Teoretisk Vandhygiejne

Transkript

1

2

3 Teoretisk Vandhygiejne Poul Harremces Mogens Henze ErikArvin Eli Dahi Laboratoriet for teknisk Hygiejne Danmarks Tekniske Højskole S.~ Polyteknisk... IIØI"" Forlag

4 Teoretisk Vandhygiejne Copyright 1977 by P. Harremoes, M. Henze, E. Dahl, E. Arvin and Polyteknisk Forlag 1. udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, 1. oplag udgave, digital version ingen ændringer i forhold til 4. udgave, 1994 Omslag: Ove Broo Sørensen Alle rettigheder foreholdes. Mekanisk, fotografisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er kun tilladt i overensstemmelse med overenskomst mellem Undervisningsministeriet og Copy-Dan. Enhver anden udnyttelse uden Polyteknisk Forlags skriftlige samtykke er forbudt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Bogen er sat med Palatino og trykt i offset hos AiO Tryk as, Odense Printed in Denmark 1994 E-bog Polyteknisk Forlag Anker Engelundsvej Lyngby Teksten før hverl kapitel er kopieret fra: Lange, Dr. Joh. Chr.: "Lære om de Naturlige Vande samt Grundig Undersøgning af de Vande, som findes udi Kiøbenhavn og dens Egne, og til al/ehaande Nytte af dens Indbyggere meest blive anvendte. Næst opløsning paa det Spørgsmål: Hvilket Vand der er det bedste?" Kiøbenhavn, trykt hos L.S. Lillie, boende i Store Fiol-Stræde i den forgyldte Ore, 1756.

5 Forord Teknisk hygiejne er et udpræget tværfagligt fag. Det er faget, hvor der er brug for hydrologi, hydraulik, hydrodynamik, kemi, kemiteknik, mikrobiologi, teknisk biokemi, epidemiologi, m.v. Faget teknisk hygiejne opstod som en konsekvens af kolera-epidemierne, som hærgede Europas byer i 1850' erne og som tydeligt viste nødvendigheden af ordnede vandforsynings- og kloakeringsforhold i moderne bysamfund. Den første forelæsning på Polyteknisk Læreanstalt i faget teknisk hygiejne fandt sted den l. februar I forrige århundrede var de tekniskhygiejniske problemer en væsentlig drivkraft i udviklingen af den grundlæggende hydraulik, men siden har teknisk hygiejne i stor udstrækning udviklet sig på et empirisk grundlag og har i sin praktiske udfoldelse været meget præget af traditioner. Det har været et internationalt fænomen, at teknisk-hygiejnisk praksis i længere tid kun i ringe omfang har været påvirket af en rivende teoretisk udvikling inden for beslægtede fagområder, f.eks. hydrologi, avanceret hydraulik, hydrodynamik, kemisk og biologisk reaktionskinetik, m.v. - til trods for at denne udvikling kan finde umiddelbar anvendelse inden for teknisk hygiejne. Denne lærebog i teoretisk vandhygiejne er et led i bestræbelserne på at udbygge det teoretiske grundlag for teknisk hygiejne med hensyn til vandkvalitet. Bogen samler de grundlæggende teorier, som er fælles for problemer vedrørende vandforurening og problemer vedrørende vandrensning. Den tager direkte sigte på det tilsvarende kursus på DtH: Teoretisk vandhygiejne, som er forudsætningsfag for to kurser: Vandforurening og Vandrensning. Trods ihærdig søgen er det ikke lykkedes at finde en udenlandsk lærebog med et tilsvarende teoretisk udgangspunkt. Til brug for undervisningen har der derfor i årene været udleveret en række kompendier, men antallet af ukoordinerede kompendier blev så uhåndterligt, at det fandtes indsatsen værd at strukturere materialet ind i en samlet lærebog. Den oprindelige kampendiestruktur afspejler sig i, at der er fire forfattere til bogen. Kapitlerne l, 2, 3, 5, 6, 7 og første halvdel af 14 er skrevet af professor Poul Harremoes, kapitlerne 4, 11, 12, anden halvdel af 14 og 15 er skrevet af lektor Mogens Henze Christensen, kapitlerne 8, 9 og lo af civilingeniør Jørgen P. Jørgensen samt kapitel 13 af adjunkt Elian Dahi. Den samlede strukturering og redaktion har professor Poul Harremoes stået for. Med disse ord ønsker jeg de studerende held og lykke på deres færd ind i det teknisk-hygiejniske fagområde. Laboratoriet for teknisk Hygiejne, 1976

