Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás Tolnai Béla gépészmérnök Kulcsszavak: szennyvízhasznosítás, szennyvíztisztítás, biológiai szűrés modellezése
1
A SZENNYVÍZ KELETKEZÉSE ÉS GYŰJTÉSE
A szennyvíznek, mint fogalomnak különböző definíciói ismeretesek. A Wikipedia a következő meghatározást használja1: A szennyvíz az ipari vagy háztartási vízfogyasztás végterméke, lényegében bármely olyan víz, amely emberi behatásra szennyeződött, illetve eredeti minősége romlott. Ez az értelmezés az elszennyeződést tényként kezeli, pedig a teljes vízmennyiség elszennyeződése nem feltétlenül kell bekövetkezzen. A háztartásokban életvitelünk megkönnyítésére, az élet minőségének emelésére vizet használunk a lakásban keletkező „szennyeződések” öblítéses eltávolítására.
WC
Fürdőszoba
Esővíz
Konyha
Mosókonyha
1-1. ábra A szennyvíz keletkezése a háztartásban
A szennyeződés a lakásban különböző helyeken keletkezik. A WC-ből, a mosókonyhából, a fürdőszobából és a konyhából a „hulladék elszállítása” egységesen vízzel történik. A szennyvizek keletkezésének pillanatában ezek a vizek még elválasztott formában vannak jelen. Összekeveredésük a közös vezetékezés által jön létre. A víz ebben az (el)szállítási folyamatban elsősorban logisztikai szerepet tölt be, fogalmazhatunk úgy is a „hátán viszi el” a keletkezett hulladékot. A víz e szerepének gyakorlása közben – főként a beoldódások következtében - elhasználódik, szennyezetté válik. A WC-ben keletkező ún. fekete szennyvíz terheltsége nagy. A terheltséget a széklet és a vizelet magas szervesanyag-tartalma okozza. A fekete szennyvíz mennyiségi részaránya kicsi. A fürdőszobában, a mosókonyhában és a konyhában keletkező szürke szennyvíznek ezzel
1
http://hu.wikipedia.org/wiki/Szennyviz 1 / 12
szemben a terheltsége alacsony és a mennyisége jelentős. A helységeket elhagyva a fekete és a szürke szennyvíz a csatornavezetékben összekeveredik, háztartási szennyvízzé lesz.
fekete szennyvíz mennyisége 1 szürke szennyvíz mennyisége 9
1-2. ábra A kommunális szennyvíz összetétele és mennyisége
Az 1-2. ábra összetételi és mennyiségi viszonyai egyértelműek. A keverés célszerűtlenségét jelzik. A tetőn összegyűlő csapadékvíz eredendően nem szennyezett, de a csatornába vezetve – ahogy azt az 1-1. ábra mutatja – elkeveredéssel szintén azzá válik. Útban a szennyvíztelep felé a háztartási szennyvízhez még az ipari szennyvíz és az utcai csapadékvíz társul. Az így előálló egyveleget mi hozzuk létre, majd a szennyvíztelepen minden igyekezetünkkel arra koncentrálunk, hogy a keverék alkotóelemeit elválasszuk egymástól. Emiatt egyre többet lehet hallani a fekete és szürke szennyvizek összekeveredését megakadályozó, elkülönített gyűjtéséről. A szennyvíz keletkezésekor lehet cél a csapvíz felhasználásának minimalizálása is. Ekkor a lakáson belül megvalósított vízvisszaforgatással egyszer már használt, szürke szennyvízzel öblítik le a WC-t. A háztartást elhagyó szennyvíz mennyisége így ugyan kevesebb lesz, azonban szennyezettségét tekintve terheltebbé válik, hisz ugyanazt a szennyezést kevesebb víz viszi el. Látszólag egy hatékony, a csapvíz felhasználást