VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN MODELOVÁNÍ BIOCHEMICKÝCH POCHOD VE FILTRANÍM PROSTEDÍ KOENOVÝCH ISTÍREN

VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍHO HOSPODÁ STVÍ KRAJINY FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF LANDSCAPE WATER MANAGEMENT

MODELOVÁNÍ BIOCHEMICKÝCH POCHOD VE FILTRA NÍM PROST EDÍ KO ENOVÝCH ISTÍREN MODELLING OF THE BIOCHEMICAL PROCESSES IN THE CONSTRUCTED TREATMENT WETLANDS

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

BC. MIROSLAVA N MCOVÁ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2015

Ing. MICHAL KRIŠKA, Ph.D.

Modelování biochemických pochod ve filtra ním prost edí ko enových istíren

Bc. Miroslava N mcová

Diplomová práce

ABSTRAKT Práce se zabývá problematikou modelování biochemických proces v nasyceném filtra ním prost edí vertikálního pole ko enové istírny odpadních vod pomocí programu HYDRUS 2D s využitím modulu Constructed Wetland CW2D. Úvodní ást práce je teoretickou rešerší odborných informací a poznatk , které mají za cíl seznámení s problematikou ko enových istíren. Cílem je také poskytnutí základního p ehledu k ešení matematického, respektive numerického modelu. Poslední kapitola teoretického úvodu popisuje program HYDRUS 2D a jeho modul CW2D, který je v praktické ásti práce použitý pro tvorbu numerického modelu. Druhá ást, která navazuje na teoretické znalosti, ukazuje proces tvorby matematického modelu v prost edí programu HYDRUS 2D, jenž simuluje reálné biochemické d je ve vertikálním nasyceném filtra ním poli ko enové istírny. Model je sestrojen v programu HYDRUS 2D CW2D podle vzoru reálného a provozovaného filtra ního pole. Práce popisuje kalibraci a následnou verifikaci tohoto modelu. Výsledný model dokáže dob e simulovat reálné chování filtra ního prost edí ko enové istírny a umož uje získat informace o výstupních koncentracích sledovaných emisních ukazatel odpadní vody, jakými jsou amoniakální dusík (N-NH4+) a chemická spot eba kyslíku (CHSKCr). Výsledky práce by m ly v budoucnu p isp t k vytvo ení softwaru ur eného k návrhu filtra ních za ízení.

KLÍ OVÁ SLOVA ko enové istírny odpadních vod, modelování filtra ních proces , HYDRUS 2D, CW2D, CHSKCr, N-NH4+



Diplomová práce

ABSTRACT This master's thesis deals with the modeling of biochemical processes in saturated vertical filter (which is often part of constructed treatment wetland) using software HYDRUS 2D and the module Constructed Wetland CW2D. The introductory part of this thesis is the literature research of expertise that are introduce with the theme constructed treatment wetlands and should also provide a basic overview of the mathematical or numerical modeling issue. The last chapter describes the theoretical introduction of software HYDRUS 2D and CW2D module, it is the practical part used to create a numerical l model. The practical part is based on theoretical knowledge and demonstrates the creating process of mathematical model in program HYDRUS 2D, simulating the real biochemical processes on the vertical saturated filter. The model is created in the program HYDRUS 2D CW2D and based on real operated constructed wetland. The thesis describes the calibration and followed verification of this model. The final model can well simulate the real filter behavior and allows user to get information about the output concentrations of waste water emission, such as ammonia nitrogen (N-NH4+) and chemical oxygen demand (COD). The results should in the future contribute to create software intended to draft and layout constructed wetlands.

KEY WORDS constructed wetland, modelling of filtration processes, HYDRUS 2D, CW2D, COD, N-NH4+



Diplomová práce

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VŠKP Bc. Miroslava N mcová Modelování biochemických pochod ve filtra ním prost edí ko enových istíren. Brno, 2015. 88 s. Diplomová práce. Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta stavební, Ústav vodního hospodá ství krajiny. Vedoucí práce Ing. Michal Kriška, Ph.D.



Diplomová práce

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracovala samostatn a že jsem uvedla všechny použité informa ní zdroje.

V Brn dne 12.1.2015 ……………………………………………………… podpis autora Bc. Miroslava N mcová



Diplomová práce

POD KOVÁNÍ Cht la bych tímto pod kovat vedoucímu mé diplomové práce, Ing. Michalu Kriškovi, Ph.D., za ochotu, odborné rady a p ipomínky. D kuji také své rodin a svému p íteli za podporu b hem celého studia. D kuji pracovník m firmy Dekonta, a. s. za poskytnutí dat (rozbory CHSKCr, BSK5, N-NH4+, Pcelk, atd.). Poznatky z oblasti vertikálních skráp ných filtr jsou zajiš ovány na K OV Koten ice ešitelským kolektivem výzkumného projektu MPO TIP FR-TI3/778 s názvem „BIOSTREAM“ – išt ní odpadních vod v integrovaném biotechnologickém systému. Výzkumné práce, související s kalibrací matematického modelu filtra ní nápln , byly také podpo eny výzkumným projektem Technologické agentury eské republiky ev. . TA02021032 “Anaerobní separátor nerozpušt ných látek a nutrient “.



Diplomová práce

OBSAH 1

ÚVOD.................................................................................................................. 4

2

CÍLE .................................................................................................................... 5

3

KO ENOVÉ

3.1

Horizontální ko enové istírny .................................................................................................................. 8

3.2

Vertikální ko enové istírny ...................................................................................................................... 9

3.3

Ko enová istírna odpadních vod Koten ice ......................................................................................... 10 3.3.1 Vertikální filtr VKF A1 ................................................................................................................... 13

3.4

Legislativa ................................................................................................................................................. 13

3.5

Sledované ukazatele kvality vody na K OV ......................................................................................... 15 3.5.1 CHSK .............................................................................................................................................. 16 3.5.2

BSK ................................................................................................................................................. 16

3.5.3 3.5.4

Amoniakální dusík .......................................................................................................................... 17 Nerozpušt né látky .......................................................................................................................... 18

3.5.5 3.5.6

Celkový fosfor................................................................................................................................. 18 Celkový dusík ................................................................................................................................. 19

3.6.1

istící procesy na K OV ......................................................................................................................... 19 Mineralizace .................................................................................................................................... 20

3.6.2

Nitrifikace ....................................................................................................................................... 20

3.6.3

Denitrifikace.................................................................................................................................... 21

3.6

4

ÍSTÍRNY ODPADNÍCH VOD ...................................................... 6

MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ ...................................................................... 22

4.1

Model ......................................................................................................................................................... 22 4.1.1 Základní d lení matematických model .......................................................................................... 22

4.2

Numerické ešení ...................................................................................................................................... 23 4.2.1 Metoda kone ných diferencí ........................................................................................................... 24 4.2.2

4.3

Metoda kone ných prvk ................................................................................................................ 24

Hydraulické ešení ................................................................................................................................... 24 4.3.1 Zákon zachování hmotnosti ............................................................................................................ 25 4.3.2 4.3.3

Zákon zachování hybnosti ............................................................................................................... 25 Stavové rovnice ............................................................................................................................... 25

4.3.4 4.3.5

Zákon zachování energie ................................................................................................................. 26 Nasycená zóna ................................................................................................................................. 26

4.3.6

Nenasycená zóna ............................................................................................................................. 26

1



Diplomová práce

4.4

Okrajové a po áte ní podmínky ............................................................................................................. 27 4.4.1 Po áte ní podmínky ........................................................................................................................ 28 4.4.2 Okrajové podmínky ......................................................................................................................... 28

4.5

Obecný postup p i modelování................................................................................................................ 29

5

PROGRAM HYDRUS ....................................................................................... 31

5.1

Constructed Wetlands 2D ........................................................................................................................ 31 5.1.1 Popis složek CW2D ........................................................................................................................ 32 5.1.2 Popis proces CW2D ...................................................................................................................... 33

5.2

Výstupy z progamu .................................................................................................................................. 37

6 METODIKA ZPRACOVÁNÍ SIMULA NÍHO MODELU VERTIKÁLN PROTÉKANÉHO FILTRA NÍHO POLE .................................................................. 38 6.1

Definice cíl ............................................................................................................................................... 38

6.2

Vstupní data .............................................................................................................................................. 38

6.3

Zjednodušující p edpoklady ................................................................................................................... 41

6.4

Tvorba modelu v programu HYDRUS ................................................................................................... 41 6.4.1 Diskretizace náhradní oblasti .......................................................................................................... 42 6.4.2 Výb r simula ních proces ............................................................................................................. 44 6.4.3 6.4.4

asové charakteristiky .................................................................................................................... 44 Itera ní kritéria ................................................................................................................................ 45

6.4.5 6.4.6

Modelování p dního prost edí ........................................................................................................ 46 Transport nerozpušt ných látek ...................................................................................................... 48

6.4.7

Vegetace .......................................................................................................................................... 51

6.4.8 6.4.9

Po áte ní podmínky ........................................................................................................................ 51 Okrajové podmínky ......................................................................................................................... 54

6.4.10

asov prom nné okrajové podmínky ............................................................................................ 55

6.5

Kalibrace modelu ..................................................................................................................................... 57

6.6

Citlivostní analýza .................................................................................................................................... 62

6.7

Výsledky kalibrace ................................................................................................................................... 64

6.8

Verifikace modelu .................................................................................................................................... 70

7

DISKUZE VÝSLEDK ...................................................................................... 73

8

ZÁV R .............................................................................................................. 75

2



Diplomová práce

9

POUŽITÁ LITERATURA .................................................................................. 77

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOL ..................................................... 83 SEZNAM TABULEK ................................................................................................. 84 SEZNAM OBRÁZK ................................................................................................ 85 SUMMARY ................................................................................................................ 88

3



Diplomová práce

1

ÚVOD

Využívání ko enových istíren pro išt ní odpadních vod malých producent je ve sv t stále populárn jší. V eské republice se ale dostávají do pov domí široké ve ejnosti v tšinou v negativních souvislostech. Ko enové istírny jsou zafixovány jako dobré ešení p i išt ní odpadních vod pro jednotlivá sídla nebo letní provozy, ale pro v tší po et ekvivalentních obyvatel, v ádu stovek, poukazují jejich odp rci na špatné výsledky v ú innosti odstran ní amoniakálního dusíku. P itom p i použití nových poznatk lze dosáhnout velmi dobrých výsledk v ú innosti istícího procesu tak, jak je tomu u zahrani ních provoz . P edevším je d ležité pochopit principy proces odstra ování zne išt ní, které jsou založeny na podmínkách ve filtra ním poli. Krom jiných faktor má na výsledný istící efekt zásadní vliv množství vody ve filtra ním poli. Na základ p ítomnosti vody lze hovo it o nasyceném, resp. nenasyceném filtra ním prost edí. Správn navržené a provozované ko enové istírny, zejména v zahrani í, pak dosahují vysokých ú inností v odstran ní CHSKCr, BSK5, NL a i N-NH4+a áste n i Pcelk. Dobrým nástrojem pro simulaci d j ve filtra ním poli K OV mohou být specializované softwary. Matematický model filtra ního pole ešený pomocí t chto softwar m že pomoci k pochopení biochemických proces probíhajících v tomto prost edí. Mohl by také p edpovídat výstupní koncentrace zne is ujících látek, které jsou v rámci emisních standard sledovány. Správn fungující model, který by byl nakalibrován a ov en p i verifikaci, by se stal ú inným prost edkem p i návrhu ko enových filtra ních polí. Matematické modelování má tak pro išt ní odpadních vod na K OV velký potenciál. Jedním z možných softwar , který umož uje modelovat biochemické procesy je HYDRUS 2D, respektive jeho rozší ení CW2D. CW2D je zkratkou anglického termínu Constructed Wetland, pro který do eštiny nemáme jednozna ný p eklad. Voln ho m žeme p eložit jako „um lé mok ady“, ve skute nosti se však pod tímto termínem skrývá obsáhlý popis, který zahrnuje filtra ní pole jak ko enových istíren, tak i mok ad a jiných p dních a vegeta ních prost edí ur ených k išt ní nejen odpadních vod. To, že pomocí CW2D dokážeme v prost edí HYDRUS 2D dob e simulovat chování na filtra ním poli ko enové istírny, by m ly ukázat i výsledky této práce.

4



Diplomová práce

2

CÍLE

První ást práce, která je zpracovaná jako literární rešerše, má poskytnout základní informace týkající se ko enových istíren, p edevším by m la zhodnotit jejich sou asnou situaci v eské republice. Další kapitoly mají být teoretickým úvodem k problematice matematického, respektive numerického modelování v softwaru HYDRUS 2D s využitím jeho modulu CW2D, který bude použit p i tvorb modelu. Takto definovaná struktura by m la být základem pro pochopení praktické ásti práce. Ta si klade za cíl vytvo it numerický model vertikálního filtra ního pole ko enové istírny, který by popisoval chování reálných d j probíhajících p i procesu ist ní odpadních vod. Výsledkem práce by m l být model reálného nasyceného filtra ního pole, který by na základ provedené kalibrace dokázal ur it výstupní koncentrace amoniakálního dusíku N-NH4+ a chemické spot eby kyslíku CHSKCr na odtoku z pole. Pokud by byla provedená kalibrace úsp šná, což ukáže výsledek statistické analýzy, mohl by být model verifikován na základ souboru jiné skupiny dat, které jsou k dispozici. Výsledky verifikace by potvrdily nebo vyvrátily vhodnost modelu pro jeho budoucí použití p i odhadu odtokových koncentrací z jiných filtra ních polí. Pokud by se ukázalo, že numerický model filtra ního pole dokáže dob e simulovat reálné biochemické d je filtra ního prost edí a poskytuje tak spolehlivé výsledky výstupních koncentrací sledovaných látek, bude využit pro návrh softwaru ur eného k projektování filtra ních za ízení. Podle t chto výsledk by pak mohl prob hnout návrh r zných vertikálních filtra ních polí, kdy by se na základ matematického modelu dala ur it kvalita odtékající vody.

