08.03.2013r.Wrocław

Hydrologia i ochrona wód

Nazwisko i Imię prowadzącego kurs: Dr hab. inż. Katarzyna Majewska-Nowak

ĆWICZENIE 3: SAMOOCZYSZCZANIE WÓD PŁYNĄCYCH. PRZEMIANY ZANIECZYSZCZEŃ ORGANICZNYCH

Imię i nazwisko:	Dawid Kaczmarczyk
Wydział:	Inżynierii Środowiska
Nr albumu:	191845
Termin zajęć: dzień tygodnia, godzina	Pt: 13:15-16:00

Cele ćwiczenia:

• Wyznaczenie przebiegu linii tlenowej i wartości BZT₅ oraz N-NH₃ dla badanego odcinka rzeki

• W zadaniu analizowano również wpływ sposobu zrzutu ścieków na jakość wody i przebieg linii tlenowej. Współczynniki kinetyki wyznaczono dla 4 temperatur wody w zakresie 2÷25 °C.

• Zapoznanie się z pojęciami BZT₅,zanieczyszczeń organiczne i mineralne itp.

• Wykreślenie wykresów za pomocą programu komputerowego dla przebiegu linii tlenowej, wartości BZT₅ oraz N-NH₃

1. Wstęp teoretyczny:

Samooczyszczanie wód powierzchniowych jest zjawiskiem fizyczno-biochemicznym polegającym na samoistnym zmniejszaniu się stopnia zanieczyszczenia wód.

W samooczyszczaniu maja udział zarówno jednostkowe procesy fizyczne, chemiczne, jak i biologiczne, takie jak:

• sedymentacja,

• rozcieńczanie i mieszanie,

• adsorpcja,

• biodegradacja.

Proces samooczyszczania wody w rzece, od momentu zrzutu ścieków aż do odzyskania przez rzekę stanu pierwotnej czystości, najlepiej przedstawić za pomocą linii tlenowej. Przebieg tej krzywe obrazuje zmiany stężenia tlenu w wodzie rzecznej w trakcie samooczyszczania.

Na zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie wpływ mają następujące procesy:

• biochemiczny rozkład zanieczyszczeń organicznych,

• reaeracja (pobór tlenu z atmosfery),

• sedymentacja

• nitryfikacja,

• zużycie tlenu przez osady denne,

• fotosynteza.

II. Część doświadczalna:

Na modelu komputerowym rozpatrywany jest proces samooczyszczania wód płynących powierzchniowych. Dlatego, żeby zmodelować odcinek rzeki przyjęto rzekę IV klasy czystości o następujących parametrach:

• stężeniu maksymalnym BZT₅=12 mg O₂/l i stężeniu maksymalnym azotu amonowego NH_­4­=4 mg N/l.

• Stałą szybkości reakcji biochemicznego rozkładu zanieczyszczeń organicznych k₁=0,1 .

• Współczynnik reakcji k₂=0,23.

• Stała szybkości utleniania substancji organicznych k₃=0,2.

• Stala szybkości nitryfikacji k₄=0,2.

• Współczynnik zapotrzebowania O₂ przez (osady denne) r_B=0,07 mg O₂/l grunt mineralny.

• Szybkość dostarczania tlenu mikroorganizmami r_Ap-r_Ar= 1 mg O₂/l

• Długość odcinka rzeki L=40km

• Natężenie przepływu - mała rzeka 1 m³/s

• Prędkość przepływu - rzeka nizinna 0,4 km/h

Przebieg linii tlenowej, wartości BZT₅ oraz N-NH₃ przedstawiono poniżej.

CZĘŚĆ I

1. Wpływ temperatury na intensywność przemian zanieczyszczeń w rzece dla rzeki
   o założonych parametrach. W tabeli zestawiono wartości wskaźników dla odcinka I.

Odległość	Tlen rozp. [g O2/m^3]	BZT5 [g O2/m^3]	N-NH3 [g N/m^3]
[km]	Temperatura wody [° C]
	2	5	15
0	13,84	12,80	10,15
4	13,11	11,90	8,46
8	12,48	11,12	7,07
12	11,93	10,45	5,95
16	11,47	9,89	5,05
20	11,07	9,41	4,36
24	10,73	9,02	3,83
28	10,46	8,70	3,46
32	10,24	8,45	3,21
36	10,07	8,27	3,08
40	9,94	8,13	3,04

Tabela 1. Stężenia tlenu rozpuszczonego, BZT₅ oraz NH₃ w wodzie rzeki przy różnych temperaturach i na różnej odległości na odcinku I

Wykresy: Stężenia tlenu rozpuszczonego, BZT₅ oraz NH₃ w wodzie rzeki przy różnych temperaturach i na różnej odległości na odcinku I

2.Określenie wpływu początkowej jakości wody na intensywność przemian zanieczyszczeń organicznych w rzece. W tabelach przedstawiono wartości wskaźników dla odcinka I.

Odległość	Tlen rozp. [g O2/m^3]	BZT5 [g O2/m^3]	N-NH3 [g N/m^3]
[km]	Klasa czystości wody
	I	II	IV
0	11,33	11,33	11,33
4	11,49	11,32	10,08
8	11,66	11,33	9,02
12	11,83	11,37	8,14
16	12,00	11,44	7,40
20	12,18	11,52	6,81
24	12,36	11,61	6,34
28	12,54	11,72	5,97
32	12,71	11,84	5,70
36	12,89	11,97	5,51
40	13,06	12,11	5,40

Tabela 2. Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N-NH₃ w rzece dla różnych klas czystości i na różnej odległości na odcinku I

Wykresy: Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N-NH₃ w rzece dla różnych klas czystości i na różnej odległości na odcinku I

3.Określenie wpływu reaeracji na intensywność przemian zanieczyszczeń organicznych
w rzece poprzez zmianę współczynnika reaeracji k₂=0,6 i 1,0. W tabeli zestawiono wartości wskaźników dla odcinka I.

