Dr. Ábrahám Ferenc C.Sc.
Víztechnológiai rendszerek működési hatásfokának vizsgálati és értékelési módszerei
Baja, 2012
1. Bevezetés
Intézetünk ötvenéves hagyománnyal rendelkező műszaki felsőoktatási gyakorlatában minden- kor az elméleti ismeretek gyakorlati alkalmazása állt a tevékenység középpontjában. Erre irá- nyultak a kor követelményének megfelelő tanterv-fejlesztési törekvéseink, melyekben hang- súlyosan szerepelt az ismeretek alkalmazására törekvés. E célból félüzemi víztechnológiai gyakorló telepet építettünk és ehhez kapcsolódó oktatást szerveztünk; vízmérő-, geodéziai mérő- és később hidroökológiai mérőgyakorlatot vezettük be, melyekhez megfelelő létesít- ményeket hoztunk létre és oktató gárdát szerveztünk.
Kibontakoztattuk a tudományos diákköri tevékenységet és a záró szakdolgozatok témakörét nagy gyakorisággal élő feladat megoldására irányoztuk.
Oktatási munkánk eredményességének záloga ezen körülmények módszeres és eredményes alkalmazásában rejlik.
Jelen gyakorlatsorozat célkitűzése is a tantervi elméleti ismeretek alkalmazásának elősegítése speciális oktatási kurzus szervezésével.
A gyakorlati órák ütemezése és témakörei:
Óra Témakör Dátum
2 Bevezetés, célkitűzés, módszertan 2012. 03. 09.
3 Működési hatásfok és konverzió – definíciók 2012. 03. 09.
2 Működési hatásfok homogén és heterogén rendszerekben 2012. 03. 16.
3 Állandósult (stacioner) és átmeneti (tranziens) folyamatok jellemzése 2012. 03. 16.
5 Rendszer bemeneti (input) paraméterek vizsgálata, feldolgozása, képzése
2012. 03. 23.
5 Rendszer kimeneti (output) paraméterek vizsgálata, feldolgozása 2012. 03. 30.
5 Alkalmazási példák víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek működési hatásfokának vizsgálatára és értékelésére - 1. rész 2012. 04. 20.
5 Alkalmazási példák víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek működési hatásfokának vizsgálatára és értékelésére - 2. rész 2012. 04. 27.
5 Alkalmazási példák víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek működési hatásfokának vizsgálatára és értékelésére - 3. rész 2012. 05. 04.
2. Működési hatásfok és konverzió
A víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek célkitűzése a vizet szennyezőanyag-féleségek el- távolítása a vízből. A vízszennyező anyag-féleségek mennyisége felmérhetetlen; ezért gyak- ran összegző (gyűjtő) minőségi-paramétereket, jellemzőket képezünk (pl.: kémiai oxigén- igény: KOIk, KOIps, UV-abszorbancia stb.). Ezzel a vízminősítéshez szükséges minőségi pa- raméterek számát az igényeknek megfelelően csökkenthetjük, így kellő biztonsággal képet kaphatunk a vizsgált vízminta összetételéről, ami a minősítés fontos feltételét képezi.
A technológiai folyamatnak az egyes szennyező komponensek eltávolítására vonatkozó haté- konyságát a tisztítási hatásfokkal, vagy az azzal konform konverzió fokkal jellemezhetjük.
2.1. Tisztítási fokozatokon belüli vizsgálatok 2.1.1 Mechanikai tisztítási fokozat
A szennyvízrácsok, szitaszűrők eltávolítási hatásfokát a rajtuk naponta eltávolított száraza- nyag mennyiség mLA,r [kg/d] és a rács/szita után vett napi átlagminta összes lebegőanyag tartalmának CLA,1 [g/m3] és a napi vízhozamnak Qd [m3/d]ismeretében az alábbi képletből szá- míthatjuk ki [1]:
LA,1 d r
LA,
r LA,
LA,1 m 0,001 Q C
m
η 100 [%]
A szervesoldószer-extrakt (SZOE) zsír- és olaj-tartalom biológiai fokozattól visszatartása igé- nyelheti a terhelés részletesebb vizsgálatát, elemzését. Minden olyan műtárgyban ahol usza- dék visszatartó merülőfalak vannak felszerelve várható a SZOE-tartalom csökkenése, így szá- molható eltávolítás ezen minőségi paraméter értékének meghatározásával a tisztítási műve- letre vezetett és az onnét elfolyó szennyvízben.