5



Diplomová práce

3

KO ENOVÉ ÍSTÍRNY ODPADNÍCH VOD

Jednou z možných technologií išt ní odpadních vod, založených na p irozeném principu, jsou ko enové istírny, které využívají fyzikální, chemické a biologické procesy, k nimž dochází v p d (Kadlec a Wallace, 2009). Již p ed více jak dvaceti lety byly ko enové istírny prosazovány pro nízké náklady na provoz a údržbu, což byl p edpokládaný d vod pro jejich rozší ení jako systému pro išt ní odpadních vod z malých obcí (Kadlec a Wallace, 2009). Jedná se o um le budované zemní filtry osázené mok adní vegetací, nej ast ji rákosem obecným, chrasticí rákosovitou nebo orobincem, s definovaným filtra ním prost edím, tzv. ko enovým filtrem, ozna ovaným n kdy jako ko enové pole. Základním principem tohoto zp sobu išt ní je tedy pr tok odpadní vody substrátem, který je osázen mok adní vegetací. Substrát musí být dostate n propustný, aby nedocházelo k jeho ucpávání, které by m lo za následek snížení ú innosti. P i pr chodu odpadní vody substrátem dochází k išt ní, které se uskute uje komplexem chemických, fyzikálních a biologických proces (Šálek, 1999). Pro správnou funk nost filtra ních polí je nezbytné dokonale provedené mechanické p ed išt ní (Kriška, 2014). V sou asné dob jsou ko enové istírny považovány za ú inný zp sob ist ní odpadních vod menších obcí, p edevším do 500 EO (Šálek a kol., 2013). Nicmén nejnov jší výsledky ukazují, že ko enové istírny v eské republice nejsou schopny dostate n eliminovat sledované druhy zne išt ní (Kriška, 2014). V odborné literatu e uvádí auto i adu výhod, pro k išt ní odpadních vod použít ko enové istírny. Jednou z hlavních p edností je p írodní zp sob išt ní spo ívající v ekologickém charakteru istírenského za ízení, kdy vzniká možnost p íznivého za len ní do životního prost edí (Šálek, 1999). Z dalších výhod m žeme jmenovat relativn jednoduché technologické provedení (Šálek a kol., 2013), nižší provozní náklady a investi n srovnatelné náklady s um lou (strojní) istírnou a úsporou energií (Sohair a kol., 2013), sou asn jsou, s ohledem na svoji istící ú innost, jednoduché na obsluhu (Tanner a kol., 2012). Navíc prost ednictvím rostlin, které na sebe vážou ásti dusíku a fosforu (Šálek a kol. 2013), produkují prosp šnou biomasu, která podporuje zachování p írodní rovnováhy (Wetzet, 2001). Nedostatky p i použití ko enových istíren nespo ívají v technologii p írodních zp sob išt ní, ale v nevhodném ešení mechanického stupn p ed išt ní (Šálek a kol. 2013). Dalším omezujícím faktorem pro použití ko enových istíren m že být jejich relativní náro nost na plochu (Kuschk a kol., 2003). Od po átku uvedení ko enových istíren do eské republiky v roce 1987 (Vymazal, 1995) je podle r zných autor d leno uspo ádání filtra ních polí do n kolika kategorií. Hlavní uvád né

6



Diplomová práce

rozdíly pramení z úrovn hladiny odpadní vody vzhledem k filtra nímu materiálu nebo ze sm ru p evládajícího proud ní odpadní vody (Kriška a kol., 2014). Nej ast ji uvád né d lení ko enových istíren bývá práv podle sm ru proud ní a to do t chto skupin: •

ko enové istírny s horizontálním povrchovým proud ním

•

ko enové istírny s horizontálním podpovrchovým proud ním

•

ko enové istírny s vertikálním proud ním sm rem dol

•

ko enové istírny s vertikálním proud ním sm rem vzh ru

•

ko enové istírny s radiálním proud ním (Šálek, 1999).

Nicmén výsledky z provozního m ení ukazují (Kriška a kol., 2014), že d ležit jší je d lení podle jiných kritérií. Jak vyplývá zárove z podstaty biochemických proces , které se vedle filtrace podílí na výsledném istícím ú inku filtra ního prost edí v nejvyšší mí e, je pro ú innost istírny rozhodující zejména množství vody, kterou jsou vypln ny póry filtra ního materiálu. Podle úrovn hladiny, m žeme d lit filtra ní prost edí na •

vodou zcela nasycené

•

vodou nenasycené.

Typickým reprezentantem vodou nasyceného prost edí jsou horizontáln protékané ko enové istírny. Filtry takto uspo ádané (zatopené odpadní vodou) jsou schopny odstra ovat pouze vybrané zne išt ní a to p edevším z d vodu anaerobního prost edí, které se v zatopeném filtru vytvá í. Druhým typem, definovaným podle množství vody ve filtru, je vodou nenasycené filtra ní prost edí – kdy se v samotném filtru nevytvá í hladina odpadní vody. Toto prost edí se vyzna uje p ítomností vzdušného kyslíku v pórech a vnikají tak vhodné podmínky pro procesy nitrifikace (Kriška a kol., 2014). V praxi potom není u vodou nasycených filtr rozhodující, zda odpadní voda proudí sm rem vzh ru nebo dol , resp. v horizontálním nebo vertikálním sm ru. Znamená to tedy, že objemov stejné nápln istí odpadní vodu tém obdobn (Kriška a kol., 2014). Obecn lze íci, že istící ú innost ko enových istíren závisí na ad provozních faktor , které se týkají jednak samotného systému filtra ního pole, popsaných výše, a pak je také dána typem odpadní vody a zp sobem, jakým je odpadní voda na filtra ní pole aplikována. K faktor m samotného systému pat í typ a velikost substrátu, stá í (zralost) substrátu ve filtra ním poli a klimatické podmínky, kterým je systém filtra ního pole vystaven (Verhoeven

7



Diplomová práce

a Meuleman, 1999; Merlin a kol., 2002). Jak ukazují n které studie (Sohair a kol., 2013) áste ný vliv na ú innost filtra ního pole mají i rostliny, kterými je pole osázeno a jejich schopnost vázat odpadní látky, jako je fosfor i dusík. Navíc ko enový systém rostlin zadržuje odpadní vodu v systému polí a zvyšuje tak dobu zdržení, což má za následek zvyšování istící ú innosti (Zuritaa a De Andab, 2009). Gumbricht (Gumbricht, 1993) uvádí, že využívání rostlin by mohlo p isp t alespo 10–20 % p i snížení dusíku.

3.1 HORIZONTÁLNÍ KO ENOVÉ ISTÍRNY Principem tohoto zp sobu

išt ní odpadních vod je horizontální pr tok odpadní vody

propustným substrátem, který je osázen mok adními rostlinami (Vymazal, 1995). Výška hladiny horizontáln protékaného filtru je na stejné úrovni jako povrch filtra ního materiálu, ve filtru tím vzniká nasycené prost edí, a tak je schopen odstra ovat pouze vybrané zne išt ní. Jak ukazuje i praxe, v tšina provozovaných ko enových istíren s horizontálním pr tokem, což jsou tém všechny ko enové istírny v eské republice, poskytuje spolehlivé snížení hodnot CHSKCr, BSK5 a NL (Vymazal, 2009). Vysoká úrove hladiny odpadní vody zp sobuje deficit kyslíku, který p estupuje do odpadní vody pouze prost ednictvím p ítomných mok adních rostlin a velice málo p es hladinu. Zatopené horizontální filtry jsou tak mén ú inné p i odstran ní dusíkatých slou enin, p edevším amoniakálního dusíku (Liu a kol., 2005).

Obr. 1 Schéma horizontáln protékané ko enové istírny odpadních vod V poslední dob byly výzkumné práce zam eny na výzkum vertikáln protékaných ko enových istíren, které jsou velmi efektivní nejen v odstran ní BSK5 a NL, ale také pro nitrifikaci i p i vysokém stupni zatížení a v chladném klimatu (Arias a kol., 2005, Cooper, 2005 a Prochaska a kol., 2007).

8



Diplomová práce

3.2 VERTIKÁLNÍ KO ENOVÉ ISTÍRNY V odborné literatu e jsou vertikáln protékané ko enové istírny rozd leny dle zp sobu proud ní na dva druhy, a to bu protékané sm rem dol anebo sm rem vzh ru (Šálek, 1999), Na základ vlastního pr zkumu a komunikace s projektanty K OV jsem zjistila, že v praxi se v eské republice s filtry protékanými sm rem vzh ru zpravidla nesetkáváme. Pokud tedy budeme uvažovat pr tok filtry vertikální K OV jako shora dol , je p i tomto zp sobu išt ní voda p erušovan p ivád na rozd lovacím potrubím na povrch filtra ního lože osázeného mok adními rostlinami. Voda pak prosakuje, resp. prokapává, vrstvou filtra ního materiálu, zpravidla št rku, následn je sbírána drenážním potrubím na dn filtru a odvád na ze systému (Vymazal, 1995). Ideálním ešením vertikáln protékané ko enové istírny je filtra ní prost edí, které je vodou nenasycené. P i prostupu vlhkým materiálem je odpadní voda okysli ována, protože póry filtra ního materiálu jsou vypln ny vzduchem a ne odkysli enou vodou. Pouze ešení bez vytvo ené hladiny odpadní vody ve filtru zajistí dostate nou dotaci kyslíkem, tzn. amoniakální dusík N-NH4+ je transformován na dusi nanový. Na odtoku z fungujícího vertikálního pulzn skráp ného filtru jsou vyšší koncentrace dusi nan a minimální koncentrace amoniakálního dusíku (Kriška, 2014). Vertikáln protékané ko enové istírny jsou v pr b hu posledních deseti let v zahrani í úsp šn používány pro išt ní odpadních vod pro mén jak 4000 EO. Jejich úsp ch souvisí s dobrou ú inností p i odstra ování NL (90 %), CHSK (90 %), efektivní nitrifikací (90 % odstran ní N-NH4+) (Brix a Árie, 2005; Molle a kol., 2006). Nicmén pro odstran ní fosfore nan je ú innost nízká, kolem 20 až 30 % (Luederitz a kol., 2001), což je ovlivn no zejména nep ítomností technologie chemického srážení fosforu.

Obr. 2 Schéma vertikáln protékané ko enové istírny odpadních vod

9



Diplomová práce

Modelovací procesy jsou ú inným nástrojem pro zkoumání chování vertikáln protékaných ko enových filtra ních polí, protože jsou schopny simulovat ú inky r zných organických d j , které p i išt ní odpadní vody probíhají (Langergraber, 2008). Doposud se pro vytvá ení simulací užívaly p edevším modely vystavené ustálenému stavu zatížení a teprve až v sou asné dob za alo probíhat testování i pro dlouhodobé nestabilní simulace. Avšak i tyto náro né modely p ináší dobré výsledky p i porovnání s reálným chováním. (nap . Rizzo, Langergraber a kol., 2014).

3.3 KO ENOVÁ ISTÍRNA ODPADNÍCH VOD KOTEN ICE Numerický model, který by m l být výstupem této práce, má simulovat chování reálného filtra ního pole ko enové istírny odpadních vod. Vzorem pro tvorbu modelu bude reálné vertikální pole nacházející se na K OV v obci Koten ice. Pro kalibraci modelu a jeho následnou verifikaci budou použity chemické rozbory provád né na zájmovém filtra ním poli této K OV. K OV Koten ice byla uvedena do provozu v roce 1994. Ú innost istícího procesu byla pom rn vysoká, ale i p esto došlo v roce 2011 k její rekonstrukci, z d vodu postupné kolmatace první tvrtiny filtra ního pole (www.dekonta.cz, 2011). Nov upravené technické ešení je dimenzováno na 250 EO a je napojeno na ve ejnou oddílnou splaškovou kanalizaci. P itékající odpadní voda je svedena do št rbinové nádrže a dále do p vodního septiku, který je upraven na objekt akumula ní a erpací jímky vystrojené ponornými kalovými erpadly se solárním zdrojem elektrické energie. Sou ástí systému išt ní odpadních vod je bezpe nostní p epad pro povod ové stavy. Odpadní voda je z erpací jímky erpána do rozvodného potrubí ko enových filtr , které jsou uspo ádány do ty paralelních polí, ve kterých jsou sériov zapojeny r zné modulární soustavy horizontálních (911m2; hloubka 0,7–0,9 m) a vertikálních pulzn pln ných (300m2; hloubka 1,3–1,5 m) ko enových filtr . Filtry jsou osázeny rákosem obecným, chrasticí rákosovitou, kosatcem žlutým a sibi ským, zblochanem vodním a kyprejem vrbicí. Z ásti p vodního filtru je vytvo en rybník, který slouží pro výzkumný chov ryb. Vy išt ná voda ústí do Koten ického potoka (www.dekonta.cz, 2011). ty i paralelní pole jsou ozna ena jako tok A až tok D, schéma zapojení jednotlivých polí je zobrazeno na obrázku 3.

10



Diplomová práce

Obr. 3 Schéma zna ení paralelních polí na K OV Koten ice První soustava polí, ozna ená jako tok A, je tvo ena t emi filtry. Za horizontálním ko enovým filtrem (HKF A1) je zapojeno vertikální, vodou nasycené, filtra ní pole (VKF A1), za které je op t za azen horizontální ko enový filtr (HKF A2). Systém ko enových filtra ních polí na toku B má následující upo ádání: za dvojicí horizontálních filtr (HKF B1 a HKF B2) navazuje vertikální skráp né filtra ní pole (VKF B1), systém polí je ukon en horizontálním filtrem (HKF B3). Tok C je složen ze dvou sériov zapojených horizontálních ko enových filtr o stejné ploše (HKF C1 a HKF C2). Poslední ze systému polí, ozna ený jako tok D, je tvo en ty mi filtra ními poli. Dvojice horizontální filtr (HKF D1 a HKF D2) je v sou asné dob odpojena od p ítoku odpadní vody. Následující dv vertikální ko enová pole (VKF D1 a VKF D2) jsou p ímo napojena na erpací jímku.

Obr. 4 Schéma zapojení filtr na jednotlivých polích

11



Diplomová práce

Obr. 5 Rekonstrukce na K OV Koten ice (vlevo pokládka hydroizolace a ochranné geotextilie, vpravo pohled na soustavu filtra ních polí modulu toku D)

Obr. 6 K OV Koten ice (vlevo filtra ní pole HKF A2 a HKF B3, vpravo filtra ní pole HKF C2)

Obr. 7 K OV Koten ice (vlevo pohled na pole VKF B1; vpravo detail rozd lovacího potrubí na filtra ním poli VKF B1)

12



Diplomová práce

3.3.1

Vertikální filtr VKF A1

Model vytvo ený v programu HYDRUS by m l popisovat vertikální zatopené pole VKF A1, které je sou ástí toku A. Jedná se o filtra ní pole mezi šachtami . 6 a . 7, zapojené za horizontálním podpovrchov protékaným filtra ním polem. Plošné rozm ry filtra ního pole jsou 8,2 x 8,4 m a hloubka 1,41 m. Jeho celková plocha tedy je 69 m2. Na povrchu je rozvinuta mok adní vegetace chrastice obecné. Pole je tvo eno ty mi druhy filtra ních materiál . Hlavní filtra ní materiál tvo í drcený št rk frakce 2/4. Ostatní materiály slouží jako p echodové filtry a drenážní vrstva 32/64. Na povrchu pole VKF A1 je instalováno rozd lovací potrubí PP–HP DN 110, p i emž vypoušt cí otvory v tomto potrubí jsou vy ezány kolmo na podélnou osu. Rozd lovací potrubí je zasypané hrubým št rkem 16/32, který má podle projektové dokumentace plnit úkol ochrany proti UV zá ení. Vzájemná vzdálenost otvor je 20 cm. V drenážní vrstv je umíst no sb rné potrubí, PVC systém KG DN 125. Samotné filtra ní pole je hydraulicky izolované PE folií o tlouš ce 1,5 mm, která je oboustrann kryta netkanou geotextilií o hustot 500 g/m2.

