8.6. MIÉRT NEM MŰKÖDIK TÉLEN az eleveniszapos szv-tisztítás?
A 100 éves múltra visszatekintő eleveniszapos eljárás télen elveszíti tápanyag-lebontási hatékonyságát. A jelenséget a Monod kinetika segítségével szokás magyarázni. Az elgondolás a működés jóságát a mikrobák szaporodásának kellő intenzitására vezeti vissza.
A Modellezés fejezetben tárgyalt konstans relatív növekedésű szaporodási folyamat µM Monod együtthatójának méréssel történő meghatározása a cél. A legismertebb összefüggés ezek közül a Downing összefüggés, amely a Monod együtthatót a t hőmérséklet és a pH függvényeként adja meg:
Felrajzolva a mérés eredményeit szemléletes képet kapunk a viszonyokról


8.6‑1. ábra
A Downing összefüggés
diagramon
A 8.6-1. ábrán jólérzékelhető módon 10 °C alatt a mikroba szaporodás meglehetősen alacsony. Nem akad el, csak nagyon alacsony. A hőmérséklet csökkenésére válaszul növekvő az iszapkor beállítása válik szükségessé.
A partiszűrés és az eleveniszapos szennyvíztisztítás egyaránt a biológiai tápanyag-lebontást használják a nyersvíz, illetve a szennyvíz megtisztítása során. A partiszűrés azonban télen és nyáron egyaránt hatékonyan működik Nyilvánvaló tehát, hogy nem a mikrobaszaporodásnak van hőmérséklet függése – ahogy azt a Downing mérések sugallják -, hisz akkor télen a partiszűrés sem lehetne működőképes. Következésképp a hőmérsékletfüggés mibenléte másutt keresendő. Nem a mérések megkérdőjelezéséről van szó, hanem azok értelmezésének korrigálásáról.
A Modellezés fejezetben levezett tápanyag-lebontási képletben közvetlenül is szerepel T abszolút hőmérséklet. Ennek relatív változása (cca. 273 - 293 K) azonban a téli és nyári üzemviszonyok közti karakteres különbséget nem magyarázhatja. Kell lenni más, a hőmérséklettől függő paraméternek. Ilyen a Ds szubsztrát diffúziós tényezője és υ a víz kinematikai viszkozitása.
A fizikából ismert Stokes-Einstein formula szerint

a diffúziós tényező nagysága a dinamikai viszkozitástól (η), az abszolút hőmérséklettől (T) és molekula méretétől (ar) függ. A (8.6-3) képletben szerepel még a kB = 1,38 10-23 [J/K] Boltzman állandó és π=3,14 [-] hasonlósági kritérium is.
Csökkenő hőmérséklettel a diffúziós tényező is kisebb lesz.

Forrás: Biofilm Handbook
8.6-2.ábra
A diffúziós tényező hőmérsékleti szorzója.
Anyagok diffúziós tényezőjét 25 °C-on adják meg. Minden anyag esetében ugyanaz a dimenziómentes hőmérsékleti szorzó érvényes. A t = 0 … 25 °C működési tartományon a változás mértéke cca 2,5 szeres.
A biofilmhordozó anyag (a homok, iszapflokkulátum) mértékadó szemcsemérete a hőmérséklet függvényében nem változik. Változik ellenben a víz viszkozitása, amely csökkenő hőmérséklettel nő. (A 8.6-3. ábrán a kinematikai viszkozitás változását látjuk, a (8.6-3) képletben a dinamikai viszkozitás szerepel. A két fajta viszkozitás között a ν=η/ρ függvénykapcsolat áll fenn, ahol ρ a sűrűség.) A viszkozitási tényező változásának mértéke hasonló, csak ellentétes irányú.

Forrás:
Pattantyús. Gyakorlati áramlástan
8-8.ábra
A viszkozitás hőmérséklet függése
Végsősoron a Peclet-számnak lesz közvetett hőmérsékletfüggése

ahol t hőmérséklet [°C].
A partiszűrésű vízbázisoknál nyilvántartanak téli és nyári kútkapacitás értékeket. A téli értékek a nyári értékeknek pusztán fele - kétharmada. A búvárszivattyúkat a kútban adott szintre szerelik. Az általuk létrehozható depresszió maximuma télen és nyáron is ugyanaz. A víznek télen nagyobb viszkozitása, így ugyanazon a nyomáskülönbség mellett kevesebb vizet képes átjuttatni a vízadó rétegen. A partélen – a biológia szűrés helyén – így alacsonyabb lesz a szűrési sebesség. A Pe-szám képletében szűrési sebesség (w) a számlálóban szerepel. A számlálóban csökkenő szűrési sebesség, a nevezőben csökkenő diffúziós tényező összességében a Pe-szám értékét változatlannak tartja télen is. Ez a változatlanság azt eredményezi, hogy a partiszűrés télen - nyáron egyaránt hatékonyan működik. A jelenséget szemléltethetjük a tápanyag lebontási ábrán is.

