ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

Transcript

1 Περιβαλλοντική Τεχνολογία και Διαχείριση Απόστολος Βλυσίδης Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Χημικών Μηχανικών Εργαστήριο Οργανικής Χημικής Τεχνολογίας ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 Ιεραρχία διαδικασιών διαχείρησης αποβλήτων

4 Ιεραρχία διαδικασιών διαχείρησης αποβλήτων

5 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ

6 ΒΑΣΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΑΝΤΙΡΡΥΠΑΝΣΗΣ - ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΔΙΑΣΠΟΡΑ και ΑΡΑΙΩΣΗ Ώστε οι συγκεντρώσεις όλων των συστατικών του να βρίσκονται κάτω από το κατώφλι επικινδυνότητας - ΑΠΟΔΟΜΗΣΗ ΤΩΝ ΡΥΠΟΓΟΝΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΜΕ ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ - Φυσικοχημικές - Βιολογικές

7 ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΑΠΟΒΗΤΩΝ ΣΤΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

8 ΥΠΟΒΡΥΧΙΟΙ ΔΙΑΧΥΤΗΡΕΣ

9 Διαστρωμάτωση θαλασσινού νερού

10 Μορφή του υποθαλάσσιου διαχυτήρα αποβλήτων Εισαγωγή αποβλήτου QqDd Qq Qq Dd Dd QqDd Qq Qq Qq Qq Dd Dd Dd Dd Qq Qq Qq Qq Dd Dd Dd Dd Στυρίγματα Πυθμένας της θάλασσας

11 Αρχική διάχυση αποβλήτου σε μη διαστρωματωμένο θαλασσινό νερό

12 Αρχική διάχυση αποβλήτου σε διαστρωματωμένο θαλασσινό νερό ΔMm Mm Ee

13 Πυκνότητα του θαλασσινού νερού σε συνάρτηση της αλατότητάς του (Sal) και της θερμοκρασίας του (T s ) προσαύξηση στην πυκνότητα z, kg/m ,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 Αλατότητα Sal, % T o s C

14 Αριθμός Froude F U g Q U = ταχύτητα θαλάσσιου ρεύματος L = μήκος διαχυτήρα Q = παροχή αποβλήτου ρs = πυκνότητα θαλάσσιου νερού ρw = πυκνότητα αποβλήτου L U ρ 3 s ρ w - ρ w

15 Διαχυτήρας πολλαπλών εξόδων U UuJj L Διαχυτήρας Yy S Dd Θθ Xx

16 Υπολογισμός πρώτης αραίωσης Δ1 για μία έξοδο

17 Υπολογισμός πρώτης αραίωσης (Δ1) για πολλαπλές εξόδους (Ν) U

18 Υπολογισμός του μέγιστου ύψους h (μικρότερου βάθους, Η-h) ανόδου του αποβλήτου U

19 Υπολογισμός Δεύτερης αραίωσης (Δ2) για πολλαπλές εξόδους (Ν)

20 Νομογράφημα υπολογισμού της αραίωσης Δ 3 λόγω βιολογικών και φυσικοχημικών δράσεων

21 Σχέση αραίωσης Δ 3 λόγω βιολογικών και φυσικοχημικών δράσεων Δ 3 exp 2.3 T 90 x U

22 ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΑΡΑΙΩΣΗ (Δ) Δ = Δ 1 Δ 2 Δ 3

23 αστικών λυμάτων Απαιτούμενος βαθμός αραίωσης για διάφορες μεθόδους επεξεργασίας αστικών λυμάτων ΕΙΔΟΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ -Πρωτογενής -Πρωτογενής + χλωρίωση -Μέθοδος ενεργούς ιλύος -Μέθοδος ενεργούς ιλύος + χλωρίωση ΑΡΑΙΩΣΗ* 755ΟΟ 15ΟΟ 1ΟΟΟ 1ΟΟ * Για επιθυμητή τελική συγκέντρωση κωλοβακτηρίων : 10/ml

24 ΔΙΑΣΠΟΡΑ ΑΕΡΙΩΝ ΡΥΠΩΝ

25 Παράμετροι που επηρεάζουν την τυρβώδη ροή, την ταχύτητα και την διεύθυνση του ανέμου Η τριβή με το έδαφος Η κατακόρυφη κατανομή της θερμοκρασίας στην ατμόσφαιρα Η τοπογραφία και η ύπαρξη κτισμάτων