Obr. 8 Vertikální filtra ní pole VKF A1

3.4 LEGISLATIVA Z hlediska platné legislativy eské republiky mohou být K OV za azeny r zn , a to zejména podle toho, zda jimi procházející vody jsou následn využívány jako užitkové, nebo jsou vypoušt ny do vodního toku i kanalizace (Polák, 2011). V p ípad pochybností je to vždy p íslušný vodoprávní ú ad, který na základ zákona . 254/2001 Sb., rozhodne, zda se jedná o vodní dílo (Zákon . 254/2001 Sb.). Pokud jsou odpadní vody z ko enové istírny vypoušt ny do recipientu, je nutné spl ovat emisní standardy na ízení vlády . 61/2003 Sb. O ukazatelích a hodnotách p ípustného

13



Diplomová práce

zne išt ní povrchových vod a odpadních vod. K OV jsou zpravidla navrhované pro kapacitu do 500 EO, výjime n spadají do kategorie 500 – 2000 EO. Pro tyto kategorie jsou závazné limity výstupních hodnot pro CHSKCr, BSK5, nerozpušt ných látek, pro druhou z uvedených kategorii, pak i koncentrace amoniakálního dusíku. Hodnoty koncentrací celkového dusíku a fosforu na výstupu z ko enové istírny není z hlediska legislativy nutné sledovat. Tab. 1 Emisní standardy: p ípustné hodnoty (p), maximální hodnoty (m) a hodnoty pr m ru koncentrace ukazatel zne išt ní vypoušt ných odpadních vod v mg/l dle NV . 61/2003. Kapacita OV

BSK5

p

m

p

m

p

m

p

m

pr m r

m

pr m r

m

< 5007)

150

220

40

80

50

80

-

-

-

-

-

-

500 - 2 000

125

180

30

60

35

70

20

40

-

-

-

-

2001 - 10 000

120

170

25

50

30

60

15

30

-

-

10

10

10 001 - 100 000

90

130

20

40

25

50

-

-

15

20

2

6

> 100 000

75

125

15

30

20

40

-

-

10

20

1

3

(EO)

NL

N-NH4+

CHSKCr

Ncelk

Pcelk.

V eské republice je v tšina K OV navrhována jako horizontáln protékané, viz kapitola 3.1 Horizontální ko enové istírny. Jak již bylo uvedeno, tento typ ko enových istíren má problém s odstran ním amoniakálního dusíku N-NH4+, proto p evládá všeobecné pov domí o využití K OV pro išt ní odpadních vod do 500 EO. V p ípad , že vy išt né odpadní vody budou likvidovány vsakem do p dního podloží, je t eba dodržet emisní limity dané NV 416/2010 Sb., o ukazatelích a hodnotách p ípustného zne išt ní odpadních vod a náležitostech povolení k vypoušt ní odpadních vod do vod podzemních. Tab. 2 Ukazatele a emisní standardy pro odpadní vody vypoušt né z jednotlivých staveb pro bydlení a rekreaci podle NV 416/2010 Sb. „m“*

„m“**

Kategorie OV (EO)

CHSKCr

BSK5

N-NH4+

NL

Pcelk

Escherichia

Enterokoky

< 10

150

40

20

40

10

-

-

10 – 50

150

40

20

40

10

50 000

40 000

> 50

130

30

20

30

8

50 000

40 000

* „m“ je nep ekro itelná hodnota ukazatele zne išt ní odpadních vod vypoušt ných do vod podzemních vyjád ená v koncentraci v mg/l **„m“ je nep ekro itelná hodnota ukazatele zne išt ní odpadních vod vypoušt ných do vod podzemních vyjád ená v koncentraci v KTJ (kolonie tvo ících jednotek)/100ml

14



Diplomová práce

Ko enové istírny odpadních vod jsou zahrnuty v technické norm SN 75 6402 istírny odpadních vod do 500 ekvivalentních obyvatel a stejn tak se lze ídit p i jejich návrhu podle normy SN EN 12566-5: Malé istírny odpadních vod do 50 ekvivalentních obyvatel, konkrétn ástí 5: Filtra ní systémy pro p ed išt ní odpadní vody. Norma SN 75 6402 obsahuje pokyny pro navrhování malých istíren. Z pohledu ešené problematiky je podstatná kapitola 12 Další stupn ist ní vod a p edevším její podkapitoly 12.2 Zemní filtry a 12.3 Vegeta ní istírny odpadních vod. Tyto obsahují doporu ení p i návrhu ko enových istíren odpadních vod. Pro ešení vertikáln protékaných K OV je dobré se ídit kapitolou 12.2 Zemní filtry ( SN 75 6402, 1998). Norma SN EN 12566-5 je eskou verzí evropské normy CEN/TR 12566-5:2008. Oproti p edchozí norm je podrobn jší, vysv tluje pojmy související s problematikou K OV, uvádí popis filtra ních systém , konstruk ní požadavky pro horizontáln i vertikáln protékané filtry ( SN EN 12566-5, 2008). Pro správné fungování vertikálních K OV je d ležité, aby p ítok odpadní vody na ko enové pole nebyl kontinuální a sou asn byl precizn vy ešen návrh rozd lovacího potrubí. Tyto zásadní požadavky neuvádí norma tak podrobn , jak by bylo pro správný návrh pot eba.

3.5 SLEDOVANÉ UKAZATELE KVALITY VODY NA K OV U všech ukazatel zne išt ní, které udává NV 61/2003 Sb., lze na K OV dosáhnout dobrých výsledk ú innosti. Vždy záleží na správném návrhu, realizaci a provozu jednotlivých prvk ko enové istírny, a už se jedná o mechanické p ed išt ní nebo samotné filtra ní pole. V odborné literatu e (Vymazal, 1995) m žeme nalézt teoretické ú innosti p i odstra ování BSK5, CHSKCr, NL, N-NH4+, Pcelk. Jak ukazuje praxe, výsledná ú innost se u realizovaných istíren asto liší, ale zpravidla lze pozorovat lepší výsledky v ú innosti išt ní u vertikálních K OV (Kriška, 2014).

15



Diplomová práce

Tab. 3 P edpokládané istící ú innosti (Vymazal, 1995) Parametr BSK5 CHSKCr NL N-NH4+ Pcelk

3.5.1

Horizontální filtr Ú innost [%] 79,1 69,5 39,6 30,0 47,1

Vertikální filtr Ú innost [%] 96,1 87,4 38,0 65,5 58,5

CHSK

Chemická spot eba kyslíku ozna ovaná zkratkou CHSK, v angli tin pak chemical oxygen demand, zkrácen COD, je jedním ze základních kvalitativních parametr jakosti vody, který hodnotí koncentraci sm si r znorodých organických slou enin. Je definována jako množství kyslíku, které se za p esn vymezených podmínek spot ebuje na oxidaci organických látek ve vod se silným oxida ním inidlem (Malý a Malá, 2006). Pro odpadní vody se jako oxida ní inidlo využívá p edevším dichroman draselný, za p ítomnosti síranu st íbrného jako katalyzátoru (Pitter, 2009). Pro stanovení CHSKCr dichromanem draselným lze tém kvantitativn oxidovat v tšinu organických látek. Hodnoty povrchových vod CHSKCr se pohybují v desítkách mg/l. U odpadních vod mohou kolísat hodnoty CHSKCr v širokém rozmezí, pro splaškové vody se ádov pohybují ve stovkách mg/l (Pitter, 2009). Na rozdíl od BSK5 postihuje CHSKCr biologicky rozložitelné i nerozložitelné látky, zatímco BSK5 udává informaci pouze o biologicky rozložitelných organických látkách. Významná je hodnota pom ru BSK5:CHSKCr umož ující odhad pom rného zastoupení látek podléhajícího biologickému rozkladu za aerobních podmínek (Pitter, 2009). Pom r BSK5:CHSKCr u splaškových vod bývá p ibližn 1:2 (Malý a Malá, 2006).

3.5.2

BSK

Biochemická spot eba kyslíku, zkrácen BSK, anglicky ozna ovaná jako BOD, tedy biological oxygen demand, je ukazatelem míry koncentrace biologicky rozložitelných látek v odpadních vodách (Pitter, 2009). Používá se pro hodnocení kvality povrchových a podzemních vod a je jedním ze základních parametr p i posuzování ú innosti biologického išt ní odpadních vod a p i hodnocení biologické rozložitelnosti organických látek. Je to množství molekulárního kyslíku, který spot ebují mikroorganismy pro biochemický rozklad organických látek (Malý a Malá, 2000).

16



Diplomová práce

Ur uje se jako hmotnostní koncentrace rozpušt ného kyslíku spot ebovaného za stanovených podmínek v oxickém prost edí biochemickou oxidací organických, pop . anorganických látek ve vod . Hodnota BSK záleží na inkuba ní dob (n-dní). Úplná biochemická oxidace organických látek obsažených ve splaškové odpadní vod trvá p i standardní z e ovací metod asi 20 dní. Tato doba je však pro praktickou upot ebitelnost výsledk p íliš dlouhá, proto byla zvolena jednotná inkuba ní doba 5 dní, proto tedy standardn uvádíme BSK5 (Pitter, 2009). Pro ur ení BSK5 se používá standardní z e ovací metoda, kdy se vzorek mísí se z e ovacím roztokem. Následn se m í úbytek rozpušt ného kyslíku ve vzorku vody v lahvi ce na za átku a na konci inkubace. B hem inkubace se udržuje jednotná teplota 20 °C a vzorek musí být ve tm , aby nedocházelo k fotosyntetické asimilaci p ítomných as, p i níž se produkuje kyslík, který by snižoval hodnotu BSK5 (Malý a Malá, 2006). Koncentrace BSK5 se vyjad uje nej ast ji v mg/l V povrchových vodách se nacházejí hodnoty BSK5 obvykle v jednotkách mg/l, pouze v p ípad v tšího zne išt ní bývají hodnoty v tší než 10 mg/l (Pitter, 2009).

3.5.3

Amoniakální dusík

Amoniakální dusík se vyskytuje ve vodách jako disociovaný iont NH4+ a nedisociovaný NH3 (Horáková, 2003). Amoniakální dusík je primárním produktem rozkladných proces v tšiny organických dusíkatých látek rostlinného i živo išného p vodu. Hlavním antropogenním zdrojem amoniakálního dusíku jsou splaškové odpadní vody, zem d lské výrobní odpady, kalová voda z istírenských kal (Buryan, Ciahotný, apla, 1996). Zdrojem amoniakálního dusíku je p edevším fekálie (mo ) a rozkladné produkty dusíkatých organických látek. Splaškové odpadní vody obsahují koncentrace amoniakálního dusíku, které se pohybují v desítkách mg/l (Pitter, 2009). Volný molekulární NH3 je t kavý, a proto jej lze z vody odstranit provzduš ováním. Provzduš ováním vody s hodnotou pH 10 až pH 11 lze odstranit p es 98 % amoniakálního dusíku, p i hodnot pH 8 je však již ú innost malá, asi 37 %. Vzhledem k dobré rozpustnosti NH3 je však pot eba vzduchu zna ná. Amoniakální dusík je ve vodách za oxických podmínek nestálý a velmi snadno podléhá biochemické oxidaci (nitrifikaci). Amoniakální dusík je z hygienického hlediska velmi významný, protože je jedním z primárních produkt rozkladu organických dusíkatých látek. Je proto d ležitým chemickým indikátorem zne išt ní podzemních vod živo išnými odpady. Amoniakální a celkový dusík pat í mezi ukazatele p ípustného zne išt ní vypoušt ných splaškových a m stských

17



Diplomová práce

odpadních vod do vod povrchových. P ípustné hodnoty závisejí na velikosti zdroje zne išt ní a na po tu ekvivalentních obyvatel (Pitter, 2009).

3.5.4

Nerozpušt né látky

Nerozpušt né látky (NL) jsou popisovány jako tuhé látky odstranitelné z vody filtrací nebo odst ed ním za ur itých podmínek. Jsou to látky organického i anorganického p vodu (Horáková, 2003). Ur ení jejich množství ve vod spo ívá v odhadu zastoupení organických a anorganických látek pomocí metody stanovení ztráty žíháním sušiny p i teplot 550 °C (Pitter, 2009). Výsledky se udávají v mg/l. V ko enových istírnách jsou nerozpušt né látky odstranitelné velmi efektivn a to p edevším procesy sedimentace a filtrace (Vymazal, 1995).

3.5.5

Celkový fosfor

Celkový fosfor (Pc, Pcelk), je spole n s dusi nany d ležitým ukazatelem kvality vody, protože jejich p ítomnost ve vod má klí ový význam pro vznik eutrofizace (Malý a Malá, 2006). Hygienický význam fosfore nan ve vodách je malý. Jsou zdravotn nezávadné a v požadavcích na jakost pitné vody a balených vod nejsou uvedené (Pitter, 2009). Celkový fosfor se ve vodách vyskytuje ve form bu anorganických slou enin (Panorg) nebo v organických slou eninách (Porg). Nej ast jší formou výskytu jsou orthofosfore nany (Horáková, 2003). Fosfor p ítomný ve splaškových vodách je p edevším antropogenního p vodu. Antropogenním zdrojem anorganického fosforu mohou být n které prací, istící, odmaš ovací a mycí prost edky. Dalším zdrojem anorganického fosforu je zem d lství, protože je sou ástí fosfore ných hnojiv, které se aplikují na p du. Významným bodovým zdrojem mohou být velkochovy hospodá ských zví at. lov k vylu uje denn asi 1,5 g fosforu, který p echází do splaškových vod. P írodním zdrojem fosforu ve vodách je rozpoušt ní a vyluhování n kterých p d, minerál a zv tralých hornin. Obsah fosforu v p dách se pohybuje v rozmezí od 400 do 1200 mg/kg. Zdrojem fosforu organického p vodu m že být také rozkládající se biomasa fytoplanktonu a zooplanktonu usazující se na dn jezer, nádrží a tok (Pitter, 2009). Hmotnostní koncentrace slou enin fosforu se nej ast ji udává ve form prvku (Pcelk), ne v iontové form (PO4). Ve splaškových vodách se nachází koncentrace fosforu v jednotkách mg/l, p i nízké specifické produkci odpadních vod mohou p ekro it i hodnotu 10 mg/l. Celkový fosfor pat í mezi ukazatele p ípustného zne išt ní m stských odpadních vod vypoušt ných do vod povrchových v závislosti na velikosti zdroje zne išt ní (Pitter, 2009).

18



Diplomová práce

Fosfor je na ko enových (Vymazal, 1995).

