SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vannforurensing Helge Brattebø

Presentasjon om: "SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vannforurensing Helge Brattebø"— Utskrift av presentasjonen:

1 SIB 5005 BM3 Miljøteknikk Vannforurensing Helge Brattebø

2 Rent vann en menneskerettighet?

3 Vann som ressurs Vann er en nødvendighet for alt levende liv
75% av jorden er dekket med vann, men mye av de kystnære vannmasser er betydelig forurenset Viktigst er likevel ferskvannsressursene, for bruk til irrigasjon, landbruk og drikkevann ~ 2,2 milliard mennesker i U-land mangler tilgang på akseptabelt drikkevann, derav 40% i urbane strøk (raskt voksende) ~ 2,7 milliard mennesker i U-land mangler forsvarlige sanitære løsninger Regionale konflikter rundt store vassdrag tiltar Punktutslipp kan erfaringsmessig håndteres, men de mange diffuse utslippskilder fra landbruk og byer er vanskeligere

4 Vannmolekylets egenskaper
Molekylets ”dipolare” karakter: sterke kjemiske bindinger gir høyt kokepunkt og høy fordampningsvarme høy overflatespenning, kapillær aksjon og evne til å feste til andre flater meget gode oppløsningsegenskaper Vannets tetthet maks. ved 4 oC Eneste stoff som finnes både i fast form, væskeform og gassform i naturen i normale temperaturer Høyere varmekapasitet (4184 J/kg oC) enn noen annen væske unntatt NH3 Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i atmosfæren

5 Det hydrologiske kretsløpet
Is og snø: 1,74 % Grunnvann: 1,7 % Ferskvann-sjøer: 0,007 % Hav: ~ 96,5 % av vannvolumet Ca 10 % av avrenning benyttes til menneskelig aktivitet

6 Forurensninger i vann Patogener (sykdomsfremkallende stoffer)
bakterier (eks. dysenteri, kolera, tyfus feber); virus (eks. poliomyelitt, hepatitt); protozoer (eks. giardiasis), parasitter sykdommer kan være vannbårne (mat/drikke), vannvaskede (mangel på vann for renhold), vannbaserte (annen kontakt uten munninntak) eller vannrelaterte (vann som habitat) patogener flest har kort overlevelse i naturen, men ikke alltid (eks. protozoen Giardia lamblia cyster overlever i månedsvis og drepes heller ikke lett ved klorering) Oksygenforbrukende stoffer - biologisk eller kjemisk nedbrytbart (dvs. oksyderbart i resipienten) Næringsstoffer (N, P, C, S, Ca, K, Mn, …) som kan gi stor algevekst og deretter dårlig vannkvalitet Salter, tungmetaller, pesticider, flyktige organiske forbindelser, og termisk vannforurensing

7 Biologisk oksygenforbruk (BOD)
Mikroorganismer bryter ned organisk materiale i vann til sluttprodukter som CO2, SO4, PO4 og NO3 Aerob nedbrytning (tilgang på oksygen): Org. stoff + O2 => CO2 + H20 + nye celler + stabile produkter (NO3, PO4, SO4,…) Anaerob nedbrytning (fravær av oksygen): Org. stoff => CO2 + H2= + nye celler + ustabile produkter (H2S, NH3, CH4,…) Dette oksygenforbruket skyldes nedbrytningen av karbon-materiale (C) og kalles derfor CBOD Oksygenforbruk kan også skyldes omsetning av nitrogen (N) og kalles derfor NBOD

8 Biologisk oksygenforbruk i en lab-test
BOD er et mål for innholdet av organisk stoff som kan oksyderes av mikroorganismer, og dermed gi et forbruk av oksygen (O2) i en resipient.

9 Organisk stoff innholdet over tid
Det tar flere dager å oksidere det organiske stoffet, noe som også fører til fallende konsentrasjon i vannet

10 BOD som en 1. ordens reaksjon
Nedbrytningshastigheten avhengig av gjenværende mengde organisk stoff i prøveflasken etter tiden t (Lt): dLt / dt = -k Lt som videre gir: Lt = L0 e -kt der L0 er utgangsmengden (eller det endelige O2-forbruk) L0 = BODt + Lt (dvs. BOD etter tiden t pluss gjenværende mengde) som gir: BODt = L0 (1- e-kt) Bionedbrytningskoeffisienten (k) er temp.avhengig: kT = k20 (T-20) (Arrhenius’ formel), der  = 1,047 kT = 0,35 - 0,70 (dag-1) for råkloakk kT = 0,12 - 0,23 (dag-1) for forurenset elvevann

11 Idealisert BOD-forløp (1. ordens reaksj.)

12 Ideelt BOD-forløp forts.:

13 Nitrogen-omsetning i vannmassene
Organisk N hydrolyseres først ned til ammonium (NH3/NH4+) som dernest oksideres videre til nitritt (NO2-) og nitrat (NO3-): bakterien nitrosomonas: 2NH3 + 3O2 => 2NO2- + 2H+ + 2H2O bakterien nitrobakter: 2NO2- + O2=> 2NO3- Dette kalles nitrifikasjon, og bidrar altså til oksygenforbruk i vannmassene Nitrat kan videre omdannes til N2-gass under anaerobe forhold