mérséklő megoldásról van szó. A csatornahálózatban azonban a lebegőanyag elszállítása csak bizonyos vízsebesség felett hatékony. Kis sebességeknél a hálózati kiülepedés duguláshoz vezet, amely a szennyvízelvezetés meghiúsulását is okozhatja. Miközben törekedni kell a vízfelhasználás racionalizálására, emellett be kell látni, hogy bizonyos vízmennyiségre a hálózatban szükség van. A csatornaszolgáltatás két részfolyamatból - szennyvízelvezetésből és szennyvíztisztításból – áll. Szennyvízelvezetésről beszélünk, miközben valójában a háztartásokban, az iparban keletkező hulladék vízzel történő, öblítéses elszállításáról van szó. Ebben a folyamatban a víznek csupán szállítási, logisztikai szerepe van. A csatornahálózatban a különböző minőségű és az eltérő mértékben terhelt vizek keverednek. A szennyvíztelepen a tisztítási művelet során e keverék alkotóelemeinek elválasztását igyekszünk elérni. E ponton a kötelezően felteendő kérdés a következő: Minek összekeverni, ha később az elválasztással kell küzdeni? Az összekeverődés elkerülése elválasztott csatornarendszerekkel volna lehetséges. A gondolat nem új keletű, a kiépítésnek azonban nagy beruházási költség vonzata van. Ennek ellenére a szeparált gyűjtés igénye egyre inkább előtérbe kerül. Sűrűn lakott városi környezetben az elválasztott szennyvízelvezetés vagy az elkülönített gyűjtés nehezen képzelhető el, faluhelyen azonban igen. A fekete szennyvíznek szippantó kocsikkal történő begyűjtése majd komposztálása rentábilis lehet. A szürke szennyvíz elvezetése akár 2 / 12
nyílt árkorban is megoldható, de zárt csatornában célszerű, A hálózat végén elhelyezkedő szennyvíztisztítás így lényegesen egyszerűbbé válnak. Legyen a következőkben a szennyvíztisztítás helyett a hangsúly a szennyvízhasznosításon. Ez a jelentéktelennek tűnő súlyponteltolódás azonban egy sor dolog lényegi átértékeléséhez vezet.
A SZENNYVÍZTISZTÍTÁS ÚJRAÉRTELMEZÉSE
2
2.1 A szennyvíz hasznosítása elkülönített gyűjtés esetén Nagyvárosokban az elválasztott csatornarendszerek kialakulása a nagy beruházási költségigény miatt nem alakult ki. Az elválasztott szennyvízgyűjtés utólagos kiépítés sem tűnik gazdaságosnak, mert a fekete szennyvíz nagy távolságú szállítása a nagy viszkozitás miatt nehézségeket vet fel. Emiatt a kis egységteljesítményű, helyi komplex hasznosító berendezések kialakulása fog teret nyerni. A szürkeszennyvíz kétféle úton hasznosul: visszanyerjük belőle a hőt, és tisztítás után öntözővíznek használjuk el a tetőn gyűjtött csapadékkal együtt. A feketeszennyvíz alig tartalmaz vizet. Előbb az iszap rothasztásával biogázt állítunk elő, amely gázmotorban égetünk el. A gázmotort hűteni kell, így hőenergia keletkezik, amivel fűthetünk. A gázmotor generátort hajt, az előállított villamos energia a háztartásban hasznosítható újra. A rothasztott iszap végül komposztálásra kerül. A komposzt szerves trágyaként hasznosul. Ma még talán utópisztikusnak tűnik az 3-1. ábra megoldása [5]. Egy fontos üzenete azonban van ennek a lakóparkokra tervezett felépítésnek, miszerint hagyományos értelemben tisztítani csak az alig szennyezett szürkeszennyvizet kell.