8.6‑4. ábra
A partiszűrés télen-nyáron
A 8.6-4. ábrán az 1-es pont a nyári viszonyokat jelenti. A diffúziós tényező értékének csökkenése ugyanazon a hiperbolán a rendszert a 2 állapotba viszi. A szűrési sebesség lecsökkenése azonban visszahoz bennünket a 3-as pontig. A javuló téli redox körülmények miatt (csökkenő hőmérséklettel nő a Ne-tényező) átjutunk a szomszédos görbére. A folyamatot szemléltető ábrán a ΔS lebontási mérték még valamelyest javulna is.
Az eleveniszapos technológia esetében a konvektív sebességben ilyen "ellentételezés" nincs, hisz a levegő befúvás az oxikus medencékben és a keverés az anoxikus medencékben ugyanolyan intenzitással történik télen és nyáron is. A levegőre mindig szükség van, a keveréstől a leülepedés megakadályozása miatt ugyancsak nem lehet eltekinteni.

8.6‑1. ábra
Az eleveniszapos szvt.
télen-nyáron
A már említettek miatt a nyári üzem eleve magasabb Pe-szám mellett valósul meg, ahogy azt a 8.6-5. ábra 1-es pontja is érzékelteti. A konvektív sebesség meghatározásának egyértelműen nehézségei vannak, de minőségében annyit biztosan megállapíthatunk, hogy a partiszűréshez képest átlagosan lényegesen nagyobb sebességről van szó. A nyárból (1) a diffúziós tényező csökkenése miatt itt is a téli (2) pontba jutunk. Sebességben ellentételezés most nincs, ezért a redox viszonyok javulása miatt a felettes görbén található (3) pontba lépünkát. A szomszédos hiperbolák távolság az x-tengelyen jobbra messze már olyan közel van egymáshoz, hogy érdemi lebontásnövekedést nem hoz. A diffúziós tényező lecsökkenéséből fakadó Pe-szám növekedés végül így vezet a téli üzemeltetés problémájához.
Hogyan lehet segíteni ezen a nehézségen?
A „Rabbi, mit tegyek? Hiányzik a kasszából 100 dollár! – Tedd vissza azt oda, fiam.” - bölcsességből kiindulva, vissza kell állítani azt, ami elromlott. A hőmérséklet csökkenés hatására a Pe-szám változott meg, annak értéket kell tehát visszaállítani. Ennek eléréséhez több lehetőségünk is van:
-
A fűtsük fel a vizet, csak elvi lehetőség lehet, mert ekkora víztömeg felfűtése nagyon sokba kerülne és mint ilyen a lehetőségek közül kiesik.
-
Akadályozzuk meg víz lehűlését, variáció előfeltételekhez kötött. A biológiai medencék zárt térben történő elhelyezése nem ritka, de nem általános. Ilyen megoldással találkozunk a BKSZTT-nél (Budapesti Központi SzennyvízTisztító Telepnél) és az élőgépes technológia esetében is, amikor is a medenceterek fölé épített téliesített „botanikus kert” akadályozza a víz lehűlését. A zárt térben való elhelyezésnek jelentős beruházási költségvonzata van.
-
Csökkentsük a konvektív sebességet, - ez a megoldás a partiszűrésnél – használható volna ugyan, de mozgást létrehozó levegő befúvás és keverés intenzitásának mérséklése korlátokba ütközik.
-
Növeljük meg az iszapkort, lehetőség nem állítja vissza a Pe-számot, csupán az alacsony intenzitású tápanyag-lebontást működteti hosszabb ideig. A megoldás általánosan alkalmazott ugyan, de érdemben nem igazán javít a viszonyokon.
-
Készítsük (kezeljük) elő a beérkező szennyvizet, lehetőség alatt homogenizálást és dezintegrációt kell érteni. A homogenizálás a mértékadó szemcseátmérőt csökkenti, míg dezintegráció a molekulák méretének csökkentését célozza. A diffúziós tényező növelése a molekulák „aprításával” érhető el. Az ultrahangos kezelésnek, a kavitációs zónán való átvezetésnek vagy az ózon adagolásnak van ilyen hatása. A szennyvíz ilyetén való előkészítése nem csak a téli üzem problémáinak a kiküszöbölésére jó, hanem általában a Pe-szám csökkentésére, és így a tápanyag lebontás hatékonyságának növelésre is alkalmas.
-
Használjunk másik elrendezést, azaz felejtsük el az eleveniszapos technológiát. A már megépített nagyszámú rendszer esetében ez a lehetőség csak rekonstrukciós átépítést követően válik járható úttá.
Visszatérve a probléma felvetéséhez azt mondhatjuk, hogy a logisztikai előtétfolyamatra és a biofilmen belüli biokémiai folyamatra felosztott szemléletmód pontosabban írja le a jelenség hőmérsékletfüggését. A Downing mérés reprezentálta megközelítésben a baktériumok tápanyagellátásának hőmérsékletfüggése mikrobaszaporodásként került azonosításra, ami nyilvánvalóan nem igaz. Ennek következtében az elromlott viszonyra adható kompenzációs válasz csak az iszapkor növelésére korlátozódhatott, miközben a lehetőségek választéka sokkal szélesebb.