RÉSZVÉTEL AZ OKTATÁSBAN
Szakmérnöki
Műszaki - gazdasági elemzés II
RÉSZVÉTEL AZ OKTATÁSBAN
Szakmérnöki
Műszaki - gazdasági elemzés II
Modellare neccesse est...
2. A VÍZ BIOLÓGIAI MEGTISZTULÁSA
2.1 A víz minősége és terheltsége
A víz biológiai megtisztulása a benne lévő - a szennyezést jelentő - szerves tápanyag lebontása révén valósul meg. A molekulák lebontásban – sommásan vízzé és szén-dioxiddá vagy más körülmények között metánná és szén-dioxiddá alakításában – a mikroorganizmusoknak döntő szerepe van. Más és más szennyező molekula lebontásához más és más baktérium munkájára van szükség. A vízben oldott molekulák fajtája – mit kell lebontani? – a víz minőségét mutatja, a szennyező molekuláknak koncentrációja – mennyit kell belőle lebontani? – a víz terheltségét jelzi.
Ivóvíz előállítása biológiai úton vagy a szennyvíztisztítás egyazon gyökerekre vezethető vissza. A tisztítandó nyersvíz és a tisztítandó szennyvíz a vízminőséget tekintve érdemben nem különbözik egymástól, hisz mindkét elszennyeződött vízben ugyanazon típusú szennyező molekulák találhatók meg. A terheltség vonatkozásában viszont az eltérés tetemes. A tisztítandó víz terheltségét nem közvetlenül az összetevők koncentrációjaként adjuk meg, hanem indikátor paraméterek segítségével a megtisztuláshoz szükséges oxigén szükségletet mérjük. A szennyvíz KOI és a BOI értékei akár három nagyságrenddel is nagyobbak lehetnek az ivóvíz előállítás alapjául szolgáló nyersvizek terheltségéhez képest. Ez a nagyságrendi különbség némiképp vakká tesz, élesen elválasztva egymástól az ivóvízelőállítást a szennyvíztisztítástól. Egészen odáig, hogy külön tudományágként tartjuk őket számon és külön is oktatjuk őket.
A víz minőségének és terheltségének éles megkülönböztetésével szemben axiómának is felfogható kijelentést tehetünk:
1. axióma
A mikroba nem tudja, hogy ivóvíz előállításban vagy szennyvíztisztításban vesz részt. Másként fogalmazva: a biológiai víztisztítási eljárások hatásmechanizmusa azonos. Ahogy azt később látni fogjuk a biológiai szűrés szennyező molekulák elbontását jelenti, függetlenül attól, hogy milyen célból történik a tisztítás.
Következésképp az ivóvíz előállításánál szerzett tapasztalatok a szennyvíztisztításnál is hasznosíthatók és fordítva. A ma fennálló merev elválasztás - nem indokolt.
2.2 Partiszűrés, a jól megfigyelhető példa
A partmenti kavicsos-homokos rétegbe a réteg megcsapolására alkalmas műtárgyat, kutat építünk. Szivattyúzással a kútban depressziót hozunk létre. A folyóvízszint és a kútban mérhető üzemi vízszint különbsége adja azt a nyomás különbséget, amely a vizet a vízadó rétegen át a kútba hajtja. (lásd 2.2-1. ábrát), A rétegben áramlás jön létre, amely áramlás változó sebességű, a sebesség a szűrési útvonal mentén a kút irányába nő.
2.2‑1. ábra
Meder – szűrőréteg - kút
A szűrési útvonal elején, a rétegen átszivárgó víz sebessége még rendkívül alacsony, nagyságrendben w = 0,1 - 0,5 m/nap. Ez az alacsony sebesség teszi lehetővé, hogy a vízben oldott, a szennyezést jelentő szerves anyag a homokszemcsék felületén megtapadó biofilmbe diffundálhasson. (lásd 2.2-2. ábra)
2.2‑2. ábra
Konvektív és konduktív áramlás
A diffúzió hajtóereje a koncentrációkülönbség, amely különbség a víztér Cv és biofilmen belüli Cb tér között áll fenn
2.2‑3. ábra
A szennyzés leválasztásával a víz tisztul
A 2.2-3. ábra sematikusan próbálja érzékeltetni a „fekete” szennyezés leválasztását a főáramról. Ez a víz megtisztulásának tulajdonképpeni hatásmechanizmusa. A biofilmen belül a szennyező molekula elbomlik, miáltal a biofilmen belüli Cb koncentráció lenullázódik. Megteremtve ezzel a koncentrációkülönbség fennmaradását. A keletkező bomlástermékek általában már nem szennyezők a vízben.
2.3 A partiszűrés általánosítása
A következőkben természetes szűrésnél megfigyelteket igyekszünk kiterjeszteni és általában biológiai szűrésről beszélni.