Csapadékvíz
Iszap rothasztás Biogáz Gázmotor
Vákuum szivattyú 220 ~ Öntözővíz
Generátor
Feketeszennyvízkezelés
SzürkeHőcserélő szennyvízkezelés
Fekete-szennyvíz
Tiszta víz
Szürke-szennyvíz
Tárolótartály
Hő Villamos áram
2-1. ábra A szennyvízhasznosítás lokálisan
A szürkeszennyvíz tisztítása azonban lényegesen egyszerűbb feladat. 2.2 A szennyvíz hasznosítása nagy szennyvízkezelő telepen Manapság általánosnak mondható, hogy a szennyvíztelepre az egyesített hálózaton keresztül keverten kommunális és ipari szennyvíz érkezik. A szennyvíz mennyiségét ezen túlmenően a csapadékvíz is növeli. A szennyvíz megtisztítására számos technológia fejlődött ki. A leginkább elterjedt technológia az ún. eleveniszapos technológia. A világban azonban egyre inkább nem szennyvíztisztításról, hanem szennyvízhasznosításáról beszélnek. A wastewater recycling nemcsak divatos kifejezés, érdemes rá figyelmet fordítani. 3 / 12
Előülepítők
Rácsszemét
The whule amount of sludge
Hálózati szennyvíz
Ózonadagolás
Rács
Elhasznált víz Kaszkád levegőztetés
Lényege abban áll, hogy minden, ami a szennyvízben hasznos, azt ki kell nyerni belőle, következésképp az (elő)ülepítéssel leválasztott teljes iszapmennyiség hasznosítását kell megcélozni. Megoszlanak a vélemények arról, hogy az iszap hasznosítása a biogáz termeléssel volna azonos. A biogáz az iszap rothasztásával keletkezik. Összetétele főként metán (cca 60%) és széndioxid (cca 40%). Az ilyen összetételű gáz fűtőértéke nem vethető össze a vezetékes gáz fűtőértékével. A széndioxid és más szennyezés – elsősorban a kén – kivonásával a fűtőérték feljavítható, a hasznosítási lehetőség kitágul. A gáztisztítási eljárás azonban drága, ezért gyakori alternatívaként a rosszabb hatásfokú gázmotorokban való elégetés jön szóba. A gázmotorok generátort hajtanak, miáltal villamos energiát termelünk. A keletkező hő egy részével a rothasztó tornyokat fűtjük, a hőfelesleg más célú hő felhasználást szolgálhat. A rothasztott iszap komposztálható, vagy lignittel dúsítható. A 3-2. ábra azt a variációt is szemlélteti, amikor a biogáz előállítás elmarad, azaz a teljes nyersiszap mennyiséget komposztáljuk vagy lignittel stabilizáljuk, LIGNIMIX-eljárás [4]. A komposztálás a nagy helyszükséglet miatt többnyire a szennyvíztelepen kívül történik, az iszapnak lignitporral történő keverése elfér a telepen. Akár biogáz termeléssel összekötötten, akár anélkül, az iszap hasznosítása mindenképpen mezőgazdasági célokat is kell szolgáljon. A termőföldeknek égető szükségük van szervestrágyázásra. A növényi élelmiszertermelés biztonsága azonban megköveteli, hogy a földekre kivitt kezelt szennyvíziszap ne tartalmazzon káros anyagokat. Emiatt van szükség környezettudatos csatornahasználat ösztönzésére. A „fizessen a szennyező” elv tulajdonképpen helyes, csupán a szennyező fogalmát kell újraértékelni. Nem szennyező az, aki a szennyvízhálózatba kommunális eredetű hulladékot bocsát, azaz szanitációs berendezéseit rendeltetésszerűen használja.
Biologiai szűrők (Pe ~10)
Tisztavíz medence
Tisztított víz
Befogadó
Rinsewater pumpstation
Levegőztetés Rothasztó tornyok
Gázmotor
Iszapsűrítő
M Biogáz tároló
G Generátor
Dezintegráció Hőcserélő Lignitpor
Rothasztott iszap
Nyersiszap
Emulsió Kavitron
Lignimix granulátum
Víztelenítő és szárító berendezés
Víztelenített iszap Víztelenítő berendezés
Szennyvíz hasznosító telep
2-2. ábra A szennyvíz hasznosítása a szennyvíztelepen
4 / 12
Komposztálás
A visszamaradó, használt víz tisztítása továbbra is feladat marad. Tisztítási eljárásként – ahogy az már korábban említésre került - nem jöhet szóba a ma leginkább elterjedt eleveniszapos technológia, hisz a teljes iszapmennyiség leválasztásával nem áll már rendelkezésünkre a biofilmhordozó flokkulátum. Olyan eljárásra van szükség, amely a víz tisztításához nem igényli az iszap jelenlétét, a biofilmhordozó felület biztosításáról külön kell gondoskodni. Az elhasználódott víz hatékony tisztítása alacsony Pe-szám mellett valósítható meg. A partiszűrés (Pe = 3 - 10) a gyógyszermaradványok visszatartására is képes [2]. Hasonló paraméterekkel bíró mesterséges biológiai szűréssel a fáradt vízből is kivonhatjuk a nemkívánatos molekulákat. Az élővízbe történő egyre szigorodó visszajuttathatósági feltételek kielégítése így garantálhatóvá válik.
