OXIGÉN HÁZTARTÁS. EGYSZERŰ O 2 HÁZTARTÁS SZENNYVÍZ SZERVESANYAG (BOI 5 ) HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK (LEBONTÁS) OXIGÉNBEVITEL O2O2.

Az előadások a következő témára: "OXIGÉN HÁZTARTÁS. EGYSZERŰ O 2 HÁZTARTÁS SZENNYVÍZ SZERVESANYAG (BOI 5 ) HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK (LEBONTÁS) OXIGÉNBEVITEL O2O2."— Előadás másolata:

1 OXIGÉN HÁZTARTÁS

2 EGYSZERŰ O 2 HÁZTARTÁS SZENNYVÍZ SZERVESANYAG (BOI 5 ) HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK (LEBONTÁS) OXIGÉNBEVITEL O2O2

3 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

4 Felszíni vizek minősége (osztályozás az MSZ 12749 szerint) Oxigén háztartás Tápanyagok Bakteriológia Mikroszennyezők I. II. III. IV. V.

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

6 BOI O2O2 TERHELÉSO 2 BEVITEL ÜLEPEDÉS Streeter & Phelps (1925, Ohio folyó)

7 nap O 2 fogyasztás Szerves szén (C) lebontása BOI  5 BOI 5 L Oxigén fogyasztás (BOI ~ 2.7 szerves C) L – maradék oxigén igény (BOI) - többlépcsős kinetika L0L0 L 0 = BOI  1. rendű kinetika (exponen- ciális) L = 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))

8 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 tisztítás0.351.2 Mechanika0.21.6 Mechanika+kémiai kicsapatás0.152.0 Biológiai tiszt.0.083.2

9 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) 014.6 1510 209 307.6

10 Oxigén bevitel (légköri diffúzió, film elmélet) C V hh Molekuláris diff. tényező (m 2 /s) Oxigén átadási tényező (m/nap) Fajlagos oxigén beviteli tény.(1/nap) Megoldás: exponenciális (D = C S - C)

11 Oxigén beviteli tényező (k 2 ) Mi befolyásolja? - Áramlás jellemzői: turbulencia - Vízmélység, sebesség - Empirikus összefüggések - Érvényesség, dimenzió és kis H!!! EPA procedúrak 2  0.1.. 100 Mérés -Helyszíni nyomjelzős kísérletek illékony gáz injektálásával (etilén, propán, propilén, kripton)

12 Folyóra Q, v L h, C h q, L szv, C szv Feltételek: permanens (Q(t), E(t)=konst), 1D (azonnali elkeveredés) Szerves C (BOI) egyenlet: Vagy:levonulási idő (utazunk a folyón) L 0 számítása (1D): azonnali elkeveredés!

13 Folyóra Oldott oxigén (inhomogén lineáris diff. egyenlet) : D = C s - C deficit Q, v L h, C h q, L szv, C szv

14 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

15 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

16 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

17 Streeter-Phelps (1925) oxigén modell Szervesanyag lebomlás egyenlete (L: BOI ∞ ) Oldott oxigén egyenlete (C: O 2 )

18 VÍZSZENNYEZÉS: Oxigén problémák

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37 Példa: Szennyvízbevezetés hatása a befogadó oldott oxigén koncentrációjára (1 D, permanens) Települési szennyvíz jellemzői:LE 120 000 BOI 5 koncentráció: 600 mg/l Kjeldahl N: 120 * 4.57 = 548 mg/l q = 120 000 * 0.1 = 12000 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 = 0.42 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

38 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 )

39 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 2-100 (4) Szennyvízbevezetés alatti szakaszon 1-2 (1.5) Homokos üledék0.2-1 (0.5) Árapályos folyamtorkolati iszap0.05-0.1 (0.07)

