Jakość wody w SW - modelowanie

1. Jakość wody w SW - modelowanie Można wyróżnić cztery typy opracowywanych modeli prognostycznych, budowanych dla systemów zaopatrzenia w wodę pitną a) Modele hydrauliki (ang. hydraulic models). Zasadniczym przeznaczeniem tych modeli jest prognozowanie ciśnień i przepływów w sieciach oraz poziomów wody w zbiornikach magazynujących. Korzystanie z takich modeli wymaga znajomości: (i) parametrów hydraulicznych wody opuszczającej stacje uzdatniania (natężenie wypływu i ciśnienie), (ii) prognoz poboru wody w węzłach odbioru, (iii) wartości zmiennych sterujących (otwarcia zaworów, pracy pomp w przepompowniach, itp.). Przygotowanie tych modeli wymaga znajomości topografii sieci dostarczania i dystrybucji oraz parametrów rurociągów, zaworów i zbiorników. Modele te nazywane są często modelami ilości dla SDiDW (ang. water supply and distribution system - WSDS) b) Modele stężeń dla mediów zachowawczych (nie wchodzących w rekcje z innymi substancjami zawartymi w wodzie). Modele te budowane są dla mediów, które są zanieczyszczeniami. Przeznaczeniem tych modeli jest prognozowanie stężeń tych mediów w różnych punktach sieci dostarczania. Przykładami takich mediów mogą być fluorki, pestycydy lub organizmy patogeniczne uważane za niezdolne do przystosowania się w okresie transportu w sieci dostarczania i dystrybucji. Modele te nazywane są modelami jakości dla zanieczyszczeń nie reagujących

2. c) Modele stężeń dla mediów niezachowawczych (wchodzących w reakcje z innymi substancjami zawartymi w wodzie). Najczęściej budowanymi modelami w tej grupie są modele zanikania dezynfektanta w sieci dostarczania i dystrybucji. Przykładem takich modeli są modele zanikania chloru d) Modele jakości mikrobiologicznej (bakteriologicznej). Przeznaczeniem tych modeli jest prognozowanie wartości parametrów mikrobiologicznych jakości wody (stężeń bakterii) Podział ze względu na charakter zmiennych modelowych Modele jakości wody obejmują dwa ich rodzaje: - modele jakości charakteryzowane przez stężenia określonych substancji o charakterze nieorganicznym lub organicznym oraz - modele jakości charakteryzowane przez ilości organizmów żywych Pierwsze z tych modeli będziemy nazywany modelami jakości fizyczno – chemicznej, zaś drugie modelami jakości bakteriologicznej

3. Modele jakości fizyczno – chemicznej Modele jakości fizyczno – chemicznej wody w obrębie SDiDW powinny umożliwiać określenie stężenia określonej domieszki wody na jej drodze od różnych punktów początkowych (np. stacji uzdatniania) do końcowego odbiorcy W praktyce zasadnicze znaczenie ma znajomość tego stężenia w określonych węzłach sieci Podstawowe procesy fizyczne i chemiczne, które powinny być uwzględnione w modelu jakości wody: - transport, - mieszanie - zanikanie lub ponowny wzrost Wszystkie proponowane modele opierają się na trzech zasadach: 1. Zasada zachowania masy domieszki w obrębie rozważanego elementu sieci 2. Natychmiastowe i idealne wymieszanie wody docierającej do węzła sieci 3. Odpowiednie wyrażenie kinetyki przyrostu lub zaniku domieszki podczas jej przepływu przez rurociąg lub przebywania w zbiorniku

4. Modele jakości fizyczno-chemicznej wody wykorzystywane są do badania zmienności przestrzennej i czasowej:  stężeń śladowych substancji zachowawczych (nie reagujących w transportowanej wodzie)   stężeń śladowych substancji nie zachowawczych (reagujących w transportowanej wodzie), w tym przede wszystkim: stężeń i zanikania dezynfektanta (np. chloru),   stężeń i przyrostu produktów ubocznych dezynfekcji (np. trihalometanów) Modele jakości fizyczno-chemicznej wody poza wykorzystaniem do określania stężeń domieszek wody mogą być budowane i wykorzystane także do określania innych wskaźników jakości wody  frakcji wody pochodzącej z określonego źródła,  wieku wody w SDiDW

5. Modele dynamiki stężeń substancji zachowawczych w rurociągu Ogólne równanie bilansu masy substancji zachowawczej A rozpuszczonej lub zawieszonej w płynącym płynie może być przedstawione w następującej postaci Rozważając transport fizyczny substancji zachowawczych uwzględnia się jedynie transport adwekcyjny w kierunku rurociągu CA(x,t) - koncentracja substancji A, w połączeniu rurociągiem jako funkcja odległości od początku rurociągu i czasu x - odległość wzdłuż powiązania rurociągiem v(t) - prędkość przepływu w połączeniu rurociągiem w chwili t

