A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben BioModel Bt Budapest Vadon u Modellare necesse est… Tolnai Béla Víz- és szennyvízkezelés az iparban Nagykanizsa, okt. 28.

2 Modellare necesse est… Tartalomjegyzék helyett intelem A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Döngetem vagy 25 éve a mérnökök „kapuit”, de nem engedik magukhoz a többszörös áttétellel is érvényesülő igazságot: Az ionok és a mikrobák eltérő viselkedése a különböző közegekben messze több, mint egy egyszerű eloszlás-függvény. Némedi László mikrobiológus

3 Modellare necesse est… A stílus lehetne ilyen is…. A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Axióma: A különböző célú biológiai víztisztítási eljárások hatásmechanizmusa azonos. Érvelés: A mikroba nem tudja, hogy ivóvíz előállításban vagy szennyvíztisztításban vesz részt. Következmény: Az ivóvíz előállításánál szerzett tapasztalatok a szennyvíztisztításnál is hasznosíthatók és fordítva. A ma fennálló éles megkülönböztetés - nem indokolt. Definició Mit kell kivenni a vízből a víz minőségét takarja. A minőség ismerete megköveteli az összetétel ismeretét legalább a molekulaméretet illetően mindenképpen. A mennyit kell eltávolítani a víz terheltségét jelenti. A terheltség tekintetében – amit a KOI, BOI, BDOC, TOC paraméterek [mg/L] valamelyikével jellemzünk

4 Modellare necesse est… A mikrobák élettere a biofilm A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Eleveniszapos szvt.Partiszűrés

5 Modellare necesse est… Biofilmhordozó anyagok jellemzése A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

6 Def.: Biofilm, Biofilm hordozóanyag A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

7 Modellare necesse est… A biofilm működése A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Fő- folyamat RészfolyamatFeltétel, hajtóerőFenntartja Soros lefutás Logisztikai Konvektív anyagáram, vízmozgás Nyomás különbség Szivattyúzás, (keverés) Konduktív anyagáram, diffúzió Koncentráció különbség baktériumok munkája Vvisszacsatolás Biokémiai Tápanyag- lebontás Szilárd felület a megtapadáshoz Megfelelő redoxi környezet Baktériumok életösztöne

8 Modellare necesse est… A biológiai szűrés axiomái 1.A tisztítandó nyersvíz és a szennyvíz közötti különbség csak a terhelésben jelentkezik. 2.A biofilm megtapadásához szilárd felületre van szükség. 3.A tápanyagot a biofilmhez kell szállítani. Nem elég a tápanyagot odaszállítani, azt oda be is kell juttatni. A logisztikai feladatot a Pe-szám jellemzi és alapvetően fizikai természetű. 4.A biofilmen belüli reakciókat a Michaelis-Menten és Monod kinetikák szabályozzák. A biokémiai történés „klimatikus” feltételeit a pH és az rH = rH (hőmérséklet, redoxpotenciál) adják. A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

9 Modellare necesse est… A releváns változók felsorolása A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben ΔSνwD O2 EhEh LFTRDSDS C O2 dmdm m Bkg A s K A mol Változó megnevezéseJelSI dimenzió A tápanyag lebontás mértékeΔSkg/m 3 Kinematikai viszkozitásνm 2 /s Szűrési sebességwm/s Az oxigén diffúziós tényezőjeD O2 m 2 /s RedoxpotenciálEhEh m 2 kg/s 3 /A Biológiailag aktív réteg vastagságaLm Faraday állandóFAs/mol Abszolút hőmérsékletTK Egyetemes gázállandóRm 2 kg/s 2 /K/mol A szubsztrát diffúziós tényezőjeDSDS m 2 /s Oldott oxigén koncentrációC O2 kg/m 3 Mértékadó szencseátmérődmdm m HLFS