40 Nitrifikáció egyszerűsítve 5 20 nap BOI BOI C BOI N Kjeldahl N (Szerves N, NH4-N) - L N --> mérés Két lépés: Nitrosomonas 2NH 4 + + 3O 2  2NO 2 - + 2H 2 O + 4H + Nitrobacter2NO 2 - + O 2  2NO 3 - 3.43 g O 2 1.14g O 2  : 4.57 g O 2 L N =4.57Kjeldahl N (N BOI -- kevés?) 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: BOI = C BOI + N BOI

41 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 CC t1t1 t2t2 PaPa PmPm Napi átlagos O 2 termelés Pm mérésből: fotoperiódus

42 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 Mechanika1.0 305151000 M + Kicsapatás1.091.55515751000 Nagyterhelésű biológia1.401.79215251000 Kisterhelésű biológia1.702.0951530595 Nagyterhelésű Bio + P1.452.09225901000 Kisterhelésű Bio + P1.752.39525955 NB +P +részleges N1.952.49560955 NB + P + teljes N2.403.09585950100

43 Vízminőségi hatások különböző hígulási viszonyok esetén az alkalmazott tisztítási technológia függvényében

44 1990 2003 2015

45 HÍGULÁSI ARÁNY (2003) Dilution (Q/q)

46 HÍGULÁSI ARÁNY (2015)

47 Szabályozás: oxigén háztartás javítása Települési diffúz emisszió csökkentése: Csatornázás, rákötés a meglévő rendszerre - illegális szennyvízbevezetések felszámolása Házi szennyvíztisztítók (oldómedence, szikkasztás) Belterületi állattartás szabályozása (trágyatárolás) Állattartó telepek (BOI, NH4-N) Megfelelő trágyatárolás Hígtrágyás állattartás  almos trágyázás, mezőgazadasági felhasználás (újrahasznosítás) Öntisztulás javítása, oxigén bevitel fokozása: Fenéklépcső, fenékküszöb, szűkület, bukó stb. (hosszirányú átjárhatóság korlátozása miatt ökológiai szempontból nem jó) Természetközeli (ökológiai szemléletű) mederrendezés Csobogók, kanyargós meder, hosszabb tartózkodási idő, parti zóna megléte, gazdagabb élővilág Hipolimnion (alsó réteg) levegőztetése, cirkuláció (csak mély tavakban) Iszapkotrás, üledék eltávolítása (folyók, tavak)

48 Belterületi szakasz: Egyenes, burkolt trapézmeder

49

50 Benőtt meder

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

52

53 Kombinált partvédelem elhabolás ellen Árnyékolt meder

54 Függőleges vonalvezetés, fenéklépcső Függőleges vonalvezetés, surrantó

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

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

57

58

59

60

61

62 Nitrifikáció Leíró egyenletek (C BOI, N BOI, DO): 1 2 Egyszerű N forgalom N1 N2 N3 Ülepedés Denitrifikáció Növényi asszimiláció Hidrolízis, ammonifi- káció Nitrifikáció O2O2O2O2 N1 – szerves N, N2 – NH4-N N3 – NO2-N, NO3-N N1N1 N2N2 N3N3 Oldott O 2 egyenletbe: - k nitrif 4.57 N2

63 Szervesanyag oldott és ülepedő frakciók különválasztása L p = f p Lpartikulált L d = f d Loldott t L0L0 ülepedés biológiai oxidáció

64 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 2-100 (4) Szennyvízbevezetés alatti szakaszon 1-2 (1.5) Homokos üledék0.2-1 (0.5) Árapályos folyamtorkolati iszap0.05-0.1 (0.07)

65 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 CC 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

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

67 Anaerob szakasz számítása Nagy terhelés Időszakos vagy állandósult anaerob állapot Anaerob lebomlás, gázképződés, fémek visszaoldódása C t* L x1x1 1. Anaerob szakasz kezdete: x 1 (C=0) 2. Anaerob szakasz: x1x1 L1L1 3. Anaerob szakasz vége: x 2 x2x2 L2L2 x2x2