Fließgewässer: Streeter-Phelps-Gleichung

Transkript

1 Gewässerschutz Modelle zur mathematischen Simulation der Fließvorgänge und des Stofftransports als Hilfsmittel bei der Planung von Sanierungsmaßnahmen 1

2 Grafik zur Erläuterung der Streeter- Phelps- Gleichung aus DROSTE,

3 Der Ansatz von STREETER & PHELPS beruht auf folgenden Vereinfachungen: Pfropfenströmung (plug flow), d. h. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der fließenden Welle und der BSB-Fracht wird als identisch angenommen, vollständige transversale Durchmischung (Abwasserfahnen können nicht simuliert werden), stationärer Fließgleichgewichtszustand der beteiligten Gewässer (steady state), d. h. beispielsweise, dass auf der gesamten betrachteten Fließstrecke die Wassertemperatur konstant ist Sauerstoffzehrung infolge Nitrifikation von Ammonium im Abwasser wird vernachlässigt nach DROSTE,

4 Das klassische Streeter-Phelps-Modell des Sauerstoffhaushaltes von Fließgewässern basiert auf der Tatsache, dass der Sauerstoff im Wasser der "fließenden Welle" durch den Abbau organischen Materials (gemessen als BSB) verbraucht und durch die atmosphärische Belüftung wieder ergänzt wird. Der Abbau des BSB, der sinnvollerweise auch als Sauerstoff ausgedrückt wird, errechnet sich grundsätzlich wie folgt: 1. Term der Streeter-Phelps-Gleichung: Abbau des BSB 4

5 1. Term der Streeter-Phelps-Gleichung: Abbau des BSB 5

6 2. Term der Streeter-Phelps- Gleichung: Wiederbelüftung 6

7 Damit lautet die komplette Streeter-Phelps-Gleichung (Differentialgleichung): 7

8 Der Abbau des BSB in einer Probenahmeflasche ist identisch mit der Zehrung des Sauerstoffs, der beim Ansatz der Probe vorhanden war und vollzieht sich nach folgender Formel: vgl. 8

9 vgl. 9

10 Nach Integration, Umformung und Einsetzen der Ausgangsbedingungen ergibt sich folgende numerische Lösung für die Streeter-Phelps-Gleichung: wobei unter Verwendung von BUSCH, UHLMANN & WEISE, 1983 und DROSTE,

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12 Die jeweils resultierende Sauerstoffkonzentration ergibt sich dann aus der Differenz zwischen der Sauerstoffsättigungskonzentration und dem Sauerstoffdefizit: 12

13 Die Sauerstoffsättigungskonzentration kann man aus Tabellen ablesen 13

14 oder nach folgender Formel berechnen: Die direkte Berechnung nach dieser Formel ist die Methode der Wahl, sobald die Wassertemperatur als unabhängige Variable in die Berechnung eingeht (z. B. wenn eine Scenarioanalyse durchgeführt werden soll)! 14

15 Der Abbaukoeffizient ist bei warmen, ständig gut durchmischten Gewässern höher als bei kühlen, gleichförmig fließenden Gewässern! 15

16 siehe 16

17 Ergo: Der Wiederbelüftungskoeffizient ist bei flachen, schnell fließenden Gebirgsbächen deutlich höher als bei tiefen, langsam fließenden Tieflandflüssen! Es existieren auch Formeln zur Berechnung des Wiederbelüftungskoeffizienten: k 2 = 2,59 ( v0,674 Y 1,865) wobei v Fließgeschwindigkeit Y Wassertiefe 17

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21 Mit Hilfe der Streeter-Phelps-Gleichung lässt sich auch direkt ermitteln, an welcher Stelle das Sauerstoffdefizit sein Maximum erreicht, also die Konzentration an gelöstem Sauerstoff auf den kritischsten Wert sinkt: wobei unter Verwendung von DROSTE,

