeren definiált gyűjtőpontokkal az első vízminőség mérés helye így a fogyasztói csapolókhoz közelebb került. Ha tekintetbe vesszük, hogy a vízminőség a partélen, a mederkapcsolatnál dől el, úgy az első vízminőségmérés inkább a kúttól kifelé (távolabb a fogyasztótól) volna indokolt. A rendszeres mintavételezés a
8 / 14
biológiai szűrés helyén sokkal korában informálna a partiszűrés esetleges elégtelenségéről. A Duna - kút távolságon a szivárgási időtartam 4-5 nap nagyságrendben mozog, ami elég hosszú idő ahhoz, hogy cselekedni lehessen. A medernél lehetőleg távadós módon célszerű a méréseket megvalósítani. Ma még nem tisztázott, hogy milyen paramétereket kellene ehelyütt mérni, de a redoxpotenciál, az oldott oxigén, a vezetőképesség és a TOC mérés valószínűleg meghatározó jelentőségű. Emellett szükség van időszakos laborvizsgálatokra is ugyanezeken a helyeken. A partszakaszt kútcsoportonként valószínűleg elegendő egy pontban mintázni, ahogy az a 2-2. ábrán is sugallt. A kútcsoportok száma messze kevesebb. mint a kutaké. A költségtakarékosságból indíttatva ez egy ellentétes irányultság, mint ahogy az a gyűjtőpontok esetében megvalósult. A partélről gyűjtött vízminőségi adatokkal időt nyerhetünk, míg a gyűjtőpontokban időt veszítünk.
A fertőtlenítés weini útja és a víz stabilitása
2.3
A partiszűrés hatásmechanizmusának mélyebb tanulmányozása során az is kiderült, hogy a partiszűrés tápanyag lebontási folyamata egyben a leghatékonyabb fertőtlenítési eljárásnak tekintendő. Górcső alá véve az egyes fertőtlenítési hatásmechanizmusokat a biológiai szűrés baktériumok munkára fogása révén kűzd a befertőződést okozni képes baktériumokkal szemben. A tápanyag szegényítésről, ha tetszik az élettér beszűkítésről mint hatásmechanizmusról egyre többet lehet olvasni, mint a vízkezelésnek az elosztóhálózatra is kiható módja [4]. Lehetőség
Hatásmechanizmus
1
Fertőtlenítőszer adagolás (klórozás)
A mikroorganizmusokat elpusztítja.
2
UV besugárzás
A mikroorganizmusokat inaktiválja.
3
Membránszűrés, ultraszűrés, nanoszűrés
A mikroorganizmusokat eltávolítja.
4
Biológiai szűrés (partiszűrés)
A szerves anyag kivonásával a mikroorganizmusok életterét megszünteti.
Tulajdonság Előretekintő hatású, de az elpusztult baktériumok táplálékot jelentenek az elfertőződéshez. Visszatekintő hatású, a másodlagos folyamatokkal szemben már nem véd. Visszatekintő hatású, a másodlagos hálózati folyamatokkal szemben már nem véd. Előretekintő hatású, ez az eljárás biztosítja leginkább a víz mikrobiológiai stabilitását (a fertőtlenítés weini útja)
2-3. ábra A fertőtlenítési eljárások hatásmechanizmusa
A vízbiztonságot alapvetően két dolog befolyásolja:
egyrészt betartunk-e minden óvintézkedést, szabályt, amely a vizet érő káros behatásokat korlátok közé szorítja. Ebbe körbe tartoznak a HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) és WSP (Water Safety Plan) típusú minőségbiztosítási eljárások. másrészt a vízbiztonság függ attól is, hogy maga víz, mint közeg milyen mértékben képes ellenállni a befertőződésekkel szemben. Másképp fogalmazva: hogyan fokozható a víz immunrendszere?