3.5.6

istírnách zadržován p edevším fyzikáln -chemickými procesy

Celkový dusík

Dusík spolu s fosforem pat í mezi nejd ležit jší makrobiogenní prvky, je nezbytný pro rozvoj mikroorganism (Pitter, 2009). Obsah celkového dusíku ve vod , což je analytický skupinový ukazatel, je dán sou tem koncentrací dusíku ve všech anorganických (NH3, NH4+, NO2-, NO3-) a organických dusíkatých slou eninách. Jednotlivé dusíkaté slou eniny se mohou navzájem p em ovat. Zjišt ní hodnoty obsahu celkového dusíku je d ležité p i stanovování látkové dusíkové bilance povrchových a odpadních vod. Z tohoto d vodu je parametr „celkový dusík“ sledován (Horáková, 2003). Pro ur ení celkového dusíku ve vod se používá bu samostatné stanovení analytické nebo výpo tem ze znalosti koncentrace jednotlivých forem dusíku. P i analytickém stanovení celkového dusíku jsou obvykle veškeré dusíkaté látky ve vzorku p evedeny na amonné ionty, a pak sumárn stanoveny jako amoniakální dusík. Pro stanovení amoniakálního dusíku je možné použít spektrofotometrické metody (Nesslerova metoda, indolfenolová metoda) nebo odm rné neutraliza ní stanovení. Druhá metoda stanovení celkového dusíku spo ívá v oxidaci všech dusíkatých slou enin na dusi nany. Dusi nany jsou v dalším reak ním kroku redukovány na dusitany, které jsou pak stanoveny spektrofotometricky. Princip stanovení celkového dusíku výpo tem spo ívá v separátním stanovení obsahu všech jednotlivých dusíkatých složek vody, tj. amoniakálního dusíku, dusitan , dusi nan a organického dusíku (Horáková, 2003).

3.6

ISTÍCÍ PROCESY NA K OV

Pro správné fungování ko enových istíren je nezbytné dosáhnout ve filtra ním prost edí požadovaných podmínek fyzikálních, chemických a biologických istících proces . Fyzikální procesy spo ívají ve filtraci a poutání nerozpušt ných látek v porézním filtra ním prost edí a v sedimentaci. Z fyzikáln -chemických proces se jedná p edevším o adsorpci (Šálek, 1999). T mito procesy jsou odstra ovány p edevším nerozpušt né látky a koloidní ástice (Šálek a kol., 2013). Organické látky jsou odstra ovány p evážn mikrobiální aerobní i anaerobní cestou, tedy biologickými procesy (Šálek a kol., 2013). Tyto procesy zabezpe ují mikroorganismy a spo ívají v rozkladu dusíkatých organických látek proteolytickými bakteriemi a amoniza ními bakteriemi, nitrifikace bakteriemi nitrifika ními, p ípadn denitrifikace bakteriemi denitrifika ními, rozklad celulózy metanobakteriemi (za anaerobních podmínek)

19



Diplomová práce

a mykobakteriemi (za aerobních podmínek), rozklad tuk lipolytickými bakteriemi, rozklad škrob a cukr amylolytickými bakteriemi a rozklad organických a anorganických slou enin fosforu fosfobakteriemi (Šálek, 1999). Chemické procesy spo ívají ve srážení slou enin a rozkladu mén stabilních látek, oxidaci a redukci. Protože se ve své práci zabývám modelováním biochemických proces , zmíním ve stru nosti princip a podstatu t ch z nich, které z hlediska tématu práce považuji za podstatné. ídící rovnice jednotlivých biochemických proces jsou popsány v této práci v kapitole 5.1.2 Popis proces CW2D.

3.6.1

Mineralizace

Mineralizace je biologicko-chemickým d jem, kdy mikroorganismy rozkládají složité organické slou eniny na jednodušší, anorganického charakteru. Probíhají rovn ž chemické degrada ní reakce. Kone ným produktem t chto rozklad jsou voda, oxid uhli itý a nitrátový iont NO3-. P i p ebytku dusíku ve sm si m že vznikat amoniak. Mikroorganismy nejsou schopné odbourávat organické kyseliny, proto rychle roste relativní zastoupení t chto kyselin a dochází k okyselení odpadní vody (Votoupal, 2009).

3.6.2

Nitrifikace

Nitrifikací se nej ast ji rozumí biologická oxidace amoniaku na nitrit a nitrát. Obecn jší definice popisuje nitrifikaci jako biologickou p em nu amoniaku a organických slou enin dusíku z redukovaných forem na oxidovan jší (Šimek, 2009). Nitrifikace probíhá ve dvou stupních inností chemolitotrofních bakterií. V prvém stupni je amoniak oxidován na dusitany bakteriemi rodu Nitrosomonas a Nitrosooccus a ve druhém stupni jsou dusitany oxidovány dále bakteriemi rodu Nitrobacter a Nitrocystis na dusi nany (Malý a Malá, 2006): 2 NH3 + 3 O2 2 HNO2 + O2

2 HNO2 + H2O

(1)

2HNO3.

(2)

Jak je patrné z uvedených rovnic, je na oxidaci spot ebováno velké množství kyslíku. Na 1 mol amoniakálního dusíku p i oxidaci N-NO3- 4 moly kyslíku. Skute ná spot eba je menší, protože ást dusíku p echází do biomasy nitrifika ních bakterií. Dalším d sledkem nitrifikace je tvorba silné kyseliny HNO3 a z toho vyplývající pokles pH, zvlášt u vod s malou tlumivou kapacitou. Nitrifika ní bakterie pat í mezi pomalu rostoucí organismy. Jejich r stová rychlost je o ád nižší než r stová rychlost b žných organotrofních mikroorganism .

20



Diplomová práce

Nitrifikace je ovlivn na adou faktor . Jedním z nich je koncentrace rozpušt ného kyslíku, kdy kritická koncentrace, p i níž se nitrifika ní procesy zastavují, je cca 1 mg/l. Vliv má i hodnota pH, která se pro organismy Nitrosomonas pohybuje mezi 7,9 až 8,2 a pro rod Nitrobacter 7,2 až 7,6. Teplota má výrazný vliv na rychlost nitrifikace, kdy ideální je teplota kolem 30 °C, i když nitrifikace probíhá i p i 5 °C, avšak s poklesem teploty o 10 °C se její rychlost zmenší na polovinu (Malý a Malá, 2006).

3.6.3

Denitrifikace

Denitrifikace je biochemické redukci dusi nan a dusitan (N2) nebo na oxid dusný (N2O), ke které dochází za anoxických podmínek, tedy v prost edí bez molekulárního kyslíku. Tento mikrobiální proces je výsledkem metabolické innosti chemoorganotrofních fakultativn anaerobních bakterií, které p i rozkladu organických látek využívají jako akceptor elektron molekulární kyslík, ale v jeho nep ítomnosti jsou schopny využít náhradní akceptory elektron , a to dusitany a dusi nany, které redukují na N2 a N2O. V prvém stupni jsou redukovány na dusi nany na dusitany a ve druhém jsou tyto dále redukovány na dusík, resp. oxid dusný. Redukci NO2- a NO3- lze vyjád it rovnicemi: NO3- + 2 H+ + 2 e- = NO2- + H2O

(3)

2 NO2 + 8 H+ + 6 e- = N2 + 4 H2O

(4)

2 NO3- + 12 H+ + 10 e- = N2 + 6H2O

(5)

a výslednou redukci:

Rychlost denitrifikace se ídí rychlostí rozkladu organické hmoty a je závislá na jejím složení, na koncentraci denitrifika ních bakterií, na jejich aktivit a na podmínkách za nichž denitrifika ní proces probíhá (teplota, pH aj.) (Malý a Malá, 2006).

21



Diplomová práce

4

MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ

Tato kapitola popisuje obecné principy a zákonitosti matematického modelování, které tvo í teoretický základ pro práci v softwaru HYDRUS 2D.

4.1 MODEL Pro pot eby simulace odbourávání amoniakálního dusíku na ko enové istírn odpadních vod bude sestaven numerický model filtra ního pole. Model je zjednodušené zobrazení reálného nebo abstraktního sv ta. Obecn lze tvrdit, že se jedná o systém, který slouží k poznání konstrukce nebo organizace konstrukce originálu, jeho zm n a podmínek ( íha, 2000). Matematické modely poskytují srozumitelný popis všech d ležitých faktor dané situace a umož ují zjistit vztahy mezi prvky sledovaného systému (H ebí ek a Škrdla, 2006). Kvalita modelu je dána p esností popisu objektu, který je p edm tem modelování, jednoduchostí a stupn m vystižení zákonitostí, které pro tento originál platí ( íha, 2000). Použití matematického modelu p ináší adu výhod. P edevším umož uje zjistit informace o chování systému a urychluje proces poznání objektivní reality (H ebí ek a Škrdla, 2006). Procesy, které ve skute ném systému probíhají dlouhodob , je možné sledovat b hem jeho výpo tu, který závisí na použité informa ní a komunika ní technologii (Gander a H ebí ek, 2004).

4.1.1

Základní d lení matematických model

Modely m žeme d lit podle r zných kritérií a hledisek. Uvádím ty základní typy d lení, díky kterým mohu charakterizovat i model, jenž budu v programu HYDRUS vytvá et. Základní d lení model uvádí auto i Hrádek a Ku ík (2002) nebo íha (2000): •

Stochastické

•

Deterministické

•

Smíšené

Stochastické modely jsou modely vzájemn závislých náhodných jev s n jakým rozd lením pravd podobnosti a s autokorela ními vazbami a popisují náhodné funkce i náhodné procesy (Hrádek a Ku ík, 2002). Zm ny veli in v t chto modelech nastávají s ur itou pravd podobností (Skalská, 1998). V deterministických modelech nemají prvky ani vztahy mezi nimi povahu náhodných veli in. Vazby mezi prvky jsou pevné (Skalská, 1998). Tyto modely jsou založeny na výstižném

22



Diplomová práce

popisu hydrologického cyklu nebo jeho ástí nebo na abstraktní teorii systém a Ku ík, 2002).

(Hrádek

Kombinací model deterministických a stochastických vznikají modely smíšené, které se sestavují pro zlepšení výsledk samotného modelu (Hrádek a Ku ík, 2002). Modely m žeme rozd lit také podle jejich typu na •

Fyzikální modely

•

Matematické modely

•

Numerické modely

Fyzikální modely, n kdy ozna ované jako m ítkové, simulují ásti reálného sv ta ve zmenšených laboratorních podmínkách (Dingman, 2002). Matematický model je popis ur itého výseku vn jšího sv ta matematickými prost edky. Model numerický je íselné vyjád ení matematického modelu. Vznikne dosazením íselných hodnot do výpo tového modelu, pop . prostorovou a asovou diskretizací v etn dosazení hodnot vstupních veli in, parametr modelu, okrajových a po áte ních podmínek ( íha, 2000). Podle ešení v prostorové dimenzi m žeme modely d lit následovn (Duchan a kol., 2014): •

1D – jednorozm rné

•

2D – dvojrozm rné

•

3D – trojrozm rné

Nejjednodušší je model ešený v jedné dimenzi. Složit jší dvourozm rné modely, lze rozd lit na horizontální a vertikální, dle p evažujícího sm ru proud ní. Nejsložit jším modelem je prostorový t ídimenzionální model, ze kterého vychází modely 1D a 2D (Duchan a kol., 2014).

4.2 NUMERICKÉ EŠENÍ Matematické modely se eší pomocí numerických metod, mezi které pat í nap íklad metoda kone ných prvk (MKP), metoda kone ných diferencí (MKD) nebo metoda kone ných objem (Duchan a kol., 2014). Programové prost edky pro numerické ešení využívají r zné numerické ešení, kdy každé z nich má svoje východy i nevýhody. Podstatou numerických metod je p evedení parciálních diferenciálních rovnic, popisujících daný problém na soustavu algebraických rovnic, kterou je možné ešit výpo etní technikou (Valentová, 1998).

23



Diplomová práce

4.2.1

Metoda kone ných diferencí

Metoda kone ných diferencí je pravd podobn nejstarší numerickou metodou, která našla své využití ješt p ed zavedením výkonné po íta ové techniky. Princip MKD spo ívá v nahrazení parciálních derivací, vyskytujících se v základních ídících rovnicích, algebraickými výrazy vyjad ujícími podíl kone ných diferencí závislé a nezávislé prom nné ( íha, 1997).

4.2.2

Metoda kone ných prvk

Ve srovnání s metodou kone ných diferencí p edstavuje metoda kone ných prvk nov jší numerickou metodu, která pro svou výhodnost doznala velkého rozší ení v modelování proud ní podzemní vody (Valentová, 1998). Jestliže se p i ešení metody kone ných diferencí hledalo ešení pouze v izolovaných bodech (uzlech sít ), pak v metod kone ných prvk je hledaným ešením spojitý, nebo po ástech spojitý, pr b h neznámé veli iny v celé ešené oblasti, která je p edem rozd lena na kone né prvky (Valentová, 1998). Oproti MKD a jiným starším numerickým metodám má MKP adu výhod. Na rozdíl od MKD není t eba p i sestavení sít kone ných prvk dodržovat žádnou pravidelnou strukturu, sí je tak možné p izp sobit tvaru oblasti ešení. Algoritmus výpo tu totiž není závislý na tvaru ešené oblasti, ale závisí pouze na typu elementu. V míst , kde je to pot ebné je možné sí zahustit. Kone ný prvek pak m že mít obecné r zné fyzikální vlastnosti. Okrajové a po áte ní podmínky lze v MKP oproti MKD snadn ji realizovat ( íha, 1997).

4.3 HYDRAULICKÉ EŠENÍ P i tvorb matematických model proud ní podzemní vody se vychází ze základních zákon mechaniky kapalin, resp. mechaniky tekutin. Mezi základní zákony, kterými lze popsat matematické modely proud ní kapalin pat í tyto ( íha, 1997): •

Zákon zachování hmotnosti

•

Zákon zachování hybnosti

•

Zákon zachování energie

•

Stavové rovnice ( íha, 1997).

Na základ t chto rovnic pak m žeme odvodit vztahy pro proud ní v nasyceném a nenasyceném filtra ním prost edí.

24



Diplomová práce

4.3.1

Zákon zachování hmotnosti

Principem kontinuity proud ní je zákon zachování hmotnosti proudící kapaliny. Ze zákona zachování hmotnosti proudící kapaliny vyplývá, že rozdíl mezi hmotností kapaliny do elementu vtékající a z elementu vytékající za asový interval dt se musí rovnat asové zm n hmotnosti kapaliny v tomto elementu obsažené. Zákon zachování hmotnosti je v hydraulice uvád ný jako rovnice kontinuity (Mase, 1970): (6) kde (p(x,y,z,t), T(x,y,z,t) je hustota kapaliny, vi(x,y,z,t) je vektor rychlosti a xi(t) je prostorová sou adnice, která je funkcí asu t.

4.3.2

Zákon zachování hybnosti

Zákon zachování hybnosti íká, že celková hybnost izolované soustavy je nem nná. Rovnice hybnosti má tvar (Mase, 1970): (7) kde ij je tenzor nap tí, je hustota kapaliny, fi(x,y,z,t) jsou složky vektoru objemového zatížení f vztaženého na jednotku hmotnosti a vi(x,y,z,t) jsou složky vektoru rychlosti v.