6 2. udgave. Målsætningen med "Teoretisk Vandhygiejne" er uændret, men visse kapitler er totalt ændret: Kap. 8 "Kemiske ligevægte" af lektor Mogens Henze, kap. 9 "Carbonatsystemet" af professor Poul Harremoes og kap. lo "Grundlæggende fosfatligevægte" af lektor Erik Arvin. De øvrige kapitler er rettet og ajourført med hensyn til ny viden. Endnu en gang har jeg fornøjelsen at ønske de studerende held og lykke med læsningen. 3. udgave. Jeg vil gerne takke de mange studerende og ansatte, som har henledt forfatternes opmærksomhed på ønskelige rettelser til teksten. Der er ikke foretaget ændringer ud over sådanne mindre rettelser. Laboratoriet for Teknisk Hygiejne, 1988 Poul Harremoes Professor 4. udgave Bogen har fået et nyt moderne lay-out, som har reduceret sidetallet. Samtidig er der foretaget mindre rettelser og korrektioner. Bogen er dog stadigvæk sig selv. Laboratoriet for Teknisk Hygiejne, 1993 Poul Harremoes & Mogens Henze

7 Indholdsfortegnelse l. Vandkvalitet Behovet for rent vand Vands tilgængelighed og anvendelighed Vandkvalitet Forureningskomponenterne Beslutningsprocessen Transport og omsætning Vands transport i omgivelserne Vands transport gennem byer Stoffers transport og omsætning i omgivelserne Stofs transport gennem byer Rensning af vand Proceshydraulikkens teoretiske grundlag Reaktorhydraulik Balanceligninger og sporstoffer Direkte gennemstrømning Ideel opblanding Virkelige opholdstidsfordelinger Foldningsintegralet Ideel blanding i serie Diffusion Proceskinetik Indledning Reaktionshastighed Reaktionshastighed og kemisk ligevægt Reaktionsorden Sammensatte reaktioner Kinetik for mikrobiologiske processer Proceshydraulik Balanceligninger med simple reaktioner Reaktorer med vilkårlige reaktioner Udvaskning fra reaktorer Ikke - stationære forhold Numeriske løsninger 106 5

8 6. Luftning Luftningens grundligninger Luftarters opløselighed To-film teorien Penetrationsteorien Andre teorier Bobleluftning - Dimensionsanalyse Luftningens korrektioner Heterogene processer Hydraulisk filmdiffusion Biofilmkinetik Hydraulisk filmdiffusion og biofilmkinetik Biofilmreaktorer Kemiske ligevægte Definitioner Pufferstyrke og -kapacitet En-basiske ligevægtssystemer Ammoniak-systemet To-basiske ligevægtssystemer Sulfid-systemet Tre-basiske ligevægtssystemer Fosfat-systemet Ligevægt med luft Ligevægt med fast stof og komplekser Carbonatsystemet Carbonatsystemets betydning Interne ligevægte Alkalinitet og aciditet Ligevægtsforskydninger Ligevægt med luft Carbonatsystemets temperaturafhængighed Hårdhed Kalkligevægte Terminologi og enheder Grundlæggende fosfatligevægte Fosfatsystemet Fosfatkomplekser 249 6

9 10.3. Calciumfosfat ligevægte Model for calciumfosfat ligevægt Ferri-og aluminiumfosfat ligevægte Ligevægtsmodeller for udfældet ferri- og aluminiumfosfat Udfældning af kompliceredeferri-og aluminiumfosfater Fosfatligevægt beskrevet ved en adsorptionsmed el Langmuirs adsorptionsmodel Freundlich adsorptionsmodel Valg af ligevægtsmodel Redox-processer Reduktion - oxidation Elektrontransport lltningstrin Redex-ligevægte Halv -reaktioner Forløbet af redoxprocesser Redox kapacitet Udvalgte stoffers teknisk hygiejniske kemi Indledning Kulstofforbindelser Kvælstofs teknisk hygiejniske kemi llts teknisk hygiejniske kemi Fosfors teknisk hygiejniske kemi Svovls teknisk hygiejniske kemi Klors teknisk hygiejniske kemi Mangans teknisk hygiejniske kemi Jems teknisk hygiejniske kemi Infektionshygiejne Glimt af vandhygiejnens historie Terminologi Infektioners generelle forløb Infektioners epidemiologi Vandbårne infektiøse pategener Måling af vands mikrobielle forurening 367 7