A BIOLÓGIAI VÍZTISZTÍTÁS HATÁSMECHNIZMUSA
3
A szennyvízhasznosításának előtérbe kerülésével az alapfeladat nem változik meg, csak nem szennyvizet, hanem az előbbi elrendezésektől függően a szürke szennyvizet vagy a fáradt szennyvizet kell megtisztítni. A biológia szűréselmélet vezet el bennünket oda, hogy ezeket a feladatokat – az iszap közreműködése nélkül - megoldhassuk. A partiszűrés modellezése egy általánosnak tekinthető struktúrához vezet [1], amelyet a biológiai szűréselmélet axiomatikus megalapozásának is tekinthetünk. A következő megállapításokat tehetjük: A biofilm megtapadásához szilárd felületre van szükség. A tisztítási folyamat három soros részfolyamatból áll. A konvektív áramlás vagy szivárgás a szennyezést a biofilmhez szállítja. A konduktív áramlás vagy diffúzió a szennyezőanyagot a főáramról leválasztva a biofilmbe juttatja. Az áramlástechnikai törvényeken alapuló, logisztikai lépések előfeltételei a biofilmen belül lezajló folyamatoknak. A tápanyag lebontása a biofilmen belül történik.
Konvektív anyagáram szivárgás Konduktiv áramlás diffúzió Biokémiai folyamat tápanyaglebontás
Feltétel (hajtóerő)
Fenntartja
Nyomás különbség
Szivattyúzás, keverés
Koncentráció különbség
Baktériumok munkája
Szilárd felület a biofilm megtapadásához Redox környezet
Baktériumok életösztöne
Visszacsatolás
Soros folyamat
Részfolyamat
3-1. táblázat A biológiai szűrés soros elemei és a visszacsatolás
A 3-1. táblázat az egyes részfolyamatok hajtóerejét és fenntartásának módját is megadja. A szivárgás a rétegben nyomáskülönbség hatására történik, amelyet szivattyúzással vagy keveréssel tarunk fenn. A diffúziót a koncentrációkülönbség hajtja. A tápanyaglebontás biokémiai művelet, amely átalakítja a biofilmbe belépő molekulát és ezzel „eltünteti” annak biofilmen belüli koncentrációját. A biofilmen kívüli és a biofilmen belüli koncentrációkülönbség így folyamatosan újratermelődik. A diffúziós mozgás a tér minden irányába egyformán létrejön, ahogy az a Brown-mozgásnál is megfigyelhető. Az ionok vándorlása is a diffúzió törvényszerűsége mentén zajlik. Elektromos tér segítségével azonban egy irányba terelhetők a töltött részecskék. Megkülönböztetésül a spontán diffúziótól ezt az irányított mozgást driftnek hívjuk. Esetünkben a víztérből a biofilmbe mutató egyirányú diffúziós elmozdulást figyelhetünk meg. A hajtóerőt a baktériumok munkája révén a folyamatosan újratermelődő koncentrációkülönbség adja.
