FOLYÓVIZEK OXIGÉN

HÁZTARTÁSA

EGYSZERŰ O2 HÁZTARTÁS

SZENNYVÍZ

SZERVESANYAG (BOI5)

HETEROTRÓF BAKTÉRIUMOK

(LEBONTÁS)

OXIGÉNBEVITEL

O2

MÉRLEG

SZERVESANYAG (C, N)ÜLEDÉKLÉGZÉS

LÉGKÖRI DIFFÚZIÓ

FOTOSZINTÉZISMELLÉKFOLYÓK

ókmellékfolylégzésézisfotoszüledék

iónitrifikáclebomlásCdiffOKIBEdtdCV

int

2

Oldott oxigén egyenlet:

nap

O2 fogyasztás

Szerves szén (C) lebontása

BOI

5

BOI5

L

Oxigén fogyasztás (BOI: 2.7 g O2 = 1 g szerves C)

L – maradék oxigén igény L0

L0 = BOI

LkdtdL

1

1. rendű kinetika (exponen-ciális)

L (t) = L0 exp(-k1t)

BOI5 = BOI - BOI exp(-k15)= BOI (1-exp(-k15))

BOI = L0- L0 exp(-k1t)=L0 (1-exp(-k1t))

)5exp(11

15 kBOIBOIf

Lebomlási tényező (k1)• Lebontási folyamatok sebességét jelzi, kinetikai állandó• Dimenzió: 1/nap• Hőmérsékletfüggő

20)(T20CT11 θk(T)k

= 1.04T

Tlimit

20C

1Érvényesség!

• Függ a szennyvíztisztítás mértékétől

Technológia k1(T=20C) f

Nincs tisztítás 0.35 1.2Mechanika 0.2 1.6Mechanika+kémiai kicsapatás 0.15 2.0Biológiai tiszt. 0.08 3.2

Oxigén bevitel (légköri diffúzió)

• C < Cs

C

• Cs – telítési koncentráció• Henry törvény: p = He Cs

p – parciális nyomásHe – Henry szám f(T, P, sótartalom, stb.)

T

Cs

sótartalom

T Cs (mg/l)0 14.6

15 1020 925 8.430 7.6

Oxigén bevitel (légköri diffúzió, film elmélet)

C

V

h hCsCAD

dtdCV mol

• Molekuláris diff. tényező (m2/s)

HVACCsAKdtdCV L /1/)(

• Oxigén átadási tényező (m/nap)

VAKkCCsk

dtdC L 22 ),(

• Fajlagos oxigén beviteli tény.(1/nap)• Megoldás: exponenciális (D = CS -

C)

Oxigén beviteli tényező (k2)• Mi befolyásolja?

- Áramlás jellemzői: turbulencia- Vízmélység, sebesség- Empirikus összefüggések

)'(93.3)(5.1

5.0

5.1

5.0

2 DobbinsConnorOHv

HvDk x

)(026.5 67.12 ChurchillHvk

- Érvényesség, dimenzió és kis H!!!

• EPA procedúra k2 0.1 .. 100 (1/nap)

• Mérés- Helyszíni nyomjelzős kísérletek illékony gáz

injektálásával (etilén, propán, propilén, kripton)

CEE 5134 - 9 - Fall, 2007

Atmospheric Reaeration

Dep

th, (

m)

Dep

th, (

ft)

• Method of Covar (1976)• Uses formulae of:

– O’Connor & Dobbins– Churchill– Owens-Gibbs

• Input stream velocityand depth of flow

• Select kr (d-1) at intersection offlow and depthcoordinates

CEE 5134 - 10 - 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 - 11 - 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

PointSource Discharge

t0t1

t2

River Flow

Folyóra

Q, v

Lh, Ch q, Lszv, Cszv

• Feltételek: permanens (Q(t), E(t)=konst, 1D (azonnali elkeveredés), prizmatikus meder

)(2

2** CRxCD

xCv

dtC

xx

• Szerves C (BOI) egyenlet:

)vxkexp(L)x(LLk

dxdLv

x101x

• Vagy:vxt * levonulási idő (utazunk a folyón)

*)tkexp(L*)t(LLk*dt

dL101

• L0 számítása (1D): azonnali elkeveredés! qQqLQLL szvh

0

Folyóra

• Oldott oxigén (inhomogén lineáris diff. egyenlet) :

LkCCskdtdCvagyLkCCsk

dxdCvx 1212 )(

*)(

D = Cs - C deficit LkDkdtdD

12*

*)exp(*)exp(*)exp(*)( 2021012

1 tkDtktkLkk

ktD

Q, v

Lh, Ch q, Lszv, Cszv

vxt *

*)(*)( tDCtC s 000 CCDqQqCQCC s

szvh

Folyóra

Q, v

Lh, Ch q, Lszv, Cszv

L

x, t*

Lh

L0

C

x, t*

Ch

C0

Cs

Cmin

xkrit, t*krit

D0

Dmax

Time, days

Def

icit,

Deo

xyge

natio

n, a

nd

Rea

erat

ion

(x -1

), m

g/L

Reaeration, mg/L

Deoxygenation, mg/L

Oxygen Sag, mg/L

Components of the Oxygen Sag Curve

CEE 5134 - 16 - Fall, 2007

Definitions for the DO Sag Curve

Con

cent

ratio

n, m

g/L

CS

Initial Deficit, Da

Saturation DO, CS

DOConcentration

DODeficit

Travel Time or Distance0

Kritikus hely meghatározása

LkDkdtdD

12*

012 LkDkMinimum:

)*exp(max 102

1krtkL

kkD

10

120

1

2

12

)(1ln1*kLkkD

kk

kkt kr

0 2

1.5 – 2 nap

• Hígulás: L0, D0 Dmax, Cmin. Szabályozás. Iteráció. Mérés!• Több szennyező: szuperponálható

Több szennyvízbevezetés

Q, v

Lh, Ch q1, Lszv1, Cszv1

x, t*

x, t*

L

Lh

L0

CCh

C0

Cs

Cmin

xkrit, t*krit

D0

Dmax

Lh2

q2, Lszv2, Cszv2

Ch2

Do2

Streeter-Phelps (1925) oxigén modell

LkCCskdtdCII 12 )(

*.

