OXIGÉN HÁZTARTÁS
EGYSZERŰ O 2 HÁZTARTÁS SZENNYVÍZ SZERVESANYAG (BOI 5 ) HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK (LEBONTÁS) OXIGÉNBEVITEL O2O2
SZENNYVÍZ HATÁSA (EMISSZIÓ – IMMISSZIÓ) BOI 5 emisszió nő, BOI 5 koncentráció nő, oldott O 2 koncentráció csökken (és fordítva) O 2 fontos vízminőségi indikátor VÍZMINŐSÉGI OSZTÁLYOZÁS (O 2 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 SZERVESANYAG (C, N) ÜLEDÉK LÉGZÉS LÉGKÖRI DIFFÚZIÓ FOTOSZINTÉZIS MELLÉKFOLYÓK Oldott oxigén egyenlet:
nap O 2 fogyasztás Szerves szén (C) lebontása BOI 5 BOI 5 L Oxigén fogyasztás (BOI: 2.7 g O2 = 1 g szerves C) L – maradék oxigén igény (BOI) - többlépcsős kinetika L0L0 L 0 = BOI 1. rendű kinetika (exponen- ciális) L (t) = L 0 exp(-k 1 t) BOI 5 = BOI - BOI exp(-k 1 5)= BOI (1-exp(-k 1 5)) BOI = L 0 - L 0 exp(-k 1 t)=L 0 (1-exp(-k 1 t))
Lebomlási tényező (k 1 ) Lebontási folyamatok sebességét jelzi, kinetikai állandó Dimenzió: 1/nap Hőmérsékletfüggő = 1.04 T T limit 20C 1 Érvényesség ! Függ a szennyvíztisztítás mértékétől Technológiak 1 (T=20C)f Nincs tisztítás Mechanika Mechanika+kémiai kicsapatás Biológiai tiszt
Oxigén bevitel (légköri diffúzió) C < Cs C C s – telítési koncentráció Henry törvény: p = He C s p – parciális nyomás He – Henry szám f(T, P, sótartalom, stb.) T CsCs sótartalom TC s (mg/l)
Oxigén bevitel (légköri diffúzió, film elmélet) C V hh Molekuláris diff. tényező (m 2 /s) Oxigén átadási tényező (m/nap) Fajlagos oxigén beviteli tény.(1/nap) Megoldás: exponenciális (D = C S - C)
Oxigén beviteli tényező (k 2 ) Mi befolyásolja? - Áramlás jellemzői: turbulencia - Vízmélység, sebesség - Empirikus összefüggések - Érvényesség, dimenzió és kis H!!! EPA procedúrak 2 Mérés -Helyszíni nyomjelzős kísérletek illékony gáz injektálásával (etilén, propán, propilén, kripton)
CEE Fall, 2007 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 k r (d -1 ) at intersection of flow and depth coordinates
CEE Fall, 2007 Reaeration Coefficient Estimation from Stream Descriptions Water Body Descriptionk r (days 20 o C) Small ponds and backwaters Sluggish streams and large lakes Large streams of low velocity Large streams of normal velocity Swift streams Rapids and waterfalls> 1.15 Source: Peavy, Rowe and Tchobanoglous, 1985
CEE 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 (L 0 ) Compute DO at any time by solving differential equation for BOD exertion and atmospheric reaeration
Folyóra Q, v L h, C h q, L szv, C szv Feltételek: permanens (Q(t), E(t)=konst, 1D (azonnali elkeveredés), prizmatikus meder Szerves C (BOI) egyenlet: Vagy:levonulási idő (utazunk a folyón) L 0 számítása (1D): azonnali elkeveredés!
