پاورپوینت اثر مواد زاید اکسیژنخواه برروی رودخانه ها

اثر مواد زاید اکسیژنخواه برروی رودخانه ها

مقدمه : بطور کلی مواد اکسیژنخواه آلی یا معدنی که وارد یک رودخانه می شوند باعث افت اکسیژن محلول آب می گردند. در صورتی که میزان اکسیژن محلول به پایینتر از حد بحرانی برسد، این عمل به عنوان یک تهدید برای گونه های مختلف موجودات آبزی خواهد بود

. برای پیش بینی میزان افت اکسیژن لازم است بدانیم که چه مقدار ماده زاید به آب تخلیه شده و چه مقدار اکسیژن برای تجزیه این مواد نیاز است. با توجه به اینکه اکسیژن بطور مداوم از اتمسفر به آب وارد می شود و به وسیله ارگانیسم ها نیز مصرف می شود، غلظت اکسیژن در رودخانه توسط سرعت نسبی این فرآیندهای رقابتی تعیین می شود. مواد اکسیژنخواه آلی معمولاً از طریق تعیین مقدار اکسیژن مصرف شده در طول زمان تجزیه در مسیری که بطور تقریبی تجزیه در آبهای طبیعی انجام می شود، اندازه گیری می شوند.

بطور کلی موجودات آبزی جهت تنفس نیاز به اکسیژن مولکولی محلول دارند. بنابراین اکسیژن محلول از پارامترهای بسیار مهم رودخانه است که در میزان خود پالایی تاثیر فراوان دارد. از لحاظ نحوه مصرف اکسیژن در رودخانه، نیاز رودخانه به اکسیژن را می توان به سه دسته تقسیم کرد: 1ـ نیاز فوری به اکسیژن 2ـ اکسیژن موردنیاز برای اکسیداسیون مواد آلی کربنه 3ـ اکسیژن موردنیاز برای اکسیداسیون مواد ازته

اکسیژن موردنیاز بیوشیمیایی (BOD) متداولترین روش برای اندازه گیری مقدار مواد آلی اکسیژنخواه، آزمایش اکسیژن موردنیاز بیوشیمیایی است. در این آزمایش فرض بر این است که همه مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیک موجود در نمونه آب بوسیله میکروارگانیسم ها و با مصرف اکسیژن به Co2 و آب تبدیل می شوند. BOD اندازه گیری غیرمستقیم مواد آلی است زیرا فقط تغییرات غلظت اکسیژن محلول اندازه گیری می شود که آن نیز در اثر تجزیه مواد آلی بوسیله میکروارگانیسم ها حاصل می گردد

معادله محاسبه BOD بصورت زیر است:

L0: اکسیژن معادل با ماده آلی در زمان t مساوی صفر
Lt: اکسیژنی که در اثر اکسیداسیون در زمان t مصرف می شود.
k: ثابت سرعت BOD

BOD نهایی علیرغم اینکه بهترین پارامتر برای بیان غلظت مواد آلی قابل تجزیه بیولوژیکی است ولی این پارامتر نمی تواند نشان دهد که به چه علت اکسیژن به سرعت در آب پذیرنده کاهش می یابد. بطور کلی افت اکسیژن یا DO در آب پذیرنده به دو عامل بستگی دارد: نهایی BOD ثابت سرعت واکنش در آزمایش

تا موقعی که افزایش نهایی رابطه BOD مستقیم با غلظت مواد آلی قابل تجزیه دارد، مقدار عددی ثابت سرعت به پارامترهای زیر بستگی دارد: 1ـ ماهیت فاضلاب 2ـ توانایی ارگانیسم های موجود در سیستم در استفاده از فاضلاب 3ـ درجه حرارت

تعادل اکسیژن محلول اکسیژن محلول یکی از مهمترین اجزاء اکوسیستم های آبی است. ماهی ها و دیگر گونه های حیوانات آبزی به اکسیژن نیاز دارند و حداقل 2 میلی گرم در لیتر اکسیژن برای حفظ حیات این موجودات نیاز است. با توجه به اینکه محصولات نهایی واکنش های شیمیایی یا بیوشیمیایی در شرایط بیهوازی غالباً رنگ، طعم و بوهای نامطبوع تولید می کنند، بنابراین وجود اکسیژن و ایجاد شرایط هوازی علاوه بر حفظ حیات آبزیان، از این دیدگاه نیز اهمیت دارد.

