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:
w
kB Å" CBZT
DO = Å"[exp(- kB Å"TH )- exp(- kR Å" TH )]+
kR - kB
rFot - rRe s - rBen
w
+ DO Å" exp(- kR Å"TH )- Å"[1- exp(- kR Å"TH )]
kR
gdzie:
DO - deficyt tlenu w rzece w punkcie obliczeniowym [gO2/m3],
kB - stała szybkości biodegradacji w temperaturze obliczeniowej [d-1],
CwBZT - wielkość BZT wody w punkcie zrzutu ścieków (przy założeniu pełnego
wymieszania ścieków z wodami odbiornika) [gO2/m3],
kR - stała szybkości reaeracji w temperaturze obliczeniowej [d-1],
TH - hydrauliczny czas przepływu wody od punktu początkowego do punktu
obliczeniowego [d],
DwO - deficyt tlenu w rzece w punkcie zrzutu ścieków [gO2/m3],
rFot - objętościowa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze obliczeniowej
[gO2/(m2·d)].
rRes - objętościowa szybkość poboru tlenu przez autotrofy w temperaturze
obliczeniowej [gO2/(m3·d)],
rBen - objętościowa szybkość poboru tlenu przez bentos w temperaturze obliczeniowej
[gO2/(m3·d)],
Ćwiczenie 6 - "Analiza warunków tlenowych w wodach płynących"
2
Deficyt tlenu określany jest jako:
s
DO = (CO - CO )
gdzie:
CsO - stężenie tlenu w wodzie w punkcie obliczeniowym w stanie nasycenia dla
temperatury obliczeniowej [gO2/m3],
CO - stężenie tlenu w wodzie w punkcie obliczeniowym [gO2/m3].
Wpływ temperatury na wartość współczynnika kBB można oszacować przy pomocy następują-
cego równania empirycznego:
20
kB = kB Å"1.056(t -20)
gdzie:
k20B - staÅ‚a szybkoÅ›ci biodegradacji w temperaturze 20ºC [d-1],
t - temperatura obliczeniowa [ºC].
W punkcie całkowitego wymieszania, wartość wskaz
nika BZT w mieszaninie (CwBZT) należy
obliczyć z równania:
Qr Å" Cr + qs Å" Cs
w
CBZT =
Qr + qs
gdzie:
Qr - natężenie przepływu wody w rzece [m3/h],
Cr - wielkość BZT w wodzie rzecznej powyżej punktu zrzutu zanieczyszczeń [gO2/m3],
qs - natężenie dopływu z
ródła zanieczyszczeń (ścieki) [m3/h],
Cs - wielkość BZT w ściekach [gO2/m3].
Wartość stałej szybkości reaeracji można oszacować przy pomocy następującej zależności
empirycznej:
0.5
20
(Dm Å"Vp )
(t -20)
kR = 294 Å" Å"1.024
1.5
H
gdzie:
D20m - współczynnik dyfuzji molekularnej tlenu w wodzie dla temperatury 20ºC [m2/d],
Vp - 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
rFot
(t -20)
rFot = Å"1.032
H
gdzie:
r20Fot - wÅ‚aÅ›ciwa szybkość procesu fotosyntezy w temperaturze 20 ºC [gO2/(m2·d)].
Objętościowa szybkość poboru tlenu przez glony w procesach oddychania rRes, uzależniona
od temperatury wody, może być obliczona z równania:
20
rRe s
(t -20)
rRe s = Å"1.024
H
gdzie:
r20Res - właściwa szybkość oddychania glonów odniesiona do powierzchni dna rzeki
w temperaturze 20 ºC [gO2/(m2·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
rBen
(t -20)
rBen = Å"1.065
gdzie: H
r20Ben - właściwa szybkość poboru tlenu przez bentos odniesiona do powierzchni dna rzeki
w temperaturze 20 ºC [gO2/(m2·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 (Qr) m3/h
Dopływ ścieków (qs) m3/h
Wartość BZT w rzece powyżej zrzutu ścieków (Cr) gO2/m3
Wartość BZT ścieków (Cs) gO2/m3
Współ. dyfuzji molekularnej tlenu w wodzie dla 20 ºC (D20m) m2/d
Średnia szybkość przepływu wody w rzece (Vp) m/s
Średnia głębokość rzeki (H) m
Odległość od punktu zrzutu ścieków do punktu końcowego (L) m
Stężenie tlenu w stanie nasycenia - zima (CsO) gO2/m3
Stężenie tlenu w stanie nasycenia - lato (CsO) gO2/m3
Stężenie tlenu w rzece w punkcie zrzutu ścieków (CO) gO2/m3
StaÅ‚a szybkoÅ›ci biodegradacji dla temp. 20 ºC (k20BB) 1/d
WÅ‚. szybkość fotosyntezy w temp 20 ºC (r20Fot) gO2/m2·d
WÅ‚. szybkość oddychania glonów w temp. 20 ºC (r20Res) gO2/m2·d
WÅ‚. szybkość poboru tlenu przez bentos w temp 20 ºC (r20Ben) gO2/m2·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 zimÄ…,
" 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)
Odległość od
Lp.
Deficyt Stężenie Deficyt Stężenie
punktu zrzutu
tlenu tlenu tlenu 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
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
odległość; m
Rys. 1. Przykładowa zależność pomiędzy odległością od punktu zrzutu ścieków,
a stężeniem tlenu w odbiorniku latem i zimą.
Literatura do ćwiczenia
" RozporzÄ…dzenie Ministra Åšrodowiska 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.
3
2
stężenie tlenu; gO /m