Wikipendium

Create compendium Add Language
Edit History
Tools
  • Edit
  • History

  • Add language

  • Create new compendium
Log in
Table of Contents
  1. Hydrologi og miljø
    1. Det hydrologiske kretsløp
    2. Nedslagsfelt
      1. Tegning av nedslagsfelt
      2. Hypsografiske kurver
    3. Vannbalanse
      1. Snømagasiner
    4. Flom
      1. Flomsikring
    5. Klimaendringer
  2. Vannkraft
    1. Begreper
    2. Kraftverkelementer
    3. Kraftverkstyper
      1. Pumpekraftverk
    4. Skisse av kraftverk
    5. Vassdragsregulering
      1. Flomsikring av dammer
      2. Damtyper
  3. Vannforsyning og avløp
    1. Vannforbruk
      1. Brannslukking
    2. Variasjoner i vannforbruk
    3. Dimmensjonerende vannmengder for vannforbruk
      1. Kilde
      2. Overføring fra kilde til høydebasseng
      3. Høydebasseng
      4. Distribusjonsnett
      5. Valg av diameter på ledning
    4. Avløp
    5. Avløpssystem
      1. Separatsystem/Fellessystem
      2. Dimmensjonering av avløpssystem
        1. Spillvann
        2. Overvann
    6. Vannbehandling
      1. Vannparametre
        1. Uorganiske parametre
        2. Metaller
        3. Organiske parametre
        4. Mikroorganismer
      2. Drikkevannsbehandling
        1. Partikkelfjerning
        2. Desinfeksjon
        3. Korrosjonskontroll
      3. Avløpsbehandling
        1. Forbehandling
        2. Primærrensing
        3. Sekundærrensing
        4. Tertiærrensing
        5. Slambehandling
‹

TVM4101: Vann- og miljøteknikk

Tags:
  • Bygg og miljøteknikk
  • BM2
+

Skrevet utfra kompendiet BM2 Vann og miljøteknikk, utgitt av Institutt for Vann og miljøteknikk ved NTNU i 2013 og forelesningsnotater fra våren 2016

Hydrologi og miljø

Hydrologi er læren om vannet, vitenskapen om vannets forekomst, kretsløp og fordeling på landjorden. (SNL)

Det hydrologiske kretsløp

Alt vann på jorden inngår i det hydrologiske kretsløp, dette drives av solenergi og de mest sentrale prossessene i dette kretsløpet er:

Nedbør
Vann i atmosfæren som kondenserer og regner (snør) ned over jorden. Vannet som kommer ned over landgjorden kan utnyttes.
Fordampning
Vann som fordamper opp i atmosfæren.
Magasin:
Vann som er lagret i lengre tid i magasiner på og under jordoverflaten. For eksempel, snø, innsjøer og grunnvann.
Avrenning:
Vann som ikke fordamper men som renner vekk, både under og over bakken.

Kretsløp

Nedslagsfelt

Et nedslagsfelt er et tenkt område der all avrenning renner ned til ett punkt. Nedslagsfelt er viktig for å kunne dimmensjonere anlegg nedstrøms. Nedslagsfelt

Tegning av nedslagsfelt

Dette gjøres somregel digitalt, men kan også gjøres for hånd: Når en tegner nedslagsfelt tar man utganspunkt i punktet man ønsker å finne feltet til, man finner grensene til feltet ved å bruke høydekurvene. Feltet skal omslutte alle elver og bekker som drenerer til punket. I utgangspunket skal felgrensen stå normalt på høydekurvene. På flate områder må man bruke litt skjønn.

Hypsografiske kurver

En hypsografisk kurve er en høyde-arealfordelingskurve som viser hvor stor andel av nedslagsfeltet som ligger over gitte høyder. Denne er nyttig, spesiellt når det kommer til beregning av snømagasiner.

Vannbalanse

Et utrykk for vannbalansen i et nedslagsfelt er vannbalanseligningen: $$ P=Q+E_{t} \pm \Delta S $$ Her er P nedbør, Q er den totale avrenningen fra feltet, $E_t$ er fordampningen til feltet og $\Delta S$ er endringen i magasiner.

Snømagasiner

I Norge er $\Delta S$ grunnet snømagasinering særlig aktuellt. Denne fører typisk til en topp i avrenningen fra feltet i vårmånendene.

Flom

Flom er en betegnelse på at vannføringen i vassdrag overstiger normale verdier. Flomberegninger gjøres stort sett ved hjelp av statistikk, og i dette faget brukes gumbellfordeling til å gjøre disse beregningene, https://en.wikipedia.org/wiki/Gumbel_distribution.

