Ćwiczenie nr 6

Temat: Analiza warunków tlenowych w wodach płynących

Sekcja 1

Skład sekcji:

1. Michałowska Anna

2. Piaskowy Katarzyna

3. Talik Joanna

1. Cel ćwiczenia

Cel ćwiczenia obejmuje określenie w badanej rzece przebiegu linii tlenowej występującej poniżej punktu zrzutu ścieków w warunkach letnich i zimowych. Na postawie uzyskanych wyników należy określić położenie punktu krytycznego, czyli odległość maksymalnego obniżenia stężenia tlenu w odbiorniku od punktu zrzutu ścieków, a także ustalić wymagany stopień oczyszczania ścieków.

2. Metody badań

Aby móc określić przebieg linii tlenowej w rzece, należało wykorzystać model Streetera - Phelpsa, który zakłada, że warunki tlenowe, które panują w rzece są uzależnione od szybkości:

• poboru tlenu w procesie biodegradacji zanieczyszczeń organicznych,

• poboru tlenu w procesie mineralizacji organicznych frakcji w osadach dennych,

• rozpuszczania tlenu w wyniku naturalnego procesu natleniania wody,

• wprowadzania tlenu do wody w wyniku procesu fotosyntezy.

Obliczenia zostały wykonane na podstawie odpowiednich wzorów zawartych w instrukcji ćwiczenia oraz przy wykorzystaniu danych wyjściowych.

3. Dane wyjściowe

1. Wartości graniczne wskaźników jakości wody w klasach jakości wód powierzchniowych

(Dz. U. Nr 32, poz 284)

		klasa
				I	II	III	IV	V
Ilość tlenu rozpuszczonego	mgO2/l	7	6	5	4	<4

b) Karta pomiarowa A/03/09

Parametr	Jednostka	Wartość
Temperatura obliczeniowa - zima (t)	st.C	7
Temperatura obliczeniowa - lato (t)	st.C	19
Przepływ wody w odbiorniku (Qr)	m^3/h	11200
Dopływ ścików (qs)	m3/h	780
Wartość BZT w rzece powyzej zrzutu ściwków (Cr)	gO2/m^3	4,3
Wartość BZT ścieków (Cs)	gO2/m^3	22,5
Współczynnik dyfuzji molekularnej tlenu w wodzie dla 20 st. C (D20m)	m^2/d	0,000176
Średnia szybkość przepływu wody w rzece (Vp)	m/s	0,12
Średnia głębokość rzeki (H)	m	2,2
Odległość od punktu zrzutu ścieków od początku końcowego (L)	m	15000
Stężenie tlenu w stanie nasycenia - zima (Cso)	gO2/m^3	11
Stężenie tlenu w stanie nasycenia - lato (Cso)	gO2/m^3	9
Stężenie tlenu w rzece w punkcie zrzutu ścieków (Co)	gO2/m^3	5
Stała szybkości biodegradacji dla 20 st.C (k20B)	1/d	4
Właściwa szybkość fotosynyezy dla 20 st.C (r20Fot)	gO2/m^2.d	0,5
Właściwa szybkość oddychania glonów dla 20 st.C (r20Res)	gO2/m^2.d	3,9
Właściwa szybkość poboru tlenu przez bentos dla 20 st.C (r20Ben)	gO2/m^2.d	1,3

4. Obliczenia

a) Równanie Streetera - Phelpsa pozwalające obliczyć deficyt tlenowy w rzece w danym punkcie obliczeniowym :

gdzie:

D_o - deficyt tlenu w rzece w punkcie obliczeniowym [gO2/m3],

K_B - stała szybkości biodegradacji w temperaturze obliczeniowej [d-1],

C^w_BZT - wielkość BZT wody w punkcie zrzutu ścieków (przy założeniu pełnego wymieszania ścieków z wodami odbiornika) [gO2/m3],

K_R - stała szybkości reaeracji w temperaturze obliczeniowej [d-1],

T_H - hydrauliczny czas przepływu wody od punktu początkowego do punktu obliczeniowego [d],

D^w_o - deficyt tlenu w rzece w punkcie zrzutu ścieków [gO2/m3],

r_Fot - objętościowa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m2·d)].

r_Res - objętościowa szybkość poboru tlenu przez autotrofy w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m3·d)],

r_Ben - objętościowa szybkość poboru tlenu przez bentos w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m3·d)],

Aby skorzystać w powyższego wzoru należy obliczyć jego poszczególne parametry

b) Deficyt tlenu w rzece w punkcie obliczeniowym [gO2/m3],

gdzie

C^s_o - stężenie tlenu w punkcie obliczeniowym w stanie nasycenia dla temp. obl. [gO₂/m³]

C_o - stężenie tlenu w wodzie w punkcie obliczeniowym [gO₂/m³]

c) Stałą szybkości biodegradacji w temperaturze obliczeniowej [d-1],

k²⁰_B - stała szybkości biodegradacji w temp.20ºC [d-1]

t - temperatura obliczeniowa [ºC].

d) Wielkość BZT wody w punkcie zrzutu ścieków (przy założeniu pełnego wymieszania ścieków z wodami odbiornika) [gO2/m3],

Qr - natężenie przepływu wody w rzece [m³/h]

Cr - wielkość BZT w wodzie rzecznej powyżej punktu zrzutu zanieczyszczeń [gO₂/m3]

qs - natężenie dopływu źródła zanieczyszczeń [m³/h]

Cs - wielkość BZT w ściekach [gO₂/m³]

e) Stała szybkości reaeracji w temperaturze obliczeniowej [d-1],

D20m - współczynnik dyfuzji molek. tlenu w wodzie dla temp 20ºC [m2/d],

Vp - średnia prędkość przepływu rzeki [m/s],

H - średnia głębokość rzeki [m]

f) Objętościowa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m2·d)].

r²⁰_Fot - właściwa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze 20 ºC [gO₂/(m₂·d)]

g)Objętościowa szybkość poboru tlenu przez autotrofy w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m3·d)],

r²⁰_Res - właściwa szybkość oddychania glonów odniesiona do powierzchni dna

rzeki w temperaturze 20 ºC [gO2/(m2·d)].

h) Objętościowa szybkość poboru tlenu przez bentos w temperaturze obliczeniowej [gO2/(m3·d)],

r²⁰_Ben - właściwa szybkość poboru tlenu przez bentos odniesiona do powierzchni dna

rzeki w temperaturze 20 ºC [gO2/(m2·d)].