Ez utóbbit tekintve a relevánsnak tekinthető változók segítségével megpróbálkozhatunk egy a víz stabilitását mérő összefüggés definiálásával [10]. A levezetett képlet a vízfogyasztás különböző helyein más és más értéket ad. A gyakorlat szempontjából az a fontos, hogy stabilitási mérőszám értéke minden ponton egy a minimális szint felett legyen. Talán ehelyütt érdemes megjegyezni, hogy vízminőségi szabványunk szemlélete némiképp kívánni valót hagy maga után. Csak a közvetlen egészségkárosító hatásokkal törődik (toxikusság, üledék, indikátor baktériumok, stb.), de azzal már nem számol, hogy pl. a tápanyagszegénység közvetetten mit képes megakadályozni. A TOCre még határérték sincs. Pedig ez az egyik leglényegesebb mutató volna a fertőtlenítés weini útja tekintetében. A mederkapcsolati szűrőrétegben dolgozó baktériumok a víz tápanyag szegényítése révén beszűkítik az életteret és azon baktériumok, amelyek a víz hálózati útja mentén a befertőződését okozhatnák, nem találnak táplálékot. Ha tetszik ez az eljárás a „baktériumok a baktériumokkal szemben” hatásmechanizmus alapján
9 / 14
dolgozik, és mint ilyen a víz immunrendszere erősítésének az eszköze. A kiéheztetés, mint technika nem ismeretlen az emberi viszonylatban sem. Gondoljunk csak a 1,5 milliárd ember éhezését tétlenül szemlélő gazdagabb világra. Nem az a baj, hogy egy patogén baktérium bekerül a hálózatba. Ezt jószerivel képtelenség megakadályozni. Annak valószínűsége, hogy ez a baktérium egy csecsemő gyomrában landol rendkívül csekély. Az exponencilás gyorsaságú mikrobiológiai szaporodás jelenti a valódi veszélyt. Tulajdonképpen a szaporodás meggátlási képesség testesíti meg a víz immunrendszerét. Ez a magyarázata a tápanyagszegény partiszűrésű víz titkának. Megj: A fenti gondolatmenet fényében erősen vitatható a főtelepi nagyteljesítményű UV berendezés beépítésének a szükségessége. Nem igazán érthető továbbá – mert semmivel nem támasztható alá – a megemelt klórszint és az utóklórozás szükségessége sem. Tápanyagszegény partiszűrésű víz csak biztonsági klórozást igényel (max 0,2-0,3 mg/L), a többlet klór így nemcsak többletkiadás, baleseti veszélyforrás, hanem felesleges méregterhelést is jelent.
2.4
A védőterületek kijelölésének újragondolása
A vízbázisok védelme érdekében nagyon helyesen különböző védőövezetek kialakítására kerül sor [1]. Beszélünk külső és belső védőterületről. Ezek a víznyerés közvetlen környezetében kerülnek kialakításra. A távolabbi környezett a hidrogeológiai A, B és C övezetek adják.
2-4. ábra Védőterületek és a vízminőség keletkezésének a helye
Az övezeti besorolás alapja egy időtartam, amely alatt a szennyezés megjelenik a kútban. Ez a szemlélet azonban nagyon egyoldalú és nem fókuszál a vízminőség „keletkezési” helyére.
Kút
Külső védőterület T=180 nap (min 100 m sugarú kör)
Hidrogeológiai A védőövezet T=5 év
Tevékenységeket korlátozásokat előíró telekkönyvi bejegyzések
Kötelező szennyvíz és csapadékvíz elvezetés
Belső védőterület T=20 nap (min 20*20m lekerített és kisajátított terület)
Hidrogeológiai B védőövezet T=50 év Tilos többek között veszélyes hulladékok lerakása, trágyalé leürítése
Hidrogeológiai C védőövezet
Nincsenek jogszabályokban rögzítetten korlátozások előírva, a kijelölés nem kötelező
2-5. ábra Védőterületek, védőövezetek
A mederkapcsolatnál létrejövő biológiailag aktív réteg hatékonysága számos tényezőtől függ. Ezen tényezők némelyikét tudjuk befolyásolni, némelyikét nem. Befolyásolás alatt itt most inkább a viszonyok elronthatóságáról van szó.
10 / 14
A biológiai szűrés hatékonysága alapvetően a Pe-számtól, a Sc-számtól és az rH tényezőtől függ. Ha a partszakaszt hagyjuk eliszaposodni, vagy a partszakasz közvetlen közelében jelentős szerves tápanyag beáramlás van, úgy az anoxikus jellegűvé válik. A szűrőképesség megőrzésének igénye adott esetben sokkal fontosabb lehet, mint a vízadórétegben az elszennyeződés veszélye. A 2-5. ábrán a mederkapcsolat a hidrogeológiai C övezetben található. A C övezetre vonatkozó korlátozások itt már nem kellően szigorúak. Megfontolandó tehát hogy a védőövezetek kialakításakor más szempontokat is mérlegeljünk. A pusztán az elérési út alapján történő kijelölés az előbbiek fényében nem tűnik elegendőnek.
A partiszűrés jövője, a küszöbön álló klímaváltozás várható hatásai
2.5
Anélkül, hogy nagy tudományos fejtegetésekbe bonyolódnánk a küszöbönálló klímaváltozásnak két megnyilvánulását biztosan valószínűsíthetjük:
Némiképp emelkedni fog a Duna vizének évi középhőmérséklete.
