A kutatási program központi célja olyan komplex, több léptéken alkalmazható optimalizálási módszertan kidolgozása volt, amely a szennyvíztisztító telepek technológiai hatékonyságának növelése mellett az energiafelhasználás csökkentését, az energiatermelés fokozását és a regionális szintű üzemeltetési szinergiák kiaknázását is lehetővé teszi. A fejlesztések két, egymással szorosan összekapcsolódó irányban valósultak meg: egyrészt létrejött egy magyarországi szennyvíztisztító telepekre alkalmazható regionális optimalizáló modell, másrészt kidolgoztunk egy iteratív, CFD- és reakciókinetikai modellezésen alapuló telepoptimalizáló módszert az energiahatékonyság növelésére.
A regionális optimalizáló modell fejlesztésének alapját a projekt korábbi szakaszaiban végrehajtott, országos léptékű adatgyűjtés jelentette. Az adatbázisba több mint 100 magyarországi szennyvíztisztító telep került be, amelyek esetében részletesen rögzítettük a telepek felépítési, hidraulikai és üzemeltetési jellemzőit. Az adatállomány többek között tartalmazta a műtárgyak térfogatait és jellemző méreteit, az egyes technológiai egységek teljesítményét, valamint a szárazidei és nedvesidei vízhozamokat, illetve a záporcsúcsokra vonatkozó adatokat.
A DWA-A 131 méretezési és számítási módszertan alapján olyan számítási algoritmust dolgoztunk ki, amely lehetővé teszi a szennyvíztisztító telepek meghatározó üzemeltetési és technológiai paramétereinek egységes rendszerben történő értékelését. A modell segítségével meghatározhatók a mechanikai tisztítás optimális leválasztási hatásfokai, a szükséges biológiai reaktortérfogatok, a biomassza-képződés és az iszapszaporulat, a levegőztetési igény, a recirkulációs arányok, továbbá az optimális iszapkor, valamint az iszapsűrítési és víztelenítési igények. Kiemelt jelentőségű a levegőigény számítása, mivel a biológiai fokozat levegőztetése a szennyvíztisztító telepek egyik legnagyobb villamosenergia-fogyasztó technológiai eleme.
A számított optimális tartományok és a ténylegesen gyűjtött üzemeltetési adatok összevetésével telepenként azonosíthatók azok a beavatkozási lehetőségek, amelyekkel számottevő hatékonyság- és energiamegtakarítás érhető el. A kutatás újszerűsége ugyanakkor abban áll, hogy az optimalizálást nem kizárólag egyedi telepekre végeztük el, hanem regionális szintre is kiterjesztettük. Telepcsoportokat képeztünk, meghatároztuk az optimális iszapszállítási útvonalakat, és a különböző nagyságrendű telepekhez eltérő fejlesztési és üzemeltetési stratégiákat rendeltünk.
A regionális megközelítés egyik legfontosabb eredménye, hogy a kisebb szennyvíztisztító telepeken az iszapkor jelentősen csökkenthető, a legkisebb telepeken pedig akár az iszapvíztelenítés, egyes esetekben az iszapsűrítés helyben történő végrehajtása is elhagyható. A keletkező iszap nagyobb, megfelelő technológiai háttérrel rendelkező telepekre szállítható, ahol a helyben képződő iszappal együtt kezelve és rothasztva többlet biogáztermelés és ebből további villamosenergia-termelés érhető el. Ezzel az egyedi telepekre koncentráló optimalizálási szemlélet regionális erőforrás- és energiagazdálkodási stratégiává alakítható, amely műszaki, energetikai és gazdaságossági szempontból egyaránt kedvezőbb megoldásokat eredményezhet.
A kutatás fontos eredménye, hogy az elméleti fejlesztések gyakorlati alkalmazási fázisba is eljutottak. A kidolgozott módszerek és javaslatok a Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telepen és a Debreceni Szennyvíztisztító Telepen kerültek részletes alkalmazásra, ahol a kapcsolódó tervezési és kivitelezési feladatok megvalósítás alatt állnak. Mintaterületként vizsgáltuk továbbá a Siófoki Szennyvíztisztító Telepet és annak környezetében három kisebb telepet mint reprezentatív regionális telepcsoportot, valamint a biatorbágyi, a százhalombattai és a budakeszi, membrántechnológiát alkalmazó szennyvíztisztító telepeket is.
A szennyvíztisztító telepeken szerzett tapasztalatokra építve a kialakított benchmarking- és optimalizálási szemléletet más víziközmű-rendszerekre is kiterjesztettük. Ivóvíztisztító telepek esetében a tisztítási hatékonyság és az energiaigény összehasonlítására alkalmas benchmarkrendszert fejlesztettünk, míg a vonalas közművek – ivóvízellátó hálózatok, szennyvíz- és csapadékvíz-csatornák – esetében az üzemeltetési energiaigény és a rekonstrukciós szükségletek együttes értékelésére dolgoztunk ki módszertani alapokat.
