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

5 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))

6 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

7 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

8 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)

9 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)

10 CEE 5134 - 10 - 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

11 CEE 5134 - 11 - Fall, 2007 Reaeration Coefficient Estimation from Stream Descriptions Water Body Descriptionk r (days -1 @ 20 o C) Small ponds and backwaters0.10-0.23 Sluggish streams and large lakes0.23-0.35 Large streams of low velocity0.35-0.46 Large streams of normal velocity0.46-0.69 Swift streams0.69-1.15 Rapids and waterfalls> 1.15 Source: Peavy, Rowe and Tchobanoglous, 1985

12 CEE 5134 - 12 - 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

13 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!

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

15 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

16 Components of the Oxygen Sag Curve

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

18 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

19 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

20 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 )

21 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 =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

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

23 Nitrifikáció 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

24 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)

25 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

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 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

28 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

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47 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

48 Szennyvíztisztítási technológiák relatív költsége és tisztítási hatásfoka Szennyvíz tisztítási technológia Rel. költségekTisztítási hatásfokok (%) N formák aránya (%) 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

49 Nyers szennyvíz* mg/L Elfolyó tisztított szennyvíz mg/L KOI55050 BOI 5 30010 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)

50 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 5 35812 Tot-N4731 Tot-P82 ÖLA22512

51 Oroszlány: Membrán (MBR) technológia (2004)

52 Oroszlány MBR tisztítási hatásfokok: Nyers szennyvíz Tisztított víz Határérték KOI mgO2/l 1045 1975 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 88888888 0,12 5 ÖP mg/l 9,31,82 ÖLA mg/l 3832100 Összes oldószer extract mg/l 434343430,75

53 GYÖKÉRMEZŐS TISZTÍTÁS - SZÜGY

54 ÉPÍTETT VÍZINÖVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK LEBEGŐHÍNÁROS RENDSZER

55 FAÜLTETVÉNYES SZENNYVÍZTISZTÍTÓ RENDSZEREK

56 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

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

58 1990 2003 2015

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

60 HÍGULÁSI ARÁNY (2015)

61 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.

62 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

63

64 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

65 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

66 Szennyezőanyag lemosás: „first flush”

67 Vízvisszatartás: porózus burkolat kivitelezése vízáteresztő és vízzáró altalaj esetén

68 Homokszűrős víznyelő Füvesített árok

69 Időszakos tározómedence sémája

70 Állandó tározómedence sémája

71 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

72

73

74 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)

75 Belterületi szakasz: Egyenes, burkolt trapézmeder

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

77 Függőleges vonalvezetés, fenéklépcső Függőleges vonalvezetés, surrantó

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

79

80 Kombinált partvédelem elhabolás ellen Árnyékolt meder

81 DOMBVIDÉKI KIS- ÉS KÖZEPES VÍZFOLYÁSOK REHABILITÁCIÓJA

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

83

84

85

86

87