Folyóra Oldott oxigén (inhomogén lineáris diff. egyenlet) : D = C s - C deficit Q, v L h, C h q, L szv, C szv
Folyóra Q, v L h, C h q, L szv, C szv L x, t* LhLh L0L0 C ChCh C0C0 Cs C min x krit, t* krit D0D0 D max
Components of the Oxygen Sag Curve
CEE Fall, 2007 Definitions for the DO Sag Curve
Kritikus hely meghatározása Minimum: 0 2 1.5 – 2 nap Hígulás: L 0, D 0 D max, C min. Szabályozás. Iteráció. Mérés! Több szennyező: szuperponálható
Több szennyvízbevezetés Q, v L h, C h q 1, L szv 1, C szv 1 x, t* L LhLh L0L0 C ChCh C0C0 Cs C min x krit, t* krit D0D0 D max L h2 q 2, L szv 2, C szv 2 C h2 D o2
Streeter-Phelps (1925) oxigén modell Továbbfejlesztések: 1.Nitrifikáció egyszerűsítve 2.Nitrifikáció részletesebben 3.Szervesanyag oldott és ülepedő frakciók különválasztása 4.Üledék oxigén igénye 5.Fotoszintézis, légzés 6.Speciális eset: anaerob szakasz számítása Szervesanyag lebomlás egyenlete (L: BOI ∞ ) Oldott oxigén egyenlete (C: O 2 )
Nitrifikáció egyszerűsítve 5 20 nap BOI BOI C BOI N Kjeldahl N (Szerves N, NH4-N) - L N --> mérés Két lépés: Nitrosomonas 2NH O 2 2NO H 2 O + 4H + Nitrobacter2NO O 2 2NO g O g O 2 : 4.57 g O 2 L N =BOI N = 4.57KN Feltételek: - Nitrifikáló (aerob autotróf) baktériumok, - Lúgos környezet (pH > 6), - Oxigén jelenléte, oldott oxigén > 1-2 mg/l, - Toxikus anyagok gátolják! Tisztított sz.víz? - Hőmérsékletfüggő - Legegyszerűbb leírás: L = BOI C + BOI N
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 CO 2, CH 4, H 2 S képződés -gázképződés felszálló buborékok, iszap flotációja -esztétikai problémák Közelítés: konstans (?) megoszló terhelés (S) „SOD” S (g O 2 / m 2,nap) ÜledékS (gO 2 /m 2,nap) Települési szennyvíz(iszap) bevezetés környezetében (4) Szennyvízbevezetés alatti szakaszon 1-2 (1.5) Homokos üledék0.2-1 (0.5) Árapályos folyamtorkolati iszap (0.07)
Fotoszintézis, légzés 6CO 2 + 6H 2 0 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Napfény, glükóz Fotoszintézis (P mgO 2 /m 3,nap) 6CO 2 + 6H 2 0 C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Légzés (R mgO 2 /m 3,nap) Sötétben t (h) P, R 24 t (h) O2O2 24 Cs túltelítettség CC t1t1 t2t2 PaPa PmPm Napi átlagos O 2 termelés Pm mérésből: fotoperiódus R, P számításból: alga egyenlet (Klorofill-a * a = P) Oldott O 2 egyenletbe
Oxigén vonal (ill. összes oldott oxigén deficit) számítása Deficit kezdeti értéke Szerves C lebontás Nitrifikáció Üledék oxigén igénye Fotoszintézis Vízinövényzet légzése
Példa: Szennyvízbevezetés hatása a befogadó oldott oxigén koncentrációjára (1 D, permanens) Települési szennyvíz jellemzői:LE BOI 5 koncentráció: 600 mg/l Kjeldahl N: 120 * 4.57 = 548 mg/l q = * 0.1 = m 3 /nap = 0.14 m 3 /s Befogadó vízfolyás jellemzői:Háttér koncentrációk: L h = 5 mg/l, C h = 8 mg/l T = 25 C, v = 0.5 m/s, Q = 15 m 3 /s, Cs = 8.4 mg/l k 1 = /nap, k 2 = 0.7 1/nap Kezdeti értékek: L 0 = 16.6 mg/l, D 0 = 0.47 mg/l Kritikus hely: t krit = 1.9 nap, x krit = 82 km C min = 3.6 mg/l Hígulás szerepe
