Teoretisk Vandhygiejne Poul Harremces Mogens Henze ErikArvin Eli Dahi Laboratoriet for teknisk Hygiejne Danmarks Tekniske Højskole S.~ Polyteknisk... IIØI"" Forlag
Teoretisk Vandhygiejne Copyright 1977 by P. Harremoes, M. Henze, E. Dahl, E. Arvin and Polyteknisk Forlag 1. udgave, 1. oplag 1977 2. udgave, 1. oplag 1980 3. udgave, 1. oplag 1989 4. udgave, 1. oplag 1994 1. udgave, digital version 2013- 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 978-87-502-1056-6 Polyteknisk Forlag Anker Engelundsvej 1 2800 Lyngby www.polytekniskforlag.dk 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.
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 1865. 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 1969-1975 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
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
Indholdsfortegnelse l. Vandkvalitet 9 1.1. Behovet for rent vand 10 1.2. Vands tilgængelighed og anvendelighed 11 1.3. Vandkvalitet 16 1.4. Forureningskomponenterne 22 1.5. Beslutningsprocessen 25 2. Transport og omsætning 29 2.1. Vands transport i omgivelserne 30 2.2. Vands transport gennem byer 33 2.3. Stoffers transport og omsætning i omgivelserne 36 2.4. Stofs transport gennem byer 40 2.5. Rensning af vand 42 2.6. Proceshydraulikkens teoretiske grundlag 44 3. Reaktorhydraulik 47 3.1. Balanceligninger og sporstoffer 48 3.2. Direkte gennemstrømning 52 3.3. Ideel opblanding 53 3.4. Virkelige opholdstidsfordelinger 55 3.5. Foldningsintegralet 57 3.6. Ideel blanding i serie 60 3.7. Diffusion 64 4. Proceskinetik 71 4.1. Indledning 72 4.2. Reaktionshastighed 72 4.3. Reaktionshastighed og kemisk ligevægt 76 4.4. Reaktionsorden 78 4.5. Sammensatte reaktioner 82 4.6. Kinetik for mikrobiologiske processer 85 5. Proceshydraulik 91 5.1. Balanceligninger med simple reaktioner 92 5.2. Reaktorer med vilkårlige reaktioner 96 5.3. Udvaskning fra reaktorer 98 5.4. Ikke - stationære forhold 102 5.5. Numeriske løsninger 106 5
6. Luftning 109 6.1. Luftningens grundligninger 110 6.2. Luftarters opløselighed 116 6.3. To-film teorien 121 6.4. Penetrationsteorien 123 6.5. Andre teorier 127 6.6. Bobleluftning - Dimensionsanalyse 128 6.7. Luftningens korrektioner 135 7. Heterogene processer 141 7.1. Hydraulisk filmdiffusion 142 7.2. Biofilmkinetik 145 7.3. Hydraulisk filmdiffusion og biofilmkinetik 156 7.4. Biofilmreaktorer 159 8. Kemiske ligevægte 167 8.1. Definitioner 168 8.2. Pufferstyrke og -kapacitet 175 8.3. En-basiske ligevægtssystemer Ammoniak-systemet 185 8.4. To-basiske ligevægtssystemer Sulfid-systemet 187 8.5. Tre-basiske ligevægtssystemer Fosfat-systemet 189 8.6. Ligevægt med luft 190 8.7. Ligevægt med fast stof og komplekser 194 9. Carbonatsystemet 203 9.1. Carbonatsystemets betydning 204 9.2. Interne ligevægte 205 9.3. Alkalinitet og aciditet 209 9.4. Ligevægtsforskydninger 217 9.5. Ligevægt med luft 223 9.6. Carbonatsystemets temperaturafhængighed 225 9.7. Hårdhed 226 9.8. Kalkligevægte 228 9.9. Terminologi og enheder 240 10. Grundlæggende fosfatligevægte 245 10.1. Fosfatsystemet 247 10.2. Fosfatkomplekser 249 6
10.3. Calciumfosfat ligevægte 254 10.3.1 Model for calciumfosfat ligevægt 256 10.4. Ferri-og aluminiumfosfat ligevægte 258 10.4.1 Ligevægtsmodeller for udfældet ferri- og aluminiumfosfat 259 10.4.2 Udfældning af kompliceredeferri-og aluminiumfosfater 264 10.5. Fosfatligevægt beskrevet ved en adsorptionsmed el 265 10.5.1 Langmuirs adsorptionsmodel 265 10.5.2 Freundlich adsorptionsmodel 271 10.6. Valg af ligevægtsmodel 273 11. Redox-processer 275 11.1. Reduktion - oxidation 276 11.2. Elektrontransport 278 11.3. lltningstrin 280 11.4. Redex-ligevægte 282 11.5. Halv -reaktioner 284 11.6. Forløbet af redoxprocesser 290 11.7. Redox kapacitet 298 12. Udvalgte stoffers teknisk hygiejniske kemi 301 12.1. Indledning 302 12.2. Kulstofforbindelser 302 12.3. Kvælstofs teknisk hygiejniske kemi 307 12.4. llts teknisk hygiejniske kemi 314 12.5. Fosfors teknisk hygiejniske kemi 317 12.6. Svovls teknisk hygiejniske kemi 321 12.7. Klors teknisk hygiejniske kemi 324 12.8. Mangans teknisk hygiejniske kemi 328 12.9. Jems teknisk hygiejniske kemi 331 13. Infektionshygiejne 339 13.1. Glimt af vandhygiejnens historie 340 13.2. Terminologi 344 13.3. Infektioners generelle forløb 347 13.4. Infektioners epidemiologi 349 13.5. Vandbårne infektiøse pategener 354 13.6. Måling af vands mikrobielle forurening 367 7
14. Mikrobiologiske omsætninger 377 14.1. Mikroorganismernes systematik 378 14.2. Systematik efter omsætning 379 14.3. Den mikrobiologiske energiomsætning 382 14.4. Omgivelsesfaktorernes betydning for mikrobiologisk vækst 390 15. Toksicitet 397 15.1. Indledning 398 15.2. Biokemisk baggrund for toksicitet 401 15.3. Toksiske stoffers optræden i praksis 403 15.4. Målinger af toksicitet overfor enkelte dyrearter 405 15.5. Kinetik for inhiberede mikrobiologiske processer 409 15.6. Toksicitet i forbindelse med BI-analysen 414 16. Symbolliste 419 Appendix 435 Stikordsregister 437 8
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.
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 200-300 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 1865. 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