6. Modele dynamiki stężeń substancji niezachowawczych - modele dynamiki stężenia chloru Modele kinetyki chloru opisują stężenie chloru w wyodrębnionych elementach SDiDW: - odcinki rurociągów pomiędzy węzłami, - węzły połączeń rurociągów - zbiorniki magazynujące. Łącząc te trzy modele można otrzymać model dynamiki zmian stężenia chloru w SDiDW Modele dynamiki zanikania chloru w rurociągu Modele dynamiki chloru można klasyfikować kierując się dwoma kryteriami: (i) uwzględnianie transportu dyspersyjnego w kierunku osi rurociągu, (ii) uwzględnianie procesów powstawania produktów ubocznych chlorowania

7. Ogólna struktura modeli stężenia chloru i zmiany stężeń innych niezachowawczych domieszek wody Modele zanikania chloru proponowane były w oparciu o przyjęcie określonych założeń dotyczących:  mechanizmów transportu chloru (transport adwekcyjny, dyspersyjny, jednowymiarowy lub dwuwymiarowy);  kinetyki reakcji prowadzących do zmian stężenia (zanikania) chloru Ogólne równanie bilansu masy substancji niezachowawczej A rozpuszczonej lub zawieszonej w płynącym płynie

8. Pełna struktura modelu zmian stężenia substancji niezachowawczej w wodzie płynącej w rurociągu

9. Pełna struktura modelu zmian stężenia substancji niezachowawczej w wodzie płynącej w rurociągu v(x,r,t) - profil prędkości wody, x - odległość wzdłuż rurociągu od jego początku, r - odległość od środka rurociągu, Dx - współczynnik dyfuzji chloru w wodzie w kierunku osi rurociągu, Dr - współczynnik dyspersji chloru w wodzie w kierunku promieniowym, RA - funkcja opisująca szybkość zmian stężenia chloru w czasie w objętości wody w zależności od stężenia chloru (ewentualnie innych domieszek) i zestawu parametrów

10. Człon modelujący reakcje rozważanej domieszki z innymi domieszkami znajdującymi się w wodzie płynącej w rurociągu nazywany jest modelem kinetyki reakcji Szybkość reakcji jest ogólnie zależna od: - stężenia jednej lub większej liczby substancji włączonych w reakcję - innych czynników, jak temperatura, wartość pH, obecność katalizatora Model kinetyki reakcji zapisywany jest w ogólnej postaci - zestaw rozważanych substancji biorących udział w reakcji, w której uczestniczy substancja A, np. chlor - zestaw współczynników charakteryzujących warunki reakcji, w której uczestniczy substancja A, np. chlor

11. Najczęściej funkcja R ma postać iloczynu stężeń rozważanych substancji biorących udział w reakcji i współczynnika szybkości reakcji Ogólna iloczynowa postać modelu szybkości reakcji (zmian stężenia) substancji A wygląda następująco: kA - współczynnik szybkości reakcji substancji A CA - stężenie substancji A, itd. a - wykładnik reakcji w odniesieniu do substancji A, itd. Kiedy nie wszystkie stopnie pośrednie są znane lub kiedy dane eksperymentalne wskazują, że pewne stopnie pośrednie nie mają istotnego wpływu na ogólną szybkość reakcji stosowane są uproszczone modele kinetyki

12. Uproszczone modele kinetyki a) zerowego rzędu: b) pierwszego rzędu: c) drugiego rzędu:

13. Równanie zmian stężenia chloru w sieci rurociągów uwzględniające adwekcyjny transport chloru i kinetykę zanikania pierwszego rzędu ma postać: z określonymi warunkami początkowymi i brzegowymi: t - chwila czasu w okresie kroku hydraulicznego; - stężenie chloru w rurociągu w chwili t, w odległości x od węzła początkowego; - prędkość przepływu wody w rurociągu; - współczynnik szybkości zanikania chloru

14. Rozwiązanie równania zmian stężenia chloru w sieci rurociągów uwzględniającego adwekcyjny transport chloru i kinetykę zanikania pierwszego rzędu dla ustalonych warunków hydrauliki ma postać: Podaje ono fakt, że jakikolwiek rozkład stężenia substancji A w rurociągu występujący w nim w chwili t jest przenoszony na odległość v w odcinku czasu  z wykładniczą zmianą stężenia

15. Modele dynamiki stężenia chloru w zbiornikach Najprostszy z modeli, model reaktora z ciągłym wymieszaniem – RCW (ang. continuously stirred reactor - CSR) traktuje zbiornik jako jednolitą objętość i zakłada jednorodne i ciągłe wymieszanie wody w zbiorniku Zakładając, że w zbiorniku procesy zmian stężenia chloru zachodzą zgodnie z modelem kinetyki zanikania rzędu pierwszego, model RCW ma następującą postać: z warunkami początkowymi: Dla zbiornika nieprzepływowego dodatkowo należy uwzględniać warunek:

