FOLYÓVIZEK OXIGÉN HÁZTARTÁSA

EGYSZERŰ O2 HÁZTARTÁS OXIGÉNBEVITEL SZENNYVÍZ SZERVESANYAG (BOI5) O2 HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK (LEBONTÁS)

SZENNYVÍZ HATÁSA (EMISSZIÓ – IMMISSZIÓ) BOI5 emisszió nő, BOI5 koncentráció nő, oldott O2 koncentráció csökken (és fordítva) O2 fontos vízminőségi indikátor VÍZMINŐSÉGI OSZTÁLYOZÁS (O2 esetére) nyers szennyvíz: O mg/l telítési koncentráció “tiszta” vízben (Henry törvény): ~ 10 mg/l (20 °C ) halak megóvása, szaporodása:  6 mg/l eltérő érzékenység: ivadék kora, halfajok (pl. pisztráng 6-7 mg/l, ponty 4 mg/l) vízhasználatok integrált osztályozás

MÉRLEG FOTOSZINTÉZIS MELLÉKFOLYÓK LÉGZÉS LÉGKÖRI DIFFÚZIÓ ÜLEDÉK SZERVESANYAG (C, N) Oldott oxigén egyenlet:

Szerves szén (C) lebontása Oxigén fogyasztás (BOI: 2.7 g O2 = 1 g szerves C) L nap O2 fogyasztás L0 BOI L – maradék oxigén igény 5 BOI5 1. rendű kinetika (exponen-ciális) L0 = BOI L (t) = L0 exp(-k1t) BOI = L0- L0 exp(-k1t)=L0 (1-exp(-k1t)) BOI5 = BOI - BOI exp(-k15)= BOI (1-exp(-k15))

Lebontási folyamatok sebességét jelzi, kinetikai állandó Lebomlási tényező (k1) Lebontási folyamatok sebességét jelzi, kinetikai állandó Dimenzió: 1/nap Hőmérsékletfüggő T Tlimit Érvényesség! 20C 1  = 1.04 Függ a szennyvíztisztítás mértékétől Technológia k1(T=20C) f Nincs tisztítás 0.35 1.2 Mechanika 0.2 1.6 Mechanika+kémiai kicsapatás 0.15 2.0 Biológiai tiszt. 0.08 3.2

Oxigén bevitel (légköri diffúzió) C < Cs C Cs – telítési koncentráció Henry törvény: p = He Cs p – parciális nyomás He – Henry szám f(T, P, sótartalom, stb.) T Cs sótartalom T Cs (mg/l) 14.6 15 10 20 9 25 8.4 30 7.6

Oxigén bevitel (légköri diffúzió, film elmélet) C h Molekuláris diff. tényező (m2/s) V Oxigén átadási tényező (m/nap) Fajlagos oxigén beviteli tény.(1/nap) Megoldás: exponenciális (D = CS - C)

Oxigén beviteli tényező (k2) Mi befolyásolja? - Áramlás jellemzői: turbulencia - Vízmélység, sebesség - Empirikus összefüggések - Érvényesség, dimenzió és kis H!!! EPA procedúra k2  0.1 .. 100 (1/nap) Mérés Helyszíni nyomjelzős kísérletek illékony gáz injektálásával (etilén, propán, propilén, kripton)

Atmospheric Reaeration Depth, (m) Depth, (ft) Method of Covar (1976) Uses formulae of: O’Connor & Dobbins Churchill Owens-Gibbs Input stream velocity and depth of flow Select kr (d-1) at intersection of flow and depth coordinates CEE 5134 - 10 - Fall, 2007

Reaeration Coefficient Estimation from Stream Descriptions Water Body Description kr (days-1 20 oC) Small ponds and backwaters 0.10-0.23 Sluggish streams and large lakes 0.23-0.35 Large streams of low velocity 0.35-0.46 Large streams of normal velocity 0.46-0.69 Swift streams 0.69-1.15 Rapids and waterfalls > 1.15 Source: Peavy, Rowe and Tchobanoglous, 1985 CEE 5134 - 11 - Fall, 2007

