Prezentacija Modeliranje Procesa u Okolini1

STANDARDNI POLUTANTI U

RIJEKAMA

6.12.2012., Sarajevo

Seminarski rad iz predmeta Modeliranje procesa u okolini

Studenti: Danijel Kraljević, Damir Kraljević i Amar Aganović

Mentor: Prof.dr. Rajfa Musemić

UVOD

Voda je život, a time je i kvaliteta vode ključna mjera kvalitete života ili bolje rečeno postojanja života.

Upravljanje kvalitetom vode ili zaštita vodenih ekosistema u širem smislu, znači kontrolu zagađenja.

Zagađenje vode potječe iz tačkastog i netačkastog (difuznog) izvora i uzrok je uvijek zbog ljudskog djelovanja.

Polutant je tvar koja zagađuje

Polutanti mogu biti:

- Biološki polutanti- Hemijski polutanti- Fizički polutanti

NUTRIJENTI I EUTROFIKACIJA

Eutrofikacija je progresivni proces obogaćivanja vodenih sistema (nutrijentima) hranjivim tvarima .

Povećanjem nutrijenata u vodi dovodi do:

- povećanja produktivnosti vodenog sistema

- uzrokuju anaerobne uvjete što direktno narušava pitkost, rekreativne i ekološke osobine rijeke.


Slika 1


Slika 2


Brzine rasta i propadanja relativno jednostavnog modela eutrofikacije prikazanog na slici 3.

i mogu biti napisane na sljedeći način:

Slika 3

Za biomasu alge

Za organski fosfor

Za fosfatni fosfor

Za organski dušik

Za amonijak dušik

Za nitrat dušik

Za otopljeni kisik

OTROVNE HEMIKALIJE

Otrovne hemikalije, također se nazivaju kao "mikro-polutanti'', su tvari koje pri niskim koncentracijama mogu narušavati razmnožavanje i rast organizama, uključujući ribe i ljudska bića. Te tvari su teški metali, mnogi sintetski organski spojevi (organski mikro-zagađivači) i radioaktivne tvari.

ADSORBIRANI I OTOPLJENI POLUTANTI

Važno obilježje mnoge od ovih tvari je njihov afinitet da reaguju na površinama suspendiranih naslaga.

proces adsorpcije-desorpcije je neophodan


Slika 4. prikazuje adsorpcije-desorpcije i proces propadanja (raspada) prvog reda za otrovne hemikalije i njihove interakcije u vodi i talogu-sedimentu.

Slika 4


Model adsorpcije-desorpcije pretpostavlja da postoji ravnoteža između otopljenih (u vodi) i adsorbiranih (taloženih) koncentracija toksičnih sastojaka poput teških metala ili organskih onečišćivača.

Slika 5


Koeficijent raspodjele Kp

Tabela 1: Reprezentativne vrijednosti koeficijenata raspodjele Kp

Za modeliranje su potreben i ove formule

TEŠKI METALI

Ponašanje teških metala u okolini ovisi o njihovim svojstvenim hemijskim osobinama

Neki metali, uključujući bakar, kadmij, olovo, živu, nikl, i cink, formiraju slobodne ili složene katione otopljene u vodi, npr. Cu2+ili CuCl-.

Metali su tvari koje se ne raspadaju, vec se razgrađuju

Razgradnja se dijeli na adsorpcionu i otopljenu frakciju

I adsorbirane i otopljene frakcije se povećavaju sa rastom ukupne koncentracije metala sve dok se ne pretopivosti

Uslovi za izvođenje osnovnog modela prenosa mase

- Ove jednačine opisuju disperzivni i advektivni prenos zagađujuće tvare – polutanta u x-smjeru u elementarno vodeno tijelo :

-2 -1

-2 -1x x

dCE D ; ML T

dx

ADV = Cv ; ML T 1.1

x x

C - je koncentracija, masa zagađujuće tvari – polutanta po jedinici volumena vode (masa po volumenu, M L3);

Ex - su disperzivni maseni fluksevi u prostornim smjerovima x, y, z (u M L-2 T-1 dimenzija), sa pretpostavkom da Fick-ov zakon zajednički obuhvata molekularnu difuziju i turbulentnu difuziju, odnosno za disperziju;

Jednačina masenog bilansa elementarnog vodenog tijela

Članovi jednačine u jednom prostornom smjeru uključuju ulazni maseni fluks i izlazni maseni fluks :

C -je koncentracija, masa sadržaja sastojka po jedinici volumena vode(masa po volumenu, ML-3 );Ex , Ey , Ez - su disperzivni maseni fluksevi u prostornim smjerovima x, y, z i (u M L-2 T-1

dimenzija), pod pretpostavkom da Fick-ov zakon važi pri zajedničkog utjecaju molekularne difuzije i turbulentnom difuzije, da je za disperzije;vx , vy, vz - su komponente strujanja u prostornim smjerovima x, y i z, (dužina po

vremenu, L T-1);dx, dy, dz - su bočne dužine osnovne kocke, elementarnog vodenog tijela.