بطور کلی اکسیژن محلول مصرف شده از رودخانه باید جایگزین شود وگرنه شرایط بیهوازی ایجاد می شود. دو مکانیسم موجب ورود اکسیژن به آبهای سطحی می گردند: 1ـ هوادهی مجدد از طریق ورود اکسیژن هوا به داخل آب 2ـ تولید اکسیژن بوسیله فتوسنتز جلبکها

هوادهی مجدد وقتی که اکسیژن موجود در آب بوسیله میکروارگانیسم ها مصرف می شود و غلظت اکسیژن محلول به پایین تر از حد اشباع می رسد، اکسیژن از اتمسفر به آب انتقال می یابد. تفاوت بین غلظت اشباع اکسیژن و غلظت واقعی، کمبود اکسیژن نامیده می شود و بصورت زیر نمایش داده می شود:
D = DOs – DO

بطور کلی کمبود اکسیژن محلول نیروی محرکه مکانیسم هوادهی مجدد می باشد. هر چه کمبود اکسیژن بیشتر باشد، میزان هوادهی مجدد بیشتر خواهد شد. بنابراین میزان هوادهی مجدد با کم شدن غلظت اکسیژن محلول زیاد می شود. (عواملی نظیر دما، عمق رودخانه، حجم آب، توربولانس و غلظت DO بر میزان انتقال اکسیژن اتمسفر به آب رودخانه موثرند)

فتوسنتز جلبکها جلبکها در حضور نور خورشید ترکیبات معدنی را سوخت و ساز می کنند و یکی از محصولات واکنش آنها اکسیژن است. فرمول ساده آن بصورت زیر است: (سلول جدید جلبک)

اکسیژنی که بدین طریق آزادمی شود برای جایگزینی اکسیژن مصرف شده آماده است. در حضور مواد مغذی بیش از حد و نور خورشید کافی متابولیسم جلبک ممکن است آنقدر اکسیژن تولید کند که آب فوق اشباع از اکسیژن شود. عوامل سوء مربوط به رشد بیش از حد جلبک ها غالباً بر اکسیژنی که آنها تولید می کنند، غالب است. بطوری که در غیاب نور خورشید، جلبکها از طریق کاتابولیسم خودخوری اکسیژن کسب می کنند که رابطه آن بصورت زیر است:

در واقع در شب و تاریکی جلبکها اکسیژن رودخانه را مصرف می کنند و بنابراین برای رودخانه عامل مصرف کننده دیگری برای اکسیژن به حساب می آیند. تفاوت عملکرد جلبک در عملیات فتوسنتز در روز و در مصرف اکسیژن در شب باعث تغییرات اکسیژن در ساعات مختلف شبانه روز در رودخانه می گردد

و لذا غلظت اکسیژن محلول غالباً در حدود ساعت 2 تا 4 بعداز ظهر حداکثر بوده و در نزدیک طلوع آفتاب کمترین میزان Do در آب رودخانه وجود دارد. متاسفانه اکسیژن اضافی تولید شده در طول روز را نمی توان برای استفاده در شب ذخیره کرد. زیرا برای حفظ تعادل به اتمسفر منتقل می شود. بنابراین در موارد رشد زیاد جلبکها، کاتابولیسم خودخوری در شب ممکن است اکسیژن محلول را به حدی کاهش دهد که ماهی ها و سایر موجودات آبزی بمیرند.

محاسبه بار آلودگی ورودی به رودخانه بطور کلی ورود هرگونه آلودگی به رودخانه سبب تغییراتی در کیفیت آب می شود و تحت تاثیر تصفیه خودبخودی قرار می گیرد. پدیده تصفیه خودبخودی به دلیل تغییرات هیدرولوژیکی و همچنین تغییرات بیولوژیکی دررودخانه بسیار متغیر است بطور کلی فعل و انفعالاتی که برروی مواد آلی و معدنی انجام می شود بصورت کاملاً پیچیده بوده و همزمان رخ می دهد.

بنابراین این فعل و انفعالات می توانند بر یکدیگر اثرات مختلفی داشته باشند. به عنوان مثال تغییر دما بر فعالیت بیولوژیکی موثر است و تغییر فعالیت بیولوژیکی در حذف مواد آلی موثر است. در بحث بهسازی رودخانه ها نکته قابل توجه، بررسی ظرفیت تصفیه خودبخودی رودخانه است. تحقیقات نشان داده که اگر حذف مواد آلی در یک رودخانه به خوبی انجام شود یا به عبارتی شرایط حذف مواد آلی مطلوب باشد، حذف سایر آلاینده ها نیز مطلوب خواهد بود

. بهمین دلیل بررسیها و همه مدل سازیها و محاسبات در ارتباط با رودخانه ها براساس تجزیه بیولوژیکی مواد آلی، مصرف اکسیژن تحت شرایط هوازی، هواگیری از اتمسفر و سایر منابع آب بنا شده است.

