A biológiai szűrés szerepe a víz- és szennyvíztisztításban

Az előadások a következő témára: "A biológiai szűrés szerepe a víz- és szennyvíztisztításban"— Előadás másolata:

1 A biológiai szűrés szerepe a víz- és szennyvíztisztításban
Tolnai Béla Modellare necesse est… A biológiai szűrés szerepe a víz- és szennyvíztisztításban MHT Vízellátási Szakosztály Csatornázási és Szennyvíztisztítási Szakosztály Budapest, jan. 13.

2 Modellare necesse est…
Hogyan kezdődött? Modellare necesse est… A kút kockázati modell kudarca „… mai szemmel nézve tévesnek bizonyult nézetek sorsa gyakorta tanulságosabb, mint a helyesnek bizonyult elméletek létrejötte és érvényre jutása” - Thomas Junker: A biológia története A kút nem felel a minőségért, a vízminőség a mederkapcsolatnál dől el ! 2

3 A releváns változók felsorolása
Modellare necesse est… Változó megnevezése Jel SI dimenzió A tápanyag lebontás mértéke ΔS kg/m3 Kinematikai viszkozitás ν m2/s Szűrési sebesség w m/s Az oxigén diffúziós tényezője DO2 Redoxpotenciál Eh m2kg/s3/A Biológiailag aktív réteg vastagsága L m Faraday állandó F As/mol Abszolút hőmérséklet T K Egyetemes gázállandó R m2kg/s2/K/mol A szubsztrát diffúziós tényezője DS Oldott oxigén koncentráció CO2 Mértékadó szencseátmérő dm HLFS (éjcselefes) ΔS ν w DO2 Eh L F T R DS CO2 dm m -3 2 1 B kg A s -1 -2 K mol 3

4 A változószám redukálása
Modellare necesse est… ΔS ν w DO2 Eh L F T R DS CO2 d m -3 2 1 B kg A s -1 -2 K mol Π1 Π2 D Π3 C = - (A-1B)T Π4 Π5 Π6 Dimenziótlan szám Megnevezés Π1 = ΔS / CO2 koncentráció viszonyszám Π2 = ν / DS Schmidt-szám Π3 = w dm / DS Peclet-szám Π4 = DO2 / DS diffúziós tényezők aránya Π5 = Eh F / RT Nernst-tényező Π6 = L / dm geometriai viszonyszám Befolyásolni csak a kiemelteket tudjuk 4

5 A tápanyag-lebontási összefüggés
Modellare necesse est… Az össefüggésben már csak a redukált (dimenziótlan) változók szerepelnek A tápanyag lebontás a a Pe-számmal fordítottan arányos!!! Hipebola 5

6 Modellare necesse est…
Mechanikai szűrés Modellare necesse est… Dobszűrés >> Homokszűrés >> Membránszűrés Látszólag másról Dobszűrésnél és a memrán szűrésnél a rácsméret független a sebességtől Kicsapatjuk (vegyszeradagolás, oxidálás) és felhízlaljuk (polielektrolit Kiszűrni a beadagoltakat is ki kell, Eldugulás ellen takarítani. 6

7 Jellemző szemcseátmérő
Modellare necesse est… forrás: Juhász József / Hidrogeológia 7

8 Lamináris-átmeneti-turbulens tartományok
Modellare necesse est… forrás: Juhász József / Hidrogeológia 8

9 Szűrés homok szűrőközeggel
Modellare necesse est… Partiszűrés Lassúszűrés Gyorsszűrés dm 1,3 mm ua. w 0,1 m/d m/h 15 Ds 5,00E-10 m2/s ν 1,30E-06 Re 0,0012 lamináris 0,03 4,17 Pe 3,0 hatékony biológia 72,2 van biológia 10833,3 nincs biológia A Re-szám elválaszt ugyan, de nem fűzhető komment, mint lamináris-turbulens átmenet 9

10 A vízmennyiség és a vízminőség előállítása
Modellare necesse est… A konvektív áramot nyomáskülönbség tartja fenn, amelyet a szivattyúzással érünk el. Nincs szivattyúzás >> nincs parti szűrés A konduktív anyagáramot (diffúziót) koncentrációkülönbség tartja fenn. A koncentráció különbséget a biofilmen belüli lebontás állandósítja. Nem egy térkiegyenlítő, hanem irányított diffúzióról van szó, amely a víztérből a biofilmbe mutat. Nincs lebontás >> nincs diffúzió >> nincs parti szűrés A víz az által tisztul, hogy a szennyezést jelentő szubsztrát lebomlik. 10