Forrás: Davidesz-Debreczeni [11] 2-6. ábra A Duna vízhőmérsékletének változása
Az idősorok alapján egy kismértékű emelkedő trend figyelhető meg. A magasabb hőmérsékletű folyóvízben és így a biológiai szűrés helyén, a mederkapcsolatnál a tápanyaglebontás intenzívebb lesz. Emiatt a partiszűrés tekintetében hátrányos hatással számolni nem kell.
A másik várható jelenség a Duna vízjárásának megváltozása lesz. Lesznek tartósan alacsony vízjárású időszakok és várhatóan az árvizek gyakrabban fordulnak majd elő az árhullám intenzívebb levonulása melett. A vízjárási adatok statisztikai feldolgozásánál ezért nem az egyszerű idősort célszerű vizsgálni, hanem az egyes vízszintek előfordulásának tartósságát érdemes bemutatni. Az ilyen felfogású feldolgozásban egy karakterisztikusan növekvő trend figyelhető meg, ahogy azt az alábbi ábra nagyon hatásosan szemlélteti.
11 / 14
Forrás: Davidesz-Debreczeni [11] 2-7. ábra A Duna vízjárásának változása
A tartósan alacsony Duna vízállás szemben a hőmérséklet növekedésével már okozhat mind mennyiségi, mind vízminőségi gondokat a vízellátásban. A mennyiségi problémák az alacsonyabb vízadóképességből fakadhatnak. A jelenleg rendelkezésre álló – egy a korábbi tapasztalanak megfelelő, magasabb Duna vízálláshoz számolt (ill. részben empirikus úton becsült) – vízadóképességet újra kell értékelni. Így a fogyasztás csökkenésből előállt régi értelemben vett kapacitásfeleslegre szükség lesz. Ez volt a leglényegesebb mondanivalója a [11]-ben taglalt gondolatmenetnek, miszerint a kutas termelőkapacitás nem tekinthető feleslegesnek. A vízminőség alakulását illetően is mostohább körülményekre kell számítani. Ha azonban a a partiszűrés hatásmechanizmusának új keletű ismeretéből indulunk ki [9], és a kútüzem kialakításánál figyelembe vesszük a már említett második paradigmaváltás szükségességét [6], úgy üzemtani oldalról továbbra is kézben tartható lesz a vízminőség alakulása.
3 3.1
A PARTI SZŰRÉSTŐL TANULTAK HASZNOSÍTÁSA Biológiai szűrők méretezése
Induljunk ki abból, hogy a partiszűrés kiválóan és stabilan működik. Ez a folyamat fel is térképezhető. Erről szól a megalkotott tápanyag-lebontási modell [9]. A modell levezetésekor számos (6 db) dinenziótlan változó is szerepet játszik. Tekintsük ezek után a partiszűrés viszonyait meghatározó körülményeket „kismintának”, majd hasonlósági transzformáció útján vetítsük ki ezeket az összefüggéseket a „nagymintára”, ahogy az pl. a szivattyúk konstruálásánál szokásos. A nagyminta esetünkben most az a mesterségesen megvalósítandó biológiai szűrés, amelyet méretezni akarunk. A hasonlósági folyamatban szereplő kulcsváltozók a Pe (Peclet), Sc (Schmidt) számok és a Ne (Nernst) tényező. A mikrobiológia úgy kerül képbe, hogy az adott viszonyokhoz ezen túlmenően hozzárendeljük az ún. diverzitáselemző (biológiai sokféleséget elemző) molekuláris eljárással a mikroba háztartást mutató képet [12]. A munkára fogott baktériumok nem tudják, hogy ők adott pillanatban partiszűrésben vesznek részt, avagy ugyanolyan körülmények közepette egy mesterségesen kialakított szűrőn telepszenek meg. Ebből a gondolatmenetből az is következik, hogy a biológiai szűrés méretezésének alapja egy étkező tér („ebédlő”) kialakításának kérdéskörére vezethető vissza. Maradva a párhuzamos példánál nemcsak kellő mennyiségű széket és asztalt kell elhelyezni, hanem a helység klimatikus viszonyait is biztosítani kell, továbbá gondoskodni kell a tápanyag hozzávezetés logisztikai feltételeiről is. A probléma megoldás áramlástechnikai és mikrobiológiai ismereteket egyaránt igényel. Miután a csepeli-ráckevei partszakasz jelenleg még szennyvizet tisztít – Budapest szennyvizét – ezért kézen fekvő az a gondolat is, hogy végül is az ivóvíz, ill. a szennyvíztisztítás egy tőről fakad, valamilyen szinten biológiai eszközökkel tápanyag lebontás történik. Következéskép a partiszűréstől elleshető „prakikák”
12 / 14
hasznosítása a talán ma még távolinak tűnő szennyvíztisztításnak a jelenleginél hatékonyabb módozataihoz is elvezethet [9].