Odległość	Tlen rozp. [g O2/m^3]	BZT5 [g O2/m^3]	N-NH3 [g N/m^3]
[km]	Współczynnik reaeracji k2 [d^-1]
	0,6	1,0	0,6
0	11,33	11,33	12,00
4	10,08	10,07	10,95
8	9,14	9,25	9,98
12	8,45	8,73	9,11
16	7,97	8,44	8,31
20	7,65	8,32	7,58
24	7,47	8,30	6,91
28	7,40	8,37	6,31
32	7,41	8,49	5,75
36	7,48	8,65	5,25
40	7,60	8,83	4,79

Tabela 3. Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N-NH₃ w rzece dla różnych współczynników reaeracji i dla różnej odległości na odcinku I

Wykresy: Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N-NH₃ w rzece dla różnych współczynników reaeracji i dla różnej odległości na odcinku I

4. Określenie wpływu prędkości przepływu wody na intensywność przemian zanieczyszczeń organicznych w rzece poprzez zmianę prędkości v=5km/h i 10km/h. W tabeli zestawiono wartości wskaźników dla odcinka I.

Odległość	Tlen rozp. [g O2/m^3]	BZT5 [g O2/m^3]	N-NH3 [g N/m^3]
[km]	Prędkość przepływu wody [km/h]
	5	10	5
0	11,33	11,33	12,00
4	11,23	11,28	11,91
8	11,13	11,23	11,83
12	11,03	11,18	11,74
16	10,93	11,13	11,66
20	10,83	11,08	11,57
24	10,73	11,03	11,49
28	10,64	10,98	11,41
32	10,55	10,93	11,33
36	10,45	10,88	11,24
40	10,36	10,83	11,16

Tabela 4. Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N- NH₃ w rzece dla różnych prędkości przepływu wody i dla różnej odległości na odcinku I

Wykresy: Stężenia tlenu rozpuszczonego, wartości BZT₅ oraz N- NH₃ w rzece dla różnych prędkości przepływu wody i dla różnej odległości na odcinku I

CZĘŚĆ II

1. Określenie wpływu zmiany przepływu ścieków na przemianę związków organicznych
w rzece dla 5, 10, 15 oraz 20% ich początkowego przepływu, a także wpływu rodzaju źródła zanieczyszczeń. Wyniki przedstawiono na poniższych wykresach.

Źródła punktowe:

Źródła liniowe:

III. Wnioski:

Na podstawie przeprowadzonego ćwiczenia, w którym symulowano możliwości samooczyszczania rzeki i badano wpływ zmian różnych parametrów rzeki lub ścieków, można zauważyć pewne prawidłowości:

• Spadek wartości BZT₅, zawartości tlenu rozpuszczonego i stężenia azotu amonowego N-NH₃ w miarę wzrostu odległości w rzece, do której nie zrzucano ścieków, spowodowany był zużyciem tlenu na biochemiczny rozkład zanieczyszczeń organicznych, a także na utlenianie azotu amonowego do azotynów. Z racji tego, że dno rzeki stanowił grunt mineralny, to stopień pobierania tlenu przez osady denne był nieznaczny.

• Jeśli chodzi o wpływ temperatury na intensywność przemian, to można zauważyć,
  że im wyższa temperatura, tym większe zużycie tlenu i tutaj wpływ ten jest najbardziej zauważalny. Spowodowane jest to tym, ze rozpuszczalność gazów w cieczach maleje ze wzrostem temperatury.

• Malejące stężenie BZT₅ jest wynikiem biodegradacji zanieczyszczeń, a także procesy rozcieńczania i mieszania, sedymentacji zawiesin, jak również adsorpcji. Azot amonowy utleniany jest do azotynów, następnie do azotanów. Część może być zredukowana do azotu gazowego gdyż w obszarach dennych panują warunki beztlenowe.

• Początkowa jakość wody nie ma większego wpływu na proces samooczyszczania
  z tym, że odnosząc się do wód o wysokiej czystości (klasa I i II), to tlen nie jest w nich zużywany, lecz jego ilość wzrasta poprzez dodatkowe napowietrzanie, np.: aerację.
  W wodach o niższej klasie czystości (III i IV) zawartość tlenu maleje, gdyż jest on zużywany w procesach unieszkodliwiania zanieczyszczeń.

• Jak wspomniano wcześniej reaeracja ma wpływ na zawartość tlenu rozpuszczonego w wodzie, co pokazano w powyższych symulacjach. Im wyższy współczynnik reaeracji, tym większa zawartość tlenu w wodzie. Zmiana tego współczynnika nie ma z kolei wpływu na wartość BZT₅ oraz NH₄.

• Dość znaczny wpływ na skuteczność procesów samooczyszczania wody ma również prędkość przepływu, gdyż pośrednio wpływa ona na efektywność procesu aeracji, a tym samym na zawartość tlenu.

• Sposób doprowadzania zanieczyszczeń do rzeki ma duży wpływ na czystość odbiornika. W przypadku, gdy ładunek wprowadzany jest punktowo zauważyć można negatywne skutki w większym stopniu niż w sytuacji, gdy zanieczyszczenia wprowadzane są liniowo. Punktowy zrzut ścieków prowadzi do znacznego spadku zawartości tlenu rozpuszczonego (duża kumulacja zanieczyszczeń, z którymi rzeka „musi się uporać), a czasami nawet do całkowitego odtlenienia badanej rzeki. W drugim przypadku miejscowe zapotrzebowanie tlenu jest mniejsze i nie zostaje przekroczona tolerancja odbiornika na przyjmowanie zanieczyszczeń.