Osnovna jednačina modela kvaliteta vode

Osnovna jednačina opisuje promjenu koncentracije C kvalitete nekog sastojka- polutanta sa vremenom i prostorom:

Ove promjene su rezultat ponora uzrokovanog procesima kao što su hemijska-

biohemijska raspadanja, upijanje živih i mikrorganizama ili izvora uzrokovanih

Proizvodima biohemijskih reakcija, biološkog rasta, odnosno svaka vrste

nadogradnje tvari na štetu drugih tvari prisutnih u vodenom sistemu - rijeci.

Najjednostavniji model kvaliteta vode (2)

Osnovni trodimenzionalni model kvaliteta vode se rijetko koristi u svom izvornom kompleksnom obliku (jednačina 1), uglavnom zato sto se trodimenzionalni problemi javljaju rijetko. Na primjer problemi rijeka se često mogu svesti na jednodimenzionalne (linearne) ili dvodimenzionalne (uzdužno-poprečne) probleme. Drugi razlog korištenja pojednostavljenih modela je sto su mjerni podaci poprečne ili vertikalne brzine rijetko dostupni.U cilju pronalazenja najednostavnijeg modela kvaliteta vode mora se napraviti niz pretpostavkih i aproksimacija:a)zanemarivanje svih uslova koji se ticu disperzije. Uz to možemo pretpostaviti da se sistem u potpunosti miješa, što znači da ce se bilo koji vanjski materijalni ulaz (opterećenje) u rijeku odmah i potpuno miješati sa vodom. b)Posmatrajući rijeku i kanalizaciju otpadnih voda pri stacionarnim uslovima početna koncentracije Co nekog rukavca rijeke koji teče nizvodno može biti opisana općom jednačinom razrjeđivanja :

0 (1.4)s s b b

s b

C q C QC

q Q

NAJJEDNOSTAVNIJI MODEL KVALITETA VODE(3)

internal 0

dCv =±S

dxKtdC

KC C C edt

C - je koncentracija, masa sastojka kvalitete koja se mjeri po jedinici volumena vode (masa po volumenu, M L-3);C0 - je početna koncentracija polutanta nizvodno od točke izvora zagađenjav - je srednja brzina protoka rijeke (L T-1)Sinternal - označava unutarnje izvore i ponore tvari, (M L-3 T-1);K - je koeficijent brzine promjene reakcije prvog reda kinetike (T-1)t - je vrijeme putovanja te se tumači kao t = x / vx - udaljenost nizvodno (L)

Rješavanje jednacine. 1.6 sa početnim uslovima utvrđenim iznad (C = C0, u x =

x0, da je t = t0 ) dobiva se jednostavna jednačina eksponencijalnog raspada

(jednačina 1.7.), koja je istovremeno model kvaliteta vode koji se najviše koristi u praksi. Jednačina 1.7 se također naziva Jednačina raspada. Ova jednačina se može koristiti za razne svrhe modeliranja kvaliteta vode i čini bitnu osnovu za razvoj slozenijih modela kvaliteta vode.

DERIVACIJA MODELA KOMBINOVANIH REAKCIJA

1 1 1 2

1 21 1 1 1 2 2

1 1,0-K t -K t -K t -K t1 1,0 2 2,0

2 1

dC dC= - K C =K C -K C

dt dtK C

C =C e C = e -e +C eK -K

C1, C2 - su koncentracije interativnih sastojaka kvalitete vode (proizvod procesa “dekompozicije” C1 je C2 , pri čemu je potonji također proizvod procesa propadanja (ML-3)C1,0 , C2,0 - su početne koncentracije navedena dva sastojka kvaliteta vode (vidi također jed. 1.4) (ML-3)K1 , K2 - su koeficijenti brzine reakcije navedenih procesa, (T-1)t - je vrijeme putovanja tumačeno kao t = x / v, (T)x - je udaljenost nizvodno (L)

BIOHEMIJSKA POTROSNJA KISIKA

-BPK – BIOHEMIJSKA POTROSNJA KISIKA se definira kao količina (masa) kisika potrošena u jedinici volumena vode od strane mikroorganizama, dok razgrađuju organsku materiju, tokom određenog vremenskog intervala, odnosno kao broj miligrama kiseonika koji se utroši na biohemijsku oksidaciju organske materije prisutne u 1 litru vode, pod određenim uslovima tokom pet dana "inkubacije" u odgovarajućem laboratorijskom eksperimentu.