LkdtdLI 1*

.

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: O2)

Nitrifikáció egyszerűsítve

5 20 nap

BOI

BOIC

BOIN Kjeldahl N (Szerves N, NH4-N) - LN --> mérés

• Két lépés:Nitrosomonas 2NH4

+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H+

Nitrobacter 2NO2- + O2 2NO3

-

3.43 g O2

1.14g O2

: 4.57 g O2

LN=BOIN = 4.57KN

• 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

NN

N

LkdtdL

Nitrifikáció

N forgalom

N1 N2 N3

Ülepedés Denitrifikáció

Növényi asszimiláció

Hidrolízis, ammonifi-

káció

Nitrifikáció

O2

323

212

11

)(

)(

)(

NkkNkdtdN

NkkNkdtdN

NkkdtdN

denitrasszimnitrif

asszimnitrifammon

ammonülep

N1 – szerves N,N2 – NH4-NN3 – NO2-N, NO3-N

N1 N2 N3

Oldott O2 egyenletbe: - knitrif 4.57 N2

Szervesanyag oldott és ülepedő frakciók különválasztása

LVfkAfvLVkALvdtdLV dpsdps )( '

1'1

• Lp = fp Lpartikulált

• Ld = fd L oldott

dpdps kkfkfVAvk '

11

tkkLL dp )(exp0

t

L0 ülepedés

biológiaioxidáció

Üledék oxigén igényeOkok:- szennyvíz ülepedő részecskéi iszapréteget képeznek- elhalt növények, falevelek felhalmozódása- alga ülepedésMagas 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)

HS

dtdCSA

dtdCV sed

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)

Fotoszintézis, légzés

6CO2 + 6H20 C6H12O6 + 6O2

Napfény, glükózFotoszintézis (P mgO2/m3,nap)

6CO2 + 6H20 C6H12O6 + 6O2 Légzés (R mgO2/m3,nap)Sötétben

t (h)

P, R

24

t (h)

O2

24

Cs

túltelítettség

C

t1 t2

Pa

Pm Napi átlagos O2 termelés Pm mérésből:

PmHfPa

2

24

12 ttf

fotoperiódus

RPadtdC

R, P számításból: alga egyenlet (Klorofill-a * a = P)

Oldott O2 egyenletbe

Oxigén vonal (ill. összes oldott oxigén deficit) számítása

*)exp(*)( 20 tkDtD Deficit kezdeti értéke

*)exp(*)exp( 2112

10 tktk

kkkL Szerves C lebontás

*)exp(*)exp( 22

0 tktkkk

kL NN

NN Nitrifikáció

*)exp(1 22

tkHkS

Üledék oxigén igénye

*)exp(1 22

tkkPa Fotoszintézis

*)exp(1 22

tkkR

Vízinövényzet légzése

Anaerob szakasz számítása

LkCCskdtdC

12 )(*

LkdtdL

1*

Nagy terhelés

Időszakos vagy állandósult anaerob állapotAnaerob lebomlás, gázképződés, fémek visszaoldódása

C

t*

L

t*

x1

1. Anaerob szakasz kezdete: x1 (C=0)

2. Anaerob szakasz:

x1

L1

)0()(* 22 CCskCCsk

dtdL

vxxCskLL 1

21

3. Anaerob szakasz vége: x2 Cs

kkLCskLk

dtdL

1

22221*

CskCskkL

kvxx

2

211

112

x2

L2

x2

Példa: Szennyvízbevezetés hatása a befogadó oldott oxigén koncentrációjára (1 D, permanens)

Települési szennyvíz jellemzői: LE 120 000BOI5 koncentráció: 600 mg/lKjeldahl N: 120 * 4.57 = 548 mg/lq = 120 000 * 0.1 = 12000 m3/nap = 0.14 m3/s

Befogadó vízfolyás jellemzői: Háttér koncentrációk: Lh = 5 mg/l, Ch = 8 mg/lT = 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

Cmin (mg/l)

01234567

0 100 200 300 400 500 600 700 800Q/q

C

C + N

Hígulás szerepe

0123456789

0.1 0.6 1.1 1.6 2.1ka (1/nap)

O2 m

inim

um (m

g/l)

Q/q=10

Q/q=20

Q/q=30

Q/q=50

Q/q=100

Q/q=500

Q/q=1000

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 1.0 30 5 15 100 0

M + Kicsapatás 1.09 1.5 55 15 75 100 0

Nagyterhelésű biológia 1.40 1.7 92 15 25 100 0

Kisterhelésű biológia 1.70 2.0 95 15 30 5 95

Nagyterhelésű Bio + P 1.45 2.0 92 25 90 100 0

Kisterhelésű Bio + P 1.75 2.3 95 25 95 5 95

NB +P +részleges N 1.95 2.4 95 60 95 5 95

NB + P + teljes N 2.40 3.0 95 85 95 0 100