Instrukcja wykonania ćwiczenia nr 6

"Analiza warunków tlenowych

w wodach płynących"

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest określenie przebiegu linii tlenowej w rzece poniżej punktu zrzutu ście-
ków w warunkach letnich i zimowych. Uzyskane wyniki należy wykorzystać do określenia po-
łożenia punktu krytycznego (odległość maksymalnego obniżenia stężenia tlenu w odbiorniku
od punktu zrzutu ścieków) oraz ustalenia wymaganego stopnia oczyszczania ścieków.

Metodyka obliczeń

Do określenia przebiegu linii tlenowej w rzece należy wykorzystać model Streetera–Phelpsa,
który zakłada, że warunki tlenowe panujące w wodzie rzecznej 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.

Użyteczne równanie modelu określające zależność pomiędzy deficytem tlenowym w danym
przekroju rzeki, a przedstawionymi wyżej procesami, ma postać:

(

)

(

)

[

]

+

⋅

−

−

⋅

−

⋅

−

⋅

=

H

R

H

B

B

R

w

BZT

B

O

T

k

T

k

k

k

C

k

D

exp

exp

(

)

(

)

[

]

H

R

R

Ben

s

Fot

H

R

w

O

T

k

k

r

r

r

T

k

D

⋅

−

−

⋅

−

−

−

⋅

−

⋅

+

exp

1

exp

Re

gdzie:

D

O

- deficyt tlenu w rzece w punkcie obliczeniowym [gO

2

/m

3

],

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) [gO

2

/m

3

],

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 [gO

2

/m

3

],

r

Fot

- objętościowa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze obliczeniowej

[gO

2

/(m

2

·d)].

r

Res

- objętościowa szybkość poboru tlenu przez autotrofy w temperaturze

obliczeniowej [gO

2

/(m

3

·d)],

r

Ben

- objętościowa szybkość poboru tlenu przez bentos w temperaturze obliczeniowej

[gO

2

/(m

3

·d)],

Ćwiczenie 6 - "Analiza warunków tlenowych w wodach płynących"

2

Deficyt tlenu określany jest jako:

)

(

O

s

O

O

C

C

D

−

=

gdzie:

C

s

O

- stężenie tlenu w wodzie w punkcie obliczeniowym w stanie nasycenia dla

temperatury obliczeniowej [gO

2

/m

3

],

C

O

- stężenie tlenu w wodzie w punkcie obliczeniowym [gO

2

/m

3

].

Wpływ temperatury na wartość współczynnika

k

B

można oszacować przy pomocy następują-

cego równania empirycznego:

B

)

20

(

20

056

.

1

−

⋅

=

t

B

B

k

k

gdzie:

k

20

B

- stała szybkości biodegradacji w temperaturze 20ºC [d

-1

],

t

-

temperatura obliczeniowa [ºC].

W punkcie całkowitego wymieszania, wartość wskaźnika BZT w mieszaninie (

C

w

BZT

) należy

obliczyć z równania:

s

r

s

s

r

r

w

BZT

q

Q

C

q

C

Q

C

+

⋅

+

⋅

=

gdzie:

Q

r

- natężenie przepływu wody w rzece [m

3

/h],

C

r

- wielkość BZT w wodzie rzecznej powyżej punktu zrzutu zanieczyszczeń [gO

2

/m

3

],

q

s

- natężenie dopływu źródła zanieczyszczeń (ścieki) [m

3

/h],

C

s

- wielkość BZT w ściekach [gO

2

/m

3

].

Wartość stałej szybkości reaeracji można oszacować przy pomocy następującej zależności
empirycznej:

(

)

)

20

(

5

.

1

5

.

0

20

024

.

1

294

−

⋅

⋅

⋅

=

t

p

m

R

H

V

D

k

gdzie:

D

20

m

- współczynnik dyfuzji molekularnej tlenu w wodzie dla temperatury 20ºC [m

2

/d],

V

p

- średnia prędkość przepływu rzeki [m/s],

H

-

średnia głębokość rzeki [m].

Objętościowa szybkość generowania tlenu przez glony w procesie fotosyntezy może być
opisana następującą zależnością empiryczną:

)

20

(

20

032

.

1

−

⋅

=

t

Fot

Fot

H

r

r

gdzie:

r

20

Fot

- właściwa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze 20 ºC [gO

2

/(m

2

·d)].

Objętościowa szybkość poboru tlenu przez glony w procesach oddychania

r

Res

, uzależniona

od temperatury wody, może być obliczona z równania:

)

20

(

20

Re

Re

024

.

1

−

⋅

=

t

s

s

H

r

r

gdzie:

r

20

Res

- właściwa szybkość oddychania glonów odniesiona do powierzchni dna rzeki

w temperaturze 20 ºC [gO

2

/(m

2

·d)].

