Natural a(enua+on, role of O 2 CTB3365x Introduc1on to water - - PowerPoint PPT Presentation

Prof.dr.ir. ¡Jules ¡B. ¡van ¡Lier ¡ ¡

Natural ¡a(enua+on, ¡role ¡of ¡O2 ¡

CTB3365x ¡Introduc1on ¡to ¡water ¡treatment ¡

This ¡lecture ¡ ¡

• Oxygen ¡deple8on ¡
• Re-­‑aera8on ¡in ¡natural ¡water ¡bodies ¡

Sewage ¡discharge ¡& ¡re-­‑aera+on ¡

O2 ¡ Oxygen ¡

? ?

¡ ¡

• Air ¡oxygen ¡concentra8on ¡
• Air ¡pressure ¡
• Water ¡temperature ¡
• Oxygen ¡consump8on ¡rate ¡

Dissolved ¡oxygen ¡ ¡ concentra+on ¡

¡ ¡

Air ¡oxygen ¡concentra8on ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡30 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡40 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 15 ¡

10 ¡

O2 ¡Concentra1on ¡fresh ¡water ¡

Temperature ¡(°C) ¡

100% ¡

Dissolved ¡oxygen ¡ ¡ concentra+on ¡

¡ ¡ 80% ¡ 60% ¡ 40% ¡ 20% ¡ 100% ¡

The ¡oxygen ¡regime ¡in ¡surface ¡water ¡

Oxygen ¡ ¡ Level ¡ Photosynthesis ¡ Surface ¡re-­‑ ¡ aera8on ¡ Oxygen ¡Consump8on ¡

< ¡4-­‑5 ¡mg ¡O2/l ¡

Re-­‑aera+on ¡process ¡

dC/dt = K2 · (Cs-C) = K2 · D

r

dC/dt = O2 transfer rate (mg/l.d) Cs = O2 saturation conc. (mg/l) C = actual O2 conc. (mg/l) K2 = mass transfer coefficient (d-1) (re-aeration coeff.) t = time (d) D = O2 deficit (mg/l) ¡

Oxygen saturation constant “Cs”

Re-­‑aera+on ¡process ¡

dC/dt = K2 · (Cs-C) = K2 · D K2 depends on:

• temperature,
• surface/

volume ratio

• turbulence
• flow velocity

Water ¡travel ¡1me ¡(days) ¡ Oxygen ¡(mg ¡l-­‑1) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ 0 ¡

2 ¡

6 ¡

4 ¡

8 ¡ 10 ¡ 0 ¡

10 ¡

30 ¡

20 ¡

40 ¡ 50 ¡

• rganic pollutant (mg l-1)

Oxygen ¡Sag ¡Curve ¡

pollutant discharge BOD = BODU*e-Kdt

• rganic material + O2  CO2 + H2O

Streeter-Phelps equation

O2 consumption re-aeration

Oxygen ¡Sag ¡Curve ¡

kd BOD degradation rate (d-1) kr re-aeration rate (d-1) DOS dissolved O2 oxygen at saturation (mg l-1) ¡ DO(0) dissolved O2 at point of discharge (mg l-1) DO(t) dissolved O2 after t water travel time (d) BODu ultimate BOD (mg l-1) ¡

( ) [ ] [ (0)]

d r r

k t k t k t d S u S r d

k DO DO t BOD e e DO DO e k k

− − −

− = − + − −

Streeter-Phelps equation – diffusion kinetics

¡ ¡8 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 10 ¡ 12 ¡ ¡ ¡6 ¡ ¡ ¡4 ¡ ¡ ¡2 ¡ ¡ ¡0 ¡

DOs 10 mg/l DO(t) mg/l DO(0) 10 mg/l Kd ¡ ¡ ¡0,6 /d Kr 0,4 /d BODu 15 mg/l

Impact ¡BOD, ¡bio-­‑ac+vity, ¡re-­‑aera+on ¡

( ) [ ] [ (0)]

d r r

k t k t k t d S u S r d

k DO DO t BOD e e DO DO e k k

− − −

− = − + − −

8 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 10 ¡ 12 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 2 ¡ ¡ ¡0 ¡

DOs 10 mg/l DO(t) mg/l DO(0) 10 mg/l Kd ¡ ¡ ¡0,2 /d Kr 0,4 /d BODu 15 mg/l DOs 10 mg/l DO(t) mg/l DO(0) 10 mg/l Kd ¡ ¡ ¡0,6 /d Kr 0,4 /d BODu 15 mg/l DOs 10 mg/l DO(t) mg/l DO(0) 10 mg/l Kd ¡ ¡ ¡0,6 /d Kr 0,15 /d BODu 15 mg/l

0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 2 ¡ ¡ ¡0 ¡ 0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡5 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡15 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡20 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 25 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 2 ¡ ¡ ¡0 ¡

Engineered ¡mechanised ¡reactor ¡systems: ¡

• Enhanced ¡bioconversion ¡ ¡
• Enhanced ¡oxygen ¡transfer ¡ ¡

¡

Land ¡based ¡(non-­‑mechanised) ¡“reactors” ¡

• Enhanced ¡bioconversion ¡ ¡
• Enhanced ¡oxygen ¡transfer ¡ ¡

¡ Amman ¡-­‑ ¡Jordan: ¡200 ¡ha ¡

Symbiosis ¡between ¡algae ¡and ¡bacteria ¡

Symbiosis ¡between ¡algae ¡and ¡bacteria ¡

Symbiosis ¡between ¡algae ¡and ¡bacteria ¡

Waste ¡Stabilisa+on ¡Ponds: ¡Lay ¡out ¡

Anaerobic ¡Pond ¡ Faculta8ve ¡Pond ¡ Matura8on ¡Pond ¡ Drying ¡bed ¡ ¡ (generally ¡not ¡applied) ¡

HRT ¡= ¡1-­‑5 ¡days ¡ HRT ¡= ¡5-­‑20 ¡days ¡ HRT ¡= ¡5-­‑20 ¡days ¡ HRT ¡= ¡5-­‑20 ¡days ¡

Enhancing ¡oxygen ¡transfer ¡in ¡ponds ¡

• Mechanical ¡surface ¡aerators ¡

Prof.dr.ir. ¡Jules ¡B. ¡van ¡Lier ¡ ¡

Natural ¡a(enua+on, ¡role ¡of ¡O2 ¡

CTB3365x ¡Introduc1on ¡to ¡water ¡treatment ¡