11 A tápanyaglebontás axiomatikus megalapozása
Modellare necesse est… Részfolyamat Feltétel (hajtóerő) Fenntartja Konvektív anyagáram, szivárgás Nyomáskülönbség Szivattyúzás Konduktív anyagáram, diffúzió Koncentráció különbség Baktériumok munkája Biokémiai folyamat, lebontás Szilárd felület a megtapadáshoz Redoxi környezet Baktériumok életösztöne Soros folyamat Visszacsatolás Klimatikus, biokémiai jegyek Logisztikai jegyek Emiatt érdemes és kell a biológiával foglalkozni. Sokrétű bonyolult folyamat 11

12 Modellare necesse est…
A Pe-szám értelmezése Modellare necesse est… 12

13 Modellare necesse est…
Szűrési sebesség Modellare necesse est… Szűrési sebesség: w = Q / F (térfogatáram / keresztmetszet) F=( DN)2 * π / 4 és a hézagtényező ????? 13

14 Azonos térfogatban azonos felület
Modellare necesse est… 14

15 Az egyenértékű és mértékadó szemcseátmérő
Modellare necesse est… 15

16 A mértékadó szemcseátmérő
Modellare necesse est… 16

17 Modellare necesse est…
A diffúziós tényező Modellare necesse est… Diffúziós tényezők vízben 25°C-on Anyag D * m2/s Hidrogén 45 Cl - 20,3 Oxigén 20 Ammónia 19,7 Metán 21,3 SO4 2- 10,6 Propán 9,7 H2PO4 2- 8,8 Glutamin 7,6 Mérés: Összetevők koncentráció mérése Az alkotóelemek diffúziós tényezője táblázatból: Diffúziós tényező meghatározása: 17

18 A diffúziós tényező csökkentése
Modellare necesse est… O3 n = ?? 18

19 Dezintegrációs eljárások
Modellare necesse est… Felosztás Eljárás / Berendezés Mechanikus Keverőműves golyós őrlőmalom Magas nyomású homogenizátor Lysat-centrifuga, Ütköző sugaras eljárás Nagyteljesítményű pulzálásos eljárás Ultrahangos eljárás Laval-fúvókában előidézett kavitáció Kémiai Savadagolás Oxidálószer adagolás Lúgadagolás Ózonadagolás Termikus Gőzhidrolízis Magasnyomású termikus hidrolízis Fáy fivérek - kavitron forrás: Kolb F.R..: Klärschlamm-Desintegration 19

20 Michaelis-Menten kinetika
Modellare necesse est… Sejtek tápanyagcseréje Exoterm folyamat : energia felszabadulással járó folyamat Leonor Michaelis ( ) német biokémikus Maud Leonora Menten ( ) kanadai orvos Az elmélet az 1900-as évek elejéről származik Egyszerű modell Jó fenomenologikus leírást ad A paraméterek (vmax, Km) mérhetőek 20

21 Monod kinetika (mikrobaszaporodás)
Modellare necesse est… Konstans növekvényű folyamat A logisztikai függvény A Monod együttható A baktérium testfelépítésének döntő hányadában enzim-fehérje, azaz a baktérium maga az enzim, mint katalizátor A baktérium egysejtű élőlény és mint ilyen szaporodni képes, osztódással szaporodik. Jacques Monod francia Nobel-díjas biológus ( ) 21

22 Modellare necesse est…
Szaporodás és elhalás Modellare necesse est… 22

23 Monod tényező – generációs idő
Modellare necesse est… A generációs idő órás nagyságrendű. 23

24 Időállandó – féltelítési állandó
Modellare necesse est… Jobbágy Andrea a laposabb görbét a baktériumokkal azonosította, pedig a tápanyaggal kéne. 24

25 Biológiai szűréselmélet / szűrési tényező
Modellare necesse est… 25

26 Az egymásba skatulyázott elméletek
Modellare necesse est… Elmélet Miről szól? A történés helyszíne Kulcs-paraméter Michaelis-Menten kinetika Sejtek anyagcseréje Sejt Reakció sebesség Monod kinetika Mikrobaszaporodás Biofilm Relatív növekedési tényező Biológiai szűréselmélet Biológiai szűrés Biológiai reaktor Szűrési tényező 26

27 Mérések a biofilm működésének megfigyeléséhez
Modellare necesse est… 27

28 Biológiai szűrési kísérlet Balatonszéplak
Modellare necesse est… Ssz Biológiai szűrés Ds Lebontandó molekula de dm Bioffilm- hordozó w Pe Megjegyzés [m2/s] [m] [m/d] [m/h] [mm/s] [m/s] [-] 9 Biológiai szűrési kísérlet 5,00E-10 nagy molekula 5,90E-07 1,20E-05 zeolit 0,2 5,28E-05 1,3 A biofilm éhezik 2,00E-09 kis molekula 0,3 28