4.3.3

Stavové rovnice

Stavové rovnice neboli konstitutivní vztahy navzájem propojují první a druhý pohybový zákon. Konstitutivní vztah vyjad uje závislost mezi tenzorem nap tí ij a tenzorem rychlosti p etvo ení (deforma ní rychlosti) ij. Tenzor nap tí ij je zde vyjád en jako lineární funkce rychlosti p etvo ení ij a tlaku p (Mase, 1970): (8) kde: ij je tenzor nap tí, p(x,y,z,t) je tlak, ( ,T) je koeficient objemového p etvo ení, µ( ,T) je koeficient dynamické viskozity, v je tenzor rychlosti objemového p etvo ení a ij je Kroneckerovo delta. D ležitým vztahem, který m žeme na základ znalosti rovnice kontinuity a konstitutivních vztah odvodit, je diferenciální Navier-Stokesovy rovnice. Jsou to nejobecn jší rovnice pohybu vazké nestla itelné tekutiny ( íha, 1997):

25



Diplomová práce

(9) kde fi (x,y,z,t) jsou složky vektoru objemového zatížení f vztaženého na jednotku hmotnosti p(x,y,z,t) je tlak, xi(x,y,z,t) jsou prostorové sou adnice a vi(x,y,z,t) jsou složky vektoru rychlosti v.

4.3.4

Zákon zachování energie

Pro ú ely modelování neizometrických vztah se vychází ze zákona zachování energie (Mase, 1990): !

4.3.5

(10)

Nasycená zóna

Základní diferenciální rovnice popisující pohyb podzemní vody vychází ze zákona zachování hmotnosti kapaliny. Pro obecný p íklad p edpokladu stla itelnosti vody i porézního prost edí má rovnice spojitosti, která je disktrétním vyjád ení zákona zachování hmotnosti tento tvar: "

#

%$&

"

# $' ( )

"

# $* +

"

#,

Kde qx, qy, qz jsou složky vektoru specifického pr toku (pr saku) q(x,y,z,t), hustota kapaliny a n(x,y,z,t) je pórovitost.

(11) w(x,y,z,t)

je

Úpravou této rovnice lze získat další vztahy, které popisují specifické podmínky proud ní. P íkladem m že být úprava rovnice pro podmínky, kdy jsou voda i porézní prost edí stla itelné (Bear, 1972) nebo zavedení anizotropie pomocí Darcyho vztahu (Duchan a kol., 2014).

4.3.6

Nenasycená zóna

Modelování proud ní vody v nenasycené zón se m že lišit podle použitého koncep ního p ístupu. M žeme uvažovat proud ní vody a vzduchu v pórech, proud ní vody v pórech nebo proud ní v p dní matrici a v preferen ních cestách (Duchan a kol., 2014). Proud ní v nenasyceném prost edí popisuje Richardsova rovnice. Ta je použitelná za zjednodušujících p edpoklad : geometrie pórového prost edí m že být ztvárn na kapilární modelem nehybných a nedeformovatelných pór , tlak vzduchu v pórech je atmosférický

26



Diplomová práce

a nem nný, proud ní vzduchu nemá žádný vliv na proud ní vody a proudící voda je nestla itelná (Císlerová a Vogel, 1998). ídící rovnice (12) pro ešení nestacionárního proud ní formuluje základní vztah mezi objemovou vlhkostí a pr tokem v ase a prostoru spojením Darcy-Buckinghamova nebo Darcyho zákona a rovnice kontinuity (Kutílek a spol., 2004). -& Ȃ . -/

-+ (

.

(12)

Kapacitní tvar – jednou z forem Richardsovy rovnice je kapacitní tvar (13) vyjad ující hodnoty v závislosti na tlakové výšce h (Císlerová a Vogel, 1998). Ȃ** / +

- Ȃ / -/

/

0 /

(13)

V nasyceném prost edí se vodní kapacita nahradí specifickou storativitou Ss, vznikne tak rovnice pro proud ní podzemní vody (14) (Kuráž, 2011). 1 ** / +

- 1 / -/

!2

/

(14)

Difúzní tvar – pokud je neznámou funkcí v rovnici objemová vlhkost, jedná se o difúzní formu Richardsovy rovnice (15). V tomto tvaru se objevuje difuzivita p dní vody, kterou lze vyjád it výrazem (16) (Kutílek a spol., 2004). - 3 . -. .

Ȃ .

1 ** . + 4/ 4.

. Ȃ 5 0 .

(15)

(16)

4.4 OKRAJOVÉ A PO ÁTE NÍ PODMÍNKY ídící rovnice uvedené v kapitole 4.3 Hydraulické ešení mají v tvarech odpovídajících p íslušným zjednodušujícím p edpoklad m nekone n mnoho ešení a musí být dopln ny okrajovými podmínkami a po áte ními. Kapitoly 4.4.1 Po áte ní podmínky a 4.4.2 Okrajové podmínky jsou áste n p evzaty z diplomové práce Matematické modelování transportních proces v porézním prost edí (Lóžiová, 2013).

27



Diplomová práce

4.4.1

Po áte ní podmínky

Obecn lze íci, že po áte ními podmínkami rozumíme stav charakterizující proud ní v ase t0 = 0. Stanovení t chto podmínek nám umož uje ešit nestacionární proud ní (Mucha, Šestákov, 1987). Po áte ní podmínkou je tedy ur ena výchozí hodnota neznámé funkce. Po áte ní podmínku je možné p edepsat pomocí prom nné tlakové výšky h pro všechny body modelované oblasti Ω v po áte ním ase t0 (17), nebo je možné ur it po áte ní vlhkostní pole podmínkou (18) (Bear a kol., 2010).

4.4.2

/

6

/6

, pro 7

8 9

(17)

:

6

:

, pro 7

8 9

(18)

Okrajové podmínky

Na všech hranicích oblasti je nutné ur it okrajové podmínky, je t eba definovat pr b h hodnot pro celou dobu trvání simulace. U rovnice proud ní vody se používají dva typy okrajových podmínek, a to Dirichletova a Neumannova (Císlerová, 1989). Okrajové podmínky musí být zadány na celé hranici ešené oblasti. Dirichletova podmínka je asto nazývána také stabilní, z fyzikálního hlediska se jedná o tlakovou okrajovou podmínku. U tohoto typu je známá hodnota neznámé funkce na ur ité ásti hranice ešené oblasti proud ní Ω. V p ípad známé tlakové výšky h na ásti hranice se podmínka definuje p edpisem (19), podmínku lze definovat také pomocí objemové vlhkosti jako výraz (20) (Kazda, 1983). /

/ , pro 7

8

;<

=

(19)

>

> , pro 7

8

;<

=

(20)

Neumanova okrajová podmínka neboli nestabilní, toková okrajová podmínka je použita, známe-li rychlost proud ní v kolmém sm ru p es hranici oblasti . Voda m že do systému p itékat, nebo z n j odtékat. Neumannova okrajová podmínka se definuje p edpisem (21) vztaženým k vn jší normále hranice ,?@, tok musí být vyjád en pomocí rovnice proud ní

s prom nnou h nebo Ω (Císlerová, 1989). A

/

,?@

,B C

$D EFG

HI

H < J=

(21)

Neumannova podmínka m že vyjad ovat srážky nebo výpar na okraji oblasti vyjad ujícím terén, nebo m ený odtok ve dn (Kodešová, 2012). V inženýrské praxi se toková okrajová

28



Diplomová práce

podmínka používá také v homogenní podob jako nulový tok „no flow“ (22), kdy je výraz roven nule. Tato podmínka m že reprezentovat nap íklad nepropustné geologické (Mucha a Šestakov, 1987). /

A

,B C

,?@

EFG

HI

H < J=

(22)

Další používanou variantou je také volná drenáž „free drainage“ (23), kde je derivace tlakové výšky k hranici nulová, voda tak odtéká pouze vlivem geodetického gradientu. Tok touto hranicí je tedy roven hodnot nenasycené hydraulické vodivosti (Kuráž, 2011). / ,?@

KL 7

8 ǻ

<

=

(23)

Dále se používá podmínka výronová plocha „seepage face“, ta je vhodná nap íklad pro výtok podzemní vody do nádrže nebo toku. Tato podmínka je nulovým tokem až do chvíle, kdy dojde k nasycení a voda pak touto hranicí vysakuje voln na povrch (Bear, 1972). Fyzikáln se tedy v nenasyceném stavu chová jako Neumannova okrajová podmínka „no flow“ a p i nasycení se zm ní na Dirichletovu ve form nulové tlakové výšky, v pr b hu simulace se mezi nimi „p epíná“, pro matematické vyjád ení viz výrazy (24; 25) (Kuráž, 2011). / ,?@

/

,B KL 7

/ ,?@

KL 7/ ,B

M M

KL 7 KL 7

8 ǻ <

=

(24)

8 N <

=

(25)

4.5 OBECNÝ POSTUP P I MODELOVÁNÍ Pro popsání matematického, respektive numerického modelu, který simuluje biochemické procesy probíhající na filtra ním poli K OV, m žeme použít následující strukturu ( íha, 2000): •

Definice cíl – p ed samotným zahájením prací na sestavení modelu je d ležité si vyjasnit a definovat cíle, z nichž vyplynou požadavky pro ešení. Sou asn je t eba formulovat co nejširší okruh otázek, které by m l být model v budoucnu schopen ešit.

•

ídící rovnice – p i tvorb modelu se využívá teoretický aparát klasické deterministické mechaniky kontinua. P i ešení konkrétní úlohy musí být model dopln n o po áte ní a okrajové podmínky.

•

Zjednodušující p edpoklady

29



Diplomová práce

•

Metoda ešení závisí na typu rovnic, po áte ních a okrajových podmínkách, tvaru oblasti a vlastnostech prost edí. V tšina dostupných programových prost edk se opírá o ešení rovnic r znými modifikacemi metody kone ných prvk .

•

Algoritmizace úlohy spo ívá ve vypracování postupu ešení dané úlohy, p i zápisu algoritmu je asté využití vývojových diagram .

•

Programování úlohy se provádí vhodným programovacím jazykem.

•

Numerické testy mají ov it správnost použitého algoritmu a sestaveného programu. Obvykle vychází z výpo tu p íklad se známým ešením. Srovnáním výsledk ešení se získá informace o p esnosti algoritmu.

•

Kalibrace modelu spo ívá ve stanovení parametr modelu tak, aby bylo dosaženo p ijatelného souhlasu výsledk ešení s hodnotami nam enými na prototypu

•

Verifikace modelu slouží k ov ení hodnot parametr modelu ur ených kalibrací. Pro verifikaci se používají jiná, nezávisle získaná data než pro kalibraci.

•

Simulace vybraných stav nakalibrovaným a verifikovaným modelem umožní sledovat pr b h koncentrací sledované látky p i zm n podmínek. Výsledky ešení mohou být podkladem pro rozhodování ve fázi projektování, výstavby a provozu ( íha, 2000).

Samotný proces tvorby modelu m žeme popsat i následujícími kroky: •

Diskretizace náhradní oblasti

•

Zadání vlastností materiálu na oblasti

•

Zadání okrajových podmínek

•

Zadání po áte ních podmínek

•

Výpo et

•

Zobrazení export a zpracování výsledk (Duchan a kol., 2014).

Ve své práci se budu ídit obecnou strukturou, zahrnující definici cíl , p es tvorbu samotného modelu až po jeho kalibraci a verifikaci. Jelikož mám k dispozici již vytvo ený a fungující software HYDRUS 2D, nemusím se zabývat kroky, které zahrnují algoritmizaci a programování úlohy, stejn tak nejsou pot ebné ani numerické testy. P edpokládám, že p i kalibraci modelu bude vytvo eno n kolik, možná i desítek, model , ze kterých bude pot eba vyhodnotit výsledky.

30



Diplomová práce

5

PROGRAM HYDRUS

Pro vytvo ení modelu vertikálního filtra ního pole byl použit software HYDRUS 2D. K simulaci biochemických d j bylo využito jeho rozší ení Wetlands Module – CW2D. Hydrus je modelovací prost edí pro analýzu proud ní vody a transport rozpušt ných látek v prom nlivých nasycených porézních prost edích. Program numericky eší Richardsovu rovnici a využívá k jejímu výpo tu metodu kone ných prvk , kdy simuluje dvou a t í dimenzionální pohyb vody, tepla a rozpušt ných látek v prom nlivém nasyceném nebo nenasyceném prost edí. Model zahrnuje optimaliza ní parametr algoritmu pro inverzní odhad r zných hydraulických vlastností p d a transport rozpušt ných látek. Hydrus dokáže popsat proud ní omezené nepravidelnými hranicemi. Pr to ná oblast m že být složena z nehomogenních p d, které mají libovolný stupe anizotropie. Pr tok a transport lze realizovat ve vertikální, vodorovné rovin , trojrozm rné oblasti vykazující radiální symetrii kolem svislé osy, nebo trojrozm rné oblasti (Šim nek a kol., 1999). Hydraulické vlastnosti nenasycených p d jsou popsány pomocí rovnic van Genuchtena

(1980), Brooks a Corey (1964), Durner (1994) a upraveného typu van Genuchtenovy analytické funkce. HYDRUS také zahrnuje hysterezi pomocí empirického modelu zavedeného (Scott et al., 1983) a (Kool and Parker, 1987). Program zavádí postup m ítka, kterým se aproximuje hydraulická variabilita v daném p dním profilu, pomocí sady lineárních m ítek transformací, které se vztahují na jednotlivé p dní, hydraulické vlastnosti t chto referen ních p d (Šim nek a kol., 1999). ídící rovnice jsou ešeny numericky pomocí Galerkinovy lineární metody kone ných prvk aplikované na trojúhelníkovou sí . Integrace v ase je dosaženo použitím metody kone ných diferencí pro nasycené i nenasycené podmínky. Výsledné rovnice jsou ešeny iterací, linearizací a následnou Gaussovou eliminací matic, metodou sdružených gradient pro symetrické matice, nebo metodou ORTHOMIN pro asymetrické matice (Šim nek a kol., 1999). Obsah vody je hodnocen pomocí metody „mass-conservative“ (Celia, 1990).

5.1 CONSTRUCTED WETLANDS 2D Modul CW2D (Constructed Wetlands 2D) je rozší ením programu HYDRUS 2D za ú elem modelování biochemických transformací a degrada ních proces v podpovrchových vrstvách mok ad a filtra ních polí. Tyto transformace a procesy jsou popsány pro organické látky, dusík a fosfor.

31



Diplomová práce

Matematická struktura CW2D je založena na studii Activated sludge model (Henze a kol., 2000). Na základ odborných poznatk z Activated sludge model umož uje CW2D sledovat celkem 12 komponent (složek) a 9 proces , které se realizují v prost edí filtra ních polí.

5.1.1

Popis složek CW2D

Mezi biochemické složky, které je možné s využitím CW2D sledovat, pat í: •

rozpušt ný kyslík (O2) – Dissolved Oxygen,

pak jsou to t i složky organické hmoty, které áste n definují CHSKCr: •

snadno rozložitelné (CR) – Readily Biodegradable Organic Matter

•

pomalu rozložitelné (CS) – Slowly Biodegradable Organic Matter

•

inertní (CI) – Inert Organic Matter

Následují ty i složky slou enin dusíku: •

amoniakální dusík (N-NH4+) – Ammonia

•

dusitanový dusík (N-NO2-) – Nitrite

•

dusi nanový dusík (N-NO3-) – Nitrate

•

volný dusík (N-N2) – Dinitrogen

Dále jsou to: •

heterotrofní organismy (XH) - Heterotrophic micro-organisms

a z autotrofních mikroorganism pak bakterie: •

Nitrosomonas (XANs) – Nitrosomonas

•

Nitrobacter (XANb) – Nitrobacter

Poslední sledovanou složkou je: •

anorganický fosfor (IP) – Inorganic Phosphorus (Langergraber a Šim nek, 2006).