10 Modellare necesse est… A változószám redukálása A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben ΔSνwD O2 EhEh L FTRDSDS C O2 d m B kg A s K A mol Π1Π Π2Π D Π3Π C = - (A -1 B) T Π4Π Π5Π Π6Π Dimenziótlan számMegnevezés Π 1 = ΔS / C O2 koncentráció viszonyszám Π 2 = ν / D S Schmidt-szám Π 3 = w d m / D S Peclet-szám Π 4 = D O2 / D S diffúziós tényezők aránya Π 5 = E h F / RTNernst-tényező Π 6 = L / d m geometriai viszonyszám

11 Modellare necesse est… A heurisztiks összefüggés A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben ahol rH = rH ( Ne, pH) dimenziótlan redoxpotenciál A parti szűrés tartománya

12 Modellare necesse est… Michaelis-Menten kinetika Egyszerű modell Jó fenomenologikus leírást ad A paraméterek (v max, K m ) mérhetőek A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben A megoldás A differenciálegyenlet rendszer Az aktiválási energia redukálása A mintázat egyezése

13 Modellare necesse est… A biológiai szűrés axiomái 2 1.A tisztítandó nyersvíz és a szennyvíz közötti különbség csak a terhelésben jelentkezik. 2.biofilm megtapadásához szilárd felületre van szükség. 3.A tápanyagot a biofilmhez kell szállítani. 4.Nem elég a tápanyagot odaszállítani, azt oda be is kell juttatni. A logisztikai feladatot a Pe-szám jellemzi és alapvetően fizikai természetű. 4.A biofilmen belüli reakciókat a Michaelis-Menten és Monod kinetikák szabályozzák. A biokémiai történés klimatikus feltételeit a pH és az rH = rH (hőmérséklet, redoxpotenciál) adják. Biológiai eszközökkel csak az a szennyezés bomlik le, amellyel szemben létezik enzim. A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

14 Modellare necesse est… Monod kinetika Konstans növekményű folyamat A Monod együtthatóA logisztikai függvény A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Bináris osztódás

15 Modellare necesse est… Szaporodás és elhalás A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

16 Modellare necesse est… A víz biológiai megtisztulása A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Nagyon leegyszerűsítve: A víz nem idegen anyag a vízben !! A széndioxid könnyen távozik. A sejttömeget fázisszétválasztással távolítjuk el.

17 Modellare necesse est… A Pe-szám értelmezése Pe ~ 1 A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

18 Modellare necesse est… A biológiai szűréselmélet 0<Pe<1 Éhező biofilm, nem érkezik elegendő tápanyag Pe~1 Instabil tartomány Pe>1 Hatékony biológiai szűrés Pe>>1 Éhező biofilm, a tápanyag elhalad a biofilm előtt. A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

19 Modellare necesse est… A hatékonyság fokmérője PartiszűrésLassuszűrésGyorsszűrés dmdm 1,3mm1,3mm1,3mm w0,1m/d0,1m/h15m/h DsDs 5,00E-10m 2 /s5,00E-10m 2 /s5,00E-10m 2 /s ν1,30E-06m 2 /s1,30E-06m 2 /s1,30E-06m 2 /s Re0,0012 Lamináris áramlás 0,03 Lamináris áramlás 4,17 Lamináris áramlás Pe3 Hatékony biológia 72 Mérsékelt biológia Gyenge biológia A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