Simplified Schematic Representation of Model Assume PF and define control volume as a unit rectangle Control volume moves downstream at constant velocity Determine the initial oxygen content after mixing (L0) Compute DO at any time by solving differential equation for BOD exertion and atmospheric reaeration CEE 5134 - 12 - Fall, 2007

Folyóra Q, v Lh, Ch q, Lszv, Cszv Feltételek: permanens (Q(t), E(t)=konst, 1D (azonnali elkeveredés), prizmatikus meder Szerves C (BOI) egyenlet: Vagy: levonulási idő (utazunk a folyón) L0 számítása (1D): azonnali elkeveredés!

Folyóra Q, v Lh, Ch q, Lszv, Cszv Oldott oxigén (inhomogén lineáris diff. egyenlet) : D = Cs - C deficit

Folyóra Q, v Lh, Ch q, Lszv, Cszv L0 x, t* L Lh Cs Ch x, t* D0 C C0 Dmax Cmin xkrit, t*krit

Components of the Oxygen Sag Curve

Definitions for the DO Sag Curve CEE 5134 - 17 - Fall, 2007

Kritikus hely meghatározása Minimum:  1.5 – 2 nap  2  0 Hígulás: L0, D0  Dmax, Cmin. Szabályozás. Iteráció. Mérés! Több szennyező: szuperponálható

Több szennyvízbevezetés Q, v Lh, Ch q1, Lszv1, Cszv1 q2, Lszv2, Cszv2 L Lh L0 C Ch C0 Cs Cmin xkrit, t*krit D0 Dmax x, t* Lh2 x, t* Ch2 Do2

Streeter-Phelps (1925) oxigén modell Szervesanyag lebomlás egyenlete (L: BOI∞) Oldott oxigén egyenlete (C: O2) Továbbfejlesztések: Nitrifikáció egyszerűsítve Nitrifikáció részletesebben Szervesanyag oldott és ülepedő frakciók különválasztása Üledék oxigén igénye Fotoszintézis, légzés Speciális eset: anaerob szakasz számítása

Nitrifikáció egyszerűsítve 5 20 nap BOI BOIN Kjeldahl N (Szerves N, NH4-N) - LN --> mérés BOIC Két lépés: Nitrosomonas 2NH4+ + 3O2  2NO2- + 2H2O + 4H+ Nitrobacter 2NO2- + O2  2NO3- 3.43 g O2 1.14g O2 : 4.57 g O2 Feltételek: - Nitrifikáló (aerob autotróf) baktériumok, - Lúgos környezet (pH > 6), - Oxigén jelenléte, oldott oxigén > 1-2 mg/l, - Toxikus anyagok gátolják! - Hőmérsékletfüggő - Legegyszerűbb leírás: L = BOIC + BOIN LN=BOIN = 4.57KN

Hidrolízis, ammonifi-káció Nitrifikáció N forgalom Növényi asszimiláció N1 – szerves N, N2 – NH4-N N3 – NO2-N, NO3-N N1 N2 N3 Hidrolízis, ammonifi-káció Nitrifikáció Ülepedés Denitrifikáció O2 N1 N2 N3 Oldott O2 egyenletbe: - knitrif 4.57 N2

Szervesanyag oldott és ülepedő frakciók különválasztása Lp = fp L partikulált Ld = fd L oldott t L0 ülepedés biológiaioxidáció