Organický dusík a organický fosfor jsou modelovány jako sou ást CHSKCr. P edpokládá se, že organická hmota je pouze ve vodní fázi a všechny reakce probíhají ve vodním prost edí. Adsorpce se uvažuje pro amoniakální dusík a anorganický fosfor. Program navíc umož uje sledovat i t ináctou složku, kterou m že byt jakákoliv rozpušt ná látka (Langergraber a Šim nek, 2006).

32



Diplomová práce

5.1.2

Popis proces CW2D

P edpoklady modulu CW2D považují biofilmy jako ideální, složené z homogenní matice mikroorganism , které jsou rovnom rn rozložené. Všechny mikroorganismy se uvažují jako nepohyblivé a spojené výlu n s pevnou fází. V CW2D jsou probíhající biologické procesy rozd leny do dvou fází, v závislosti na p ítomných bakteriích. Heterotrofní bakterie jsou odpov dné za hydrolýzu, mineralizaci organické hmoty (aerobní r st) a denitrifikaci (anoxický r st). Jednotlivé d je jsou pak v programu rozd leny takto (Langergraber a Šim nek, 2006): •

Hydrolýza, která popisuje p em nu z pomalu na snadno biologicky rozložitelné organické látky, jež jsou sou ástí složky CHSKCr. B hem této transformace je uvol ován amoniakální dusík (N-NH4+) a orthofosfore nany. Dále se p edpokládá, že hydrolýza se realizuje nezávisle na kyslíkatých podmínkách.

•

Aerobní r st heterotrofních bakterií. P i tomto procesu se spot ebovává kyslík a snadno rozložitelné organické látky, zatímco amoniakální dusík a orthofosfore nany jsou za le ovány do biomasy.

•

Anoxický r st bakterií pomocí dusi nan a dusitan . Jedná se vlastn o denitrifikaci, kdy se produkuje oxid dusný. V d sledku toho se spot ebovávají snadno odbouratelné organické látky, amoniakální dusík a orthofosfore nany.

•

Lýza heterotrofních organism , v d sledku které se produkuje organická hmota a to pomalu rozložitelná, snadno rozložitelná a inertní, dále amoniakální dusík a orthofosfore nany.

Autotrofní bakterie jsou pak zodpov dné za nitrifikaci, která je modelována ve dvou krocích. Oba modelované d je jsou striktn aerobní, a proto k nim m že dojít pouze v p ípad , že je k dispozici rozpušt ný kyslík. •

Aerobní r st Nitrosomonas. Tento proces spot ebovává amoniakální dusík a kyslík a produkuje dusitany. Orthofosfore nany a malá ást amoniakálního dusíku je zahrnuta na biomasy.

•

Aerobní r st Nitrobacter, b hem kterého se spot ebovávají dusitany a vytvá í se amoniakální a dusitanový dusík.

•

Podobn jako lýza heterotrofních organism produkuje lýza autotrofních organism organickou hmotu, orthofosfore nany a amoniakální dusík.

Závislost složek a proces je popsána v tabulce 4, kdy znak „+“ znamená, že proces i (i = 1, …, R) zvyšuje koncentraci složky, znak „-“ signalizuje klesající koncentraci složky v závislosti na procesu. Symbol „ “ pak ukazuje, že koncentrace a složka nejsou ovlivn ny.

33



Diplomová práce

Tab. 4 Závislost proces a složek (Langergraber a Šim nek, 2006). N R

Proces \ složka

1

2

3

4

5

O2

CR

CS

CI

XH

+

−

+

6

7

8

9

10

XANs XANb NH4N NO2N NO3N

11

12

N2N

IP

Heterotrophic organisms 1

Hydrolýza

2

Aerobní r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky

3

−

+

+

−

−

+

−

NO3- r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky

−

+

−

4

NO2- r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky

−

+

−

5

Lýza

+

−

+

+

+

−

−

+

−

+

−

+

Nitrosomonas

6

Aerobní r st z Nitrosomonas na NH4

7

Lýza z Nitrosomonas

− +

+

+

+

−

−

+

+

− +

Nitrobacter 8

Aerobní r st z Nitrobacter na NO2

9

Lýza z Nitrobacter

− +

+

+

+

−

−

+

−

+

− +

Jednotlivé biochemické procesy jsou popsány ídícími rovnicemi (Langergraber a Šim nek, 2006). Pro heterotrofní organismy: •

1 Hydrolýza KOP

•

KOB

OST WOUV #O QU OST WOUV UV

(26)

2 Aerobní r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky KO

•

QR #

V

#

QVY

OX

X

#

OX

QVY

OSZ

SZ

OSZ

#

[ VY

# OUV

(27)

3 NO3- r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky \[

#

Q\[ X

Q\[ X

OX

#

O[XB

Q\[ [XB

#

Q\[ [X

O[XB Q\[ [X

O[X

#

OSZ

Q\[ SZ

OSZ

#

[ \[

# OUV

(28)

34



Diplomová práce

•

4 NO2- r st z heterotrofních na snadno rozložitelné organické látky KO]

•

\[

#

Q\[ X

Q\[ X

#

OX

O[X

#

Q\[ [X

O[X

KO^

_V # OUV

OSZ

Q\[ SZ

OSZ

#

[ \[

# OUV

(29)

5 Heterotrofní lýza (30)

Pro autotrofní organismy je zde rozd lení ídících rovnic pro jednotlivé druhy bakterií. Pro Nitrosomonas: •

6 Aerobní r st z Nitrosomonas na NH4 KO`

•

a[2

#

OX

Qa[2 X

OX

#

O[V]

Qa[2 [V]

Obc

#

O[V] Qa[2 bc

Obc

# OUa[2

(31)

7 Lýza z Nitrosomonas KOd

_Va[2 # Oefgh

(32)

Pro autotrofní Nitrobacter: •

8 Aerobní r st z Nitrobacter na NO2 KOi

•

a[j

#

OX

Qa[j X

OX

#

O[X

Qa[j [X

O[X

#

[ a[j

# OUa[j

(33)

9 Lýza z Nitrobacter KOk

_Va[j # OUa[j

(34)

Dopl ující rovnice: •

P epo et mezi pevnou a kapalnou fází koncentrací OUl

•

.

# hUl mno p

q fg! fg_

(35)

Faktory pro nutrienty [%

O[V]

Q% V[]

#

Obc

O[V] Q% bc

Obc

mno

qr

g fg_

(36)

35



Diplomová práce

Tab. 5 Popis jednotlivých len vystupujících v ídících rovnicích

QR QU

hydrolysis rate constant < Wn=

sat./inh. coeff. for hydrolysis stu vwx vy Wtu vwx z{ |

V

_V QRY QRY QRY QRY

\[

X

SZ

[V][ bc

Q\[ X Q\[ [XB[ Q\[ [X [ Q\[ SZ Q\[ [V][ Q\[ bc a[2

_a[2 Qa[2 X Qa[2 [V][ Qa[2 bc a[j

_a[j Qa[j X Qa[j [X [ Qa[j [V][ Qa[j bc

maximum aerobic growth rate on CR < Wn= rate constant for lysis < Wn= sat./inh. coeff. for O2
sat./inh. coeff. for substrate stu vwx vy W | sat./inh. coeff. for NH4 (nutrient)
maximum denitrification rate < Wn= sat./inh. coeff. for O2
sat./inh. coeff. for NO3N
sat./inh. coeff. for substrate stu vwx v• W | sat./inh. coeff. for NH4 (nutrient)
maximum aerobic growth rate on NH4N < Wn= rate constant for lysis < Wn= sat./inh. coeff. for O2
maximum aerobic growth rate on NO2N < Wn= rate constant for lysis < Wn= sat./inh. coeff. for O2
sat./inh. coeff. for NH4
[ SZ

N content of CR stu } Wtu vwx v• |

[ Sb

N content of CI stu } Wtu vwx v• |

[ ST

[ ‚ƒ c SZ c ST c Sb

c ‚ƒ

V'„ Sb ‚ƒ SZ ‚ƒ Sb

pV pa[2 pa[j

N content of CS stu } Wtu vwx vy |

N content of biomass stu } Wtu vwx z{ | P content of CR stu } Wtu vwx v• | P content of CS stu } Wtu vwx vy | P content of CI stu } Wtu vwx v• |

P content of biomass stu } Wtu vwx z{ |

Production of CI in hydrolysis stu vwx v• Wtu vwx vy |

Fraction of CR generated in biomass lysis stu vwx v• Wtu vwx z{ | Fraction of generated in biomass lysis stu vwx z{ Wtu vwx v• | Yield coefficient for heterotrohs stu vwx v• Wtu vwx z{ |

Yield coefficient for Nitrosomonas stu vwx z{ Wtu }~]} | Yield coefficient for Nitrobacter stu vwx z{ Wtu }w } |

36



Diplomová práce

5.2 VÝSTUPY Z PROGAMU Program HYDRUS umož uje získat celou adu výstup . Jedním z nich je výsledná grafika 2D kontury (izolinií nebo barevné spektrum) v prostoru nebo pr ezu pro hladinu, obsah vody, rychlosti, koncentrace a teploty. Výstup zahrnuje také vektorové rychlosti, barevné okraje, barevné body, animace grafického zobrazení pro jednotlivé asové kroky, grafy pro zvolené rozhraní nebo vnit ní ást (Šim nek a kol., 1999). Výstupní dialogový nástroj také obsahuje jednoduché x-y grafiky pro grafickou prezentaci hydraulických vlastností p d, také obsahuje závislosti ur itých prom nných na ase ve vybraných pozorovacích bodech a skute nou nebo kumulativní vodu a proud ní rozpušt ných látek p es hranici. Oblasti zájmu jdou zv tšovat na vertikální stupnici, pohled m že být rozší en o pr ez. Sí m že být zobrazena s hranicemi, íslováním trojúhelník , hran a bod . Pozorovací body (pro ú ely hodnocení v modelované geometrii) mohou být p idány kdekoliv v rámci sít kone ných prvk , resp. uzl jednotlivých prvk . Zobrazení m ížky a prostorov rozprost ené výsledky (pro tlakovou výšku, obsah vody, rychlosti, koncentrace a teploty) je usnadn no pomocí barev s vysokým rozlišením nebo šedé stupnice. Sou ástí rozhraní je rozsáhlá a kontextová online nápov da.

37



Diplomová práce

7

DISKUZE VÝSLEDK

Obecný postup tvorby modelu, jeho kalibrace a následná verifikace ukázaly, že v softwaru HYDRUS, s využitím jeho modulu CW2D, je možné velmi dob e simulovat d je probíhající na filtra ním poli ko enových istíren. Rozhraní programu umož uje vytvo it model, který lze podrobn charakterizovat a nastavit jednotlivé specifické parametry tak, že lze dosáhnout tak ka dokonalé shody s realitou, což ukázaly i výsledky této práce. Navíc z programu HYDRUS 2D lze získat adu výsledk , kdy jedním m že být animace, která zobrazuje, jak se m ní koncentrace sledovaných látek ve filtra ním poli b hem celého roku, dalšími jsou nap íklad grafy zobrazující zm nu koncentrací sledované látky v pr b hu daného asového období. I p esto, že p i tvorb modelu bylo nutné zanedbat a zjednodušit n které charakteristiky reálného pole, vytvo ený matematický, respektive numerický model velmi dob e simuluje biochemické procesy filtra ního prost edí. To potvrdily i výsledky statistické analýzy. P i kalibraci modelu, kdy došlo ke srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací amoniakálního dusíku N-NH4+, byla odchylka st edních hodnot koncentrací pouhých 0,57 %, kdy reálná výstupní koncentrace je 24,27 mg/l, modelovaná pak 24,41 mg/l. Odchylka medián obou hodnot je 2,87 %. P i verifikaci se odchylka st ední hodnoty pohybuje okolo 5,2 %, což v koncentra ním vyjád ení p edstavuje výsledné hodnoty 28,6 mg/l pro reálné koncentrace vs. 27,1 mg/l pro koncentrace modelované. Pro porovnání hodnot reálných a modelovaných koncentrací CHSKCr statistická analýza ukazuje, že i v tomto p ípad model dob e simuluje skute né chování filtra ního pole. Odchylka st edních hodnot je 4,71 %, medián 4,61 %, p i koncentraci 89,15 mg/l pro reálné a 84,95 mg/l pro modelované hodnoty. Verifikaci lze také prohlásit za vyhovující, kdy p i pr m rné výstupní reálné koncentraci 78,7 mg/l a modelované 76,8 mg/l, je odchylka st edních hodnot 2,4 % a medián 14,7 %. Takto navržený model lze prohlásit za funk ní a je možné ho využít i pro další simulace a ke zlepšení návrh filtra ních polí ko enových istíren. Za tímto ú elem by m l být v budoucnu vytvo en software, na základ kterého by se mohla navrhovat filtra ní za ízení, a práv vytvo ený model by m l být jedním z podklad pro jeho realizaci. Stejn tak, jako prob hlo nakalibrování modelu na zatopené filtra ní pole, bylo by dobré pokusit se pomocí stejné metodiky vytvo it model nenasyceného filtra ního pole. Jednak by se zhodnotila schopnost softwaru HYDRUS 2D pro ešení tohoto problému, ale hlavn by byly k dispozici výsledky pro kompletní srovnání funk nosti nasyceného a nenasyceného filtra ního pole.

73



Diplomová práce

Na základ zpracovaných výsledk koncentrací odpadní vody, vlastního m ení a pozorování vertikálního zatopeného pole VFK A1 na K OV v Koten icích, je možné zhodnotit fungování nasycených filtra ních polí z obecného pohledu. Pokud je filtra ní prost edí pole zatopené, nejsou samotné rostliny schopny dodat do odpadní vody dostatek kyslíku. Nap . reálné výsledky z vlastního m ení oxida n redoxního potenciálu na odtoku z popisovaného zatopeného vertikálního filtru dosahují hodnot až -328 mV (za sou asné koncentrace kyslíku 0,5 mg/l), což predikuje p ítomnost hluboce anaerobního prost edí a p edpoklad neú inného odstra ování amoniakálního zne išt ní. Ú innost zatopeného filtru v odstra ování N-NH4+ tak m že vycházet velice nízká – výsledky pro VFK A1 ukazují na hodnotu 5,30 % (dlouhodobé období 1,5 roku). Poslední výsledky z rozbor provedených v m síci zá í 2014 potvrzují p edpoklady: dva vertikáln protékané filtry, lišící se pouze množstvím zadržované vody, dosahují odtokových koncentrací N-NH4+ = 24,3 mg/l (vodou nasycený filtra ní materiál), respektive hodnoty 2,20 mg/l (vodou nenasycené filtra ní pole). Ú innost v odstran ní amoniakálního dusíku v posledním m síci je v p ípad zatopeného filtru -35,20 % (amoniak je produkován ve filtru vlivem anaerobních podmínek za vzniku bioplynu), respektive 88,6 % p i nezatopeným filtru.