A homokfogó a d≥0,2 mm homokszemcsék és egyéb szervetlen anyagok kiülepítését végzi, oly módon, hogy a szerves lebegőanyag tovább haladhasson. Ehhez megfelelő turbulens á- ramlási viszonyok szükségesek (hosszanti átfolyású műtárgynál pl. v=0,3 m/s=const., áram- lási sebesség, légbefúvásos homokfogónál a légbefúvás intenzitásával szabályozott sebességű forgó vízhenger, tangenciális műtárgyaknál: (Geiger, Pista) hidraulikusan ill. gépi keverővel
Az előülepítők a biológiai tisztítási fokozat előtt az ülepíthető lebegőanyag eltávolítását vég- zik, részben tehermentesítve ezzel a biológiai tisztítási fokozatot. A leválasztott nyersiszap a nagyobb tisztító telepeken alkalmazott rothasztók fontos nyersanyaga. Az ülepítők vizsgála- tánál a be- és kimenő szárazanyag- és szervesanyag-tartalom a legfontosabb információ hor- dozó. A szervesanyag-tartalom. KOIk és/vagy BOI5 méréssel ellenőrizhető. Egyes esetekben szükséges lehet a TKN, a szervesoldószer-extrakt tartalom és a pH ellenőrzése is.
2.1.2. Biológiai tisztítási fokozat
A mechanikai tisztítási fokozatról elfolyó szennyvíz a biológiai tisztító fokozat inputja (belépő terhelése).
A biológiai tisztító fokozat egésze működésének értékelését a mechanikai tisztítási fokozat utolsó műveleti egységéről – mechanikai előtisztítás alkalmazása esetén ez rendszerint a ho- mokfogó, teljes mechanikai fokozatnál pedig az előülepítő – elfolyó, azaz a biológiai tisztító fokozat első műtárgyára ráfolyó és a biológiai tisztító utóülepítőjéről elfolyó szennyvíz pár- huzamos vizsgálatával végezzük. Releváns minőségi paraméter-párok: KOIk, BOI5, NH4-N, öN, öP, esetleg ANA-detergens tartalom; önállóan a bemeneten: TKN, SZOE, összes lebegőanyag-tartalom (LA), pH, esetleg: sótartalom, oldottoxigén- és kötöttoxigén- (NO2, NO3); önállóan a kimeneten: N-NO2, N-NO3, LA.
A biológiai tisztítási fokozaton belül az anaerob, az anoxikus és a levegőztetett (nitrifikációs) reaktorok üzemviszonyainak (beleértve az egyes recirkulációs hányadokat is) vizsgálata is részét képezi a biológiai tisztító rendszer értékelésének.
Kutatási célból vagy speciális ipari szennyvíz tisztítók ill. előtisztítók esetén vizsgálhatók paraméter-párként a szervetlen és szerves mikroszennyezők, a különböző hőmérsékleten inkubált baktériumszámok, parazita szám, tavas tisztító rendszereknél: algaszám, klorofill tar- talom, stb. A biológiai tisztítási fokozat szerves részét képező utóülepítő működésvizsgálata is ide tartozik.
2.1.3. Utótisztítás
A szennyvíz utótisztítása települési szennyvíztisztítóknál leggyakrabban az időszakos, rit- kábban a folyamatos fertőtlenítésre korlátozódik abban az esetben, ha a növényi tápanyag (N és P) eltávolítására a biológiai fokozatba integráltan kerül sor.
