15.02.2013 r. Wrocław

Hydrologia i ochrona wód

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

ĆWICZENIE 1: SAMOOCZYSZCZANIE SIĘ WÓD POWIERZCHNIOWYCH- SEDYMENTACJA ZAWIESIN ZIARNISTYCH

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

Cele ćwiczenia:

• Zapoznanie się z pojęciami i definicjami: procesu samooczyszczania się wód powierzchniowych oraz procesem sedymentacji

• Określenie zależności między temperaturą wody i gęstością cząstek a procesem sedymentacji zawiesin- jak zmiana temperatury wody oraz zmiana gęstość materiału zawiesiny wpływa, na efektywność procesu sedymentacji

• Zapoznanie się z programem liczącym efektywność sedymentacji zawiesin ziarnistych

• Stworzenie modelu rzeki na podstawie zadanych wytycznych

I. Wstęp teoretyczny:

Samooczyszczanie wód przebiega w wodach atmosferycznych, powierzchniowych i podziemnych. Efektem tego procesu jest zmniejszenie zanieczyszczenia antropogenicznego wód, następuje to poprzez rozkład substancji zanieczyszczających, ich rozcieńczenie, lub zatrzymanie przez środowisko skalne. Dzięki temu procesowi niewielkie porcje zanieczyszczeń są w naturalny sposób usuwane nie powodując szkód dla środowiska.

Mają na to wpływ procesy fizyczne i chemiczne. Do procesów fizycznych zaliczamy: rozcieńczania, koagulację, wytrącania i osadzania, adsorpcji i wymiany jonowej. Natomiast do procesów chemicznych możemy zaliczyć: utlenianie, redukcję, neutralizację, hydrolizę, hydratację.

Samooczyszczanie rzek to następujące po sobie liczne zmiany biologiczne i biochemiczne. Wyróżniamy tu następujące procesy: 1) rozcieńczanie wód czystymi wodami, najczęściej są to dopływy podziemne, mieszanie i turbulacja 2) adsorpcja - czyli zatrzymywanie substancji chemicznej na granicy faz 3) aeracja - pobieranie tlenu przez wodę rzeczną 4) mineralizacja utlenianie związków chemicznych 5) sedymentacja zawiesin

Zdolność rzeki do samooczyszczenia zależy przede wszystkim od:

• jej długości, czyli długości spływu wody,

• pionowych ruchów wody, które mają wpływ na dostęp tlenu,

• zróżnicowania mikrosiedlisk,

• roślinności na brzegach i w nurcie.

Patrząc na powyższe warunki sprzyjające temu procesowi możemy zauważyć, że dzika rzeka, której koryto jest nieuregulowane, z wieloma roślinami porastającymi jej brzegi, ma wielokrotnie większą zdolność do samooczyszczenia, niż rzeka uregulowana.

1) Rozcieńczanie zanieczyszczeń wodą odbiornika i mieszanie. Dopływy czystych wód gruntowych do zanieczyszczonego zbiornika powodują rozcieńczanie zanieczyszczenia, a tym samym do zmniejszenia stężenia zanieczyszczenia w danym zbiorniku. występuje najczęściej w wodach płynących i jest uzależnione od prędkości przepływu wody, i nie jest równomierne na wszystkich odcinkach rzeki. Ciągły przepływ wody powoduje ponadto lepsze natlenianie.

2) Adsorpcja - gromadzenie się substancji rozpuszczalnych w cieczy lub obecnych w fazie gazowej na powierzchni wód (np. ropa).

3) Aeracja - naturalne mieszanie się gazów, zachodzi najszybciej w wodach płynących.

4) Mineralizacja.

5) Sedymentacja zawiesin - proces opadania i odkładania się cząsteczek zanieczyszczeń w wodach m.in. w ściekach. W wyniku sedymentacji następuje całkowite rozdzielenie faz lub (w przypadku cząstek niewielkich) wytwarza się stan równowagi zwany równowagą sedymentacyjną. Poziom zanieczyszczeń zmniejsza się w wyniku opadania zawiesin na dno zbiornika. Proces ten występuje najczęściej w zbiornikach wód stojących lub o słabym przepływie wody.

II. Część doświadczalna:

1. Tabelaryczne zestawienie wyników:

TABELA 1: PARAMETRY POCZATKOWE

Średnica najmniejszych cząstek [mm]:	0,05
Ilość frakcji:	4
Różnica wielkości frakcji [mm]:	0,01
Gęstość materiału [kg/dm^3]:	2,65
Współczynnik kształtu:	0,85
Natężenie przepływu [m^3/d]:	20000
Temperatura wody [­­­^oC]:	10

1. Stopień usuwania zawiesin dla zakładanego odcinka rzeki – należy tak wymodelować odcinek rzeki (manipulując długością, szerokością i głębokością osadnika), aby usunąć 100%największych frakcji oraz 20-50% frakcji najmniejszych.

Obliczenia prowadzono dla odcinka rzeki o wymiarach:

Długość: 15m

Szerokość: 5m

Głębokość: 2m

TABELA 2: WYNIKI PO WYMODELOWANIU WYMIARÓW ODCINKA RZEKI

Wielkość cząstek [mm]	Prędkość sedymentacji [m/s]	Stopień usuwania [%]
0,05	0,0017	56,15
0,06	0,0025	80,85
0,07	0,0034	100
0,08	0,0044	100

1. Wpływ temperatury wody na efektywność usuwania zawiesin.

Obliczenia prowadzono dla 4 temperatur: 3°C, 10°C, 15°C, 20°C – pozostałe parametry stałe, jak w zadaniu

Temperatura	Wielkość cząstek, [mm]
	0,05
	vsed
[°C]	[m/s]
3	0,0014
10	0,0017
15	0,0020
20	0,0022

c) Wpływ gęstości materiału na stopień usuwania cząstek.

Wpływ gęstości na sedymentację cząstek obliczono dla 4 wartości: 1,05 kg/dm³, 1,8 kg/dm³, 2,65 kg/dm³, 3,50 kg/dm³ w stałej temperaturze 10°C przy stałych parametrach osadnika.

Gęstość	Wielkość cząstek, [mm]
	0,05
	vsed
kg/dm^3	[m/s]
1,05	0,00005
1,80	0,0008
2,65	0,0017
3,50	0,0026

III. Wnioski:

• Sedymentacja jest to proces opadania i odkładania się cząsteczek zanieczyszczeń w wodach m.in. w ściekach. W wyniku sedymentacji następuje całkowite rozdzielenie faz lub (w przypadku cząstek niewielkich) wytwarza się stan równowagi zwany równowagą sedymentacyjną. Poziom zanieczyszczeń zmniejsza się w wyniku opadania zawiesin na dno zbiornika

• Proces sedymentacji jego efektywność i szybkość zależy od wielu czynników przede wszystkim od natężenia przepływu oraz wymiarów osadnika (odcinka rzeki) oraz temperatura i gęstość wody w osadniku

• Wraz ze wzrostem temperatury wody w osadniku rośnie prędkość opadania zawiesin, czyli zwiększa się efektywność usuwania poszczególnych frakcji. Najważniejszą rolę odgrywa tutaj współczynnik lepkości, który maleje wraz ze wzrostem temperatury i powoduje zmniejszenie siły oporu ośrodka

• Im większa jest gęstość pomiędzy wodą, a cząstkami sedymetującymi tym większa jest efektywność opadania i odkładania się cząsteczek zawiesin