26 Η τριβή με το έδαφος

27 Μεταβολή της ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ και της ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ του ΑΝΕΜΟΥ σε σχέση με την απόσταση από το έδαφος

28 A B C D E F

29 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΤΗΣ ΣΤΑΘΕΡΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑΣ Επιφανειακός Ημέρα Νύκτα άνεμος στα 10 μέτρα Ηλιακή ακτινοβολία κάλυψη με σύννεφα m/s Ισχυρή Μέτρια Λίγη >4/8 <3/8 <2 Α Α - Β Β 2-3 Α - Β Β C E F 3-5 B B - C C D E 5-6 C C - D D D D >6 C D D D D

30 Κατανομή συγκεντρώσεων και θέση του άξονα του κώνου διασποράς για μικρή (1) και μεγάλη (2) διαταραχή της ατμόσφαιρας h e = h s + Δh

31 h e = h s + Δh Εξίσωση HOLLAND (1953) VS D S +410 Q Δh= U h όπου: Δh = υπερύψωση (m) V S = ταχύτητα εξόδου αερολυμάτων (m/s) D S = διάμετρος εξόδου καμινάδας (m) Q h = ρυθμός εκπομπής θερμότητας (cal/s) U= ταχύτητα ανέμου στο ύψος της καμινάδας h s (m/s)

32

33 Τα αρχικά χαρακτηριστικά των αερολυμάτων που επηρεάζουν την υπερύψωση η θερμοκρασία και η πυκνότητα. Γενικά όσο πιο μεγάλη είναι η διαφορά θερμοκρασίας εξόδου και περιβάλλοντος τόσο ευνοείται η υπερύψωση λόγω διαφοράς πυκνότητας. η ταχύτητα εξόδου των αερολυμάτων που εξαρτάται από την παροχή των αερολυμάτων και την διάμετρο της καμινάδας,. Γενικά όσο πιο μεγάλη η ταχύτητα εξόδου τόσο μεγαλώνει η υπερύψωση λόγω ορμής. η παρουσία σωματιδίων. Σωματίδια διαμέτρου <20μm ακολουθούν τα υπόλοιπα αέρια, ενώ σωματίδια διαμέτρου >20μm λόγω της επίδρασης της βαρύτητας θα έχουν μικρότερη υπερύψωση. η παρουσία υγρασίας που μπορεί να οφείλεται σε προηγούμενη επεξεργασία των αερολυμάτων. Τα σταγονίδια τον νερού εξατμίζονται καθώς εξέρχονται από την καμινάδα απορροφώντας θερμότητα από την μάζα των αερίων και ψύχοντάς τα με αποτέλεσμα την μείωση της υπερύψωσης.

34 Τα χαρακτηριστικά του ατμοσφαιρικού αέρα που επηρεάζουν την υπερύψωση η ταχύτητα του ανέμου. Γενικά η αύξηση της ταχύτητας του ανέμου προκαλεί μείωση της υπερύψωσης τόσο λόγω της μείωσης της κατακόρυφης ταχύτητας των αερολυμάτων όσο και λόγω της ταχύτερης ανάμιξης και εξισορρόπησης των χαρακτηριστικών των αερολυμάτων μ' αυτά του ατμοσφαιρικού αέρα. η ισορροπία της ατμόσφαιρας. Γενικά ατμοσφαιρικές συνθήκες που ευνοούν την προς τα κάτω κίνηση αερίων μαζών μειώνουν την υπερύψωση (π.χ. FUMIGATING, ΤRAΡΡΙΝG), ενώ συνθήκες που ευνοούν την προς τα πάνω κίνηση ευνοούν την υπερύψωση (LOFTING).

