FOLYÓVIZEK OXIGÉN HÁZTARTÁSA

Az előadások a következő témára: "FOLYÓVIZEK OXIGÉN HÁZTARTÁSA"— Előadás másolata:

1 FOLYÓVIZEK OXIGÉN HÁZTARTÁSA

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

3 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

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

5 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))

6 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

7 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

8 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)

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

10 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 Fall, 2007

11 Reaeration Coefficient Estimation from Stream Descriptions
Water Body Description kr (days oC) 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

12 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 Fall, 2007

13 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!

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

15 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

16 Components of the Oxygen Sag Curve

17 Definitions for the DO Sag Curve
CEE Fall, 2007

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

19 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

20 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

21 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

22 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

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

24 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 (0.07)

25 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

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

27 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

28 Példa: Szennyvízbevezetés hatása a befogadó oldott oxigén koncentrációjára (1 D, permanens)
Települési szennyvíz jellemzői: LE BOI5 koncentráció: 600 mg/l Kjeldahl N: 120 * 4.57 = 548 mg/l q = * 0.1 = 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 = /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

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

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

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

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

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

51 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.

52 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

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

54 Homokfogó Gépészet, kiülepedés, lerakódások elleni védelem
Szemcseátmérő: mm

55 Előülepítő Nyersiszap leválasztása

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

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

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

59 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

60 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

61 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

62 Budapesti Központi Szennyvíztisztító Telep

63 Oroszlány: Membrán (MBR) technológia (2004)

64

65 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

66 GYÖKÉRMEZŐS TISZTÍTÁS - SZÜGY

67 ÉPÍTETT VÍZINÖVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK
LEBEGŐHÍNÁROS RENDSZER

68 Forrás: Guti Gábor (OFKD, 2012)

69 FAÜLTETVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK

70 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

71 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

72 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 ig, a többi nagy létszámú telepnél a határidő , kis létszámú állattartó telepek hígtrágyatárolóinak legkésőbb január 1-ig, míg istállótrágya-tárolóinak legkésőbb december 22-ig kell a követelményeknek megfelelni.)

73

74 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

75 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, ha 1325 horgásztó, ha

76 Forrás: Ősz Ágnes (OFKD dolgozat, 2012)

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

78

79

80

81 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

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

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

84 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)

85 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

86

87 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

88 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

89 Szennyezőanyag lemosás: „first flush”

90 Vízvisszatartás: porózus burkolat kivitelezése vízáteresztő és vízzáró altalaj esetén

91 Füvesített árok Homokszűrős víznyelő

92 Időszakos tározómedence sémája

93 Állandó tározómedence sémája

94 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)

95 Belterületi szakasz: Egyenes, burkolt trapézmeder

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

97 Függőleges vonalvezetés,
fenéklépcső surrantó

98

99 Kombinált partvédelem elhabolás ellen
Árnyékolt meder

100 DOMBVIDÉKI KIS- ÉS KÖZEPES VÍZFOLYÁSOK REHABILITÁCIÓJA

101

102

103

104

105

106

107 Köszönöm a figyelmet!