منحنی افت اکسیژن محلولDo Sag Curve غلظت اکسیژن محلول در رودخانه یک شاخص متداول برای سلامت رودخانه است. همه رودخانه ها دارای ظرفیت مشخصی برای خودپالایی هستند تا زمانی که تخلیه مواد زاید اکسیژنخواه در محدوده ظرفیت تصفیه خود بخودی می باشد، میزان در حد مطلوب است DO و گونه های مختلف آبزیان و حتی ماهیهای حساس و game fish نیز در آب رودخانه یافت می شوند.

چنانچه مقدار مواد زاید افزایش یابد ممکن است از ظرفیت تصفیه خود بخودی تجاوز کند که باعث تغییرات زیان آوری در حیات آبزیان می گردد. افت دبی رودخانه قابلیت خودپالایی و را کاهش می دهد DO سطح . در صورتی که Do بطور کامل حذف شود، همه حیوانات عالی می میرند، یا مهاجرت می کنندو شرایط شدیداً مهلکی بوجود می آید که آب دارای طعم و بوی نامطلوب می شود

یک ابزار مهم در مدیریت کیفیت آب رودخانه این است که بتوانیم تشخیص دهیم که هر رودخانه تا چه میزان می تواند مواد زائد اکسیژنخواه (فاضلاب) را دریافت کند. این عمل را می توان با رسم پروفیل تغییرات غلظت اکسیژن محلول در پایین دست نقطه تخلیه فاضلاب، انجام داد. این پروفیل را منحنی افت مینامند

روش تعادل جرم اکسیژن محلول جرم DO در فاضلاب این روش به ما در جهت درک منحنی افت DO و رفع مشکلات ناشی از آن کمک می کند. در نتیجه اختلاط فاضلاب با آب رودخانه پارامترهای DO، BOD و درجه حرارت تغییر می کند.

جرم DO در آب رودخانه بعد از اختلاط
جرم DO در رودخانه
دیاگرام تعادل جرم برای DO بصورت زیر است:

بطور کلی حاصلضرب دبی جریان آب در غلظت DO میزان جرم DO در واحد زمان را مشخص می کند.
در رودخانه DOجرم=
در فاضلاب DO= جرم

جرم DO در آب رودخانه بعد از اختلاط معادل حاصل جمع جبری جریانها است و بصورت زیر محاسبه می شود.
بنابراین جرم BOD بعد از اختلاط نیز بصورت زیر بدست می آید:

در آب رودخانه بعد از اختلاط DO جرم=
بعد از اختلاط BOD جرم=

غلظت DO، BOD و میزان درجه حرارت آب رودخانه بعد از اختلاط بصورت زیر محاسبه می شود:

Qw = دبی فاضلاب
Qr= دبی آب رودخانه
DOw= غلظت DO فاضلاب
DOr= غلظت DO آب رودخانه

بعد از اختلاط DO غلظت=DO
نهایی فاضلاب BOD=LW
نهایی آب رودخانه BOD=Lr
نهایی بعد از اختلاط BOD=La
= درجه حرارت آب بعد از اختلاط Tf
= درجه حرارت فاضلاب Tw
= درجه حرارت آب رودخانه Tr

کمبود اکسیژن Oxygen deficit
میزان کمبود اکسیژن عبارت است از تفاضل میزان اشباع اکسیژن با غلظت واقعی اکسیژن محلول، که از رابطه زیر محاسبه می شود.
D = DOs – DO
= کمبود اکسیژن D
= غلظت اشباع اکسیژن محلولDOs
= غلظت واقعی اکسیژن محلولDO

میزان اکسیژن محلول اشباع تا حد زیادی به درجه حرارت آب وابسته است بطوری که با افزایش درجه حرارت، میزان اشباع DO کاهش می یابد. (جدول 7)

کمبود اولیه Initial deficit شروع منحنی افت اکسیژن محلول از نقطه ای است که فاضلاب با آب رودخانه مخلوط می شود. کمبود اولیه از طریق اختلاف بین DO اشباع وغلظت اکسیژن محلول بعد از اختلاط به دست می آید و از رابطه زیر محاسبه می شود.