Szennyvízbevezetés alatti szakaszon Üledék oxigén igénye Okok: szennyvíz ülepedő részecskéi iszapréteget képeznek elhalt növények, falevelek felhalmozódása alga ülepedés Magas szervesanyag tartalmú üledék (iszap): felső részében aerob, alsó részében anaerob lebomlási folyamatok  oxigén elvonása a vízből lebomlás  CO2, CH4, H2S képződés gázképződés  felszálló buborékok, iszap flotációja esztétikai problémák Közelítés: konstans (?) megoszló terhelés (S) „SOD” S (g O2 / m2,nap) Üledék S (gO2/m2,nap) Települési szennyvíz(iszap) bevezetés környezetében 2-100 (4) Szennyvízbevezetés alatti szakaszon 1-2 (1.5) Homokos üledék 0.2-1 (0.5) Árapályos folyamtorkolati iszap 0.05-0.1 (0.07)

Napi átlagos O2 termelés Pm mérésből: Pa Fotoszintézis, légzés Napfény, glükóz 6CO2 + 6H20  C6H12O6 + 6O2 Fotoszintézis (P mgO2/m3,nap) Sötétben 6CO2 + 6H20  C6H12O6 + 6O2 Légzés (R mgO2/m3,nap) t (h) P, R 24 Pm Napi átlagos O2 termelés Pm mérésből: Pa t1 t2 fotoperiódus túltelítettség t (h) O2 24 R, P számításból: alga egyenlet (Klorofill-a * a = P) Cs C Oldott O2 egyenletbe

Oxigén vonal (ill. összes oldott oxigén deficit) számítása Deficit kezdeti értéke Szerves C lebontás Nitrifikáció Üledék oxigén igénye Fotoszintézis Vízinövényzet légzése

Anaerob szakasz számítása Nagy terhelés Időszakos vagy állandósult anaerob állapot Anaerob lebomlás, gázképződés, fémek visszaoldódása 1. Anaerob szakasz kezdete: x1 (C=0) L t* L1 L2 2. Anaerob szakasz: x1 x2 C t* 3. Anaerob szakasz vége: x2 x1 x2

Példa: Szennyvízbevezetés hatása a befogadó oldott oxigén koncentrációjára (1 D, permanens) Települési szennyvíz jellemzői: LE 120 000 BOI5 koncentráció: 600 mg/l Kjeldahl N: 120 * 4.57 = 548 mg/l q = 120 000 * 0.1 = 12000 m3/nap = 0.14 m3/s Befogadó vízfolyás jellemzői: Háttér koncentrációk: Lh = 5 mg/l, Ch = 8 mg/l T = 25 C, v = 0.5 m/s, Q = 15 m3/s, Cs = 8.4 mg/l k1 = 0.42 1/nap, k2 = 0.7 1/nap Kezdeti értékek: L0 = 16.6 mg/l, D0 = 0.47 mg/l Kritikus hely: tkrit = 1.9 nap, xkrit = 82 km Cmin = 3.6 mg/l Hígulás szerepe

Vízminőségi hatások különböző hígulási viszonyok esetén DC = f (Q/q) DC Hígulási arány (Dilution) DO sag: Streeter & Phelps (1925)

Lebomlás (nem konzervatív anyagok) Szerves (szennyvíz) terhelés hatása az oldott oxigén koncentrációra Kritikus hely

Kommunális szennyvízbevezetések (2015) Befogadó víztestre számított hígító kapacitás Szennyvízzel terhelt vízfolyások ökológiai állapota, különböző hígulási viszonyok mellett

Az oxigén beviteli tényező hatása a kritikus oxigén koncentrációra, különböző hígulási arányok mellett

Következtetések a befogadó terhelhetőségétől függően a szennyvíztisztítási technológia megválasztására Hígulás (befogadó/szennyvíz hozam aránya, Q/q) a vízminőségi hatás szempontjából (oxigén viszonyok) meghatározó. A szennyvíztelepeken nitrifikáció előírása fontos, Dombvidéki vízfolyáson Q/q<30, Síkvidéki vízfolyásnál Q/q <100, Pangó (kis esésű) víznél Q/q <200 esetén.