5 / 12
A 3-1. táblázatban a baktériumok életösztöne jelöli azt a kényszert, amely őket a tápanyaglebontásra bírja. Rendszertechnikai értelemben a lebontás a koncentrációkülönbség újratermelésével visszacsatolást hoz létre. 3.1 A biológiai szűrés logisztikai feltétele A tápanyaglebontás logisztikai értelemben vett hatékonyságát a baktériumok által belakható felület nagysága is megszabja. Sok tápanyag lebontásához, sok baktériumra van szükség és azok csak nagy felületen tapadhatnak meg. Egy adott térfogatban a felület nagysága annál nagyobb, minél kisebb a biofilmhordozó szemcsék mérete. A biológiai szűrés logisztikai feltételét a Pe-szám a következő módon jellemzi: w dm Pe = . DS szűrési sebesség mértékadó szemcseátmérő (homok szűrőréteg esetén megegyezik a jellemző szemcseátmérővel) Ds [m2/s] szubsztrát (a lebontandó szennyezés) diffúziós tényezője A Pe-szám dimenziómentes szám. Három eltérő tulajdonságot sűrít magába: az üzemtan legfontosabb paraméterét a szűrési sebességet (w), a tisztítandó víz minőségét a szennyezőanyag diffúziós tényezőjével jellemezve (Ds) és a szűrőközeg vagy a biofilmhordozó réteg meghatározó sajátságát, a szemcseátmérőt (dm) amely a hordozó felület nagyságára utal. A Pe-számot eredendően a konvektív és a konduktiv áram arányaként interpretálták: ahol
Pe =
w [m/s] dm [m]
w konvektív sebesség DS konduktív sebesség dm
A hatékony lebontás előfeltétele ebben a szemléletben az, ha a biofilmhez megérkező tápanyag oda be is képes jutni, azaz Pe ~ 1 érték a kívánatos. Egy másik értelmezés szemléletesebb. A tört algebrai átalakítása után a következő alakhoz jutunk:
dm2 dm2 w w d m Ds τ diffúziós idő Pe = = = dm t tartózkodási idő Ds d m Ds w A kifejezés a dm távolságú diffúziós úthossz megtételéhez szükséges idő és a dm méretű biofilmhordozó részecske előtti tartózkodási idő hányadosa. A hatékony lebontás előfeltétele az, ha ez a két időtartam közel megegyezik egymással, (Pe ~ 1). Pe<1-nél nem érkezik elegendő tápanyag a biofilmhez, Pe>> 1 esetén a tápanyag elsiet a biofilm előtt, ahelyett, hogy oda bejutna. A Pe-szám kiszámítása egyszerű feladatnak tűnik. A különböző víztisztítási eljárások esetén az egyes tényezők értelmezése és meghatározása azonban jelentős nehézségekkel jár. Az egyenértékű de és a mértékadó dm szemcseátmérő megadásához néhány geometriai megfontolásra is szükség van [1].
6 / 12
Bazalttufa dm = de= 3,1 * 10-2
Homok szemcse d m = de = 1,3 * 10-3 Danpak dm=de= 1,7 * 10-3 Ultraszűrő d m=de= 2,7 * 10-3
WasserCare d m = de= 7,7 * 10-4
Pehelyméret (eleveniszap) dm = de= 1 * 10-4
Hajszál h = 8 * 10-5
Önkényes határméret dm := 5*b = 1,2 * 10-5
Mikroba méret b = 2,5 * 10-6
Fénymikroszkóp h=2*10-7
Makromolekulák d=(3-100)*10-9 Zeolit de= 5,9 * 10-7
Aktív szén d e= 7,5 * 10-9
Molekulák d=(4-60)*10-10
Atomok mérete d=(1 - 5) * 10-10
lg d [m]
10-10
10-9
[Å]
[nm]
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
[μm]
dm = 5*b
10-3
10-2
10-1
1
[mm]
[cm]
[dm]
[m]
dm = de
3-2. ábra Az egyenértékű és mértékadó szemcseátmérő
Az egyenértékű és mértékadó szemcseátmérő alapján a használatos biofilmhordozó közegek sorba rakhatók. Az alkalmazott logaritmikus skála azt jelzi, hogy egyes szűrőközegeket reprezentáló méretek között nagy távolság van. Megfigyelhetjük azt is, hogy jelenleg a piacon kapható műanyag biofilmhordozó termékek (WasserCare, Danpak) még messze elmaradnak az igényektől, fajlagos felületük még meglehetősen kicsi. Az aktív szén és a zeolit nagy fajlagos felületét a baktériumok, nagyobb méretüknél fogva nem képesek teljesen belakni. 3.2
A biokémiai folyamatot kinetikái
3.2.1 Sejtek tápanyagcseréje A biofilmen belüli tápanyaglebontás – ha annak csupán a megtörténtét regisztráljuk – egyszerűnek tűnik. Belenagyítva a képbe, lényegesen árnyaltabb lefolyást kapunk. A biológusok által már jó ideje tisztázott működési mechanizmust érdemes a rendszertechnikai összefüggések megértése érdekében röviden felidézni. A sejtek tápanyagcseréjének leírására az Michaelis-Menten enzimkinetika szolgál (33.táblázat/A). Egy differenciálegyenlet-rendszer megoldásaként a reakciósebességre – a termék képződésének sebességére - kapunk összefüggést a szubsztráttartalom függvényében (3-3. táblázat/B). A modell egyszerű, a jelenségről jó fenomenológiai leírást ad. A paraméterek vmax és Km jól mérhetőek.