= کمبود اولیه اکسیژن محلول بعد از اختلاط فاضلاب با آب رودخانهDa
غلظت اشباع اکسیژن محلول براساس دمای آب رودخانه بعد از اختلاط=DOs

با توجه به اینکه دمای فاضلاب معمولاً بالاتر از آب رودخانه است، لذا درجه حرارت آب بعد از اختلاط بیشتر از نقاط بالادست می باشد. بنابراین آگاهی از درجه حرارت آب در پایین دست برای تعیین غلظت اشباع اکسیژن محلول مهم است.

معادله افت DO اکثر مدلهای افت اکسیژن محلول مورد استفاده در حال حاضر به طریقی به مدل استریتر – فلپس (Streeter-phelps) که در سال 1925 ارائه شده، مربوط است. در این روش تغییرات را به عنوان تابعی از DO کمبود BOD در نظرگرفته و هوادهی مجدد رودخانه پیش بینی می شود.

RDOin
RDOout
M
W
A
در شکل فوق دیاگرام تعادل جرم DO بصورت ساده و براساس مدل استریتر فلپس ارائه شده است. بر این اساس معادله تعادل جرم بصورت زیر است:

که از ابتدا دراب رودخانه وجود داشته است DO : جرم که از ابتدا در جریان فاضلاب وجود دارد. DO جرم : w اضافه شده به جریان رودخانه از طریق اتمسفر DO جرم : A مواد کربنه BOD مصر ف شده به دلیل DO جرم : M در جریان خروجی از مقطع مورد نظر DO جرم : RDOout
RDOin

در معادله فوق مقادیر RDOin+W را می توان محاسبه نمود. هدف ما یافتن RDOout برحسب میلی گرم در لیتر است. بنابراین M و A باید برآورده شوند تا بتوان معادله بیلان جرم را حل نمود.

DO سرعت حذف در جریان رودخانه در نتیجه فعالیت میکروبی کاملاً با سرعت افزایش در کمبود اکسیژن معادل است . با فرض اینکه میزان ثابت باقی بماند خواهیم داشت: اشباع DO

DO سرعت تغییر در کاهش است. BOD منطق بر سرعت کاهش

بصورت زیر تعریف می شود BODt بطور کلی .
BODt = L0 – Lt

با توجه به اینکه L0 ثابت است. می توان تغییرات BOD نسبت به زمان را بصورت زیر نشان داد:

تغییرات کمبود اکسیژن ناشی از t زمان در BOD یک واکنش درجه اول است و متناسب با اکسیژن معادل با ماده آلی باقیمانده است. بنابراین تغییرات کمبود اکسیژن از طریق رابطه زیرمحاسبه می شود:

kd در این رابطه ثابت مصرف اکسیژن است با داشتن سرعت kd یا میزان مصرف اکسیژن را می توان M محاسبه کرد. سرعت انتقال جرمی اکسیژن از هوا به آب نیز یک واکنش درجه اول است که متناسب با اختلاف بین میزان اکسیژن محلول اشباع و غلظت واقعی اکسیژن می باشد.

معادله تغیرات کمبود اکسیژن در نتیجه هوادهی مجدد بصورت زیر است.

در این رابطه kr ثابت سرعت هوادهی مجدد است.

بطور کلی کمبود اکسیژن تابع رقابت بین مصرف اکسیژن و هوادهی مجدد از طریق اتمسفر است.

در این رابطه:

= تغییر در کمبود اکسیژن در واحد زمان (mg/l.d)
kd = ثابت سرعت مصرف اکسیژنd-1
L = BOD نهایی آب رودخانه (mg/l)
kr = ثابت سرعت هوادهی مجددd-1
D = کمبود اکسیژن در آب رودخانه (mg/l)
با انتگرال گیری از معادله قبل، معادله افت DO بدست می آید.