14 Totalt BOD-forbruk (C + N)

15 Punktkilde, strømning og O2 i en elv

16 Deoksygenering (reduksjon av O2-kons.)
Konsentrasjonen av oppløst oksygen (DO) er den vanligste indikator på en elvs helsetilstand Problemene begynner oftest ved DO < 4-5 mg/l I ekstreme situasjoner kan anaerobe forhold inntreffe og de fleste naturlige livsformer i elven forsvinner i en viss strekning nedstrøms utslippspunktet I en forenklet modell kan man si at det er to prosesser som virker: a) mikroorganismer forbruker oksygen når C og N oksyderes, og b) vannets egenlufting tilfører oksygen til vannmassene Oksygen-konsentrasjonen blir da avhengig av BOD-konsentrasjonen, nedbrytningshastigheten, luftings-hastigheten og tiden (eller avstand fra utslippet)

17 Deoksygenering i elven matematisk
Deoksygeneringshastigheten (1. orden) = kdLt kd = deoksygenerings hastighetskonstanten, som avhenger av det organiske stoffets bionedbrytbarhet og elvens strømningsforhold (eksempelvis: 0,2/dag) Lt = gjenværende BOD (mg/l) konsentrasjon etter t (dager) Bruker ligningen Lt = L0 e-kt , som gir: kdLt = kd L0 e-kdt , der L0 er BOD i elven like etter utslipp Antar umiddelbar og fullstendig blanding, som gir: L0 = (QwLw + QrLr) / (Qw + Qr), der Lw er BOD i avløpsutslippet

18 Oksygentilførsel ved lufting
Luftingshastigheten (1. orden) = kr D = kr (DOs-DO) kr = luftingskonstanten (dag-1) som avhenger mye av elven D = oksygendeficit = metningskonsentrasjon - reell kons. av O2 Empirisk funnet: kr = (3,9 u1/2 )/H3/2 kr = luftingskonstanten ved 20 oC (dag-1) = eks.: 0,46-0,69 for en stor elv og normale strømningshastigheter u = midlere strømningshastighet (m/s) H = midlere strømningsdybde (m) D0 = DQs - (QwDOw + QrDOr)/(Qw + Qr) D0 = vektet oksygendeficit etter blanding ved utslippspunktet

19 Deoksygenering og lufting kombinert
I en elv virker de to prosessene samtidig, og de virker mot hverandre Samlet sett blir oksygen-endringen følgende: dD/dt = kd L0 e-kdt - kr D, som har løsningen: D = (kdL0/(kr-kd))*(e-kdt - e-krt) + D0 e-krt, eller omskrevet: DO = DOs - [(kdL0/(kr-kd)*(e-kdt - e-krt) + D0 e-krt] DOs hentes fra tabeller (ved en gitt T og saltholdighet) Dette uttrykket gir grunnlaget for å plotte DO = fn(t) som vil gi en kurve over oksygenkonsentrasjonen i elven som funksjon av tid eller avstand fra utslippet

20 Oksygensvikt i en elv nedstrøms kilden
Oksygen forbrukes på strekningen x=0 til xc men vil deretter øke igjen p.g.a. lufting i vannmassene

21 Algevekst og næringsstoff behov
Algefotosyntese kan baseres på følgende formel: 106 CO NO3- + HPO H2O + 18 H+ = C106H263O110N16P O2 Forbruker altså støkiometriske mengder N og P N/P = (16*14)/(1*31) = 7,2 (der 14 og 31 er molvekt for N og H) Ferskvann: Forholdet N/P ~ 10, dvs. er oftest P-begrenset Sjøvann: Forholdet N/P < 5, dvs. er oftest N-begrenset Eutrofieringssituasjonen kan dermed kontrolleres ved å redusere utslippet av det begrensende næringsstoff Ferskvann: Fjern fosfor fra avløpsutslippene! Sjøvann: Fjern nitrogen fra avløpsutslippene!

22 Fosfor-balansen i en godt blandet innsjø
QCin+ S=QC + vsAC som gir: C = (QCin + S) / (Q + vs A) vs er empirisk bestemt til rundt m/år (dvs. partikulært bundet fosfor)

23 Vannets tetthet og temperatur-endring
Vannets relative tetthet (kg/m3) er høyest ved +4 oC Tetthets-variasjoner i en innsjø/fjord gir merkbare vannstrømmer, men fører også til at temperaturen i dyp-lagene er forholdsvis stabil.

24 Temperatur-endringer og lagdeling
Temperaturens variasjoner over året gir en sterk lagdeling av innsjøer, spesielt om sommeren Sprangskiktet (”thermocline”) kan utnyttes ved å legge drikkevannsinntak i dyp-lagene, eller ved dyputslipp under sprangskiktet i fjorder for å få en innlagring av kloakkutslipp under overflatelaget .

25 Oksygenforhold i lagdelte sjøer
I eutrofe sjøer forbrukes oksygenet i dyp-lagene fordi organisk materiale (døde alger) brytes ned. Situasjonen forværres utover sommeren. Dette kan gi vond lukt og smak på vannet, og skade flora/fauna i sjøen. I oligotrofe sjøer er dette ikke noe problem.

26 Alkalitet gir buffer-effekt mot pH-fall
Sur nedbør gir sure vannmasser fordi H2SO4 frigir ioner av H+, men denne effekten motvirkes når det er bikarbonat (HCO3-) tilstede i vannet.

27 Fiskebestand i norske innsjøer
Godt buffrede sjøer (pH>6) har rik fiskebestand Sure sjøer (pH<5) har svært lite fisk Tiltak mot sure sjøer er kalking av sjø og vassdrag, foruten reduksjon av utslipp til luft (langtransportert)