16. Modele mieszania chloru w węzłach sieci Węzły połączeniowe z punktu widzenia modelowania procesów jakości, dzieli się na dwa ich rodzaje: - węzły zwykłe oraz - węzły, w których dozuje się domieszkę Przyjmuje się, że węzły dozowania są węzłami źródłowymi (ang. source node), dla których stężenie domieszki w strumieniach opuszczających węzeł są równe wartości zadanej. Procesy jakości w takich węzłach nie muszą być zatem modelowane. Węzeł zwykły: - do węzła połączeniowego docierają strumienie wody z różnymi stężeniami domieszek - w węźle nie zachodzi gromadzenie wody, masa domieszki w węźle pozostaje niezmieniona - ponieważ odcinki rurociągów węzła są bardzo krótkie, czas przebywania domieszek w węźle jest na tyle mały, że ani procesy przyrostu, ani zanikania nie zachodzą

17. Zakładając jednorodność wymieszania w węźle, we wszystkich strumieniach wody opuszczającej węzeł stężenie domieszki jest takie same

18. Modele jakości bakteriologicznej  System dostarczania i dystrybucji wody pitnej może być traktowany jako gigantyczny reaktor biologiczny o rozłożonych parametrach do którego w sposób ciągły wprowadzane są pożywki (ang. nutrients) i mikroorganizmy Dwie fazy środowiskowe, w jakich bytuje flora bakteryjna: - krążąca woda, w której żywią się bakterie i pożywki oraz - ścianki rurociągów, które pozwalają na swoich powierzchniach tworzyć się biowarstwie. Pogarszanie się jakości bakteriologicznej wody w systemach dostarczania i dystrybucji – powody: - korzystanie z ujęć powierzchniowych o niskiej jakości wody zawierającej duże ilości materii organicznej - wzrost czasu zatrzymania (wiek) wody wynikający z albo dostarczania wody poprzez coraz rozleglejsze i bardziej skomplikowane systemy dostarczania i dystrybucji, albo z niedopasowania wielkości tych systemów do aktualnego zapotrzebowania na wodę

19. Dwie podstawowe metody wpływania na rozwój bakterii w systemach dostarczania i dystrybucji: (i) dezynfekowanie wody w obrębie SDiDW, głównie za pomocą chloru, (ii) kontrolowanie ilości pożywek/składników pokarmowych (ang. nutrients). Chlorowanie wody w stacji uzdatniania i wtórne chlorowanie w sieci dystrybucji jest metodą najczęściej stosowaną dla ograniczania rozwoju bakterii w sieci dystrybucji • Wada chlorowania: • tworzenie się produktów ubocznych, spośród których niektóre prowadzą do rozwoju składników wpływających na smak i zapach wody oraz, i co jest ważniejsze, są substancjami rakotwórczymi • często nawet wtórne chlorowanie okazuje się nieskuteczne w ograniczaniu rozwoju bakterii grupy Coli. Kontrolowanie ilości składników pokarmowych bakterii w wodzie, ograniczone jest do stacji uzdatniania wody Ilość składników pokarmowych bakterii można określać poprzez pomiar ilości biodegradowalnego rozpuszczonego organicznego węgla (BROW) (biodegradable dissolved organic carbon – BDOC) w substracie.

20. Modele jakości bakteriologicznej powinny pozwalać na predykcję zmian parametrów mikrobiologicznych w sieci dystrybucji wody Najprostsze modele - modele oparte na analizach statystycznych zależności pomiędzy jakością mikrobiologiczną wody a innymi parametrami Przykładem takiego modelu jest model ALCOL, który pozwala oszacować ryzyko pojawienia się w sieci dystrybucji ogólnej liczby bakterii typu Coli, w oparciu o średnie wartości temperatury w sieci, ilości pozostałej dezynfektanta, stężenie BROW i liczebności bakterii w zawiesinie Istnieją propozycje modeli jakoości mikrobiologicznej zawierające równania opisujące kinetykę procesów mikrobiologicznych zachodzących w sieci dystrybucji Dwa przykłady: modele doprowadzone do postaci produktu komercyjnego – programu symulacyjnego - SANCHO - PICCOBIO

21. Model PICCOBIO pozwala badać zachowanie się biomasy bakteryjnej w rurociągach SDiDW biorąc pod uwagę podstawowe parametry wpływające na jej strukturę takie jak: - biodegradowalny rozpuszczony węgiel organiczny (BROW), - temperatura, - ilość chloru pozostałego, - wartość pH i - warunki hydrauliczne panujące w rurociągu Model ten pozwala określić liczbę swobodnych bakterii aktywnych w wodzie, to znaczy bakterii zdolnych do oddychania Wada wszystkich modeli tej grupy - złożoność

22. Koniec części 4