A program másik meghatározó fejlesztési iránya egy iteratív telepoptimalizáló séma kidolgozása volt, amely közvetlenül a szennyvíztisztító telepek energiafogyasztásának csökkentését és saját energiatermelésének növelését célozza. A módszertan a korábbi kutatások során egyes műtárgyakra kialakított számítási és modellezési tapasztalatokat foglalja egységes rendszerbe. A mechanikai tisztítási műtárgyak esetében CFD-modellezést, míg a biológiai tisztítási fokozatoknál kapcsolt CFD- és reakciókinetikai modelleket alkalmazunk. Ennek révén együttesen vizsgálhatók az áramlási sebességek, a turbulencia, a keverés, a levegőztetés, az oxigénbeoldódás és a biológiai reakciók.
A cél kettős: a szennyvíztisztítási vonalon csökkenteni a technológiai energiafelvételt, az iszapvonalon pedig a rothasztás hatékonyságának javításával növelni a biogáz- és villamosenergia-termelést. A megközelítés különös jelentőségét az adja, hogy a hazai nagyobb, megyeszékhelyi szennyvíztisztító telepeken az energiaönellátási arány jellemzően csak 40–60% körüli. A fejlesztések ezért hosszabb távon azt szolgálják, hogy a telepek energiafüggetlensége jelentősen növekedjen, és teljesíthetővé váljanak az új uniós települési szennyvízkezelési követelmények energiahatékonysági és energia-semlegességi célkitűzései.
A módszer nagyléptékű alkalmazása során részletesen vizsgáltuk egy nagy szennyvíztisztító telep főbb technológiai egységeit. A telepi átemelő, a homokfogó, az előülepítők, a biológiai fokozat, az utóülepítők és az iszapkezelési rendszer optimalizálása egyaránt a vizsgálatok részét képezte. A homokfogónál több új áramlástechnikai összefüggést tártunk fel, többek között a légoszlop pulzációjával és az optimális légbefúvási magassággal kapcsolatban. Az előülepítőkhöz új, innovatív vízbevezető műtárgyat fejlesztettünk, amelynek szabadalmi oltalom alá helyezése is cél.
További innováció a biológiai fokozatra vezetett szennyvíz mennyiségi és minőségi összetételének dinamikus optimalizálása. Ennek során az optimalizált előülepítőt szabályozható bypass-árammal egészítjük ki. Így az előülepítés hatásfoka folyamatosan magas szinten tartható, miközben a biológiai tisztítás számára szükséges szervesanyag-terhelés a beérkező szennyvíz mennyisége és összetétele, valamint az iszapvíztelenítésből származó, magas szennyezőanyag-koncentrációjú csurgalékvíz függvényében szabályozható. A szabályozás alapját egy célzott online monitoring rendszer képezi.
A biológiai tisztítási fokozat optimalizálásának további kulcseleme az adaptív iszapkor-szabályozás. A reakciókinetikai számítások alapján az optimális iszapkort nem csupán egy téli és egy nyári célértékkel határozzuk meg, hanem a teljes hőmérséklet-tartományban finom, például 2 °C-os lépésekben számítjuk. Ennek köszönhetően az iszapkor folyamatosan igazítható a szennyvíz aktuális összetételéhez és hőmérsékletéhez. Ez különösen tavasszal és ősszel eredményezhet jelentős energiamegtakarítást, amikor a hagyományos téli–nyári üzemállapotok közötti váltás nem képes megfelelően követni a változó körülményeket.
A kutatás további eredményei közé tartozik a szívókotrós utóülepítők hatékonyabb, újszerű bevezető műtárgyának kialakítása, valamint a rothasztók hatékonyságnövelésére kidolgozott fejlesztési koncepció. Az iteratív optimalizálási módszerben megfogalmazott műszaki javaslatok szintén megvalósítási fázisba léptek a Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telepen és a Debreceni Szennyvíztisztító Telepen.
A kutatási program eredményeként így két, egymást kiegészítő, 100%-ban kidolgozott fenntartható technológiai megoldás jött létre. A regionális telepoptimalizáló modell lehetővé teszi a szennyvíztisztító telepek hálózatszerű, regionális együttműködésének optimalizálását, különös tekintettel az iszapkezelésre, a biogáztermelésre és az energiahasznosításra. Az iteratív telepoptimalizáló módszer pedig CFD- és reakciókinetikai modellek, online monitoring és adaptív üzemirányítás segítségével az egyedi telepek technológiai és energetikai működését javítja. A két megközelítés együttes alkalmazásával az egyedi műtárgyszinttől a teljes telepen át egészen a regionális teleprendszerekig terjedő, integrált optimalizálási keretrendszer alakult ki, amely alkalmas a hazai víziközmű-szektor energiahatékonysági, gazdaságossági és fenntarthatósági céljainak támogatására.
- 1. táblázat: Az egyes telepnagyságrendek költségcsökkentési célkitűzései