A hálózati másodlagos szennyezés korlátozása
3.2
A hálózati víz minőségén a hálózatban már tovább javítani nem lehet. Az a hálózatba táplálási pont előtt, a víztermelési oldalon dől el. A különböző hálózati technikákkal (öblítés, medence mosás, utóklórozás) csak a vízminőség romlását fékezhetjük. Következésképp a cél csak stabil víznek a hálózatba juttatása lehet. A hálózati másodlagos szennyezés okát sokszor hálózatüzemeltetési és hálózatméretezési okokra vezetjük vissza. Van ebben némi igazság is, azonban a lehetőségeink csak a behatásokkal szembeni minőségbiztosítási módszerekre korlátozódnak. Sokkal kevesebb szó esik a víz immunrendszere erősítésének lehetőségéről, pedig a korábbi, Barreto-Némedi által megfogalmazott következtetések inkább ezt a vonalat erősítik. Fontos azonban emellett az üzemtan adta lehetőségekre is figyelni. Mint közismert a medencének három szerepe van:
vízellátás biztonsága energia ktg megtakarítás lehetősége „dudormány” a hálózaton, amely napi egyszeri éjszakai töltéssel intenzív fővezetéki öblítést jelent.
Ez utóbbit általában nem említik, de másodlagos szennyezés kialakulásának részbeni meggátlása miatt nem mellőzhető. Az üzemirányításnak tehát a vízminőség romlásának fékezése is a feladata. A tévesen értelmezett „zsínórüzem” a harmadik szempont elhanyagolásához, nyomásminimalizáláshoz vezet (üzem fél medencékkel). Nem beszélve arról, hogy a nyomásfüggő rákényszerített fogyasztási hányad most nagyon is hiányzik a bevételi oldalon.
13 / 14
4
HIVATKOZÁSOK
[1] Károlyi, András – Tolnai, Béla: Víz-rajz, 140 éve a főváros szolgálatában Fővárosi Vízművek jubileumi kiadványa, Budapest, 2008. [2] Máttyus Sándor nyomán (szerk.: Tolnai Béla): Vízellátás, a Fővárosi Vízművek üzemeltetői ismeretanyaga Generál Press Kiadó, Budapest, 2008. [3] Tolnai Béla: A ráfordításokat nem követő vízár és annak következményei nem publikált, 2009. [4] Tolnai Béla: Partiszűrés, a fertőtlenítés weini útja MHT Vándorgyűlés Baja, 2009. [5] Tolnai Béla: Mit köszönhetünk Johann Weinnek, avagy Wein Jánosnak MHT, Vízellátási Szakosztály előadóülés, 2009. november 10. [6] Tolnai Béla: Terhelés szétosztás kútcsoportok között Algoritmus a lineáris programozás szállítási feladatára alapozva, 2009. [7] Barreto Sára – Némedi László: A budapesti hálózati víz mikroszkópikus képének összevetése a korábbi tapasztalatokkal és az egészségügyi kockázatok változása MHT Vándorgyűlés, 2006. [8] Almási Bálint – Holnapy Dezső: Víztermelő kútrendszerek gazdaságos üzemi szintjének meghatározása NIM Ipargazdasági és Üz. Szerv Int. kiadványa, 1963. [9] Tolnai Béla: Eljárás biológiai szűrők méretezésére Szabadalmi bejelentés, MSZH bejelentésszám: P0800635, 2008. [10] Tolnai Béla: A víz stabilitásának mérőszáma Nem publikált, 2009. [11] Davidesz János – Debreczeny László: Partiszűréső vízbázisok hosszú távú fenntarthatósága, rendelkezésre állás és kapacitások szempontjából MAVÍZ Konferencia, Sopron, 2009. [12] Márialigeti Károly: A nemtenyésztéses diverzitáselemző molekuláris eljárások haszna a környezeti bakteriológiában MTA Doktori értekezés, Budapest, 2009. [13] TOVA-Partner Kft.: Kutak kockázatértékelése (Komplex víztermelés értékelési modell) Fővárosi Vízművek, Budapest, 2005.
14 / 14