74



Diplomová práce

8

ZÁV R

Výsledky prezentované v této práci dokazují, že i biologické a biochemické d je, které probíhají na filtra ních polích ko enových istíren odpadních vod, se dají velmi dob e matematicky, respektive numericky simulovat. Lze tedy tvrdit, že software HYDRUS s použitím jeho modulu CW2D je vhodným nástrojem pro modelování biochemických proces probíhajících na filtra ním poli. Numerický model zatopeného vertikálního filtra ního pole ko enové istírny odpadních vod vytvo ený v této práci, umož uje získat informace o výstupních koncentracích amoniakálního dusíku (N-HN4+) a chemické spot eby kyslíku (CHSKCr) na odtoku z procesu išt ní, pokud známe hodnoty koncentrací zne iš ujících látek na p ítoku do tohoto ko enového pole. Kalibrace modelu filtra ního pole probíhala na souboru dat z roku 2013, dostupná data z roku 2014 pak posloužila k verifikaci. P i srovnání výstupních koncentrací získaných z nakalibrovaného modelu s reálnými hodnotami, je u obou sledovaných zne iš ujících látek odchylka st edních hodnot i medián menší než 5 %. St ední hodnota skute né odtokové koncentrace N-NH4+ je 24,27 mg/l, modelovaná má hodnotu 24,41 mg/l, pro CHSKCr je to reálná koncentrace 89,15 mg/l k modelované 84,95 mg/l. Lze tedy tvrdit, že kalibrace modelu byla úsp šná, což ostatn ukázaly i výsledky provedené verifikace, kdy byla teoretická odchylka p i porovnání st edních hodnot reálných a modelovaných výsledných koncentrací pro N-NH4+ a CHSKCr p ibližn 5 %. Výsledky z provedených simulací sou asn ukazují, že názvosloví rozd lení ko enových istíren podle sm ru proud ní není dosta ující. Vertikální filtry, u kterých se o ekává podle citovaných autor vysoká istící ú innost, nejsou schopny p i špatném pochopení problematiky fungovat s ú inností 90 %. Pro istící ú innost není tedy podstatné, jestli je filtra ní pole ešené jako horizontální filtr (vodou trvale nasycený) nebo vertikáln protékaný (taktéž vodou nasycený) ve sm ru vzh ru nebo dol . Podstatné je množství vody p ítomné ve filtra ní náplni a tedy rozd lení: •

vodou nasycené prost edí, doprovázené pozorovanou úrovní hladiny odpadní vody (t sn pod úrovní povrchu št rku nebo viditelná hladina odpadní vody)

•

vodou nenasycené prost edí, které lze realizovat pouze u vertikálních pulzn skráp ných filtr , hladina odpadní vody se vytvá í áste n až v drenážním potrubí

Praktický význam matematických simulací s kalibrovaným a verifikovaným modelem umožní odhad odtokových koncentrací pro r zné uspo ádání filtru, r zné pr toky nebo koncentrace p itékajícího zne išt ní. Pokud by se p istoupilo na nutnost dopl ování projektových dokumentací ko enových istíren o simulace matematickými modely, bylo by možné p edejít nevhodným návrh m. Každý projekt by doložil o ekávané odtokové koncentrace z ko enové 75



Diplomová práce

istírny. Spolehlivé výsledky jsou nicmén podmín né dokonalým mechanickým p ed išt ním a obsluhou istírny, která zajiš uje provoz istírny podle provozního ádu. Tato práce ukázala, že použití takových softwar , jakým je HYDRUS 2D, má potenciál pro praktické využití p i zlepšení návrh ko enových istíren odpadních vod. Uvedené výsledky a funk ní model budou podkladem pro vývoj softwaru, ur eného pro návrh filtra ních za ízení.

76



Diplomová práce

9

POUŽITÁ LITERATURA

ODBORNÉ LÁNKY A PUBLIKACE [1]

ARIAS, C. A., BRIX, H., MARTI, E. 2005. Recycling of treated effluents enhances removal of total nitrogen in vertical flow constructed wetlands. J. Environ. Sci. Health 40, 1431–1443.

[2]

BEAR, J. 1972. Dynamics of Fluids in Porous Media. American Elsevier, NewYork.

[3]

BEAR, J. CHENG A. H-D. 2010. Modeling groundwater flow and contaminant transport - Theory and applications of transport in porous media. Springer, London, ISBN 14-020-6682-1.

[4]

BRIX, H., ARIAS, C. A. 2005. The use of vertical flow constructed wetlands for onsite treatment of domestic wastewater: new Danish guidelines. Ecol. Eng. 25, 491–500. Brix, H., 1997.

[5]

BROOKS, R. H., COREY, A. T. 1964. Hydraulic Properties of Porous Media. Hydrology Paper No. 3. Colorado State University, Fort Collins, CO.

[6]

BURYAN, P., CIAHOTNÝ, K., APLA, L. 1996. Emise amoniaku ze zem d lské živo išné výroby. Vodní hospodá ství, ro . 46, . 8, str. 269-271. ISSN 1211-0760.

[7]

CELIA, M. A. 1990. A General Mass-Conservative Numerical Solution for the Unsaturated Flow Equation, Water resources research.

[8]

CÍSLEROVÁ, M. 1989. Inženýrská hydropedologie. 1. vyd. Praha: vysoké u ení technické, 156 s.

eské

[9]

CÍSLEROVÁ, M., VOGEL, T. Transportní procesy. Vyd. 1. Praha: 1998. ISBN 80-010-1866-0.

VUT,

[10] COOPER, P. 2005. The performance of vertical flow constructed wetland systems with special reference to the significance of oxygen transfer and hydraulic loading rates. Water Sci. Technol. 51 (9), 81–90. [11] DINGMAN, L. S. Physical hydrology, Prentice Hall, 2002. [12] DUCHAN, D., ÍHA J., ZACHOVAL Z. Hydraulické aspekty infiltrace deš ových vod: Hydraulika vsakování deš ových vod. Vydání první. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta stavební, 2014. ISBN 978-80-214-50172.

77



Diplomová práce

[13] DURNER, W. Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure, Water Resour. Res., 1994. [14] FIALOVÁ, T. istící ú innosti netradi ních filtra ních matriál . Brno, 2014. 103s., Diplomová práce. Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta stavební, Ústav vodního hospodá ství krajiny. Vedoucí práce Ing.Michal Kriška, Ph.D. [15] van GENUCHTEN, M.Th. 1980. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal. [16] GRANDER W., H EBÍ EK J. Solving Problems in Scientific Computing Using Maple and MATLAB. Springer-Verlag Berlin, 4th edition, 2004. [17] GUMBRICH, T. 1993. Nutrient removal processes in fresh water submerged macrophyte systems. Ecol. Eng. 2, 1–30. [18] HENZE, M., WILLI, G., TAKASHO, M., van LOOSDRECHT, M. Activated slidge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3. 2000. IWA Scientific and Technical Report No.9, IWA Publishing, London, UK. [19] HORÁKOVÁ, M. Analytika vody. Vyd. 2., opr. a rozš. Praha: Vydavatelství VŠCHT, 2003, 335 s. ISBN 80-708-0520-X.

[20] HRÁDEK, F., KU ÍK, P. Hydrologie. Vyd. 1. Praha: Credit, 2002, 271 s., 1 mapa. ISBN 80-213-0950-4. [21] H EBÍ EK, J., ŠKRDLA, M. Úvod do matematického modelování (Introduction to mathematical modelling). Brno: Masarykova Universita, 2006. 83 pp. [22] KADLEC, R., WALLACE, S. 2009. Treatment wetlands, 2nd ed. CRC press, Boca Raton, FL. [23] KAZDA, I. Proud ní podzemní vody: ešení metodou kone ných prvk . 1. vyd. Praha: SNTL, 1983, 230 s. [24] KODEŠOVÁ R., 2012: Modelování v pedologii, 2. vydání.

ZU, Praha. ISBN

80-213-1347-1. [25] KOOL, J. B., PARKER, J. C. Development and evaluation of closed-form expression for hysteretic soil hydraulic properties, Water Resour, 1987. [26] KRIŠKA, M. Domovní vegeta ní OV. Tzb-info [online]. 2014 [cit. 2014-1206]. Dostupné z:http://voda.tzb-info.cz/likvidace-odpadnich-vod/11260domovni-vegetacni-cov.

78



Diplomová práce

[27] KRIŠKA-DUNAJSKÝ, M.; N MCOVÁ, M.; HNÁTKOVÁ, T. P edpov koncentrací zne išt ní na odtoku z ko enové istírny – matematické modely. In. P írodní zp soby išt ní vod VIII, Sborník p ednášek, 1. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , 2014, 11 s. [28] KURÁŽ M. 2011: Numerical solution of the flow and transport equations in porous media with the dual permeability conceptual approach. VeRBuM, Zlín, ISBN 978-80-87500-12-5. [29] KUSCHK, P., WIEßN, A., KAPPELMEYER, U., WEIßBRODT, E., KASTNER, M., STOTTMEISTER, U. Annual cycle of nitrogen removal by a pilot-scale subsurface horizontal flow in a constructed wetland under moderate climate, Water Research, Volume 37, Issue 17, October 2003, Pages 4236-4242, ISSN 0043-1354, http://dx.doi.org/10.1016/S0043-1354(03)00163-5. [30] KUTÍLEK, M., KURÁŽ, V., CÍSLEROVÁ, M. 2004 Hydropedologie 10, 2004, 176 s. ISBN 80-01-02237-4. [31] LANGERGRABER, G. 2008. Modeling of processes in subsurface flow constructed wetlands using the HYDRUS wetland module. Vadose Zone j. 11. [32] LANGERGRABER, G., ŠIM NEK, J. The Multi-component Reactive Transport Module CW2D for Constructed Wetlands for the HYDRUS Software Package, Manual – Version 1.0, HYDRUS Software Series 2, Department of Environmental Sciences, University of California Riverside, Riverside, CA, 72 pp., 2006. [33] LIU, W., DAHAB, M. F., SURAMPALLI, R. Y. 2005. Nitrogen transformations modeling in subsurface-flow constructed wetlands. Water Environ. Res. 77, 246–258. [34] LÓŽIOVÁ, L. Matematické modelování transportních proces v porézním prost edí. Praha, 2013. Diplomová práce. eská zem d lská univerzita v Praze. Vedoucí práce Ing. Michal Kuráž, PhD. [35] LUEDERITZ, V., ECKER, E., LANGE-WEBER, M., LANGE, A., GERSBER, R. M. 2001. Nutrient removal efficiency and resource economics of vertical flow and horizontal flow constructed wetlands. Ecol. Eng. 18, 157–171. [36] MALÝ, J.; MALÁ, J. Chemie a technologie vody: laboratorní cvi ení. 4. aktualiz. vyd. Brno: CERM, 2000, 61 s. ISBN 80-214-1813-3. [37] MALÝ, J.; MALÁ, J. Chemie a technologie vody, Ardec s.r.o., Brno, 2006, ISBN 80-86020-50-9.

79



Diplomová práce

[38] MASE G. E., Theory and problems of continuum mechanics, McGraw-Hill Book Company, New York, 1970. [39] MERLIN, G., PAJEAN, J.L., LISSOLO, T., 2002. Performances of constructed wetlands for municipal wastewater treatment in rural mountainous area. Hydrobiologia 469. [40] MOLLE, P., LIENARD, A., GRASMICK, A., IWEMA, A., 2006. Effect of reeds and feeding operations on hydraulic behaviour of vertical flow constructed wetlands under hydraulic overloads. Water Res. 10, 606–612. [41] MUCHA I., ŠESTAKOV V. 1987. Hydraulika podzemných vôd. Alfa, Bratislava spolu se SNTL, Praha. [42] PITTER, P. Hydrochemie. 4. aktualiz. vyd. Praha: VŠCHT, 2009, viii, 579 s. ISBN 978-80-7080-701-9. [43] POLÁK, P. Ko enové istírny odpadních vod (K OV) - legislativa Zdroj: http://voda.tzb-info.cz/likvidace-odpadnich-vod/7601-korenove-cistirnyodpadnich-vod-kcov-legislativa. [online]. 2011 [cit. 2014-12-02]. Dostupné z: http://voda.tzb-info.cz/likvidace-odpadnich-vod/7601-korenove-cistirnyodpadnich-vod-kcov-legislativa. [44] PROCHASKA, C. A., ZOUBOULIS, A. I., ESKRIDGE, K. M. 2007. Performance of pilot-scale vertical-flow constructed wetlands, as affected by season, substrate, hydraulic load and frequency of application of simulated urban sewage, Ecological Engineering, Volume 31, Issue 1, 3, Pages 57-66, ISSN 0925-8574. [45] RIZZO, A., LANGERGRABER, G., GALVAO, A., BOANO, F., REVELLI, R., RIDOLFI, L. Modelling the response of laboratory horizontal flow constructed wetlands to unsteady organic loads with HYDRUS-CWM1, Ecological Engineering, 68, 209–213, doi: 10.1016/j.ecoleng.2014.03.073, 2014. [46]

ÍHA, J. Matematické modelování hydrodynamických a disperzních jev . Vyd. 1. Brno: Vysoké u ení technické, 1997, 185 s. ISBN 80-214-0827-8.

[47]

ÍHA, J. Jakost vody v povrchových tocích a její matematické modelování. Vyd. 1. Brno: Noel 2000, 2002, 269 s. ISBN 80-860-2031-2.

[48] SCOTT, P.S., FARQUHAR G. J., KOUWEN N. Hysteresis effects on net infiltration,in Advanves Infiltration, Am.Soc. of Agric. Eng., St. Joseph., 1983.

80



Diplomová práce

[49] SKALSKÁ, H. Stochastické modelování. Hradec Králové: Gaudeamus, 1998, 132 s. ISBN 80-7041-039-6. [50] SOHAIR, A-E, GOLINIELLI G., ENAS M., ABOU-TALEB, M., HELLAL, S. Municipal wastewater treatment in horizontal and vertical flows constructed wetlands, Ecological Engineering, Volume 61, Part A, December 2013, Pages 460-468, ISSN 0925-8574, http://dx.doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.10.010. [51] ŠÁLEK, J. Navrhování a provozování vegeta ních ko enových istíren. Praha: Ústav zem d lských a potraviná ských informací, 1999, 54 s. ISBN 80-86153037-0. [52] ŠÁLEK, J., KRIŠKA, M., PÍREK, O., PLOT NÝ, K., ROZHOŠNÝ. M., ŽÁKOVÁ, Z. Vegeta ní ko enové istírny. In: Tzb-info [online]. 2013 [cit. 2014-12-02]. Dostupné z: http://voda.tzb-info.cz/likvidace-odpadnichvod/10058-vegetacni-korenove-cistirny. [53] ŠIM NEK, J., ŠEJNA, M., van GENUCHTEN, M. Th. The Hydrus-2D software package for simulating two-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably saturated media. Version 2.0, IGWMC - TPS - 53, International Ground Water Modeling Center, Colorado School of Mines, Golden, Colorado, 251pp., 1999. [54] TANNER J.P.S a kol., 2012 C.C. Tanner, J.P.S. Sukias, T.R. Headley, C.R. Yates, R. Stott Constructed wetlands and denitrifying bioreactors for on-site and decentralized wastewater treatment: comparison of five alternative configurations Ecol. Eng., 42. [55] VALENTOVÁ, J. Hydraulika podzemní vody. Dot. 1. vyd. Praha: eské vysoké u ení technické, 1998, 158 s. ISBN 80-01-01167-4. [56] VERHOEVEN, J.T.A., MEULEMAN, A.F.M., 1999. Wetlands for wastewater treatment: opportunities and limitations. Ecol. Eng. 12, 5–12. [57] VOTOUPAL, B. Zpracování istírenských kal na OV metodou intenzivního kompostování na technický substrát. eské Bud jovice, 2009. [58] VYMAZAL, Jan. išt ní odpadních vod v ko enových ENVI, 1995, 147 s., [22] s. il. p íl.

istírnách. T ebo :

[59] VYMAZAL, J., 2009. Horizontal sub-surface flow and hybrid constructed wetlands systems for wastewater treatment. Ecol. Eng. 25, 478–490.