20 Modellare necesse est… Biológiai szűrések A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben SszBiológiai szűrés DSDS dede dmdm wWPe Megjegyzés [m 2 /s][m] [m/s][m/h][-] 1Parti szűrés5,00E-10 1,30E-031,20E-06 3Ivóvízminőséget állít elő 2Parti szűrés alacsony vízállás mellett5,00E-10 1,30E-032,40E-06 6Mérsékelten hatékony 3 Ammónia eltávolítás gyorsszűrőn (Kecskemét) 1,94E-09 1,50E-038,78E-043,16679 Szűrőréteg: homok Nem működhet hatékonyan gyorsszűrési viszonyok mellett ?! 4Aktív-szén szűrés (Csepel)5,00E-101,80E-091,20E-053,50E-0312,684Adszorber vagy biológiai szűrő??? 5Eleveniszapos szennyvíztisztítás5,00E-101,00E-04 ??? Nem hatékony !? 18-szoros reaktor méretek adódnak 6 Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás 240 m2/m3 5,00E-107,70E-04 2,78E Nem hatékony !? Hatékonyságát a szükségesnél nagyobb méret növelése árán éri el. 7 Csepegtetőtestes szennyvíztisztítás Ózonnal 1,00E-097,70E-04 2,78E Hatékonyabb ?! 8 Szennyvíztisztítás biológiai szűréssel (zeolit) 5,00E-105,90E-071,20E-054,17E-041, mikron porozitású biofilmhordozó elegendő volna ?! 9Ultraszűrés (Lázbérc)5,00E-102,70E-03 1,00E-05 54Biológiai szűrés vagy membrán szűrés

21 Modellare necesse est… MBR (mebrán vagy bio reaktor) Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás d e egyenértékű szemcseátmérő2,71E-03m w szűrési sebesség (átlépési sebesség)1,04E-05m/s DsDs 5E-10m 2 /s Pe ultraszűrés 56

22 Modellare necesse est… Egymásba skatulyázott folyamatok EljárásMiről szól?A történés helyszíneKulcs-paraméter Michaelis-Menten kinetika Sejtek anyagcseréjeSejtReakció sebesség Monod kinetikaMikrobaszaporodásBiofilm Relatív növekedési tényező Biológiai szűréselmélet Biológiai tápanyaglebontás Biológiai reaktorSzűrési tényező Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás Newton törvényei, Maxwell egyenletei axiómák. Nem azért igazak, mert közvetlenül beláthatók, hanem azért, mert a belőlük levont következtetések megegyeznek a valósággal. Simonyi Károly

23 Modellare necesse est… A biológiai aktív réteg vastagsága Jekel kísérletKísérleti eredmény w= 0,28 m/d (parti szűrés) Paraméter: oxikus / anoxikus Biológiailag aktív réteg: L ~ 1,5-5 m, amely a mikrobák típusától függ (?) És nem függ az oxigén mennyiségétől ! A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

24 Modellare necesse est… A gyógyszermaradványok kiszűrés Jekel kísérletKísérleti eredmény w= 0,28 m/d (~partiszűrés) Ismert vegyületek adagolása Könnyen és nehezn lebomló anyagok A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

25 Modellare necesse est… Mérések a biofilm megfigyelésére A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

26 Modellare necesse est… Biológiai sokszínűség A Teremtő gyártotta enzimválaszték, a baktériumi biológiai sokszínűség Mikrobaháztartás, vonalvastagságában nem egyenletes vonalkódos ábra, a PCR mérés eredménye A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

27 Modellare necesse est… Az eleveniszapos szennyvíztisztás A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Hátrányok Működés magas Pe-szám tartományban szörös reaktortér többlet kell soha sincs elegendő hely. magas beruházási ktg A lebontás a diffúzió elégtelen kiteljesedése miatt nem megy végbe. (télen nem működik) pótlólagos fokozat beépítésére van szükség Előnytelen levegő hozzávezetés A fúvók hajtásához az energiaszükséglet 2/3-a szükséges magas üzemi ktg A víz megtisztításhoz az iszapot használja biofilmhordozóként A tisztítás során az iszap egyébként hasznosítható energiatartalma csökken kiaknázatlan hasznosítás Előnyök A keletkező biomassza (sejttömeg) közvetlenül az iszapba kerül

28 Modellare necesse est… A CARISMO eljárás Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

29 Modellare necesse est… Anaerob rothasztás Ezek akciók, amelyek csökkentik a Pe-számot, növelik a gázkihozatalt. Három dolog fontos: keverés melegítés, dezintegráció Odabennt baktériumok dolgoznak! Mi magyarázza a „kvantumos” jelleget? A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben

