WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA
Politechniki Krakowskiej
im. Tadeusza Kościuszki
Procesy w środowisku wodnym
W skrypcie zaprezentowano obliczenia z zakresu statyki i kinetyki przemian substancji występujących w wodach naturalnych z uwzględnieniem procesów dyfuzji, adwekcji i dyspersji masy. Przykłady obliczeń stanowią materiał uzupełniający do modułów „Procesy w środowisku wodnym” i „Ochrona wód” wykładanego na kierunku Inżynieria Środowiska w Politechnice Krakowskiej.
Skrypt przeznaczony jest dla studentów inżynierii środowiska i kierunków pokrewnych. Może być również przydatny pracownikom ośrodków naukowych, biur projektów oraz osobom interesującym się zagadnieniami ochrony środowiska.
Następne wydania będą uzupełniane nowymi przykładami z zakresu: przemian i transportu zanieczyszczeń w stanach nieustalonych, dynamiki procesów, absorpcji, adsorpcji, przemian i transportu substancji w wodach podziemnych, optymalizacji strumieni zanieczyszczeń wprowadzanych do wód powierzchniowych, filtracji, a także wyznaczania izochron dla ujęć wód podziemnych.
Obliczenia, dotyczące zwłaszcza równowag chemicznych, prowadzone będą z dużą dokładnością aby możliwe było sprawdzenie poprawności równań i wyników. Szczególnie istotna jest duża dokładność przy sprawdzaniu bilansów masy i ładunków. Znaczna rozpiętość rzędów wartości stężeń składników roztworu wymaga obliczeń, w których liczby reprezentowane są przez nawet dziesięć cyfr znaczących. Z punktu widzenia użyteczności wyników obliczeń chemicznych dokładność 3 – 4 cyfr znaczących jest wystarczająca.
W zadaniach zapis [H2CO3] należy traktować jako sumę stężeń hydratowanego dwutlenku węgla CO2(aq) i niezdysocjowanego kwasu węglowego H2CO3 o ile nie zaznaczono w tekście inaczej.
Spis treści: str.
Równowagi węglanowe (zadania: 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d) 8
Równowaga kinetyczna procesu (zadanie 4) 37
Biochemiczne utlenianie związków organicznych, absorpcja
tlenu z atmosfery (zadania: 5¸6) 43
Minima lokalne stężeń tlenu (zadania: 7¸8) 48
Biochemiczne utlenianie związków organicznych, absorpcja tlenu z atmosfery,
fotosyntetyczna produkcja tlenu, obszarowy dopływ zanieczyszczeń,
minima lokalne stężeń tlenu (zadanie 9) 54
Model Monoda przemian zanieczyszczeń (zadanie 10) 63
dopływ zanieczyszczeń obszarowych, ilość zużytej lub wydzielonej
substancji w danym procesie (zadania: 11¸12) 69
Fotosynteza, równowaga termodynamiczna składników
gazowych układu woda – powietrze atmosferyczne,
równowagi węglanowe (zadania: 13¸14) 73
Obieg fosforu (zadanie 15) 82
Nitryfikacja, równowagi węglanowe (zadanie 16) 85
Biochemiczne utlenianie związków organicznych, nitryfikacja, denitryfikacja,
absorpcja tlenu z atmosfery, zużycie tlenu (zadanie 17) 89
Biochemiczne utlenianie związków organicznych, kinetyka przemian dla układu
kwas węglowy – woda (zadanie 18) 101
Procesy przebiegające w osadach dennych,
dyfuzyjny transport masy (zadania: 19¸21) 112
Dyspersyjny transport masy, kaskada zastępcza (zadania: 22¸24) 121
Dopływ wód podziemnych do studni (zadanie 25) 138
Wykaz ważniejszych oznaczeń
(uwaga: niektóre takie same oznaczenia mogą
mieć różne znaczenie w różnych przykładach)
Alfabet łaciński:
[a] – stężenie substancji o nazwie „a” [g/dm3], [mol/dm3] lub współczynnik
piezoprzewodności [m2/s]
as – współczynnik przewodności stanów [m2/s]
A* - powierzchnia normalna do kierunku dyfuzji [m2]
a, b, A, B – stałe, chyba, że w tekście podano inaczej
Ax – powierzchnia przekroju poprzecznego koryta cieku w przekroju x [m2]
B – wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZTC/m3]
Br - wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu w stanie równowagi kinetycznej procesu [g O2 BZTC/m3]
C* , C*… - stężenie na granicy faz [g … /m3]
C, C… – stężenie [g/dm3], [mol/dm3], stężenie węgla nieorganicznego [g C/m3]
C~ - stężenie w rdzeniu fazy [g … /m3], w głębi fazy
c… – stężenie [g/dm3], [mol/dm3]
C…,d – stężenie substancji w dopływie obszarowym [g … /m3]
CB… , CBZTc… - wartość całkowitego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZTC/m3]
CBZT5… - wartość 5- dobowego biochemicznego zapotrzebowania tlenu [g O2 BZT5/m3]
Cq – stężenie dla źródła punktowego [g … /m3]
CT* – stężenie tlenu w stanie równowagi termodynamicznej dla układu woda – powietrze [g O2 /m3]
CT… – stężenie tlenu [g O2/m3]
Cwo – stężenie węgla nieorganicznego [mol C/dm3]
Cso – stężenie siarki nieorganicznej [mol S/dm3]
D – współczynnik dyspersji wzdłużnej [m2/s]
D* , D*... - współczynnik dyfuzji w warstwie bentosowej [m2/s]
E – stała w prawie Raoulta [mmHg]
f – nazwa funkcji
F – nazwa funkcji
h – głębokość fazy wodnej, rzędna swobodnego zwierciadła wód gruntowych [m]
H- głębokość, rzędna napiętego zwierciadła wód gruntowych [m]
Hśrd , – średnia głębokość [m]
H… - stężenie jonów wodorowych [mol/dm3]
I – natężenie promieniowania fotosyntetycznie aktywnego [kcal/m2 d)]
Ir – iloczyn rozpuszczalności [mol2/dm6]
Iw – iloczyn jonowy wody [mol2/dm6]
Ix – nachylenie zwierciadła wód gruntowych
k – współczynnik filtracji [m/s]
k – stała szybkości procesu [d-1], np.: stała szybkości biochemicznego utleniania
k- - stała szybkości procesu przebiegającego w lewo
k* - stała szybkości absorpcji tlenu z atmosfery przez wodę [d-1]
k+ - stała szybkości procesu przebiegającego w prawo
K… - stała Michaelisa - Menten dla substancji opisanej indeksem dolnym [g/m3]
k… - wyrażenie funkcyjne, stała szybkości procesu
K1 – stała reakcji chemicznej dla I stopnia dysocjacji kwasu węglowego [mol/dm3]
k1 – stała szybkości biochemicznego utleniania [d-1]
k1 , k2 , k3 , - stałe szybkości procesu dotyczące obiegu fosforu [d-1]
K2 – stała reakcji chemicznej dla II stopnia dysocjacji kwasu węglowego [mol/dm...
GeoloIS