Szabályozás: oxigén háztartás javítása Emisszió csökkentésének eszköze: Szennyvíztisztítás Települési (kommunális szennyvíz) – BOI, kN Ipari szennyvíz: élelmiszeripar (konzervgyár, vágóhíd, húsüzem, cukorgyár, szeszipar stb – BOI,KOI, kN), vegyipar (műtrágyagyártás – NH4), papírgyártás (KOI) Eleveniszapos szennyvíztisztító telep kémiai kicsapatással Mechanikai tisztítás+kémiai előkezelés Biológiai tisztítás

Rácsszemét kiszűrése Durvarács: 6-60 mm Finomrács: 4-6 mm

Homokfogó Gépészet, kiülepedés, lerakódások elleni védelem Szemcseátmérő: 0.1-0.2 mm

Előülepítő Nyersiszap leválasztása

Biológiai (eleveniszapos) tisztítás Levegőztető medence + utóülepítő Feladata: Szervesanyagok eltávolítása (BOI5) NH4-N oxidációja (nitrifikáció) Biológiai P eltávolítás Denitrifikáció

Biológiai (eleveniszapos) tisztítás Iszapkor 1-2 nap 2-7 nap > 7 nap

Biológiai (eleveniszapos) tisztítás: utóülepítő Ülepíthető iszap szerkezet Fonalasodás Forrás: Patziger, 2007

Szennyvíztisztítási technológiák relatív költsége és tisztítási hatásfoka Szennyvíz tisztítási technológia Rel. költségek Tisztítási hatásfokok (%) N formák aránya (%) Ber Üzem BOI ÖN ÖP NH4 NO3 Mechanika 1.0 30 5 15 100 M + Kicsapatás 1.09 1.5 55 75 Nagyterhelésű biológia 1.40 1.7 92 25 Kisterhelésű biológia 1.70 2.0 95 Nagyterhelésű Bio + P 1.45 90 Kisterhelésű Bio + P 1.75 2.3 NB +P +részleges N 1.95 2.4 60 NB + P + teljes N 2.40 3.0 85

Délpesti szennyvíztisztító telep - Budapest Technológia: Alap: nagyterhelésű biológiai tisztítás Biofilterek: nitrifikáció és denitrifikáció (methanol adagolással) Kémiai P eltávolítás (szimultán és utó kicsapatás) Iszap rothasztás + biogáz hasznosítás (kb. az energiaszükséglet 2/3-a) Nyers szennyvíz* mg/L Elfolyó tisztított szennyvíz mg/L KOI 550 50 BOI5 300 10 Tot-N 12 Tot-P 8 1 ÖLA 200 5

Északpesti szennyvíztisztító telep - Budapest Technológia: Nagyterhelésű eleveniszapos (Szovjet technológia) Fejlesztés: (2004) Részleges nitrifikáció Kémiai előkezelés szeparált medencékben Iszap víztelenítés, rothasztók Nyers szennyvíz mg/L Elfolyó tisztított szennyvíz KOI 582 61 BOI5 358 12 Tot-N 47 31 Tot-P 8 2 ÖLA 225

Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telep

Oroszlány: Membrán (MBR) technológia (2004)

Oroszlány MBR tisztítási hatásfokok: Nyers szennyvíz Tisztított víz Határérték KOI mgO2/l 1045 19 75 BOI5 mg/l 496 3,0 25 pH 7,72 7,94 6,5-9 ÖN mg/l 124,5 6,0 30 ÖKN mg/l 122,5 1,3 NO3 mg/l 0,6 36 NH4 mg/l 88 0,12 5 ÖP mg/l 9,3 1,8 2 ÖLA mg/l 383 100 Összes oldószer extract mg/l 43 0,7

GYÖKÉRMEZŐS TISZTÍTÁS - SZÜGY

ÉPÍTETT VÍZINÖVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK LEBEGŐHÍNÁROS RENDSZER

Forrás: Guti Gábor (OFKD, 2012)

FAÜLTETVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK

TAVAS SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK A tavak az I., a II. vagy a III. tisztítási fokozat szerepét töltik be. Utótisztításként is alkalmazzák. Általában sorbakötött tó-egységek: Anaerob tó 3 – 5 m vízmélységgel Fakultatív tó 1,2 – 1,8 m vízmélységgel Utótisztító aerob tó 0,7 – 1,0 m vízmélységgel A fakultatív tóban lejátszódó átalakítási folyamatok

Egyéb pontszerű szennyezőforrások és a terhelés csökkentés eszközei: Állattartó telepek (BOI, NH4-N) Megfelelő trágyatárolás Hígtrágyás állattartás  almos trágyázás, Mezőgazadasági felhasználás (újrahasznosítás) Hulladéklerakók csugalékvizei Megfelelő műszaki védelem Rekultiváció (felhagyott) Halastavak vízleeresztése Jó tógazdálkodási gyakorlat Leeresztés korlátozása Termálvíz bevezetés Visszasajtolás (csak hő hasznosítása esetén) Tározás visszavezetés előtt

Állattartó telepek Közel 8500 db. nagy létszámú és további 60 ezer kis létszámú állattartó telep található Magyarországon (OVGT, 2012) Nagy létszámú állattartó telepek száma és a nagy létszámú telepekre becsült állatlétszám a részvízgyűjtőkön 2007-ben (db): Előírások a trágyatárolásra: Helyes Mezőgazdasági Gyakorlat (HMGy) szabályainak bevezetése; Szabályos trágyatároló megépítése. (Az egységes környezethasználati engedélyre kötelezett állattartó telepek esetében 2010.10.31-ig, a többi nagy létszámú telepnél a határidő 2011.12.31. , kis létszámú állattartó telepek hígtrágyatárolóinak legkésőbb 2014. január 1-ig, míg istállótrágya-tárolóinak legkésőbb 2015. december 22-ig kell a követelményeknek megfelelni.)

Haszonállatok fajlagos emissziói (kg/egyed/év) BOI ÖN ÖP Szarvasmarha 140 90 30 Tejelő tehén 200 36 Sertés 35 12 Ló 61 10 Birka 3.2 1 Baromfi 0.7 0.12

Halászati hasznosítás formái: természetes vízi halászat intenzív haltermelés tógazdasági haltermelés Környezeti hatások: Leeresztett víz minősége nem megfelelő (-) Hosszirányú átjárhatóság akadályozása (-) Európai jelentőségű a halastavak fészkelő, és vonuló madárállománya (+) A halastavak eredet szerinti megoszlása: Hazai statisztikák (OVGT, 2010): 640 halastó, 34660 ha 1325 horgásztó, 110100 ha

Forrás: Ősz Ágnes (OFKD dolgozat, 2012)

Varsád, tógazdaság, 6. telelő tó, intenzív tápos etetés Gödöllő, horgászegyesület, I. tó, intenzív etetőanyagos ellátás Forrás: Ősz Ágnes (OFKD dolgozat, 2012)

A termálvíz kutak vízminőségi adataiból számított átlagkoncentrációk és a vízfolyásokra számított átlagkoncentrációk összehasonlítása (arány: kút / folyó) Elsődleges probléma: hő és sótartalom (sóösszetétel) További problémák lehetnek: a termálvíz fenol, PAH, TPH tartalma

Termálvíz – befogadó párokra számított hígulási arányok eloszlása (több kút esetén az összegzett terhelésre számítva)

Következmények: Szubtrópusi fajok elterjedése, Sótartalom tartós megemelkedése „kettős” állapot a vízforgalomtól függően

Elhelyezési lehetőségek: Visszasajtolás a vízadó rétegébe, vagy ettől eltérő vízadó rétegbe Közvetlen bevezetés felszíni vizekbe azok ökológiai és kémiai állapotának lényeges romlása nélkül. Felszíni vizekbe vezetés, kezelés után (pl. halastavi pihentetés, természet-közeli tisztítás, fordított ozmózis, stb.). Természet-közeli tisztítási módszerek alkalmazása Fordított ozmózis Használt termálvíz környezetkímélő elhelyezése létesített vizes élőhelyeken Az egyik szentesi hűtőtó (Fotó: dr. Szilágyi Ferenc)