30 Modellare necesse est… A biológiai szűrésről axiomatikus szemléletben Remélem sikerült a hasonlóságelmélet fontosságáról meggyőzni Önöket! Tolnai Béla

31 Modellare necesse est… A szennyvíz az ipari vagy háztartási vízfogyasztás végterméke, lényegében bármely olyan víz, amely emberi behatásra szennyeződött, illetve eredeti minősége romlott. / Wikipédiavízszennyeződött A szennyvíz (vagy elszennyeződött víz) különböző szennyező anyagok és víz komplex keveréke. A szennyezők nagy részét pontos molekula-összetétellel és szerkezettel nem is lehet, vagy semmiképpen nem szükséges (nem gazdaságos) meghatározni. A szennyvíztisztítás ellenőrzésének analitikai lehetőségei Pulai Judit (VE) - Helmut Kroiss - Karl Svardal (TU Wien - Austria) közleménye alapján Szennyvíz = különböző terheltségű vizek keveréke, amit mi keverünk össze ! Szennyvíztisztítás = törekvés az alkotóelemek szétválasztására. A szennyvíz fogalma Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

32 Modellare necesse est… Elkülönített gyűjtés és hasznosítás (az összekeverés mellőzése !!!) Kezelni, tisztítani csak a szürkevizet kell ! Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

33 Modellare necesse est… A kommunális szennyvíz mennyiségi aránya és összetétele Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

34 Modellare necesse est… A LWWTP tevékenységének átszabása A hasznosítás maximálása érdekében a teljes iszap- mennyiségmennyiség leválasztandó. A víz megtisztításához nem jöhet szóba az iszapot biofilmhordozóként használó technológia. OPEX és CAPEX értelemben hatékonynak nem minősíthető elveniszapos technológiát fel kell váltsa a biológiai szűrés. Kezelni, tisztítani csak az előülepítő utáni fáradt vizet (used water) kell ! Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás The whole amount of sludge Used water

35 Modellare necesse est… A szennyvízhasznosító telep Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

36 Modellare necesse est… A terminológia átértékelése Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

37 Modellare necesse est… Szennyező vagy alapanyag beszállító? A csatornahasználati díj az ügyfél által a közcsatornába bocsátott szennyvíz elvezetéséért és kezeléséért fizetendő szolgáltatási díj. A környezet terheléséért fizetendő díj a „szennyező fizet” elven alapuló adójellegű elvonás, amelyet az állam szed be. Környezet- szennyező volnék? Nem tehetek róla, hogy hasznosítás helyett tisztítanak ! Az alapanyag beszállításért bezzeg nem fizetnek, pedig a hordozóközeget, a vizet is megveszem hozzá! A járulékfizetés kivetésével lekifurdalást ébresztve büntetünk is, ahelyett, hogy környezettudatos csatornahasználatra ösztönöznénk. A csatorna szolgátatás díja: Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

38 Modellare necesse est… A közműolló zárása nem indokolt Nem lehet cél a közműolló zárása, nem kell mindenütt csatornázni, csak azért, mert az EU mondja! Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

39 Modellare necesse est… A díjolló zárása szükséges Csatornahasználati díj Vízdíj Környezetterhelési járulék A környezetterhelési járulék kivetése téves meglátáson alapszik. A „fizessen a szennyező” elv csak ürügy az adó behajtásához. Nem ösztönöz környezettudatos csatornahasználatra. = rezsicsökkentés Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