- BPK se koristi kao pokazatelj organske kvalitete vode

- Drugi glavni proces kisika u toku rijeke je proces reakcije, unos kisika preko površine vode zbog turbulentnog strujanja vode i molekularne difuzije. Ovaj proces smanjuje "deficit kisika" (D) vode, što je definisano kao razlika između zasićenog sadržaja kisika i stvarne otopljene količine kisike.

MODEL PROPADANJA BPK

11 0

K tdLK L L L e

dt

L - BPK u vodi (M, obično g02 / m3)L0 - Početne vrijednosti BPK u potoku, vidi također jed. 2.5 (M, obično gO2/m3)K1 - je brzina promjene koeficijenta biohemijske razgradnje organske materije (T-1, obično dan-1)t - je vrijeme, odnosno vrijeme putovanja uz tok rijeke, te se tumači kao t = x/v, gdje je x udaljenost nizvodno od tačke ispusta (T, obično dana)

MODEL OTOPLJENOG KISIKA

1 2 2-K t -K t -K t1 01 2 0

2 1

K LdD=K L-K D D= e -e +D e

dt K -K

D - deficit kisika u vodi (g02/m3), vidi također jednačine 2.7 i 2.8.L - BPK u vodi (g02/ m3)D0 - je početni deficit kisika u vodi (nizvodno od ispusta otpadnih voda) (gO2 / m3), vidi također jednačine 2.6 i 2.7L0 - je početna BPK koncentracija u vodi (gO2, /m3), (nizvodno od tačke ispuštanja otpadne vode), vidi također jednačinu 2.5K1 -je brzina promjene koeficijent biohemijske razgradnje organske materije (T-1, obično dan-1)K2 - je brzina promjene koeficijenta rearacije (T-1, obično dan-1)t - je vrijeme, odnosno vrijeme putovanja uz tok rijeke, te se tumači kao t = x/v, gdje je x udaljenost nizvodno od tačke ispusta (T, obično dana)

JEDNAČINE RAZRIJEĐIVANJE ZA BPK I DO

0 0L DO =s s b b s s b b

b b b s

L q L Q DO q DO Q

Q q Q q

L0 - je početna koncentracija BPK u rijeci, nizvodno od tačke ispušta (ML-3, npr. mgO2 / l);Lb - je koncentracija BPK nadolazece rijeke, (ML-3, npr. mgO2 / l);Ls - je BPK sadržaj otpadnih voda, (ML-3, npr. mgO2/ l);DO0 - je početna koncentracija otopljenog kisika u rijeci, nizvodno od tačke ispuštanja otpadnih voda (ML-3, npr. mgO2 / l);DOb - je koncentracija otopljenog kisika nadolazece rijeke, (ML-3, npr. mgO2 / l);DOs - je količina otopljenog kisika otpadnih voda, (ML-3, npr. mgO2 / l);Qb - protok rijeke uzvodno od ispusta otpadnih voda, (L3 T-1, npr. m3 / s);qs- količina ispusta otpadnih voda (L3 T-1, npr. m3 / s);

POČETNA JEDNAČINA DEFICITA KISIKA

0 sat 0 2

2 3sat

D =DO -DO mgO /l

DO =14.61996-0.4042T+0.00842T -0.00009T

DO - je početna koncentracija deficita otopljenog kisika u rijeci, nizvodno od tačke ispuštanja (ML-3, npr. mgO2, / l);

DO0 - je početna koncentracija otopljenog kisika u rijeci, nizvodno od tačke ispuštanja otpadnih voda (ML-3, npr. mgO2 / l), vidi također jednačina 2.6;DOsat - je koncentracija zasićenog kisika u vodi (ML-3, npr. mgO2 / l);

T - je temperatura vode (°C).

POČETNA JEDNAČINA DEFICITA KISIKA

Slika 7

LITERATURA

Jolinkai G. (1992): Hydrological, Chemical and Biological Processes of Contaminant

Transformation and Transport in River and Lake Systems. UNESCO series; Technical Documents in Hydrology. WS-93/WS.15. UNESCO, Paris.

Groemic M. J. (1983): Biochemical Oxygen Demand - Dissolved Oxygen River Models. In:

Application of Ecological Modelling in Environmental Management (Editor: Jorgensen S. E.) . Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam

HVALA NA PAŽNJI