29 Biológiai ammónia-mentesítés Kecskemét
Modellare necesse est… A metán gyorsabban diffundál Miért pont 1,7 m a szűrőréteg +vastagsága????? Szűrő- közeg Szemcse- átmérő Réteg- vastaság Mértékadó szemcse- átmérő Felületi terhelés szűrési sebesség Kinematikai viszkozitás Re-szám Diffúziós tényező ammónia Diffúziós tényező metán Pe-szám mm m/h m2/s Nitrifikáló berendezés homok 2,0 - 3,0 1700 2,5 14,67 1,30E-06 8 1,97E-09 2,13E-09 5171 Gyorsszűrő 0,8 - 1,2 1500 1 3 1,6 - 3,2 200 29

30 Azonos tartózkodási idő
Modellare necesse est… 30

31 Könnyen és nehezen lebomló anyagok
Modellare necesse est… Jekel kísérlet Kísérleti eredmény Paraméter: oxikus / anoxikus Biológiailag aktív réteg: L ~ 1,5-5 m, amely a mikrobák típusától függ (?) És nem függ az oxigén mennyiségétől ! w= 0,28 m/d (parti szűrés) 31

32 Modellare necesse est…
Telítődéses jelleg Modellare necesse est… 32

33 Könnyen és nehezen lebomló anyagok
Modellare necesse est… Jekel kísérlet Kísérleti eredmény w= 0,28 m/d (~parti szűrés) Ismert szennyezések adagolása 33

34 Eleveniszapos szennyvíztisztítás
Modellare necesse est… anoxikus Biofilmhordozó maga az iszap Nem oxikus anoxikus a különbség, hanem a sebesség összetevő kikapcsolása Micimackós : Minél inkább hull a hó annál inkább havazik. Intenzifikálás, átkeveretlen biológiai tér ???? Minél inkább keverem a szervesanyagot, annál inkább akadályozom a diffúziót. oxikus 34

35 Csepegtetőtestes eljárás
Modellare necesse est… A Segner-kerék nemcsak a a víz szétterítésére szolgál, hanem a porlasztással inkább az oxigén Az eldugulás veszélyem miatt inkább előülepített szennyvíz Zseniális a levegőhozzávezetés, de magas a Pe-szám. Ssz Biológiai szűrés Ds Lebontandó molekula de dm Bioffilm- hordozó w Pe Megjegyzés [m2/s] [m] [m/d] [m/h] [mm/s] [m/s] [-] 5 Csepegtetőtestes szenyvíztisztítás 240 m2/m3 2,00E-10 nagy molekula 7,70E-04 műanyag blokk 1,0 2,78E-04 1 069,4 Nem hatékony, kicsi a felület és nagy a sebesség. 2,00E-09 kis molekula 106,9 35

36 Modellare necesse est…
Élőgép Modellare necesse est… Az élőgépnél a biofilmhordozó közeg kettős: az iszap és a növényzet gysökerei. Pe eleveniszapos eljárás - Pe élőgép = ?? 36

37 Modellare necesse est…
Nereda eljárás Modellare necesse est… Granules making up aerobic granular activated sludge are to be understood as aggregates of microbial origin, which do not coagulate under reduced hydrodynamic shear, and which subsequently settle significantly faster than activated sludge flocs. Tkp egy SBR technológiáról van szó. A granulátumot alkotó aerob szemcsés eleveniszapot mikrobiális eredetű aggregátumként kell érteni, amely nem koagulálódik csökkentett hidrodinamikai nyírás mellett, és amely ezt követően lényegesen gyosabban ülepszik, mint az eleveniszap pelyhek. 37

38 Modellare necesse est…
Nereda eljárás újra Modellare necesse est… 38

39 Modellare necesse est…
Nereda - eleveniszap Modellare necesse est… A víz nem lesz tisztább … … hanem az üzemeltetés és beruházás költségei ! 39

40 Adszorpció és biológiai szűrés
Modellare necesse est… koncentráció kiegyenlítődés a megtelt állapotig tart, amelyet a jód-szám jelez. Apu hod med be az a nagy elefánt az oroszlán barlangjába? folyamatosan újratermelődő koncentráció különbség 40

41 Adszorpció vagy abszorpció ?
Modellare necesse est… 41

42 Modellare necesse est…
PAC és GAC Modellare necesse est… Jellemző PAC GAC szemcseméret [mm] 0,045 1 fajlagos felület [m2/g] 900 1050 sűrűség (térfogat-tömeg) [kg/m3] 400 450 jód-szám 1000 de  [m] 1,6E-8 1,3E-8 Az őrlés = belső felület konvertálása külső felületté Forrás: Chenviron 42