در این رابطه:
= کمبود اکسیژن در آب رودخانه بعد از تاثیرD
t در زمان BOD
نهایی در ابتدای مسیر BOD=La
بعد از اختلاط فاضلاب و آب رودخانه
ثابت سرعت مصرف اکسیژن = kd
= ثابت سرعت هوادهی مجدد Kr
= زمان حرکت فاضلاب تخلیه شده در پایین دست جریان t (d)

= کمبود اولیه بعد از اختلاط فاضلاب و آب رودخانه (mg/l) Da

مهمترین نقطه در منحنی افت DO که حداقل است نقطه ای DO در آن اتفاق می افتد، به این نقطه، نقطه بحرانی می گویند. میزان کمبود اکسیژن در آن نقطه را کمبود بحرانی (Dc) گویند و زمان طی شده بعد از تخلیه فاضلاب تا رسیدن به این نقطه زمان بحرانی گوئند (tc) را نقطه بحرانی نشان دهنده شرایط حاد در رودخانه است شناسایی آن مهم است. زمان بحرانی از رابطه زیر بدست می آید

با قرار دادن زمان بحرانی در معادله کمبود اکسیژن، کمبود بحرانی (Dc) بدست می آید.

رابطه بسکو برای محاسبه میزان kd را

K = ثابت سرعت Bod در دمای ْ20
V = متوسط سرعت آب رودخانه بر حسب m/s
H = متوسط عمق رودخانه بر حسب متر
= ضریب فعالیت بستر برای آب عمیق

ناشی از مواد کربنه در منحنی افت ولی در بعضی مواقع در نظر گرفته می شد DO نیز در طی زمان کوتاهی بر میزان مواد ازته BOD تاثیر می گذارد. تصفیه خانه های فاصلاب DO می توانند تولید پسابی با کمتر از 30 میلی گرم در لیتر نمایند CBOD5 . همچنین پساب یک سیستم تصفیه فاضلاب در شرایط عادی حاوی تقریباَ 30 میلی گرم در لیتر نیتروژن است که اگر بصورت آمونیاک تخلیه شود بطور متوسط حدود 130 میلی گرم در لیتر خواهد داشت. NBOD

BOD تا اینجا فقط

بطور کلی با اضافه کردن یک فاکتور در می توان DO معادله افت مواد ازته را نیز لحاظ نمود: BOD

در این رابطه
(d-1 = ثابت سرعت مصرف اکسیژن ناشی از مواد ازته (kn

نهایی بعد از اختلاط فاضلاب با آب رودخانه NBOD= ln

راهکارهای مدیریتی نقطه شروع مدیریت کیفیت آب در روخانه ها استفاده DO از منحنی افت DO برای تعیین حداقل غلظت مورد نیاز برای حیات آبزیان میباشد. این میزان نامیده می شود و برابر استاندارد DO با غلظتی است که برای حیات حساسترین گونه های موجود ضروری است.

برای تشخیص وضعیت تخلیه فاضلاب به، DO رودخانه معادله افت در نقطه بحرانی، باید حل گردد. DO جهت تعیین اگر این میزان بیشتر از حد استاندارد شود، رودخانه به میزان کافی فاضلاب را یکنواخت سازی کرده است

ولی چنانچه در نقطه بحرانی، کمتر از DO استاندارد است، تصفیه فاضلاب تاحد بالاتری موردنیاز می باشد. معمولاً مهندسین محیط زیست دو پارامتر را کنترل می کنند. La و Da با افزایش کارایی فرآیندهای تصفیه موجود یا، نهایی فاضلاب تصفیه شده و در نتیجه BOD افزایش مراحل تصفیه کاهش می یابد. La

برای تعیین میزان تصفیه فاضلاب مورد نیاز استفاده می شود لازم است شرایطی که در آن حداقل در رودخانه اتفاق می افتد، در نظر گرفته شود DO . این شرایط معمولاً در تابستان (وقتی جریان آب کم ودمای آن زیاد است) اتفاق می افتد. معیاری که معمولاً در نظر گرفته می شود شرایطی است که طی 10 سال به مدت 7 روز جریان آب کم باشدکه به آن دوره بازگشت متوسط جریان حداقل برای یک دوره 7 روزه می گویند. وقتی جریان آب رودخانه کم است، فاضلابی که به رودخانهوارد می شود نیز کمتر رقیق می شود که موجب بالارفتن مقادیر.
وقتی از منحنی افت

می
شودLa و Da

در شرایطی که میزان جریان آب رودخانه کم است، معمولاً کاهش می یابد(زیرا سرعت جریان آب کاهش می یابد) kr میزان به علاوه افزایش دما موجب افزایش بیشتری می گردد k r با در مقایسه kd نیز کاهش می یابد. DO و غلظت اشباع بنابراین شرایط موجود در نقطه بحرانی حادتر می گردد.