22 Skizze zur kritischen Konzentration an gelöstem Sauerstoff 22

23 Nach Einsetzen der kritischen Fließzeit und entsprechender Umstellung der Streeter-Phelps-Gleichung lässt sich auch das kritische (= maximale) Sauerstoffdefizit errechnen: wobei unter Verwendung von DROSTE,

24 Streeter-Phelps-Gleichung - Aufgabe Aufgrund einer massiven Betriebsstörung muss vorübergehend der Notumlauf einer Kläranlage geöffnet und ungereinigtes Abwasser von Einwohnern in den Vorfluter abgeleitet werden. Über den Zulauf zur Kläranlage liegen folgende Informationen vor: Abwasseranfall: 200 l/e * d BSB 5 : 60 g/e * d Abwassertemperatur: 20 C Sauerstoffdefizit: 100% Über die Situation im Vorfluter oberhalb der Einleitungsstelle liegen folgende Informationen vor: Durchfluss: 1,5 m³/s Fließgeschwindigkeit: 0,3 m/s mittlere Wassertiefe: 0,75 m Wassertemperatur: 12 C BSB 5 : 1 mg/l, Sauerstoffdefizit: 0% 24

25 Streeter-Phelps-Gleichung - Aufgabe Berechnen Sie mit Hilfe der Streeter-Phelps-Gleichung aller 5 km Fließweg die sich einstellende Sauerstoffkonzentration auf einer Fließstrecke von insgesamt 100 km unter der Voraussetzung, dass Abbaukoeffizient k 1 = 0,4 d! Berechnen Sie weiterhin die kritische Fließzeit t C und die kritische Fließstrecke s C, an der das höchste Sauerstoffdefizit eintritt! Wie hoch sind das Sauerstoffdefizit D C und die Sauerstoffkonzentration c C an der kritischen Stelle? 25

26 Fließgewässer: QUAL2K Modell der U.S. EPA zur Simulation der Beschaffenheit von Fliessgewässern QUAL2K (kostenloser Download) Basis: Streeter-Phelps U.S. EPA,

27 Fließgewässer: CORMIX Expertensystem der U.S. EPA zur Vorhersage von Größe und Auswirkung von Abwasserfahnen nach punktförmigen Einleitungen (kostenloser Download) U.S. EPA,

28 Fließ- und Standgewässer: AQUATOX Modell der U.S. EPA zur Vorhersage des Verbleibs von Schadstoffen in aquatischen Ökosystemen (kostenloser Download) U.S. EPA,

29 Standgewässer: WASP Simulationsprogramm der U.S. EPA zur Vorhersage der Eutrophizierung von Standgewässern (kostenloser Download) U.S. EPA,

30 Dynam. Kläranlagensimulation: STOAT Skizze der Stellschrauben beim Betrieb einer Kläranlage 30

31 Dynam. Kläranlagensimulation: STOAT Das Programmpaket STOAT (Sewage Treatment Operation and Analysis over Time) wurde von Water Research centre plc, Swindon/Großbritannien entwickelt und hat sich weltweit zur dynamischen Simulation von Kläranlagen bewährt hat WRc entschieden, zukünftig auf die bis dahin üblichen Lizenzgebühren von zu verzichten und das komplette Programmpaket als Freeware zur Verfügung zu stellen. Dieser Schritt wird von allen STOAT-Anwendern begrüßt und hat dazu geführt, dass die ohnehin zahlreiche Nutzergemeinde weiter wächst. WRc, 2013 So gelangen Sie zum kostenlosen Download von STOAT: Nach freiwilliger Registrierung unter erhalten Sie von WRc einen Freischaltcode zum Download der Software per E- Mail zugesandt. 31

