A vízmolekulák közé keveredő idegen molekulák okozzák a víz elszennyeződését.
1. ábra Szennyező molekula a vízmolekulák között
A víz tisztítása alatt ezen idegen molekulák eltávolítását értjük. A számos víztisztítási eljárás közül a biológiai módon működő változat a leghatékonyabb. A biológiai hatás kialakulásához azonban számos előfeltétel szükséges. Ezek rendre a következők:
1.
A baktériumok élettere a biofilm, amelynek magtapadása csak szilárd felületen lehetséges. A baktériumok a biofilmen belül mozognak ugyan, de helyüket érdemben nem változtatják meg. Ezért számukra a lebontandó szubsztrátot a biofilmbe kell szállítani. Ez a logisztikai folyamat két mozgásösszetevőből áll.
2. ábra A szennyezés leválasztásának sémája
A konvektív áramlás a tápanyagot a biofilmig juttatja, amely aztán diffúzió útján kerül a biofilmbe. A diffúzió hajtóereje a víztest és a biofilm közötti koncentráció-különbség. A szubsztrátmolekulák lebomlásával ez a koncentrációkülönbség folyamatosan újratermelődik, miáltal a diffúziós anyagáram állandósul.
Az így kialakuló anyagtranszport hasonlósági kritériuma a Pe-szám:
A biofilm ideális tápanyagellátása Pe=1 mellett valósul meg.
Az alacsony Pe-szám tehát a biológia szűrés megvalósulásának előfeltétele. A szennyező molekulák – köztük a gyógyszermaradványok és hormonok - lebontása csak akkor valósulhat meg, ha azok bejutnak a biofilmbe.
A Pe-szám csökkentése egyrészről a konvektív sebesség csökkentése és a diffúziós tényező növelése révén érhető el. A mértékadó szemcseátmérő – és vele a Pe-szám – másrészről akkor lesz kicsi, ha nagy fajlagos felületű anyagot használunk biofilmhordozó anyagként.
A tápanyaglebontás mértéke a Pe > 1 tartományban a Pe-számmal fordítottan arányos.
2.
A molekulák biológia elbontása katalizáció útján válik lehetővé. Katalizátorként enzimmolekulák szolgálnak. A lebontás folyamatában az enzimfehérjék nem vesznek részt. Arra képesek, hogy a lebontandó molekulák aktiválási energiaszintját lecsökkentség, miáltal azok atomjai szabaddá válnak új termékmolekulák képződéséhez.
A jelenséget a Michealis-Menten enzimkinetika írja le, amely a termékképződés reakciósebességére ad összefüggést.
Az emberi test javarészt vízből épül fel, ugyanúgy a baktériumok testfelépítését főként enzimfehérjék alkotják. A baktériumok így, közvetett módon, a testfelépítésük révén válnak a szubsztrát-molekulák lebontásának katalizátorává.
Az enzimek csak akkor képesek a molekulák aktiválási energiaszintjét lecsökkenteni, azaz a molekulákat bontani, ha biológiai mintázatuk a lebontandó molekula mintázatával megegyezik.
3. ábra A mintázat egyezősége
Egyfajta enzim csak egyfajta molekula lebontásának katalizálására képes.
A molekulák bomlása exoterm folyamat, energiafelszabadulással jár. Ezt az energiát használják a mikroorganizmusok életvitelük fenntartásához, szaporodásukhoz. Az osztódással történő szaporodást az ún. Monod-kinetika írja le. Az eredményül kapott exponenciális kitevő segítségével a szaporodás sebessége határozható meg.
4. ábra A Monod kitevő
A szaporodás gyorsasága közvetett módon a lebontás sebességére utal. Több baktérium, több szennyező molekula elbontására képes.
Miután a baktériumok többfajta enzimmolekulából állnak, ezért többéle molekula lebontását segíthetik elő.
A molekulák lebontása nem egy lépésben történik. Az első lebontási fázis terméke a következő fázis szubsztrátja lesz.
A baktériumok élőlények. Életfeltételeik csak bizonyos „klímaviszonyok” közepette biztosítottak. Minden élő mikroorganizmusnak megvan a jellegzetes pH - rH2 tartománya, ahol szaporodásuk ideális. A pH-rH2 síkot Vincent eredetileg a patogén baktériumok élettartományainak ábrázolására használta, azonban ezen a térképen a nem patogén mikrobák által kedvelt területek is megadhatók.
5. ábra A Vincent diagram
Amint a vizes közeg pH és rH2 értékpár elhagyja ezeket a tartományokat, akkor a mikroorganizmusok szaporodása lecsökken, szélső esetben leáll és a baktériumok elpusztulnak.
A tápanyag lebontás mértéke a kedvező tartományon belül
értéktől függ.
ahol Ne=rH2 - 2pH.
Így működik a partiszűrés és bármely változata a szennyvíztisztításnak.
A részletes kifejtést lásd itt a honlapon:
www.biomodel.hu