40 Modellare necesse est… KOI g/m 3 O 2 Lebontás g/m 3 O 2 CO 2 / (H 2 O +CO 2 ) Keletkező g/m 3 CO 2 Keletkező szennyvíz Mo.-on m 3 /fő/d Lakosság Mo.-on efő Keletkező szennyvíz Mo.-on em 3 /d Keletkező CO 2 Mo.-on t CO 2 /d Keletkező CO 2 Mo.-on kg CO 2 /fő/év Össz CO 2 kibocsátás Mo.-on kg CO 2 /fő/év Keletkező CO 2 kibocsátás Mo.-on % Szennyvíz ,664950, ,26 Fáradt víz ,662310, ,12 A szennyvízhasznosítás feleakkora lábnyomot hagy, mint a szennyvíztisztítás. Az energetika CO 2 lábnyoma messze a legnagyobb! A szennyvíztisztítás = környezetszennyezés Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

41 Modellare necesse est… Newton törvényei, Maxwell egyenletei axiómák. Nem azért igazak, mert közvetlenül beláthatók, hanem azért, mert a belőlük levont következtetések megegyeznek a valósággal. Simonyi Károly A biológiai szűréselmélet axiomatikus megalapozása Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

42 Modellare necesse est… A partiszűrés sajátsága Szűrések hasonlósága

43 Modellare necesse est… A tápanyaglebontás folyamatai Soros folyamat RészfolyamatFeltétel (hajtóerő)Fenntartja Konvektív anyagáram, szivárgás NyomáskülönbségSzivattyúzás Konduktív anyagáram, diffúzió Koncentráció különbségBaktériumok munkája Biokémiai folyamat, lebontás Szilárd felület a megtapadáshoz Redoxi környezet Baktériumok életösztöne Visszacsatolás Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás A biológiai szűrő „elégeti” a szennyezést: Termékek: víz, szén-dioxid, salakanyag, biológiai növekedés

44 Modellare necesse est… Azonos térfogatban azonos felület Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás Fajlagos felület: a [m 2 /g] Granulátum mérete: d [mm] Sűrűség: ρ [kg/m 3 ] Tömbfelület: a [m 2 /m 3 ] Tömbsűrűség: ρ t [kg/m 3 ] Anyagsűrűség: ρ [kg/m 3 ] (Szál)geometria Aktívszén Zeolit Csepegtető test Membrán szűrő, Homokszem

45 Modellare necesse est… Az egyenértékű és mértékadó szemcseátmérő Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

46 Modellare necesse est… A szennyvíztisztítási eljárásokról Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás „A gyakorlatban az emberek nagyon vonakodva adják fel azt az elméletet, amelynek kidolgozásába sok időt és energiát fektettek.” - Stephen Hawking

47 Modellare necesse est… Az eleveniszapos technológia oxikus anoxikus Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

48 Modellare necesse est… Az élőgép Pe eleveniszapos eljárás - Pe élőgép = ?? Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

49 Modellare necesse est… A csepegtetőtestes eljárás SszBiológiai szűrés Ds Lebontandó molekula dede dmdm Bioffilm- hordozó wwwwPe Megjegyzés [m 2 /s][m] [m/d][m/h][mm/s][m/s][-] 5 Csepegtetőtestes szenyvíztisztítás 240 m 2 /m 3 2,00E-10nagy molekula 7,70E-04műanyag blokk 1,0 2,78E ,4 Nem hatékony, kicsi a felület és nagy a sebesség. 2,00E-09kis molekula 7,70E-04műanyag blokk 1,0 2,78E-04106,9 Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

50 Modellare necesse est… A Nereda eljárás Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

51 Modellare necesse est… A Nereda és az eleveniszapos techn. A víz nem lesz tisztább … … az üzemeltetés és beruházás költségei kisebbek lesznek ! Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás

52 Modellare necesse est… Rothasztás Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás Boda-Patziger: Az iszapkezelés trendjei

53 Modellare necesse est… Mezofil-termofil ??? Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás Öllös: A vízellátás és csatornázás értelmező szótára

54 Modellare necesse est… Köszönöm a megtisztelő figyelmet Tolnai Béla BioModel Bt. Szennyvíztisztítás helyett szennyvízhasznosítás