32 STOAT Leistungsmerkmale STOAT bietet eine große Palette von Bausteinen, so dass alle marktgängigen Abwasserbehandlungsverfahren wie z. B. Vorgeschaltete Denitrifikation Kaskadendenitrifikation Simultane Denitrifikation Alternierende Denitrifikation Intermittierende Denitrifikation Nachgeschaltete Denitrifikation SBR-Anlage (Sequencing Batch Reactor) Tropfkörper Biofilter abgebildet werden können. Auch zahlreiche, dem eigentlichen Klärwerk vor- oder nachgelagerte Prozesse können mit STOAT simuliert werden. Hier sind beispielsweise Regenüberlaufbecken, Ausgleichsbecken, Abwasserfiltration, Abwasserdesinfektion und die Schlammbehandlung zu erwähnen. Bei der Untersuchung von Varianten zur Ertüchtigung vorhandener Anlagen haben sich die in STOAT verfügbaren Bausteine zur Steuerung und Regelung besonders bewährt. Hierbei handelt es sich u. a. um den klassischen PID-Regler, die speicherprogrammierbare Steuerung (PLC) und einen Fuzzy-Logic-Controller. 32

33 STOAT Leistungsmerkmale Bei der dynamischen Kläranlagensimulation werden die wichtigsten Transport- und Umwandlungsprozesse der Abwasserbehandlung abgebildet und Frachten und Konzentrationen aller maßgeblichen Stoffparameter (z.b. CSB, BSB, NH 4 -N, org. N, NO x -N, P) im gesamten Verfahrensablauf berechnet. Während der stationäre Ansatz im Regelfall die Berechnungen auf der Grundlage von Tagesmittel- oder Perzentilwerten (z.b. 85-Perzentil) vornimmt, werden bei der dynamischen Kläranlagensimulation auch sämtliche Belastungsspitzen und andere Extremzustände berücksichtigt. Mit STOAT können folgende Aufgaben gelöst oder zumindest maßgeblich unterstützt werden: Vorausberechnung der zu erwartenden Ablaufqualität End-Of-The-Pipe unter Berücksichtigung wechselnder Befunde im Zulauf des Klärwerks Berücksichtigung von Abbauhemmungen für organisches Substrat oder Störungen der Nitrifikation durch einzelne Substanzen De-Bottlenecking 33

34 STOAT Leistungsmerkmale Untersuchungen zur Verfahrensweise bei Störungen oder Havarien (z.b. ob und wenn ja in welcher Menge hochbelastete Abwässer in das Klärwerk übernommen werden können) Minimierung der Betriebskosten bei sicherer Einhaltung der vorgegebenen Überwachungswerte Untersuchungen zur Optimierung der Anlagen (z.b. Steuerstrategien im Zusammenhang mit Stapeltanks, Vorbehandlungsanlagen oder zur Energieeinsparung) Untersuchungen zur Verfahrensweise/Betriebsweise der Anlage, wenn bestimmte Anlagenteile vorübergehend außer Betrieb genommen werden müssen (z.b. für planmäßige Revisionen oder Instandsetzungsarbeiten); Untersuchungen zur Erweiterung der Kläranlage oder Änderungen von Verfahrensstufen Verbesserung der Energieeffizienz und der Verfahrenssicherheit der Anlage 34

35 Literaturverzeichnis BESCH et al., 1992 Besch, W.-K.; Hamm, A.; Lenhart, B.; Melzer, A.; Scharf, B.; Steinberg, C.: Limnologie für die Praxis - Grundlagen des Gewässerschutzes, 3. Auflage ecomed Fachverlag, Landsberg, 1992 BUSCH, UHLMANN & WEISE, 1983 Busch, K.-F-; Uhlmann, D.; Weise, G. Ingenieurökologie VEB Gustav Fischer Verlag Jena, 1983 DROSTE, 1997 Droste, R. L.: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997 SCHWOERBEL, 1984 Schwoerbel, J.: Einführung in die Limnologie VEB Gustav Fischer Verlag, Jena, 1984 U.S. EPA, 2000 Watershed Analysis and Management (WAM) Guide for Tribes U.S. EPA, 2006 United States Environmental Protection Agency BMP Modeling Concepts and Simulation U.S. EPA, 2009 United States Environmental Protection Agency AQUATOX (Release 3), Technical Documentation U.S. EPA, 2013 United States Environmental Protection Agency Internetseite zu Water Quality Models 35