43 PAC és GAC alkalmazás, BAC ???
Modellare necesse est… GAC szűrő műveletek: Öblítés (rétegátrendezés) „Fertőtlenítés” Reaktiválás A PAC-nál hol tisztul a víz? A keverés itt is micimackós!!! A Palicska János a derítőben figyelt meg biológiai lebontás 43

44 Modellare necesse est…
Biológiai szűrések Modellare necesse est… Ssz Biológiai szűrés Ds Lebontandó molekula de dm Bioffilm- hordozó w Pe Megjegyzés [m2/s] [m] [m/d] [m/h] [mm/s] [m/s] [-] 1 Partiszűrés 5,00E-10 nagy molekula 1,50E-03 homok 0,1 1,16E-06 3,5 Kis és nagy molekulákat (gyógyszerm.) is jól bont le. 2,00E-09 kis molekula 0,9 2 Ammónia eltávolítás (Kecskemét) 3,2 8,78E-04 658,3 Korábban jobb volt! Ammónia eltávolítás (Kecskemét rekonstrukció után) 2,50E-03 14,6 4,06E-03 5 069,4 3 Aktívszén szűrés (Csepel) 1,80E-09 1,20E-05 aktívszén 12,6 3,50E-03 84,0 21,0 4 Eleveniszapos szenyvíztisztítás 1,00E-04 flokkulátum ?? Nem hatékony! 5 Csepegtetőtestes szenyvíztisztítás 240 m2/m3 7,70E-04 műanyag blokk 1,0 2,78E-04 427,8 Nem hatékony, kicsi a felület és nagy a sebesség. 106,9 6 Szenyvíztisztítás biológiai szűréssel 5,90E-07 zeolit 1,5 4,17E-04 10,0 Bizonyítani kell !!!! 2,5 7 Nereda eljárás 0,2 2,00E-04 40,0 A flokkulátum jobban bont, mint a granulátum ??? 2,00E-03 granulált iszap 800,0 200,0 8 Ultraszűrés (Lázbérc) 2,70E-03 membrán szálak 1,00E-05 54,0 Van nekívánatos biológia ?! 13,5 9 Biológiai szűrési kísérlet 5,28E-05 1,3 A biofilm éhezik, de hatékonyan tisztít. 0,3 44

45 Modellare necesse est…
Köszönöm a figyelmet ! 45

46 Főparaméterek a technológiai sémán
Modellare necesse est… 46

47 A víz minősége, terheltsége
Modellare necesse est… Mit kell kivenni a vízből a víz minőségét takarja. A minőség ismerete megköveteli az összetétel ismeretét a molekulaméretet illetően mindenképpen. A mennyit kell eltávolítani a víz terheltségét jelenti. A terheltséget a KOI, BOI, BDOC, TOC összegző paraméterek [mg/L] valamelyikével jellemzünk. 47

48 A lebontás mint darálás
Modellare necesse est… A molekuláris minőség: mit kell és azt hogyan lehet lebontani? zúz reszel vág A terheltség: mekkora berendezésre van szükség? … vagy 48

49 A szürke és feketeszennyvíz paraméterei
Modellare necesse est… A fekete szennyvíz (vizelet+ széklet) a baktériumok 99%-át , a nitrogén 98%-át, és a foszfor 90 %-át tartalmazza. Forrás: Tolilettes Du Monde, 2009 49

50 A vízválasztó: visszatartás helyett „elégetés”
Modellare necesse est… Technológiai elem vagy folyamat Működésmód Megelőző kiegészítő elem Megjegyzés Dobszűrő Mechanikai visszatartás Tisztítani kell Gyorsszűrő Vegyszeradagolás Öblíteni kell Derítő berendezés Gravitációs szétválasztás Segéd-derítőszer adagolás Adszorpciós szűrő Felületi megkötés Kimerül, drága Ultraszűrő Mechanikai visszatart. Tisztítani kell, drága Biológiai szűrő (parti szűrés) Biológiai lebontás Levegő hozzávezetés Csak kevés „salakanyag” keletkezik Eleveniszapos szvt. Levegő hozzávezetés, keverés Túl nagy reaktortér kell Csepegtetőtestes szvt. Kicsi a fajlagos felülete 50

51 Azonos térfogatban azonos felület
Modellare necesse est… Fajlagos felület: a [m2/g] Granulátum mérete: d [mm] Sűrűség: ρ [kg/m3] Aktívszén Zeolit Tömbfelület: a [m2/m3] Tömbsűrűség: ρt [kg/m3] Anyagsűrűség: ρ [kg/m3] Csepegtető test (Szál)geometria Membrán szűrő, Homokszem 51

52 Méret- és mozgásviszonyok
Modellare necesse est… Eleven iszapos szvt. Parti szűrés 52