5. Wyniki

a) Pośrednie wyniki analiz:

C^wBZT		5,484974958
	Zima	Lato
D^WO	6,00	4,00
kB	1,97	3,79
kR	0,30	0,40
rFot	0,15	0,22
rRes	1,30	1,73
rBen	0,26	0,55
rFot -rRes - rBen	-1,41	-2,07

b) Tabela wyników końcowych:

Lp.	Odległość od punktu zrzutu	Hydrauliczny czas przepływu wody
	[m]	[d]
1	0	0,00
2	789	0,08
3	1579	0,15
4	2368	0,23
5	3158	0,30
6	3947	0,38
7	4737	0,46
8	5526	0,53
9	6316	0,61
10	7105	0,69
11	7895	0,76
12	8684	0,84
13	9474	0,91
14	10263	0,99
15	11053	1,07
16	11842	1,14
17	12632	1,22
18	13421	1,29
19	14211	1,37
20	15000	1,45

	Zima (t = 5 st.C)		Lato (t = 18 st.C)
Lp.	Deficyt tlenu	Stężenie tlenu	Deficyt tlenu	Stężenie tlenu
	[gO2/m^3]	[gO2/m^3]	[gO2/m^3]	[gO2/m^3]
1	6,00	5,00	4,00	5,00
2	6,72	4,28	5,39	3,61
3	7,33	3,67	6,39	2,61
4	7,82	3,18	7,11	1,89
5	8,23	2,77	7,62	1,38
6	8,56	2,44	7,97	1,03
7	8,83	2,17	8,20	0,80
8	9,04	1,96	8,35	0,65
9	9,21	1,79	8,43	0,57
10	9,33	1,67	8,46	0,54
11	9,42	1,58	8,46	0,54
12	9,48	1,52	8,44	0,56
13	9,51	1,49	8,39	0,61
14	9,52	1,48	8,34	0,66
15	9,52	1,48	8,27	0,73
16	9,50	1,50	8,20	0,80
17	9,47	1,53	8,12	0,88
18	9,43	1,57	8,04	0,96
19	9,38	1,62	7,97	1,03
20	9,32	1,68	7,89	1,11

c) Wykres zależności pomiędzy odległością od punktu zrzutu ścieków a stężeniem tlenu w odbiorniku latem i zimą

6. Wnioski

• Maksymalne obniżenie stężenia tlenu w odbiorniku jest równe:

Latem: 0,54 gO₂/m³ w odległości 7105m oraz 7895m od punktu zrzutu ścieków.

Zimą: 1,48 gO2/m3 w odległości 10263m oraz 11053m od punktu zrzutu ścieków.

• Na podstawie wskazanych norm prawnych ze względu na warunki tlenowe odbiornik w punkcie krytycznym zaliczamy do V klasy czystości wód zarówno latem jak i zimą.

• W lecie jak również i w zimie w punkcie zrzutu ścieków woda ze względu na ilość rozpuszczonego tlenu posiadała III klasę czystości. Po zrzucie ścieków stężenie tlenu uzyskało tendencję spadkową. Zauważono nieznaczny wzrost wartości granicznej, pozwalającej na zakwalifikowanie wody do wyższej klasy czystości niż V.

• Na podstawie powyższychpunktów można stwierdzić że warunki tlenowe na badanym odcinku rzeki są bardzo niekorzystne. Niezbędne są działania wpływające na ich poprawienie, ponieważ dla utrzymania procesów samooczyszczania oraz ze względu na zapewnienie warunków do życia ryb, zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie nie powinna być mniejsza niż 4 mg O2/dm3. Należy więc zwiększyć ilość tlenu za pomocą sztucznego natleniania zbiorników wodnych przez wprowadzanie powietrza lub czystego tlenu do wody. Korzystnym rozwiązaniem byłoby również efektywniejsze oczyszczanie wprowadzanych ścieków, ze względu na fakt gwałtownego spadku stężenia tlenu w momencie zrzutu ścieków, spowodowanego wykorzystaniem tego pierwiastka w procesie biodegradacji.

• Zauważalna jest różnica pomiędzy stężeniem tlenu w porze zimowej i porze letniej. Znaczne niższe stężenie tlenu w lecie jest prawdopodobnie spowodowane tym, że rozpuszczalność tlenu maleje wraz ze wzrostem temperatury wody oraz faktem, że w lecie biodegradacja jest dużo bardziej nasilona, na co wpływ ma temperatura, w związku z tym minimum stężenia tlenu w rzece jest niższe i następuje o 3250 m prędzej niż w zimie.

• Na podstawie wyników ćwiczenia można stwierdzić że, proces biodegradacji ma największy wpływ na warunki tlenowe w odbiorniku, ponieważ wymaga on dostarczenia sporej ilości O₂. Spowodowało to zmniejszenie ilości tego gazu w wodzie.

---