Szabályozás: oxigén háztartás javítása Emisszió csökkentése: Szennyvíztisztítás Települési (kommunális szennyvíz) – BOI, kN Ipari szennyvíz: élelmiszeripar (konzervgyár, vágóhíd, húsüzem, cukorgyár, szeszipar stb – BOI,KOI, kN), vegyipar (műtrágyagyártás – NH4), papírgyártás (KOI) Szennyvíz tisztítási technológia Rel. költségekTisztítási hatásfok (%)N formák (%) BerÜzemBOIÖNÖPNH 4 NO 3 Mechanika M + Kicsapatás Nagyterhelésű biológia Kisterhelésű biológia Nagyterhelésű Bio + P Kisterhelésű Bio + P NB +P +részleges N NB + P + teljes N
Nyers szennyvíz* mg/L Elfolyó tisztított szennyvíz mg/L KOI55050 BOI Tot-N5012 Tot-P81 ÖLA2005 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)
Északpesti szennyvíztisztító telep - Budapest Technológia: Nagyterhelésű eleveniszapos (Szovjet technológia) Fejlesztés: (2004) Részleges nitrifikáció Kémiai előkezelés szeparált medencékben Iszap víztelenítés, (rothasztók építése folyamatban) Nyers szennyvíz mg/L Elfolyó tisztított szennyvíz mg/L KOIKOI58261 BOI Tot-N4731 Tot-P82 ÖLA22512
Oroszlány: Membrán (MBR) technológia (2004)
Oroszlány MBR tisztítási hatásfokok: Nyers szennyvíz Tisztított víz Határérték KOI mgO2/l BOI5 mg/l 4963,025 pH pH7,727,946,5-9 ÖN mg/l 124,56,030 ÖKN mg/l 122,51,3 NO3 mg/l 0,6 36 NH4 mg/l ,12 5 ÖP mg/l 9,31,82 ÖLA mg/l Összes oldószer extract mg/l ,75
GYÖKÉRMEZŐS TISZTÍTÁS - SZÜGY
ÉPÍTETT VÍZINÖVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK LEBEGŐHÍNÁROS RENDSZER
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
Vízminőségi hatások különböző hígulási viszonyok esetén az alkalmazott tisztítási technológia függvényében
HÍGULÁSI ARÁNY (2003) Dilution (Q/q)
HÍGULÁSI ARÁNY (2015)
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
Szennyezőanyag Esemény-átlagkoncentráció (EMC) középértékek Medián90%-os percentilis Összes lebegőanyag [mg/l]141–234424–671 BOI 5 [mg/l]10–1317–21 KOI [mg/l]73–92157–198 Összes foszfor [mg/l]0,37–0,470,78–0.99 Oldható foszfor [mg/l]0,13–0,170,23–0,30 TKN [mg/l]1,68–2,123,69–4,67 NO 2+3 -N [mg/l]0,76–0,961,96–2,47 Összes Cu [ g/l] 38–48104–132 Összes Pb [ g/l] 161–204391–495 Összes Zn [ g/l] 179–226559–707 Átlagos városi helyszín felszíni lefolyásának vízminőségi jellemzői a National Urban Runoff Project (NURP) felmérése alapján
Szennyezőanyag lemosás: „first flush”
Vízvisszatartás: porózus burkolat kivitelezése vízáteresztő és vízzáró altalaj esetén
Homokszűrős víznyelő Füvesített árok
Időszakos tározómedence sémája
Állandó tározómedence sémája
Egyéb pontszerű szennyezőforrások: 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
Eszközök az 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 Függőleges vonalvezetés, surrantó
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.Hígulás (befogadó/szennyvíz hozam aránya, Q/q) a vízminőségi hatás szempontjából (oxigén viszonyok) meghatározó. A szennyvíztelepeken nitrifikáció előírása fontos,A szennyvíztelepeken nitrifikáció előírása fontos, Dombvidéki vízfolyáson Q/q<30,Dombvidéki vízfolyáson Q/q<30, Síkvidéki vízfolyásnál Q/q <100,Síkvidéki vízfolyásnál Q/q <100, Pangó (kis esésű) víznél Q/q <200 esetén.Pangó (kis esésű) víznél Q/q <200 esetén.
Kombinált partvédelem elhabolás ellen Árnyékolt meder
DOMBVIDÉKI KIS- ÉS KÖZEPES VÍZFOLYÁSOK REHABILITÁCIÓJA