Települési diffúz szennyezések csökkentése: Csatornázatlan települések - szikkasztott szennyvíz Csatornázás, rákötés a meglévő rendszerre - illegális szennyvízbevezetések felszámolása Házi szennyvíztisztítók (oldómedence + szikkasztás) – szakszerű egyedi szennyvízelhelyezés Belterületi állattartás szabályozása (trágyatárolás – szigetelés, fedés) Felszíni szennyeződések lemosódása Köztisztasági tevékenység Lefolyás szabályozás (vízvisszatartás – beszivárogtatás, lefolyás hullám késleltetése tározással) Csatornázás: egyesített rendszer  elválasztott rendszer

Egyszerű oldómedence és hagyományos (szikkasztásra alkalmas helyi talajban kialakított) dréncsövezett szikkasztó rendszer Bővített oldómedence, kis mélységű, homokkal töltött árkos szikkasztó rendszer és adagoló szivattyú Bővített oldómedence, homokszűrő és dombként kiemelkedő rendszer, adagoló szivattyúkkal

Esemény-átlagkoncentráció (EMC) középértékek Átlagos városi helyszín felszíni lefolyásának vízminőségi jellemzői a National Urban Runoff Project (NURP) felmérése alapján Szennyezőanyag Esemény-átlagkoncentráció (EMC) középértékek Medián 90%-os percentilis Összes lebegőanyag [mg/l] 141–234 424–671 BOI5 [mg/l] 10–13 17–21 KOI [mg/l] 73–92 157–198 Összes foszfor [mg/l] 0,37–0,47 0,78–0.99 Oldható foszfor [mg/l] 0,13–0,17 0,23–0,30 TKN [mg/l] 1,68–2,12 3,69–4,67 NO2+3-N [mg/l] 0,76–0,96 1,96–2,47 Összes Cu [mg/l] 38–48 104–132 Összes Pb [mg/l] 161–204 391–495 Összes Zn [mg/l] 179–226 559–707

Szennyezőanyag lemosás: „first flush”

Vízvisszatartás: porózus burkolat kivitelezése vízáteresztő és vízzáró altalaj esetén

Füvesített árok Homokszűrős víznyelő

Időszakos tározómedence sémája

Állandó tározómedence sémája

Eszközök a befogadó oxigén háztartás javításához Öntisztulás javítása, oxigén bevitel fokozása: Fenéklépcső, fenékküszöb,bukó stb. (hosszirányú átjárhatóság korlátozása miatt ökológiai szempontból nem jók), szűkület, surrantó Iszapkotrás, üledék eltávolítása (folyók, tavak) Természetközeli (ökológiai szemléletű) mederrendezés Kanyargós meder (meanderezés), parti zóna megléte Csobogók, kiöblösödések változatosabb élőhelyek, gazdagabb élővilág szabálytalanabb áramlás, oxigén bevitel növelése hosszabb tartózkodási idő, öntisztulás természetes ártér, hordalék visszatartás Tavak oxigén ellátottságának javítása Hipolimnion (alsó réteg) levegőztetése, cirkuláció (csak mély tavakban)

Belterületi szakasz: Egyenes, burkolt trapézmeder

Kisvízi meder kiszélesítése, lankás rézsű - meanderezés kialakul Belterületi természetes állapotú szakasz

Függőleges vonalvezetés, fenéklépcső surrantó

Kombinált partvédelem elhabolás ellen Árnyékolt meder

DOMBVIDÉKI KIS- ÉS KÖZEPES VÍZFOLYÁSOK REHABILITÁCIÓJA

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

http://digiscience.hu/wwf/wwf_trapezmeder.html

Köszönöm a figyelmet!