35 Το πρόβλημα του Σχεδιασμού

36 h e = h s + Δh Εξίσωση HOLLAND (1953) VS D S +410 Q Δh= U V g D U S Δh Q h h όπου: Δh = υπερύψωση (m) V S = ταχύτητα εξόδου αερολυμάτων (m/s) D S = διάμετρος εξόδου καμινάδας (m) Q h = ρυθμός εκπομπής θερμότητας (cal/s) U= ταχύτητα ανέμου στο ύψος της καμινάδας h s (m/s)

37 Ελκυσμός Καμινάδας DP 0.35 L P a 1 T a - 1 T g όπου: L = το ενεργό ύψος της καμινάδας, m P a = η βαρομετρική πίεση της ατμόσφαιρας, mbar Τ α = η εξωτερική θερμοκρασία ( K ) Τg = η μέση θερμοκρασία των καυσαερίων ( K ) DP = ελκυσμός καμινάδας, mm/h 2 O

38 Ρύπανση ποταμών

39 Οριακές συγκεντρώσεις οξυγόνου για την επιβίωση υδάτινων οργανισμών Οργανισμοί Θερμοκρασ ία ο C Συγκέντρω ση οξυγόνου mg/l Πέστροφα brown Σολομός Coho Πέστροφα rainbow Σκουλήκια grubei Αμφίποδα azteca Nereis Hyglella

40 Συγκέντρωση κορεσμού οξυγόνου (mg/l), σε καθαρό νερό, σε υφάλμυρο νερό οc % 0.4 % 0.8 % 1.0 % 1.2 % 1.4 % 1.6 % 1.8 % 2.0 %

41 Βιοοξείδωση οργανικών ενώσεων dl dt K 1 L t ln -K1 L o L t Κ 1 = σταθερά ρυθμού βιοαποικοδόμησης, (χρόνος 1 ) L t = η συγκέντρωση των οργανικών ενώσεων στη χρονική στιγμή t, (mg/l) L o = αρχική συγκέντρωση των οργανικών ενώσεων, (mg/l)

42 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Βιοξείδωση οργανικού αζώτου ΑΜΙΝΟ-ΟΞΕΑ ΝΗ Ο 2 ΝΟ Η 2 Ο + 2Η + Ενεργειακό επίπεδο ΑΜΜΩΝΙΑ ΝΙΤΡΩΔΗ ΟΥΡΙΑ και ΟΥΡΙΚΟ ΟΞΥ dn dt ln N N K t o -K N N N t ΝΙΤΡΙΚΑ

43 Χαρακτηριστικές τιμές των Κ 1, Κ Ν, L o και Ν ο (20 ο C) Περιπτώσεις Κ 1 day -1 Κ Ν day -1 L o mg/l Ν ο mg/l Αστικά λύματα Αστικά λύματα που έχουν υποστεί πρωτογενή επεξεργασία Αστικά λύματα που έχουν υποστεί δευτερογενή επεξεργασία Πόσιμο νερό Νερό ποταμού

44 Άλλοι παράγοντες που επιδρούν στην μεταβολή της συγκέντρωσης του οξυγόνου Θερμοκρασία Αραίωση Καθίζηση αιωρούμενων στερεών Αναδιασπορά στερεών που έχουν καθιζάνει Φωτοσύνθεση 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Αναπνοή Οξείδωση ιζημάτων Οργανική ύλη + Ο 2 CO 2 + H 2 O + NH 4 + Επαναοξυγόνωση του νερού (Νόμος Henry) p[o 2 ] = H[O 2 ] x [O 2 ]

45 Συγκέντρωση κορεσμού οξυγόνου Σταθερά Henry Θερμοκρασία, ο C x 10-3 atm Διαλυμένο οξυγόνο Θερμοκρασία, ο C mg/l DOK e T

46 Μοντέλο υπολογισμού συγκέντρωσης οξυγόνου dc dt t P - R - K 1 L t - K N N t K a C - C S t - S P = η παραγωγή του οξυγόνου από την φωτοσύνθεση. R = η κατανάλωση του οξυγόνου από την αναπνοή των ζωντανών οργανισμών του υδάτινου οικοσυστήματος S = η κατανάλωση του οξυγόνου από την αποσύνθεση των ιζημάτων

47 Μοντέλο Streeper - Phelps dd dt K L - K 1 t 2 D D = C S C t, mg/l L t = συγκέντρωση βιοαποικοδομήσιμου οργανικού φορτίου μετρούμενο σαν BODu (BODu BOD), mg/l Κ 1, Κ 2 = ρυθμοί κατανάλωσης και εμπλουτισμού αντίστοιχα σε οξυγόνο του υδάτινου αποδέκτη, days -1