81



Diplomová práce

[60] VYMAZAL, J., BRIX, H., COOPER, P. F., GREEN, M. B., Haberl, R. 1998. Constructed Wetlands for Wastewater Treatment in Europe. Backhuys Publishers, Leiden. [61] WETZEL, R. G. 2001. Fundamental processes within natural and constructed wetland ecosystems: short-term versus long-term objectives Water Sci. Technol., 44. [62] ZURITAA, F., de ANDAB, J., BELMONTC, M. A. 2009. Treatment of domestic wastewater and production of commercial flowers in vertical and horizontal subsurface-flow constructed wetlands. Ecol. Eng. 35, 861–869.

INTERNETOVÉ STRÁNKY [63]

Www.dekonta.cz [online]. 2011 [cit. 2014-11-11]. Dostupné z: Dostupné z:http://www.dekonta.cz/sluzby-a-produkty/korenove-cisticky-odpadnich-vod2/kcovpro-cisteni-komunalnich-odpadnich-vod-2.html

LEGISLATIVA A NORMY [64]

SN 75 6402. istírny odpadních vod do 500 ekvivalentních obyvatel. Praha: eský normaliza ní institut, 1998.

[65]

SN EN 12566-5. Malé istírny odpadních vod do 50 ekvivalentních obyvatel. Brusel: Evropský výbor pro normalizaci, 2008.

[66] Na ízení vlády . 61/2003. In: Sb. O ukazatelích a hodnotách p ípustného zne išt ní povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypoušt ní odpadních vod do vod povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech, 2003 [67] Na ízení vlády . 416/2010. In: Sb., o ukazatelích a hodnotách p ípustného zne išt ní odpadních vod a náležitostech povolení k vypoušt ní odpadních vod do vod podzemních, 2010. [68] Zákon .254/2001. In: Sb., o vodách a o zm n n kterých zákon (vodní zákon). 2001

82



Diplomová práce

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOL 1D

Jednorozm rné

2D

Dvourozm rné

3D

Trojrozm rné

BSK, BSK5

Biologická spot eba kyslíku

CHSK, CHSKCr

Chemická spot eba kyslíku

COD

Chemical oxygen demand

CW2D

Constructed Wetland

.

íslo

EO

Ekvivalentní obyvatel

HKF

Horizontální ko enový filtr

IN

Vstupní hodnoty (koncentrace na p ítoku)

K OV

Ko enová istírna odpadních vod

KTJ

Kolonii tvo ící jednotka

MKD

Metoda kone ných diferencí

MKP

Metoda kone ných prvk

Ncelk

Dusík celkový

NL

Nerozpušt né látky

N-NH4+, NH4+ -N

Amoniakální dusík

Pc, Pcelk

Fosfor celkový

OUT

Výstupní hodnoty (koncentrace na odtoku)

š.

Šachta

VKF

Vertikální ko enový filtr

83



Diplomová práce

SEZNAM TABULEK Tab. 1 Emisní standardy: p ípustné hodnoty (p), maximální hodnoty (m) a hodnoty pr m ru koncentrace ukazatel zne išt ní vypoušt ných odpadních vod v mg/l dle NV . 61/2003. ... 14 Tab. 2 Ukazatele a emisní standardy pro odpadní vody vypoušt né z jednotlivých staveb pro bydlení a rekreaci podle NV 416/2010 Sb. .............................................................................. 14 Tab. 3 P edpokládané istící ú innosti (Vymazal, 1995) ......................................................... 16 Tab. 4 Závislost proces a složek (Langergraber a Šim nek, 2006). ....................................... 34 Tab. 5 Popis jednotlivých len vystupujících v ídících rovnicích ........................................ 36 Tab. 6 Rozbory sledovaných vstupních a výstupních koncentrací sledovaných ukazatel pro VKF A1 za rok 2013 (Dekonta, a.s.) ........................................................................................ 39 Tab. 7 Rozbory sledovaných vstupních a výstupních koncentrací sledovaných ukazatel pro VKF A1 za rok 2014 (Dekonta, a.s.) ........................................................................................ 39 Tab. 8 Rozložení CHSKCr na jednotlivé složky dle metodiky uvedené ve studii Activated sludge models (Henze a kol., 2002) ......................................................................................... 56 Tab. 9 Vstupy pro zadání parametr

asov prom nných okrajových podmínek.................... 57

Tab. 10 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+) .............................................................................................. 60 Tab. 11 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací chemické spot eby kyslíku (CHSKCr) ...................................................................................... 61 Tab. 12 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací NNH4+ modelu MODEL 92 ........................................................................................................ 65 Tab. 13 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací CHSKCr modelu MODEL 92 .................................................................................................... 66 Tab. 14 Výsledné hodnoty po kalibraci parametr „Constructed Wetland Model Parameters I“ .................................................................................................................................................. 67 Tab. 15 Výsledné hodnoty po kalibraci parametr „Constructed Wetland Model Parameters II“ .............................................................................................................................................. 68 Tab. 16 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací NNH4+ pro verifikaci modelu MODEL 92 .................................................................................. 71 Tab. 17 Statistická analýza pro srovnání reálných a modelovaných výstupních koncentrací CHSKCr pro verifikaci modelu MODEL 92 ............................................................................. 72

84



Diplomová práce

SEZNAM OBRÁZK Obr. 1 Schéma horizontáln protékané ko enové istírny odpadních vod ................................. 8 Obr. 2 Schéma vertikáln protékané ko enové istírny odpadních vod ..................................... 9 Obr. 3 Schéma zna ení paralelních polí na K OV Koten ice ................................................. 11 Obr. 4 Schéma zapojení filtr na jednotlivých polích .............................................................. 11 Obr. 5 Rekonstrukce na K OV Koten ice (vlevo pokládka hydroizolace a ochranné geotextilie, vpravo pohled na soustavu filtra ních polí modulu toku D) ................................. 12 Obr. 6 K OV Koten ice (vlevo filtra ní pole HKF A2 a HKF B3, vpravo filtra ní pole HKF C2) ............................................................................................................................................ 12 Obr. 7 K OV Koten ice (vlevo pohled na pole VKF B1; vpravo detail rozd lovacího potrubí na filtra ním poli VKF B1) ...................................................................................................... 12 Obr. 8 Vertikální filtra ní pole VKF A1 .................................................................................. 13 Obr. 9 Pr b h vstupních a výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+)b hem roku 2013 na vertikálním filtra ním poli VKF A ..................................................................... 40 Obr. 10 Pr b h vstupních a výstupních koncentrací chemické spot eby kyslíku (CHSKCr) b hem roku 2013 na vertikálním filtra ním poli VKF A. ........................................................ 40 Obr. 11 Dialogové okno pro zadání základní geometrie .......................................................... 42 Obr. 12 Geometrie modelu vertikálního filtra ního pole ......................................................... 43 Obr. 13 Vygenerovaná sí kone ných prvk ............................................................................ 43 Obr. 14 Zadání pozorovacích bod ......................................................................................... 43 Obr. 15 Dialogové okno „Main Processes“ pro výb r hlavních simula ních proces ............. 44 Obr. 16 Dialogové okno „Time Information“ pro zadání asových charakteristik .................. 45 Obr. 17 Dialogové okno „Output Information“ pro zadání asových krok ............................ 45 Obr. 18 Dialogové okno „Iteration Criteria“ pro nastavení itera ních kritérií ......................... 46 Obr. 19 Dialogové okno „Soil Hydraulic Model“ .................................................................... 46 Obr. 20 Dialogové okno „Water Flow Parameters“ pro nadefinování vlastností filtra ního materiálu ................................................................................................................................... 47 Obr. 21 Nadefinování materiál do sít kone ných prvk ....................................................... 47 Obr. 22 Dialogové okno „Solute Transport“ popisující transport nerozpušt ných látek ......... 48

85



Diplomová práce

Obr. 23 Dialogové okno „Solute Transport Parameters“ pro nadefinování transportních parametr .................................................................................................................................. 49 Obr. 24 Dialogové okno „Solute Transport – Constructed Wetland Model Parameters I“ definující leny ídících rovnic biochemických proces ve filtra ním poli ............................. 50 Obr. 25 Dialogové okno „Solute Transport – Constructed Wetland Model Parameters II“ definující parametry leny a ídících rovnic biochemických proces ve filtra ním poli. ........ 50 Obr. 26 Dialogová okna „Root Water Uptake Model a Root Water Uptake Parameters“ pro zadání parametr souvisejících s p ítomností vegetace na filtra ním poli ............................... 51 Obr. 27 Po áte ní podmínka „Pressure Head“ tlakové výšky.................................................. 52 Obr. 28 Po áte ní podmínka „Dissolved Oxygen“ pro rozpušt ný kyslík. ............................. 52 Obr. 29 Po áte ní podmínka „Reatily Biodegradable Organic Matter“ snadno rozložitelné organické látky ......................................................................................................................... 52 Obr. 30 Po áte ní podmínka „Slowly Biodegradable Organic Matter“ pomalu rozložitelné organické látky ......................................................................................................................... 53 Obr. 31 Po áte ní podmínka „Inert Organic Matter“ pro inertní organické látky ................... 53 Obr. 32 Po áte ní podmínka „Ammonia“ pro amoniakální dusík ........................................... 53 Obr. 33 Po áte ní podmínka „Nitrite“ pro dusitanový dusík ................................................... 53 Obr. 34 Po áte ní podmínka „Nitrate“ pro dusi nanový dusík................................................ 53 Obr. 35 Po áte ní podmínka „Dinitrogen“ pro volný dusík .................................................... 54 Obr. 36 Po áte ní podmínka „Inorganic Phosphorus“ pro anorganický fosfor ....................... 54 Obr. 37 Nadefinování okrajových podmínek ........................................................................... 54 Obr. 38 Dialogové okno „Time Variable Boundary Conditions“ ............................................ 55 Obr. 39 Graf závislost reálných a modelovaných (MODEL 1 - 17) výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+). ............................................................................................. 58 Obr. 40 Graf závislosti reálných a modelovaných (MODEL 53 – 65) výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (CHSKCr). ............................................................................................. 59 Obr. 41 Graf závislosti reálných a modelovaných (MODEL 41, 45 a 49 – 65) výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+)........................................................................... 59 Obr. 42 Graf závislost reálných a modelovaných (MODEL 88, 91, 92, 93, 94) výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+)........................................................................... 60

86



Diplomová práce

Obr. 43 Graf závislost reálných a modelovaných (MODEL 88, 91, 92, 93, 94) výstupních koncentrací chemické spot eby kyslíku (CHSKCr)................................................................... 61 Obr. 44 Grafy ukazující vliv faktoru „Fraction of CR in biomass Lysis“na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). ..................................................... 62 Obr. 45 Grafy ukazující vliv faktoru „Fraction of CI in biomass Lysis“na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). ..................................................... 62 Obr. 46 Grafy ukazující vliv faktoru „Composition Parameters N“na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). .................................................................... 63 Obr. 47 Grafy ukazující vliv faktoru „Composition Parameters P“na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). .................................................................... 63 Obr. 48 Grafy ukazující vliv faktoru rostliny na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). ...................................................................................................... 64 Obr. 49 Grafy ukazující vliv faktoru dešt na modelované výstupní koncentrace N-NH4+ (vlevo) a CHSKCr (vpravo). ...................................................................................................... 64 Obr. 50 Graf pr b hu skute ných a modelovaných (MODEL 92) výstupních koncentrací amoniakálního dusíku N-NH4+. ................................................................................................ 65 Obr. 51 Graf pr b hu skute ných a modelovaných (MODEL 92) výstupních koncentrací chemické spot eby kyslíku CHSKCr. ........................................................................................ 66 Obr. 52 Animace zobrazující koncentraci amoniakálního dusíku po 70 dnech (10 týdnech) .. 69 Obr. 53 Animace zobrazující koncentraci amoniakálního dusíku po 140 dnech (20 týdnech) 69 Obr. 54 Animace zobrazující koncentraci amoniakálního dusíku po 210 dnech (30 týdnech) 69 Obr. 55 Animace zobrazující koncentraci amoniakálního dusíku po 280 dnech (40 týdnech) 69 Obr. 56 Animace zobrazující koncentraci amoniakálního dusíku po 350 dnech (50 týdnech) 70 Obr. 57 Graf pr b hu skute ných a modelovaných výstupních koncentrací amoniakálního dusíku (N-NH4+) pro verifikaci ................................................................................................ 70 Obr. 58 Graf pr b hu skute ných a modelovaných výstupních koncentrací chemické spot eby kyslíku (CHSKCr) pro verifikaci ............................................................................................... 71

87



Diplomová práce

SUMMARY The results presented in this master's thesis show that even biological and biochemical processes taking place at the constructed wetland of wastewater treatment plants, can be simulated. It can therefore be argued that HYDRUS software using its module CW2D is a suitable tool for modeling biochemical processes occurring in the constructed wetland. During calibration of the model when there was a comparison of real and simulated output concentration of ammonia nitrogen N-NH4+, the deviation of the mean concentration was only 0.57 %. The real output concentration is 24.27 mg/l and modeled concentration is 24.41 mg/l. The deviation of medians of both values is 2.87 %. After verification of the deviation of the mean is about 5.2 % which is an expression of concentration resulting value of 28.6 mg/l for real concentration and 27.1 mg/l for modeled concentration. The statistical analysis of real and simulated COD concentrations shows even in this case that the model simulates well the real behavior of the constructed wetland. The deviation of the means is 4.71%, median is 4.61%. The real output concentration is 89.15 mg/l and modeled concentration is 84.95 mg/l. Verification can also be declared satisfactorily when the average real output concentration is 78.7 mg/l and modeled output concentration is 76.8 mg/l, the deviation of the mean is 2.4 % and a median is 14.7 %. The created of model can be declared functional and can be used for other simulations and to improve the design constructed wetland.

88

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN MODELOVÁNÍ BIOCHEMICKÝCH POCHOD VE FILTRANÍM PROSTEDÍ KOENOVÝCH ISTÍREN

Recommend Documents