Klóros fertőtlenítéskor a szükséges hatékony klóradag meghatározása a cél. A hatékony klór- adag szükséges nagyságát – adott kontakt medence mellett – a biológiailag tisztított szennyvíz minőségi paraméterei, köztük jelentős mértékben a pH és az NH4-N tartalom befolyásolja.
Ha utó-foszforkicsapatásra kerül sor, akkor azt gyakran rapidkoagulációs szűréssel együttesen
Ce,öP<0,5 g/m3, ami a tisztított szennyvíz ipari újrahasználatánál, vagy kiemelten védett befo- gadók (pl. Balaton) esetén lehet követelmény.
2.1.4. Kémiai (vegyszeres) kezelés
A települési szennyvíztisztítók ellentétben egyes ipariszennyvíz-tisztító rendszerekkel – nem alkalmaznak önálló kémiai tisztítási fokozatot, hanem az egyes kémiai/fizikai-kémiai műve- leteket lokalizálva, igény- és alkalom-szerűen használják.
Ennek megfelelően, a jellemzően vegyszer-adagolással járó kémiai műveletek bármely tisz- títási fokozatban alkalmazásra kerülhetnek. (Pl. a mechanikai tisztítási fokozatban a közvetlen kicsapatás, vagy az elő-foszforkicsapatás módszerét alkalmazva az előülepítőben magasabb szervesanyag-leválasztás ill. foszfor-eltávolítás érhető el az előzetesen adagolt és intenzíven bekevert kicsapó vegyszer hatására, mint vegyszeradagolás nélkül. A biológiai fokozatban al- kalmazott kicsapó vegyszer adagolás (szimultán és közbenső kicsapatás) megnöveli a foszfor- eltávolítás mértékét, az adszorbens (aktívszén-por) vagy zeolitpor adagolás befolyásolja az eleveniszap pehelyszerkezetét, befolyásolva ezzel annak fiziológiás és ülepedési tulajdonsá- gait, párhuzamosan adszorpciós és egyéb interakciós hatásokkal. Az utótisztítási fokozat a korábban említett fertőtlenítésen és rapidkoagulációs szűrésen túlmenően felsorakoztathat egyéb fizikai, fizikai-kémiai, biológiai műveleteket az esetleges víz-újrahasználatra vonatkozó igényeknek megfelelően.)
2.1.5. Iszapkezelés
Iszapok a szennyvíztisztítás mindegyik fokozatában keletkeznek. Ezek összetétele és alkal- mazott kezelési módja eltérő. A különböző helyről származó iszapok a tisztító telep önálló iszapkezelő egységében kerülnek feldolgozásra.
Az iszapkezelő rendszer üzeme relatíve önálló, de a tisztítási technológiától nem függetle- níthető. Az iszapkezelés utólagos kiépítése esetén az iszapkezelő rész próbaüzemére a tisztító telepre vonatkozó próbaüzemi eljárást kell értelemszerűen alkalmazni. Az iszapkezelés sajá- tossága a végtermék elhelyezésének/hasznosításának kérdése. Erre vonatkozóan számos jog- szabály, előírás van érvényben. Az elhelyezésre/hasznosításra hatósági engedély birtokában (ami szükség esetén előzetes befogadási szerződésen alapul) kerülhet sor.
0 , i
e , i 0 , i
i C
C
C , vagy
0 , i
e , i 0 , i
i L
L L
Ahol C koncentrációt, L=Q·C tömegáramot jelöl.
A hatásfok százalékos formában is kifejezhető:
(%) C 100
C C
0 , i
e , i 0 , i
i , vagy 100 (%)
L L L
0 , i
e , i 0 , i i
A hatásfokra vonatkozó képletekben a számláló az eltávolított szennyezőanyag mennyiséget (fajlagos vagy összes), a nevező pedig a folyamatba bevezetett mennyiséget (fajlagos vagy összes) jelöli.
