A hagyományos meghatározás

​

A címben feltett kérdésre a szakirodalomban számos válasz található. Citáljunk ide néhány definíciónak is beillő megállapítást!

Szemcsés közegbe történő beszivárgás helyén (pl. partiszűrés helyén) a különböző szemcseösszetételű és anyagi sajátosságú lebegőanyagok leülepednek, illetve a talajszemcsék hézagterébe kerülnek. Eltömődést a kémiai reakciókból keletkező csapadékok is okozhatnak. A csapadékok kristályos vagy zselatinszerűek lehetnek. Például a vashidroxid, Fe(OH)3, a fenol vegyületek okozhatnak számottevő eltömődést vagyis k tényező csökkenést. Jól működő partiszűrésű rendszereknél a kolmatálódó felületet a víz sodrása (főleg árhullámok) átmossa, a finom üledéket magával ragadja, amely a folyamatos víztermelés szükséges előfeltétele.

(Öllös 2002)

… a szivárgási tényező értékét az idő folyamán csökkenti a kolmatáció. Ez a jelenség leggyakrabban akkor mutatkozik, amikor vízfolyásból a talajvízbe vagy a rétegvízbe, és az eredeti mederanyag és bejutó hordalék nem elégíti ki a szűrőszabályt, tehát a finom szemcse a vízzel bejut a durvább mederanyag közé. Ma még elég kevésbé ismerjük e jelenséget, ami függ a vízfolyás hordalékosságától, a hordalék méretétől, a vízfolyás medrének az anyagától és a táplálást kapó vízréteg szemcseeloszlásától.

(Juhász 2002)

A fenti, inkább hidrogeológus szemléletű megállapítások nem csak eltérnek egymástól, de ellentmondásosak is. Egy valamiben azonban egyeznek, miszerint a kolmatáció a szűrőréteg egyfajta eltömődése, amely a beszivárgás mértékét korlátozza. A szűrőellenállás megnövekedése előnytelen dolgot jelent, az elkolmatálódott partszakasz meg egyenesen a partiszűrés ellehetetlenedését vetíti fel. A kolmatáció következményeként a kútavulás hangzatos fogalmáig is el lehet jutni.

Reálisabb képet kapunk a jelenségről az alábbi szakcikkben vázolt definíció alapján.

A partvonal mentén, vagy annak nem túl széles sávjában létesített vízbeszerző művek (csőkutak, csőkútsorok, aknakutak, csáposkutak, galériák) az általuk létrehozott depressziós tölcsér hatására maguk indítják meg a vízbeáramlást a folyóból a megcsapolt rétegbe. A mederágy kolmatációja — amely nem iszaplerakódást, hanem a folyóban lebegtetve szállított finom szemcseösszetételű hordalékanyag és apró élő szervezetek beszűrődését jelenti a vízadó rétegbe — tehát nem természetes kiülepedéssel, hanem éppen a víztermelő mű szívó hatására létrejött kényszerített ülepedéssel alakul ki, és a pórustér szűkülésében, ill. eltömődésében nyilvánul meg.

A kolmatáció a víztermelés következménye, ugyanakkor a meder kolmatáltságának függvényében alakul ki a hidraulikai kapcsolat a felszíni víz és a felszín alatti víz között. A felszíni víz a különböző mértékben kolmatált mederfenéken, mint aktív szűrőfelületen át szivárog be a felszín alatti vízvezető rétegbe, amely gyakorlatilag már csak a szűrlet elszállításában játszik szerepet. A beszivárgás átlagos Darcy-féle szivárgási sebessége 10-15 cm/nap szakirodalmi adatok, kísérletek szerint. A beszivárgási folyamat ezért lassú, ill. ultra lassú szűrésnek tekinthető.

A tapasztalatok szerint a kolmatált réteg vastagsága csekély, mindössze néhány centiméter, s alatta a kőzet gyakorlatilag változatlan, eredeti szivárgáshidraulikai jellemzőivel rendelkezik. A kolmatált réteg cementált megjelenési formája valamiféle kötőanyag jelenlétéről árulkodik, amit a kavics- és homokszemcsék közé beépült kőzetliszt-, iszap- és agyagfrakciók valamint apró élő és elpusztult szervezetek alkotnak. A vékony réteg kis áteresztő képességét és nagy ellenállását laboratóriumi szemeloszlási vizsgálatokon túlmenően helyszíni mederszondás kísérletekkel is sikerült igazolni.

