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, 2015. jan. 13. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu

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 ! tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 2

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 3

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 4

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 5

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. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 6

Jellemző szemcseátmérő Modellare necesse est… forrás: Juhász József / Hidrogeológia tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 7

Lamináris-átmeneti-turbulens tartományok Modellare necesse est… forrás: Juhász József / Hidrogeológia tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 8

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 9

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. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 10

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 11

Modellare necesse est… A Pe-szám értelmezése Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 12

Modellare necesse est… Szűrési sebesség Modellare necesse est… Szűrési sebesség: w = Q / F (térfogatáram / keresztmetszet) F=( DN)2 * π / 4 és a hézagtényező ????? tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 13

Azonos térfogatban azonos felület Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 14

Az egyenértékű és mértékadó szemcseátmérő Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 15

A mértékadó szemcseátmérő Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 16

Modellare necesse est… A diffúziós tényező Modellare necesse est… Diffúziós tényezők vízben 25°C-on Anyag D * 10 -10 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: tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 17

A diffúziós tényező csökkentése Modellare necesse est… O3 n = ?? tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 18

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 19

Michaelis-Menten kinetika Modellare necesse est… Sejtek tápanyagcseréje Exoterm folyamat : energia felszabadulással járó folyamat Leonor Michaelis (1875-1949) német biokémikus Maud Leonora Menten (1879-1960) kanadai orvos Az elmélet az 1900-as évek elejéről származik Egyszerű modell Jó fenomenologikus leírást ad A paraméterek (vmax, Km) mérhetőek tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 20

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 (1910-1976) tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 21

Modellare necesse est… Szaporodás és elhalás Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 22

Monod tényező – generációs idő Modellare necesse est… A generációs idő órás nagyságrendű. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 23

Időállandó – féltelítési állandó Modellare necesse est… Jobbágy Andrea a laposabb görbét a baktériumokkal azonosította, pedig a tápanyaggal kéne. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 24

Biológiai szűréselmélet / szűrési tényező Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 25

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 26

Mérések a biofilm működésének megfigyeléséhez Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 27

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 28

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 29

Azonos tartózkodási idő Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 30

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) tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 31

Modellare necesse est… Telítődéses jelleg Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 32

Könnyen és nehezen lebomló anyagok Modellare necesse est… Jekel kísérlet Kísérleti eredmény w= 0,28 m/d (~parti szűrés) Ismert szennyezések adagolása tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 33

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 34

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 35

Modellare necesse est… Élőgép Modellare necesse est… Az élőgépnél a biofilmhordozó közeg kettős: az iszap és a növényzet gysökerei. Pe eleveniszapos eljárás - Pe élőgép = ?? tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 36

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. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 37

Modellare necesse est… Nereda eljárás újra Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 38

Modellare necesse est… Nereda - eleveniszap Modellare necesse est… A víz nem lesz tisztább … … hanem az üzemeltetés és beruházás költségei ! tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 39

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 40

Adszorpció vagy abszorpció ? Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 41

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 42

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 43

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 44

Modellare necesse est… Köszönöm a figyelmet ! tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 45

Főparaméterek a technológiai sémán Modellare necesse est… tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 46

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. tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 47

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 48

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 49

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 50

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 tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 51

Méret- és mozgásviszonyok Modellare necesse est… Eleven iszapos szvt. Parti szűrés tolnaibela51@gmail.com www.biomodel.hu 52