3. Működési hatásfok homogén és heterogén rendszerekben
3.1. Víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek vízminőségi követelményei
Amint azt az összes-9 vizsgálatsornál láttuk (2.1.1. pont, 1.Függelék) a természetes víz csak- úgy, mint a szennyvíz nem tekinthető homogén összetételűnek: H2O+X képlettel jellemez- hetjük legegyszerűbben. X fejezi ki mindazon fizikai, kémiai és biológiai tényezőket, amelyek az adott vízféleség minőségét meghatározzák.
Az ivóvíz minősítését az EU-konform, 201/2001. Korm. sz. rendelet mellékleteiben felsorolt minőségi jellemzők alapján végezzük. A tisztítási technológiák tervezésénél az egyes szennyező-féleségekre vonatkozó értékek szolgálnak minimálisan betartandó határértékként.
A szennyvíz minőségére vonatkozó különböző kibocsátási határértékeket az EU-előírásokkal harmonizált 28/2004. KvVM sz. rendelet mellékletei tartalmazzák. Ennek alapján végezzük az élővízbe vezetett tisztított szennyvíz minőségét, ill. ennek figyelembe vételével tervezzük a tisztítási technológiákat.
3.2. Tisztító rendszerek összhatásfoka
A teljes tisztító rendszer összhatásfokát valamely szennyezőanyagra az egyes fokozatok hatásfokának (mechanikai tisztítás: biológiai tisztítás: utótisztítás: 3)
számíthatjuk az alábbi összefüggéssel:
) 1 ( ) 1 ( ) 1 (
1 ö 1 2 3
A tisztítási hatásfokok a mechanikai, a biológiai és az utótisztító fokozatban pedig:
0 1 0
1 C
C C
1 2 1
2 C
C
C
2 e 2
3 C
C C
A tisztítási összhatásfok és az angolszász szakirodalomban használatos konverzió (K) össze- függése (valamely: i szennyezőre):
i,0 e i, i,ö i,ö
i,0 e i, i,0
i,ö C
K C ahol K C 1
C η C
A konverzió is értelmezhető az egyes műveleti lépcsőkre. A teljes tisztítási folyamat összeg- zett konverziója a j=1,2,3…n műveleti fokozatot tartalmazó rendszerben:
4. Állandósult (stacioner) és átmeneti (tranziens) folyamatok jellemzése
4.1. Értelmezések, definíciók
A hidraulikai értelmezésnek megfelelően az időben állandó folyamatokat permanens folyama- tokként nevezzük meg, ellenkező esetben pedig időben szakaszos működésű folyamatokról beszélünk.
A permanens folyamatok – és az időben szakaszos folyamatok a működésük időtartamán be- lül – lehetnek állandóak (ha a technológiai-hidraulikai folyamat paraméterek változatlanok) és lehetnek változóak, ha a technológiai-hidraulikai folyamat valamely meghatározó paramétere változó, ami rendszerint más paraméterek változását is előidézi. Két állandósult vagy egy kez- dő és állandó állapot közötti (változó) átmenetet tranziens folyamatként értelmezünk.
