Hidrológiai Közlöny 1969 (49. évfolyam)

3. szám - Horváth Imre: Az eleveniszapos szennyvíztisztítás néhány reakciókinetikai és reaktortechnikai kérdésének hasonlóságelmélet vizsgálata

Hidrológiai Közlöny 1969. 3. sz. 127 SZENNYVÍZTISZTÍTÁS Az eleveniszapos szennyvíztisztítás néhány reakciókinetikai és reaktortechnikai kérdésének hasonlóságelméleti vizsgálata HORVÁTH IMRE* 1. Bevezetés A Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézetben 1962-ben vettük fel tématervbe „A hasonlóságelmélet alkalmazása a szennyvíztisztítási technológiában" c. kutatási témát [8]. A kitűzött cél a szennyvíztisztító műtárgyak, különösen a levegőztető reaktorok méretnövelési, modellezési lehetőségeinek vizsgálata volt. Az elért eredményekről a szakirodalomban több közleményben és előadásban beszámoltunk [9—14]. Az 1966-ban Münchenben megtartott III. Nemzetközi Szennyvíztisztítási Konferenciára készült előadásban az INKÁ- ós a Kessenerrendszerű levegőztető medencék méretnövelési kérdéseit részleteiben is kifejtettük [9], Az említett kutatási téma keretén belül elsősorban általános alapelveket tisztáztunk, és néhány hidraulikai, anyagátadási (oxigéndiffuziós) feladat modellezhetőségét vizsgáltuk. A kutatási témát ezen túlmenően elsődlegesen munkaprogramnak tekintettük, amely alapul szolgált eddig is és szolgála jövőben is egy folyamatos kutatási munkában, aminek során a szennyvíztisztítási technológiában alkalmazott fontosabb műveleteket mélyebben megismerjük és a modellezési lehetőségeket, feltételeket meghatározzuk. Az eddigi munkánk során elsősorban a levegőztető medencékben lejátszódó hidraulikai [10, 11] és oxigénfelvételi [12, 13] folyamatokat elemeztük részleteiben. E két témakörrel kapcsolatban elért eredmények összefoglalójának az 1967-ben készült munkánkat tekintjük, amelyben az INKA-, a Kessener- és a függőlegestengelyű levegőztető rendszerek hidraulikai és oxigénfelvételi folyamatait és azok méretnövelési kérdéseit elemeztük részletesebben [17]. A kutatási munka folytatásaként a továbbiakban kísérletet teszünk az eleveniszapos szennyvíztisztítás reakciókinetikai, reaktortechnikai kérdéseinek a hasonlóság elmélet alapján történő visgálatára a rendszerek összehasonlíthatóságára és modellezhetőségére való különös tekintettel. Már eddig is tettünk néhány megállapítást ilyen vonatkozásban [8, 10, 14], azonban a témakört részletesebben a továbbiakban fogjuk kifejteni. Jelen tanulmányt e célkitűzés első lépésének tekintjük. Végül megemlítjük, hogy a vegyészmérnöki szakirodalomban több alkalommal részletesen tárgyalták a reakciókinetikai és általában a kémiai hasonlóság kérdéseit. Itt elsősorban G. Damköhler, It. E. Johnstone, M. W. Thring és G. K. Djakonov munkássága emelhető ki [24— 27]. Jelen tanulmány megírásakor hasonlóságelméleti szempontból elsősorban az említett szerzők munkáiból indultunk ki. Hangsúlyozzuk azonban, hogy konkréten az eleveniszapos szennyvíztisztítás reakciókinetikai kérdéseinek vizsgálatában a hasonlóságelmélet módszereit — tudomásunk szerint — ezideig nem alkalmazták. * Vízgazdálkodási Tudományos Kutató Intézet, Budapest. 2. Az alapvető reakciókinetikai ősszeliiggések, és az azokból adódó invarianciafeltételek A szennyvíztisztítási folyamatok vizsgálatakor ma már egyre elterjedtebben alkalmazzák a különböző vegyipari műveletek alapelveit és kutatási módszereit. Így a reakciókinetikai és a reaktortechnikai alapelvek alkalmazása már szinte általánosnak mondható a különböző vízés szennyvíztisztítási folyamatok elemzésekor. Elsősorban az eleveniszapos szennyvíztisztítás aerob tisztítási fokozatainál [2, 3, 6, 20, 23], hasonlóképpen az anaerob tisztítási lépcsőknél is [1] hasznos módszernek bizonyul a reakciókinetika és a reaktortechnika. Sőt analógiák révén bizonyos fizikai folyamatok, mint pl. az ülepítés is vizsgálható a fenti elvek és módszerek segítségével. Az eleveniszapos szennyvíztisztításban általában az ún. kétszakaszos elméletet (two-phase theory), ós az enzimkinetikai elméletet alkalmazzák. A kétszakaszos elméletet elsősorban W. W. Eckenfelder, B. J. McCabe, D. J. O' Connor és E. F. Gloyna dolgozták ki [5, 6, 18]. Az elmélet lényege abban áll, hogy a baktóriumszaporodás ill. a tápanyageltávolítás két, eltérő reakciókinetikai összefüggésekkel jellemezhető fokozatban játszódik le. Az első fokozatra a tápanyag felesleg, a másodikra a tápanyag kimerülése a jellemző. Az enzimkinetikai elméletet elsősorban a Nobel-díjas J. Monod [19] és D. Herbert [7] munkássága nyomán alkalmazzák a szennyvíztisztítási folyamatok vizsgálatában. Az elmélet lényege abban áll, hogy a baktériumsejtek szaporodását jól jellemzi az ún. Michaelis—Menten-féle összefüggés, amely elsődlegesen az enzimek hatására végbemenő biokémiai reakciók sebességét írja le. További fejtegetéseink során nem kívánunk részleteiben foglalkozni az egyes kinetikai elméletekkel, mivel ázok a vonatkozó szakirodalomban megtalálhatók. A célkitűzésünknek megfelelően az egyes elméletek kinetikai összefüggéseinek invariancia-kérdéseit vizsgáljuk, ami a különböző rendszerek összehasonlíthatósági, méretnövelési feltételei megállapításának alapját képezi. Így ismertnek tételezzük fel az említett elméleteket és azok kinetikai összefüggéseit. Az egyes kinetikai elméletekkel kapcsolatban célszerűnek tartjuk megjegyezni, hogy helytelen egyik vagy másik használhatóságát túlbecsülni. Legfeljebb arról lehet szó, hogy egyik vagy másik alkalmazhatósági köre szélesebb. A szennyvíztisztítási folyamatok során a reakciók tényleges mechanizmusát távolról sem ismerjük. A reakciókinetikafenomenológikus leírására pedig adott esetben, mind a kétszakaszos elmélet, mind az enzimkinetikai elmélet, vagy egyéb kombinált megoldások összefüggései elvileg alkalmasak lehetnek, (bár a kétszakaszos elméletnek kétségtelenül hibája az első és a nulladrendű sebesség függvénye által a reakciósebesség—tápanyagkoncentráció összefüggésben meghatározott töréspont feltételezése). Véleményünk szerint azonban az említett kinetikai elméletekkel kapcsolatban nem célszerű mereven állást foglalni. A gyakorlat dönti el, hogy mely esetben melyik összefüggés írja le helyesebben a folyamatot. E megállapítást