Hidrológiai Közlöny 1997 (77. évfolyam)

1-2. szám - 3-4. szám - 3. szám - Dombay Gábor: Biofilmek a vízellátás és csatornázás területén

] 136 HIDROLÓGIAI KÖZLÖNY 1997

. 77. ÉVF. 3. SZ. A biofílm-reaktorok fő hátránya abban jelentkezik, hogy az üzemeltetőnek nem (vagy csak kis mértekben) áll módjában a biofilm-vastagság szabályozása. A 3. pont alapján bebizonyosodott, hogy a reaktor üzeme szempontjából a biofilm-vastagság optimális értéke az aktív vastagság. Ezt a vastagságot meghaladva a biofilm áramlási és tápanyag-átadási problémákat okozhat a reaktorban, valamint megnövekszik a biofilm-erózió és leválás mértéke. A másik probléma a reaktor hosszú beüzemelési ideje lehet, amennyiben kívánatos hosszú felezési idejű (pl. nitrifikáló) baktériumok jelenléte a biofilmben. A vízellátás-csatornázás területén szóbajöhető biofilm-reaktorok három alaptípusát különböztethetjük meg, melyek a - teljes elkeverésű reaktorok, - fixágyas reaktorok, és - fluid-ágyas reaktorok. Teljes elkeverésű reaktorban a biofilm homogén elkeveredésűnek tekinthető folyadéktesttel van érintkezésben. Erre a reaktortípusra a forgó merülőtárcsás szennyvíztisztító berendezés a leggyakrabb példa. Fixágyas reaktorban a biofilm valamely nagy fajlagos felülettel rendelkező hordozóanyagon alakul ki. A hordozóanyag (töltőanyag, ágy) általában szemcsés szerkezetű, vagy egyéb, mesterségesen létrehozott elemekből célszerűen kialakított töltet. A víz, ill. szennyvíz tortuózus mozgáspályán áramolva kerül érintkezésbe a hordozó felületen kifejlődött biofilmmel. A szennyvíztisztításban a leggyakoribb fixágyas reaktorok a csepegtetőtestek, valamint a szervesanyag-eltávolításra és szennyvízutótisztításra széleskörűen alkalmazható bioszűrők (pl. Űllős et al., 1996). Víztisztításban a lassúszűrők tartoznak ebbe a reaktortípusba, de fixágyas biofilm-reaktornak kell tekinteni a partiszűrést és talajvízdúsítást is (Öllős, 1997). Fluid-ágyas reaktorban a reaktor szemcsés töltetét az alulról felfelé mozgó folyadékáram hozza fludizált állapotba. A fluidizált állapot lehetővé teszi kis (0.2-2 mm) átmérőjű töltőanyag alkalmazását. Az ilyen töltőanyag rendkívül kedvező fajlagos felület szempontjából, azonban fixágyas reaktorban igen kedvezőtlen áramlási viszonyokat okozna. A reaktorbeli elkeveredés mértéke a fluidizáció nagyságától függ (Cooper et al., 1981). Jó hatásfokuk és széleskörű alkalmazhatóságuk ellenére a fluid-ágyas reaktorok alkalmazása nem gyakori a víz- és szennyvíztisztítás területén. Ennek oka, hogy a reaktor bonyolult szerkezeti megoldásokat igényel a biomasszaleválasztás és hordozóanyag-visszajuttatás céljából, üzemeltetése pedig csak gondos odafigyelés mellett végezhető. A három reaktortípus folyadék-biofilm kölcsönhatás különbözősége ellenére a reaktorok tervezési alapjai megegyeznek. A reaktor kinetikai egyenletében a reaktorban végbemenő heterogén reakciókat összefoglaló jelleggel globális reakcióráta jellemzi. A globális reakciórátát a lokális mikrobiológiai reakciók, a határfelületi reakciók és a reaktor felület/térfogat arány határozza meg (Bryers et al., 1990): A lokális mikrobiológiai reakcióráta az egyes mikroorganizmusok valamely "S" tápanyag felhasználását jellemzi. A lokális reakcióráta: r

a = f(S tápanyag-koncentráció, hőmérséklet, pH, sejtsűrűség, pE, ...), kg/m

2s. (2) A felületi reakcióráta a lokális mikrobiológiai reakciók eredőjeként értelmezhető, mely a teljes heterogén biofilm-térfogatra vonatkozik. A felületi reakcióráta (vagy összes felületi tápanyag-fluxus): r* = r|r

a (kg/m

2s) (3) ahol ti a külső és belső tápanyag-transzport gátlása miatt szükséges korrekciós tényező, t) = f (diffuzivitás, biofilm-morfológia és -szerkezet, reakció-ráta, víztér S tápanyag-koncentrációja) (4) A globális reakció-ráta: r, = r

a*A/V = r|r

a A/V (kg/m

3s) (5) ahol A a reaktor felülete, m

2, V a reaktor térfogata, m

3. Az általános anyagmérleg, "S" tápanyagra, tetszőleges reaktortípusra: V (S tápanyag akkumulációja) = n = (bejövő S tápanyag-áram) (v, sf

3V) (6) >=i ahol n az "S" tápanyaggal kapcsolatos reakciók száma, Vi,

f az i reakció "S"-re vonatkozó sztöchiometriai koefficiense. Fentiek alapján megállapítható, hogy amennyiben a lokális körülmények által meghatározott legfontosabb mikrobiológiai reakciók rátája ismert, a reaktor tervezése az arra jellemző tápanyag-átadási ellenállás és folyadék-áramlás-felületi érintkezés kapcsolat meghatározására korlátozódik. A tökéletes elkeverésű reaktor általános kinetikai egyenlete: rs ahol: © a reaktorbeli átlagos tartózkodási idő, s, Sj a bejövő "S" tápanyag koncentrációja, kg/m

J, S a kimenő "S" tápanyag koncentrációja, kg/m

5, r, a globális reakció-ráta "S" tápanyagra nézve, kg/m

!s. Az ideális csőreaktor (dugattyúszerű áramlást feltételezve) általános kinetikai egyenlete: s 1 0 = -í — .dS. (8) r s, s A recirkulált ideális csőreaktor: s 1 0 = -(a +1). J —dS, (9) (S,+0S)/(a+l) rS ahol a a recirkulált vízhozam aránya a bemenő vízhozamhoz. Fix-ágyas reaktorok reaktor-kinetikái szempontból ideális csőreaktorként kezelhetők (Bryers et al., 1990) 7. Biofilm-szennyeződés a vízelosztó hálózatban Biofilm-szennyeződés alatt a biofilmek nemkívánatos megjelenését értjük. Vízelosztó hálózatban a biofilm megjelenése - a hidraulikai kapacitás csökkenését, - mikrobiológiai korróziót, valamint - kedvezőtlen vízminőség-változási folyamatokat idézhet elő.