4.2. Szemcsés anyag ülepedésének kezdeti, gyorsuló szakasza
A szemcsemozgás kezdeti gyorsuló (tranziens) szakaszára Newton 2. és Archimedes törvénye alapján, a pillanatnyi erőegyensúly figyelembe vételével érvénye az alábbi összefüggés [3]:
dt a dv , F ) F F dt (
m dv g f s
A felhajtó erővel csökkentett nehézségi (súly-) erő:
6 V d , g ) 6 (
F d
3 k
3
f ,
ahol: V – a gömb alakú szemcse térfogata, – a szemcse sűrűsége,
k – a közeg sűrűsége
A súrlódási (közegellenállási) erő:
2 A v C F
2 k s
ahol: A – a szemcse áramlási irányra merőleges vetülete (homlok-felület)
Gömb alakú szemcse ellenállás tényezője a lamináris áramlási (ülepedési) tartományban:
g v d v Re d g, v d
24 Re
C 24 k
k 1
A gömb alakú szemcse tömegét, vetületi felületét és az ellenállás tényezőt kifejtve és behelyettesítve az alapegyenletbe:
2 0 v 4 d g v d g 24 ) 6 (
d dt dv 6
d 2 2
k k k
3 3
Átalakítva, rendezve és bevezetve a k) jelölést
v 0
d g 18 dt
dv
2
További helyettesítéssel a szeparálható differenciálegyenlet:
v a dt b , dv 0 b v dt a dv
Az integrálást kijelölve:
v dt a b
dv
Az integrálást elvégezve:
C1
t ) v a b a ln(
1
Átalakítva:
C2
t a ) v a b ln(
Az indulási peremfeltétel: t0=0, v0=0, így C2=ln(b) Tehát:
) b ln(
t a ) v a b ln(
Azaz:
t
e a
b v a b
És:
) e 1 a (
v b at
Behelyettesítve a korábbi egyszerűsítő rövidítéseket kapjuk a lamináris mozgástartományra vonatkozó pillanatnyi sebesség értéket t0=0 v0=0 értékről indulva tS , vS értékig, ami a gyorsuló szakasz végét, azaz az egyenletes sebesség beállását jelzi.
d t 2 18
e 2
18 1 d v g
ahol: S g d2
18
v 1 a Stokes-törvény szerinti állandósult, lamináris ülepedési sebesség.
Példa: 4ºC hőmérsékletű ( =1,00 g/cm3), nyugvó vízben =2,65 g/cm3 sűrűségű, d=0,1 mm, gömb alakú szemcsét v0=0 mm/s kezdősebességgel útnak indítunk. Mekkora lesz a
végsebessége és mennyi idő alatt éri azt el?
A végsebesség értéke:
s / m 10 71 , 10 5
575 , 1 18
) 1000 2650 ( 0001 , 0 81 , 9 18
1 d
g 18
v 1 3
3 2 2
S
ahol: g (m/s2), d (m), (kg/m3)
· ·s/m2)
=1,7923/(1+0,033679·T +0,00022099·T2), (T ºC) [4]
Ellenőrzés:
5 , 0 10 625 , 3 10
575 , 1
10 . 10 71 , 5 d
Re v 1
6 4 3
Tehát a lamináris áramlás feltételei teljesülnek.
A folyamat valós feltételei mellett a gyorsulás változó, azaz a=f(t), t0-nál a0=g, tS-nél aS=0, beáll az erőegyensúly, a mozgás állandó sebességű lesz, amelyre már Newton 1. törvénye ér- vényes.
5. Rendszer bemeneti (input) paraméterek vizsgálata, feldolgozása, képzése
(gyakorlati bemutató)6. Rendszer kimeneti (output) paraméterek vizsgálata, feldolgozása
(gyakorlati bemutató)
7. Alkalmazási példák víz- és szennyvíztechnológiai rendszerek működési hatásfokának vizsgálatára és értékelésére
(gyakorlati bemutató)
8. Felhasznált források
[1] Ábrahám F.: Települési szennyvíztisztító telepek próbaüzeme
ROP-3.3.1-05/1-2005-09-0004/34. Szakmaspecifikus tananyaga, Baja, 2007.
[2] Simor J.: Szóbeli közlés a vizsgálatsor sajátos elnevezéséről, 1989.
[3] Kucsera Gy.: Környezetvédelmi műszaki műveletek I. PMMF jegyzet. Pécs 1992.
[4] Troskolański, A. T.: Hydromechanika WNT Warszawa 1968.
[5] Ábrahám F.: Szennyvíztechnológiai tervezés Phare-VÁKUM Projekt, Baja, 1998.
[6] Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen Henef, Mai 2000