Ćwiczenie 6 - "Analiza warunków tlenowych w wodach płynących"

3

Objętościowa szybkość poboru tlenu przez osady denne jest uzależniona od aktywności
bentosu, głębokości rzeki i temperatury wody. Wielkość ta może być obliczona z równania:

)

20

(

20

065

.

1

−

⋅

=

t

Ben

Ben

H

r

r

gdzie:

r

20

Ben

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

w temperaturze 20 ºC [gO

2

/(m

2

·d)].

Sposób wykonania ćwiczenia

Wykorzystując dane wyjściowe, przekazane przez prowadzącego ćwiczenia (tabela 1), nale-
ży obliczyć wartości stężenia tlenu w rzece poniżej punktu zrzutu ścieków dla warunków zi-
mowych i letnich. Obliczenia wykonać dla 20 punktów rozmieszczonych równo na odcinku L
(odległość od punktu zrzutu ścieków do końcowego punktu pomiarowego określona w da-
nych wyjściowych).

Tabela 1. Dane wyjściowe do obliczeń.

Parametr

Jedn.

Wartość

Temperatura obliczeniowa - zima (

t

)

ºC

Temperatura obliczeniowa - lato (

t

)

ºC

Przepływ wody w odbiorniku (

Q

r

)

m

3

/h

Dopływ ścieków (

q

s

)

m

3

/h

Wartość BZT w rzece powyżej zrzutu ścieków (

C

r

)

gO

2

/m

3

Wartość BZT ścieków (

C

s

)

gO

2

/m

3

Współ. dyfuzji molekularnej tlenu w wodzie dla 20 ºC (

D

20

m

)

m

2

/d

Średnia szybkość przepływu wody w rzece (

V

p

)

m/s

Średnia głębokość rzeki (

H

)

m

Odległość od punktu zrzutu ścieków do punktu końcowego (

L

)

m

Stężenie tlenu w stanie nasycenia - zima (

C

s

O

)

gO

2

/m

3

Stężenie tlenu w stanie nasycenia - lato (

C

s

O

)

gO

2

/m

3

Stężenie tlenu w rzece w punkcie zrzutu ścieków (

C

O

)

gO

2

/m

3

Stała szybkości biodegradacji dla temp. 20 ºC (

k

20

B

)

B

1/d

Wł. szybkość fotosyntezy w temp 20 ºC (

r

20

Fot

)

gO

2

/m

2

·d

Wł. szybkość oddychania glonów w temp. 20 ºC (

r

20

Res

)

gO

2

/m

2

·d

Wł. szybkość poboru tlenu przez bentos w temp 20 ºC (

r

20

Ben

)

gO

2

/m

2

·d

Sposób prezentacji wyników

Wyniki obliczeń zestawić w tabeli nr 2 (wzór) i przedstawić graficznie na rys. 1 (wzór). Na pod-
stawie wyników ustalić:

• w jakiej odległości od punktu zrzutu ścieków nastąpi maksymalne obniżenie stężenia tlenu

w odbiorniku latem i zimą,

• do jakiej klasy będzie zaliczany odbiornik w punkcie krytycznym ze względu na warunki

tlenowe,

Ćwiczenie 6 - "Analiza warunków tlenowych w wodach płynących"

4

• który z procesów "tlenowych" (biodegradacja, fotosynteza i naturalne natlenianie) ma naj-

większy wpływ na warunki tlenowe w odbiorniku latem i zimą,

• czy potrzebne są działania poprawiające warunki tlenowe w odbiorniku (np. sztuczne na-

tlenianie rzeki, zwiększenie stopnia oczyszczania wprowadzanych ścieków itp.).

Tabela 2. Zestawienie wyników obliczeń

Lato (t= … ºC)

Zima (t= … ºC)

Lp.

Odległość od

punktu zrzutu

Deficyt

tlenu

Stężenie

tlenu

Deficyt

tlenu

Stężenie

tlenu

1

0

2

1/19

·

L

3

2/19

·

L

4

3/19

·

L

5

4/19

·

L

…

…

…

…

17

16/19

·

L

18

17/19

·

L

19

18/19

·

L

20

L

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

odległość; m

st

ęż

en

ie t

len

u;

g

O

2

/m

3

Rys. 1. Przykładowa zależność pomiędzy odległością od punktu zrzutu ścieków,

a stężeniem tlenu w odbiorniku latem i zimą.

Literatura do ćwiczenia

• Rozporządzenie Ministra Środowiska z dn. 11.02.2004 w sprawie klasyfikacji dla prezen-

towania stanu wód powierzchniowych i podziemnych, sposobu prowadzenia monitoringu
oraz sposobu interpretacji wyników i prezentacji stanu tych wód (Dz. U. Nr 32, poz. 284).

• Adamski W.: "Modelowanie systemów oczyszczania wód", Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa 2002.