... a fokozott eltömődés kimosódásához a víztermelés visszafogása mellett is jó néhány árhullámnak és gyors apadásnak kell bekövetkeznie, amelyek frissítik, regenerálják a kolmatált réteget. Az általunk kimért, gyors apadással együtt járó fordított irányú kolmatált rétegbeni vízmozgás voltaképpen a szűrőfelület természetes visszamosatásának tekinthető.

(Rózsa 2000)

A réteg eltömődésének regenerálódását Wein János, a partiszűrés atyja a következőképpen látja:

… hol a Duna annyi eséssel bír, hogy minden évi többszöri megáradásai alkalmával egész medrét feltúrja, úgy hiszem, a szűrőfelület bedugulásától nincs mit félni.

(Wein 1883)

A beszivárgásra vonatkozó megfigyeléseknek ezen újabb megállapításai már sokkal közelebb visznek a kolmatációnak nevezett folyamat megértéséhez, azonban annak tényleges okára nem derül fény.

​

A helyesbített értelmezés

​

A következőkben próbáljuk meg a jelenséget ismert tények alapján némiképp másképpen magyarázni, más módon értelmezni:

A partiszűrés változó sebességű szűrés. A szűrési sebesség a partvonal mentén azonos a rétegbe lépés sebességével, amelynek nagysága 0,1-0,3 m/d. A kút környezetében ez az érték lényegesen nagyobb, nagyságrendben 100 m/d.

A partiszűrés biológiai szűrés. Általa a víz úgy tisztul, hogy a szennyezést okozó molekulák lebomlanak. Az emzimek katalizálta folyamat helyszíne a biofilm, amely a szűrési útvonal elején alakul ki, vastagsága cm-ekben, dm-ekben mérhető. 

​

A partiszűrés folyamatának mélyebb megismerése céljából a Wasserbetriebe Berlin megrendelésére a TU Berlin modellkísérletekbe fogott. A megépített kísérleti berendezés a szűrési útvonal első 30 m-es szakaszát modellezte. (Jekel, Grünscheid 2007)

8.29‑1. ábra A Jekel-kísérlet

A Jekel-kísérletek arra keresték választ: hogyan alakul a vízminőség a szűrőrétegen való áthaladás során. A szerves tápanyag lebomlása már az útszakasz legelején megtörtént. (lásd 8.29-1. ábra) Oxikus körülmények között ez a folyamat intenzívebb volt, azonban anoxikus viszonyok esetén sem változott a hossz mentén tápanyag-lebontási görbe jellege. A biológiailag aktív réteg vastagsága cm-ekben mérhető, max. 5 m-re volt tehető. Ez azt jelenti, hogy a szűrési útvonal további szakasza a szűrésben már nem vesz részt.

​

Elsősorban a szennyvíztisztításnál tapasztaltakból azt is tudjuk, hogy oxikus feltételek közepette a lebomlás termékei javarészt víz és széndioxid, míg anoxikus esetben főként metán és széndioxid keletkezik. A keletkező víz nem idegen anyag a vízben. A széndioxid és metán gázok, amelyek könnyebb fajsúlyuknál fogva a felszínre törnek. A biológia úton megvalósuló szűrés tehát egy olyan eljárás, amely során a kiszűrt anyag a biofilmben oxidálódik - „elégetésre” kerül, miközben csak nagyon kevés „salakanyag” marad vissza.

​

A biológiai szűrés két egymást követő részfolyamatból áll. A baktériumok mozognak ugyan, de érdemben nem változtatják a helyüket, ezért a lebontandó szubsztrátot oda kell nekik szállítani. A konvektív (szűrési) és konduktív (diffúziós) sebességösszetevők által jellemezhető anyagáramlási folyamat hasonlósági kritériuma a Pe-szám. A baktériumok szubsztrátellátásnak logisztikai feladata Pe=1 mellett optimális. Az 1 körüli, alacsony Pe-szám a biológiai szűrés megvalósulásának előfeltétele. 