7 / 12
A
B vmax
E S ES P
enzim szubsztrát komplex produkt (termék)
vmax / 2
0
C
Km
[S]
D Katalizátor nélkül
Energia
Eaktiválási
Szubsztrát
Katalizátorral (enzimmel)
Eaktiválási
Termék
ΔE
Reakció idő
3-3. táblázat Az enzim kinetika
A 19. század elején kidolgozott elmélet tisztázta az enzimek szerepét a folyamatban, geometriai struktúrákkal illusztrálva a molekulák elbontásának mechanizmusát. Egy bizonyos enzim csak egy bizonyos szubsztrát lebontására képes. Ezt jelzik az ábrán a „zárba illő kulcs” geometriai alakzatok. Ahhoz tehát, hogy a lebontás végbemehessen a térben az adott enzimnek jelen kell lennie (3-3. táblázat/C). Mint minden élőlénynek életműködésük fenntartásához a sejteknek is energiára van szükségük. Ezt az energiát a szubsztrát lebontásából nyerik. Az exoterm folyamat során felszabaduló energia biztosítja a sejt működését. Az enzimek ebben a mechanizmusban katalizátorként vesznek részt. Hatásukra az elbontáshoz szükséges aktiválási energia lényegesen kisebb lesz. (3-3. táblázat/D). Biológiai tanulmányainkból azt is tudhatjuk, hogy a lebontás nem egy lépésben történik. Ilyen többlépéses folyamat a nitrifikáció-denitrifikáció egymást követő fázisok sorozata is. Az első reakcióban keletkező termék a következő lépésben szubsztrát lesz. A szakaszos lebontás azzal a veszéllyel járhat, hogy a folyamat valahol elakad, nem fejeződik be, hátrahagyva a vízben nem kívánatos, esetleg toxikus anyagokat. Szokás a lebontási folyamatot sztöchometrikus egyenletek útján is leírni. A végtermék javarészt víz és széndioxid, amely oxidációs égési folyamatként is aposztrofálható. A reakció során felszabaduló energia azonban jellemzően nem hőenergia - ahogy az a lánggal történő égéseknél tipikus -, hanem kémiai energia, amelyből a sejt a működéséhez, életének fenntartásához szükséges energiát nyeri. Az élethez szükséges energia kinyerését életösztönként foghatjuk fel. A mechanikai szűrők visszatartják a szennyezést, a biológiai szűrők ezzel szemben „elégetik” azt. A mechanikai szűrőket – beleértve a membránokat – rendszeresen tisztítatni kell, a biológiai szűrők ezzel szemben öntisztulók. 3.2.2 Mikrobák szaporodása A baktériumok egysejtű élőlények. Testfelépítésük fehérjéből, nukleinsavból, lipidből és vízből áll. A fehérjetartalom jelentős hányada enzimfehérje. A baktériumoknak is – mint minden élőlénynek - van egy lényeges tulajdonsága, nevezetesen, hogy szaporodni képesek. A leggyakoribb szaporodási forma az osztódással történő
8 / 12
szaporodás. A mikrobaszaporodás kinetikáját a Michaelis-Menten enzim kinetika analógiájára, Monod egy fél évszázaddal később, 1949-ben alkotta meg. A
B
900
n=0
700 600
x = x 0 2n
dx = μM x dt
n =1
n: a generációk száma
x [-] x
Binárisan osztódó mikroorganizmus
x= x 0eeμt M t
800
A mikrobaszaporodás alapösszefüggése x
500 400 300
n=2
200 100 0
n=3
0
5
10
idő
n=4
C
15 óra t [h]
Exponenciális növekedés X0=2 és Exponenciális növekedés x0μ=0,5 =2, µM=0,5
D
dx x = μM x 1 - dt K
x=
K Mt 1 + x 0xe-μ=
K 1 + x 0e-μM t
μ M = μ M,max
A logisztikai függvény
S KS + S
µM [1/h ]
x [-]
t [h] S [g/L ]
K=800 x0=399, µM=0,5
3-4. táblázat A mikrobaszaporodás kinetikája