10 14. Mikrobiologiske omsætninger Mikroorganismernes systematik Systematik efter omsætning Den mikrobiologiske energiomsætning Omgivelsesfaktorernes betydning for mikrobiologisk vækst Toksicitet Indledning Biokemisk baggrund for toksicitet Toksiske stoffers optræden i praksis Målinger af toksicitet overfor enkelte dyrearter Kinetik for inhiberede mikrobiologiske processer Toksicitet i forbindelse med BI-analysen Symbolliste 419 Appendix 435 Stikordsregister 437 8

11 l. Vandkvalitet.I. ~et IBæsen, som ol)eralt er befienbt unber bet ::.:..J ffiatm lean b, er et~pbenbe og flart ~orpus eller Eegeme, som I)Cb ~Barme bli"er opløst til1)ampe, og af stulben foranbres til3is. amme ()al)er følgenbe.l)o "eb-<tgensfaber, nemlig: r. Opløser bet alt alt. 2. IBeb ()ielp af altet opløser bet og anbre ~orpora eller Eegemer, saasom ~orb, 9Jletall, (5\)0I)el, O.S.\). 3 UMluffer bet be brænbenbe 9Jlaterier. ~nmærfning: ~fbemelbte anben Q:gensfab følger, at manbet ej, uben et altagtigt \Eæsen, fanb opløse noget ~orbagtigt, 'W?etallisf eller0lieagtigtl.legeme. ~ølgelig maae alt bet lags \Eanb; som inbe9olber saabanne ~ing i sig, 9atle et saltagtigt \Eæsen 9os sig.

12 Behovetforrentvand 1.1. Behovet for -rent vand Mennesket har et absolut og uerstatteligt behov for vand. Det er absolut, fordi mennesket ikke kan eksistere længe uden vand. Det er uerstatteligt, fordi ingen anden kemisk forbindelse kan træde i stedet for vand og tilfredsstille de fysiologiske funktioner, som vand uøver. For at tilfredsstille disse funktioner skal vandet opfylde visse krav, f.eks. ikke have for stort saltindhold. Blandt mange fysiologiske funktioner er det værd at nævne fordampningen, som bidrager til at regulere kroppens temperatur. En anden af disse funktioner er borttransport af spildprodukter (urinstof). I begge tilfælde benyttes vand som et medie, hvormed spild borttransporteres (henholdsvis energi og stof). Tørst er lige så meget en ophobning af giftstoffer i kroppen, som det er en egentlig mangel på vand. Denne dobbelttydighed i behovet for vand går igen. En plante har et egentligt behov for vand, der indgår som byggesten i dannelsen af plantestof ved fotosyntese. Desuden fjerner vandet energi ved planternes transpiration og overskydende vand fjerner salt, som ellers ville ophobes i jorden og forgifte planten. Helt tilsvarende betragtninger kan anlægges med en by som den organiske enhed. Vandets tilførsel til byen tilfredsstiller et fysiologisk behov hos menneskene i byen, men det er det mindste af det. En moderne bybo har et vandbehov på liter pr. dag. Heraf drikkes højst 1liter. Resten anvendes til andre formål, som har et til fælles: Vandet anvendes til at fjerne uønskede stoffer (via toilettet, håndvasken, vaskemaskinen, etc.). Al anvendelse af vand er en forureningsproces. Der er tendens til kun at se på behovet for vand og at glemme, at behovet for vand i væsentlig grad er et behov for borttransport af spild, f.eks. lider mange storbyer i udviklingslandene af en tålelig god vandforsyning uden tilsvarende kloakering. Vandets funktion som medie for borttransport af affaldsstoffer er ikke tilgodeset. Affaldsstofferne ophobes i byen og "forgifter" den. Dette fører let til urent vand i omgivelserne, i rendestenene og i værste fald i vandforsyningen. Dermed forstærkes "forgiftningen". I Europa kulminerede denne "forgiftning" af byerne i midten af forrige århundrede med en række kolera-epidemier, som blev det dramatiske startskud på faget teknisk hygiejne. På Polyteknisk Læreanstalt i København afholdtes den første forelæsning i faget den l. februar Mennesket har ikke kun et absolut og uerstatteligt behov for vand. Det har også et behov for egnet vand. En af de væsentligste egenskaber ved egnet vand er, at det er rent, d.v.s. at det ikke er blevet brugt som medie for borttransport af affaldsstoffer uden at være blevet renset -enten i naturen eller i menneskeskabte anlæg forud for en fornyet anvendelse i omgivelserne eller af mennesker. I hele den sidste halvdel af forrige århundrede lå hovedvægten på fremskaffelse af egnet vand til byer. Dette blev taget fra omgivelser, hvor vandet var rent. For 10