FOLYÓVIZEK OXIGÉN HÁZTARTÁSA

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

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 - 9 - 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 - 10 - 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 - 11 - 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 - 16 - 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

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

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