A binárisan osztódással történő szaporodás (3-4. táblázat/A) differenciálegyenlet segítségével is leírható. A konstans relatív növekedésű szaporodást jellemző együttható μ M , amely az egymást követő generációk növekedésének mértékét mutatja. A differenciálegyenlet megoldása exponenciális függvényt ad eredményül. A függvény az idő növekedésével a végtelenbe tart. (3-4. táblázat/B). Zárt rendszerek esetében a korlátozott növekedés a reális. A korrigált – növekedésében „befékezett” - differenciálegyenlet megoldása az ún. logisztikai függvény lesz (3-4. táblázat/C). A μ M kitevő nagysága méréssel határozható meg. Értéke a szubsztráttartalom függvényében telítődéses jelleget mutat. A hasonlóság tehát a Michaelis-Menten kinetika reakciósebességének és a Monod kinetika exponensének szubsztát függősének alakulásában fedezhető fel. A görbék növekedési meredeksége a féltelítődési állandók (Km, Ks) megadásával jellemezhető. A mikrobák növekedési üteme órás nagyságrendű. A vizes környezet oldott oxigéntartalmának növekedésével a telítődési érték, μ M ,max ugyan nagyobbá válik, de a szubsztráttartalomtól függő növekedési ütem – a telítődési görbe meredeksége - érdemben nem változik. (3-4. táblázat/D). A telítődési görbe meredekségét a szubsztrát típusa, ill. a szaporodó baktériumok fajtája határozza meg. A biofilm időben nem egy statikus képződmény, dinamikája van.
9 / 12
A
B
3-5. táblázat Szaporodás és elhalás
A növekedési fázisokat szokás megkülönböztetni. A gyorsuló, majd lassuló, végül az állandó növekedést pusztulási szakasz követ. A pusztulás a szétszóródással hozható összefüggésbe (lásd 3-5. táblázat/A /B). A szaporodási szakasz a logisztikai függvény (3-4. táblázat/C) segítségével is leírható. Ehhez az x0, K és μM paraméterek megválasztása és kimérése szükséges. 3.3 Biológiai szűréselmélet A biológiai szűrés bonyolult biokémiai folyamat, a tápanyaglebontás sok változótól függ. A változók közötti függvénykapcsolat megállapítása a dimenzióanalízis segítségével történt [1]. A matematikai-fizikai eljárás a lényegi változók felsorolásával indul. Előbb dimenzió nélküli számok előállításával a változók számának redukálását érjük el. A parti szűrésre levezetett modell estében hat dimenziótlan számot kapunk, amelyek közül lényegbevágó szerepe a Peszámnak és az L/d geometriai viszonyszámnak van (3-6. táblázat/A). Ezeket tudjuk üzemeltetői oldalról érdemben változtatni. A B
3-6. táblázat Tápanyaglebontás összefüggései
A dimenzióanalazis módszertana lehetőséget teremt a jelenséget leíró függvénykapcsolat leírására is. A heurisztikus eszközökkel megadható képlet (3-6 táblázat/B) szerint a tápanyaglebontás a Pe-számtól fordított arányban, az L/dm viszonytól egyenes arányban függ. A Pe-szám függvényeként ábrázolva az eredményül kapott képletet - függően a többi tényező nagyságától - hiperbola sereghez jutunk. A nagyon alacsony Pe-szám tartományban a tápanyaglebontás mértéke a szűrési tényező konstans volta mellett végtelen volna, ami nem lehetséges. A μ = μ(Pe) függvénykapcsolat feltételezésével a hiperbolák mérhetetlen növekedése visszafordítható. Kiindulva a biofilm tápanyagellátásának kétlépcsős megvalósulásából – a tápanyag odaszállítása a biofilmhez, majd bejuttatása a biofilmbe – formailag azonosítsuk a szűrési tényezőt a mikrobaszaporodás logisztikai függvényével (3-4. táblázat/C), nevezetesen legyen β μ := μ(Pe) := . 1 + a e - b Pe 10 / 12
ahol β a szűrési tényező arányos része, nagysága méréssel határozható meg az a és b paraméterek helyes megválasztásával a Pe = 1 közelében a függvény maximumot és a Pe = 0-nál a közel 0 függvényértéket lehet elérni. (Az a=100 000 és a b=12 értékválasztásával - elvárásainknak megfelelően „eltűnik” a hiperbolák végtelen jellege, a függvény maximuma közel 1-nél lesz és a tápanyaglebontási görbe az origó környékén metszi az y-tengelyt (3-6. táblázat/B). A szűrési tényező megadásával a biológiai szűréselmélet kompletté vált. Összegezve eddigi eredményeinket az elméletek egymásra épülését kapjuk. A 3-7 ábra ezt foglalja össze. A B
Michaelis-Menten kinetika
Monod kinetika
Biológiai szűréselmélet
Emélet
Miről szól?