48 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΤΑΘΕΡΩΝ Κ 1 και Κ Δt log 10 L L A K. K 2 K1 L D B 2.3 ΔD Δt Δt = χρόνος διαδρομής νερού από τον σταθμό Α στο σταθμό Β,days D K 1 =ρυθμός αποοξυγόνωσης, d -1 K 2 =ρυθμός επαναοξυγόνωσης, d - 1 L A =μαζική παροχή BODu στο σταθμό Α, kg/d L Β =μαζική παροχή BODu στο σταθμό Β, kg/d D = μέση τιμή μαζικής παροχής Ελλείμματος διαλυμένου οξυγόνου μεταξύ των δύο σταθμών, kg/d L = μέση τιμή μαζικής παροχής BODu μεταξύ των δύο σταθμών, kg/d ΔD =μεταβολή μαζικής παροχής ελλείμματος οξυγόνου από τον σταθμό Α στο σταθμό Β, kg/d

49 Παράδειγμα Υπολογισμού των Κ 1 και Κ 2 ΣΤΑΘΜΟΙ ΔΕΙΓΜΑΤΑ Θερμοκρασ ία Παροχ ή BOD 5 Διαλυμένο οξυγόνο o C m 3 /s mg/l mg/l ΣΤΑΘΜΟΣ Δείγμα Α Δείγμα ΣΤΑΘΜΟΣ Δείγμα B Δείγμα

50 Υπολογισμοί ελλείμματος οξυγόνου ΣΤΑΘΜΟΙ Σταθμός Α Σταθμός Β D δείγμα , kg/d 4 ΔD ΔΕΙΓΜΑΤ Α συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου mg/l συγκέντρωση οξυγόνου κορεσμού mg/l 10 3 συγκέντρωση ελλειμματικο ύ οξυγόνου mg/l δείγμα δείγμα δείγμα kg/d

51 Υπολογισμοί παραδείγματος days Δt kg/d L A kg/d L B kg/d L days log K -1 2 days K

52 Αποτελέσματα παραδείγματος K1 log days K days Συντελεστής Fair K 2 /K 1 = 3.87

53 Ανεκτικότητα ποταμού σε οργανική ρύπανση D t K K 1 2 L A K 1 K1t K t K t D 10 2 A 2 t = χρόνος διαδρομής του νερού από το σημείο Α, days Dt= έλλειμμα διαλυμένου οξυγόνου μετά από διαδρομή t χρόνου από το σημείο Α, kg/d

54 Παράδειγμα 2ο Q= 6000 m 3 /d BOD 5= 350 mg/l 1 km Θάλασσα Σταθμός Β Γ Ταχύτητα V= 1.6 km/h Σταθμός Α

55 Συγκέντρωση οξυγόνου σε συνάρτηση του βαθμού επεξεργασίας και της χρονικής απόστασης από το σημείο Γ στην θερμοκρασία των 12οC. Διαλυμένο οξυγόνο,mg/l Θερμοκρασία 12 oc E=80% E=60% E=40% E=20% E=0% 0 0,01 0,03 0,04 0,06 0,07 0,09 0,1 0,12 0,13 0,15 0,16 0,18 0,19 ημέρες

56 Ελάχιστη συγκέντρωση οξυγόνου σε συνάρτηση του βαθμού επεξεργασίας των αποβλήτων και της θερμοκρασίας. Ε % ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ 6 ο C 7 ο C 8 ο C 9 ο C 10 ο C 11 ο C 12 ο C 13 ο C 14 ο C 0% % % % , % % % % % % %

57 Η ελάχιστη συγκέντρωση οξυγόνου σε συνάρτηση με την θερμοκρασία και τον βαθμό επεξεργασίας Κρίσιμη συγκέντρωση οξυγόνου mg/l o C 10 o C 11 o C 12 o C 13 o C 14 o C 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Επεξεργασία αποβλήτου 8 o C 7 o C 6 o C

58 Σχέση θερμοκρασίας και ελάχιστης απαίτηση επεξεργασίας του αποβλήτου 120 ελάχιστη % επεξεργασία αποβλήτου θερμοκρασία o C