​

A              képletben w a szűrési sebesség, dm a biofilmhordozó réteg mértékadó szemcseátmérője, Ds a víz szennyezését

jelentő szubsztrát diffúziós tényezője.

A partiszűrésnél

• a mértékadó szemcseátmérő  dm = 1,3 mm = 1,3 10-3 m,

• a szűrési sebesség átlagosan   w = 0,2 m/d = 2,32 10-6 m/s,

• a szubsztrát diffúziós tényezője kismolekulák esetén 20 10-10 m2/s, nagy molekulák esetén (pl. gyógyszermaradványok) 5 10-10 m2/s.

Helyettesítve a jellemző értékeket Pe kismolekula = 1,5  , illetve Pe nagymolekula = 6. Az alacsony Pe-szám kialakulása a legalacsonyabb szűrési sebességű helyhez, a mederbeszivárgáshoz kötött. 

A biofilmen belüli folyamatot az Ne-szám jellemzi, amely a pH, rH2 és T függvénye. 

Ezekután összevetve a kolmatáció hidrogeológiai nézőpontú definícióját és a biológiai szűrésre vonatkozó elméleti megfontolásokat, némiképp más következtetésekre juthatunk. A kolmatáció ugyan eltömődés, amelyet azonban a biofilmhordozón, a beszivárgás helyén található homokszemcséken megtapadó biofilm és a lebontás során visszamaradó „salakanyag” okoz.

​

A máttyusi szóhasználat szerint a vízellátás víztermelésre és vízelosztásra osztható. A víztermelés a vízmennyiség előállítására és a vízminőség feljavítására szolgáló részfolyamat. A partiszűrésnél a vízmennyiséget a réteg vízadóképessége, azaz hidrogeológiai tényezők határozzák meg. A vízminőséget a biológiai szűrés garantálja.

A beszivárgás helyén észlelt lokális szűrési tényező csökkenés vagy szűrési ellenállás növekedés tulajdonképpen a biológiai víztisztítási funkció érdekében jön létre. Nem a partszakasz „elkolmatálódásához” vezető eltömődésről van szó, a kolmatáció sokkal inkább biológiai szűrés működésének a jele. Szükségszerűség, amely nélkül nem tisztulna a víz. Ha tetszik, ez az ára a vízminőség biológiai feljavulásának.

​

A Jekel-kísérleteknek volt egy másik hozadéka is. Megállapítást nyert, hogy a partiszűrés képes nagy molekulák, pl. a gyógyszermaradványok lebontására is. A gyógyszermaradványok eltávolítása a vízből azonban nem a partiszűrés feladata. Környezetünk megóvása érdekében a vizelettel ürülő nagymolekulákat a szennyvíztisztításnak kell lebontania. Az eleven iszapos technológia erre nem képes, mert Pe-száma meglehetősen magas.

​

Az alacsony Pe-szám biztosításához szűrőrétegként kis szemcseméretű (az adott térfogatban nagy felületű) homokra van szükség. Kúthidraulikai szempontból ezzel szemben a vízadóréteg a kavicsos homok, a homokos kavics vagy a görgeteg szavakkal jellemzett szemcseösszetétel előnyösebb. A kút tulajdonképpen egy olyan műtárgy, amely a vízadóréteg megcsapolására képes. Az üzemeltethetőség egyik fontos kitétele, hogy a szűrőzött felületen át homok ne kerülhessen a kútba. Az aprószemcsés homok visszatartásában a kisebb átmérőjű kavicsfrakció segít, a kisebb kavicsokat pedig a nagyobb kavicsok tartják vissza. A homok rétegbeli elmozdulására csak a nagy vízsebességű helyeken, a kút közvetlen közelében lehet számítani.

​

Mintegy összegezve megállapíthatjuk víztermelés nélkül nincs kolmatáció, ahogy a víz megtisztulásához konvektív áramlásra van szükség.