A történés helyszíne
Kulcsparaméter
MichaelisMenten kinetika
Sejtek anyagcseréje
Sejt
Reakció sebesség
Monod kinetika
Mikrobaszaporodás
Biofilm
Relatív növekedési tényező
Biológiai szűréselmélet
Biológiai szűrés
Biológiai reaktor
Szűrési tényező
3-7. ábra Az egymásba skatulyázott folyamatok
A Michaelis-Menten kinetika eredménye inspirálta Monodot a mikrobaszaporodás összefüggésének értelmezésénél. A reakció sebesség az egyik oldalon és a relatív növekedési tényező a másik oldalon leírása ugyanolyan alakú függvénnyel történik. Mindkét kinetikánál az enzim testesíti meg a fogalmi azonosságot. A Monod kinetika zárt terű mikrobaszaporodási egyenlete, az ún. logisztikai függvény kölcsönözte alakját a tápanyag-lebontási modell szűrési tényezőjének. A Monod kinetika szabályai szerint szaporodó baktériumok letelepítése és tápanyaggal való ellátása a biológiai szűréselmélet megalapozta folyamat feladata. Ezeken lépcsőkön át juthatunk el a sejtektől, a mikrobákon keresztül a biológiai szűréselmélet megszabta eseményekig, végső soron a víz megtisztulásáig.
4
ÖSSZEGZÉS
A szennyvíz hasznosítása akkor lesz maximális, ha energiatermelési céllal a teljes iszapmennyiséget elvezetjük, ahogy azt a CARISMO eljárás is javasolja [3]. Ezt azonban csak akkor lehet megtenni, ha a visszamaradó víz az iszappelyhek közreműködése nélkül is megtisztítható. Követelmény az is, hogy a gyógyszermaradványok kiszűrése már a szennyvíztelepen megtörténjen. A fáradt víz hatékonyabb megtisztításával a környezetvédelmi szempontok jobban érvényesülhetnek. A Jekel-kísérletek [2] és az itt vázolt biológiai szűréselmélet mindezt megalapozzák, lehetővé teszik. Az adottságok kiaknázása akkor lesz teljes, ha a rothasztott iszap a termőföldekre kerül, ahogy azt a 3-2. ábra alternatív változatokban mutatja. A változatok közt szerepel olyan megoldás is, amikor az energiatermelés kihagyásával a nyersiszap teljes tápanyagtartalma a komposztba kerül. Ennek előfeltétele, hogy a környezettudatos csatornahasználatra ösztönözésével a begyűjtött szennyvíz minőségére is ügyelünk.
11 / 12
Ezzel az integrált megközelítéssel a környezetszennyezés minimalizálása mellett energiaforráshoz is jutunk. A termőföldön hasznosuló iszap nemcsak trágya a növények számára, hanem a talaj víztartó képességének fokozásával a klímaváltozás szélsőséges megnyilvánulásait is mérsékelhetjük.
5
REFERENCES
[1] Tolnai, B.: Chapters from the topic of biological filtration and application 4th International Symposium Re-Water Braunschweig, 06-07.11.2013. [2] Jekel, I. – Grünheid,S.: Ist die Uferfiltration eine effektíve Barriere gegen organische Substanzen und Arzneimittelrückstände GWF Wasser-Abwasser 148 (3007) Nr. 10. [3] Weigert, B.: Vom Klärwerk zum Kraftwerk GWF Wasser-Abwasser November, 2014. [4] Stadler, J.: The LIGNIMIX technology for stabilization of municipal sewage sludge and liquid manure 4th International Symposium Re-Water Braunschweig, 06-07.11.2013. [5] Londong, J. et al: Greywater (re)use options in a German urban context – necessities, challenges, barriers 4th International Symposium Re-Water Braunschweig, 06-07.11.2013.
12 / 12