59 Κρίσιμος χρόνος Για d(dt)=0 προκύπτουν οι σχέσεις: A A C L D K K K K K K K t log 1 K 2 t C A 2 1 C 10 L K K D t c = κρίσιμος χρόνος, days D c = κρίσιμο έλλειμμα οξυγόνου, mg/l

60 Μέθοδος Thomas C A C A K K log D D 1 K K K 1 ) log(d ) log(l

61 Κατηγορία Είδη Χαρακτηριστικά Ολιγοσαπροβιοτι κά Βήτα-μεσοσαπροβιοτι κά Αλφα-μεσοσαπροβιοτι κά Πολυσαπροβιοτι κά Βακτήρια Φύκη Εντομα Ψάρια Βακτήρια Φύκη Φυτά Εντομα Ψάρια Βακτήρια Φύκη Φυτά Εντομα Ψάρια Βακτήρια Φύκη Εντομα Ψάρια <100 germs/ml Cladophora typical Λίγα Gammarus pulex, Hydropsyche Σολομός, πέστροφα < germs/ml π.χ. Cladophora, Spirogyra Potamogeton, Elodea, Bactrachium Tubifex, Chironimus και Asellus Gammarus pulex. Baetis Eal Helobdella, Glossiphonia, Sphaerium Pisidium, Planorbis, Ancyclus Αερόβια, > germs/ml (Sphaerotius), Protozoans Green, diatoms, bluegreen Potamogeton crispus Tubifex, Chironimus, Asellus aquaticus, Sialis Stickleback, Sphaerium, Herbobdella Aναερόβια, > germs/ml Beggiatoa, Sphaerotilus, Apodyalactea, Fusarium, Aqueductum, Protozaus: Carchesium, Vorticella, Bodo, Euglena, Colpidium, Glaucoma Bluegreen π.χ. Oscillatoria Tubifex, Chironomes dominating Eristatis, Ptychoptera, Psycoda κανένα

62 ΟΛΙΓΟΣΑΠΡΟΦΥΤΑ Hydropsyche

63 BHTA-ΜΕΣΟΣΑΠΡΟΦΥΤΑ Gammarus pulex Baetis

64 ΑΛΦΑ-ΜΕΣΟΣΑΠΡΟΦΥΤΑ Asellus aquaticus

65 ΠΟΛΥ-ΣΑΠΡΟΒΙΟΤΙΚΑ Tubifex, Chironomes dominations Eristatis, trychoptera, Psycoda

66 Σαπροβιοτικά συστήματα και Παράμετροι Διαλυμένο οξυγόνο φυσικοχημικοί παράμετροι Πολύσαπροβιοτι κό 0 3 mg/l ή <50% του σημείου κορεσμού - Αυξανόμενο το BOD 5 >70% του σημείου κορεσμού - Ελαττούμενο το BOD 5 <30% του σημείου κορεσμού ΒΟD 5 υψηλό Αυξανομένου <5 mg/l Ελαττωμένου >20 mg/l NH mg/l NO mgν/l Αλφα-μέσοσαπροβιοτικό Βήτα-μέσοσαπροβιοτικ ό >60% του σημείου κορεσμού Ολιγοσαπροβιοτικό >90% του σημείου κορεσμού <5 mg/l <3 mg/l mg/l <0.2mg/l <0.1 mg/l mg N/l 0.2 mg N/l <0.05 mg N/l NO 3 - Θολερότητ α Πολύ χαμηλό 1-2 mg N/l 2-6 mg N/l υψηλή χαμηλή Πολύ χαμηλή υψηλό Πολύ καθαρό

67 Μεταβολή οργανικού και ανόργανου αζώτου καθώς και του φωσφόρου μετά το σημείο ρύπανσης ενός ποταμού

68 Μεταβολή του αριθμού των μικροοργανισμών μετά το σημείο ρύπανσης ενός ποταμού

69 Μεταβολή του αριθμού των άλγεων (φυκών) μετά το σημείο ρύπανσης ενός ποταμού

70 Μεταβολή του αριθμού των διαφόρων δεικτών μικροοργανισμών μετά το σημείο ρύπανσης ενός ποταμού

71 Μεταβολή της ποικιλομορφίας του οικοσυστήματος του ποταμού μετά το σημείο ρύπανσης ενός ποταμού

72 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα» του ΕΜΠ έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.