Rögtön egy újabb axióma fogalmazható meg:
2. axióma
A biofilm megtapadásához szilárd felületre van szükség.
A szilárd felület a partiszűrés esetében a homok.
Általánosítva is igaz ez a kitétel: a mikrobák életterük kialakításához valamilyen hordozó felületet igényelnek. Ha víz terheltsége nagy, úgy sok baktérium munkája a kívánatos. A nagyszámú baktérium letelepítéséhez nagy felületre van szükség.
A baktériumok megtapadásához szükséges felület lehet álló, ilyenkor összefüggő biofilm jön létre. A partiszűrésnél ezt tapasztaljuk. A hordozó felület azonban a víztérben mozoghat is, ez esetben tagolt vagy töredezett lesz a baktériumok élettere. Az eleveniszapos szennyvíztisztításnál ez az állapot fordul elő.
Akár áll, akár mozog a hordozó felület a víztérben az anyagtranszport szempontjából a relatív sebesség számít. A partiszűrés esetében ez a sebesség azonos a szűrési sebességgel, a rétegen történő átszivárgás intenzitásával. Az eleveniszapos reaktortérben a relatív sebesség meghatározása nem könnyű, de még a becslése is nehéz.
A 2.2-3. ábra a fő vonásokat ábrázolja. Ezek segítségével eljuthatunk a következő trivialitás kimondásához:
3. axióma
A víz biológiai megtisztításának folyamata egy anyagtranszport előtétfolyamatból és a biofilmen belül zajló biokémiai folyamatból áll.
Fontos kiemelni: az egyes részfolyamatok felfűzése egymást követő. Ahhoz tehát, hogy a biofilmen belüli molekula-lebontás bekövetkezhessék, előtte a tápanyagnak a biofilmhez majd a biofilmbe kell jutnia. A konvektív áramlás vagy szivárgás a szennyezést a biofilmhez szállítja.
A konvektív áramot – ahogy azt fentebb megállapítható volt - a kútban történő szivattyúzással tartjuk fenn. A konduktív áramlás vagy diffúzió a szennyezőanyagot a főáramról leválasztja, azt a biofilmbe juttatva. A diffúzió koncentrációkülönbség hatására jön létre (a 2.2-3. ábra jelöléseivel Cv >Cb ) és addig áll fenn, ameddig az eltérés ki nem egyenlítődik.
A tápanyag-lebontás a biofilmen belül történik. Ez a művelet lebontja a biofilmbe lépő molekulát és ezzel „eltünteti” annak biofilmen belüli koncentrációját. A biofilmen kívüli és a biofilmen belüli tér között fennálló koncentrációkülönbség így folyamatosan újra termelődik.
A fentebbi megállapításoknak megfelelően, mintegy összefoglalásként a 2.3-4. ábra a biológiai szűrés soros elemeit és a visszacsatolást mutatja, megadva az egyes részfolyamatok feltételeit (hajtóerejét) és fenntartásának módját.
2.3‑4. ábra
A biológiai szűrés soros elemei és a visszacsatoláa
A diffúziós mozgás a tér minden irányába egyformán megtörténik, ahogy az a Brown-mozgásnál is megfigyelhető. Az ionok vándorlása is a diffúzió törvényszerűsége szerint zajlik. Elektromos tér segítségével azonban egy irányba terelhetők ezek a töltött részecskék. Megkülönböztetésül a spontán diffúziótól ezt a kényszerített mozgást driftnek hívjuk. Esetünkben is a víztérből a biofilmbe mutató, egyirányú diffúziós elmozdulásról van szó. A hajtóerőt a baktériumok munkája révén a folyamatosan újratermelődő koncentrációkülönbség adja. A baktériumok munkája tehát egyfajta kényszert jelent az irányított diffúzió kialakulásában, ahogy az elektromos tér is az, az ionok diffúziós mozgásánál.
A 2.3‑4. ábra a baktériumok életösztönével – erről részletesen csak később - jelöli azt a kényszert, amely őket a tápanyag-lebontására bírja. Rendszertechnikai értelemben a lebontás egyfajta visszacsatolást is jelent. Ha nem termelődik újra a koncentrációkülönbség, elvész a hajtóerő, nem jön létre a szennyező anyagot leválasztó diffúzió, amely a baktériumokhoz szállítja a tápanyagot.
A soros lefutás egyben azt is jelenti, hogy a biofilmen kívüli, a víztérben zajló logisztikai történéseknek előbb létre kell jönniük, azaz az anyagtranszport előfeltétele az utána következő, biofilmen belüli tápanyag-lebontásnak. Minden olyan tárgyalásmód, amely a logisztikai előtét folyamatról említést sem tesz, vagy figyelmen kívül hagyja - hibás következtetésekre vezethet.