Flomsikring

En deler gjerne mellom aktive og passive flomsikringstiltak, de passive tiltakene går ut på å hindre at man bygger og ferdes i områder som er flomutsatte, mens de aktive tiltakene går ut på å hindre flom i områder som er bebygget. Vannmagasiner og regulering av vassdrag er somregel i tillegg til å nyttegjøre til sit egentlige formål også flomsikringstiltak for å få bedre kontroll på vannføringene i vassdragene. Andre aktive tiltak, er bygging av flomveier, fordrøyningsanlegg og å transportere overvann i åpne elver og kanaler framfor rør.

Klimaendringer

I fremtiden i Norge vil en kunne forvente et mildere og våtere klima, dette vil medføre økt nedbør og en noe redusert snømagasinering med tidligere smeltesesong.

Vannkraft

Vannkraft utnytter det enkle prinsippet at vann har høyere potensiell energi, jo høyere oppe det er. Denne potensielle energien kan brukes til å produsere.

Begreper

Effekt [P]=kW
Effekten til kraftverket er gitt $P=g\cdot \eta \cdot \rho \cdot Q \cdot H$ der g er tyngdens akselerasjon, $\eta$ er maskinens effektivitet, $\rho$ er vannets massetetthet $=1000$ kg/m$^3$, Q er vannføring og H er fallhøyden.
Energi [E]=kWh
Den produserte energien i et kraftverk er gitt $E=P \Delta t$
Trykklinje
Tenkt linje som reperesenterer vanntrykket på et gitt punkt i rørgaten/tunellen, ideelt sett ligger denne på høyde med høyeste vannpunkt systemet fram til turbinen og laveste punkt etter turbinen, dersom vannveien er trykksatt. På grunn av falltap vil ikke denne idealiseringen passe helt med virkeligheten og trykket minke jo lengre vannvei du har.
Slukeevne
Mål på hvor stor vannføring som maksimalt kan gå gjennom kraftverket.
Minstevannføring i kraftverk
Mål på hvor liten vannføring som minimalt kan gå gjennom kraftverket.
Minstevannføring i elv
Mål på hvor mye vann som må slippes forbi kraftverket (Miljøtiltak for å ta vare på økosystemet rundt anlegget)
Falltap [$h_f$]=m
Mål på friksjon i vannveien fram til turbinen, gitt $h_f=k_f\cdot Q^2$ $k_f$ er falltapskoeefisienten og en funksjon av vannveiens parametre (tverrsnittsareal, lengde og ruhet) Falltapet vil øke raskt med økende vannføring, så selv om en dobling i slukeevne (Q) vil føre til en dobling i effekt, vil dette samtidig føre til en firedobling av falltapet, noe som kan føre til et mindre effektivt kraftverk.

Kraftverkelementer

Rørgate/tunnel
For transport av vannet fra inntak til turbin, utformingen av denne har mye å si for falltapet til i kraftverket. I Norge i dag bruker de fleste kraftverkene tunneller i fjell for å transportere vann til turbinene, dette er somregel av spenningstekninske årsaker, men også av hensyn til synlige inngrep i naturen .
Svingesjakt/ luftputekammer
Innretning for å jevne ut store trykkforskjeller ved brå endringer i trykket i anlegget, for eksempel når en stopper eller starter turbinen.

Kraftverkstyper

Høytrykksanlegg (Magasinkraftverk)
Stor høydeforskjell i forhold til mengde vann. Har som regel magasiner for å regulere vannføringen. De store norske kraftverkene er høytrykksannlegg, med lange tunneler i fjell.
Lavtrykksanlegg (Elvekraftverk)
Liten høydeforskjell, som kompanserers med stor vannføring. Ofte bygget i store elver der det ikke er stor høydeforskjell.

Pumpekraftverk

Spesiell type kraftverk som er "reversible", vann kan pumpes opp i periodene der det er lite behov for eletristiet på nettet (typisk om natten), og slippes ut igjen i perioder med mye belastning på nettet Dette gjør at man får en mer effektiv energiproduksjon. De fleste kraftproduksjonsmetoder produserer en jevn mengde energi hele tiden, dette fører til at man må dimmensjonere produksjonen etter toppene i forbruket. Vann i magasiner er en utrolig effektiv (om ikke den mest effektive) måten å lagre energi på, og med pumpekraftverk kan man jevne ut produksjonen mot forbruket, og dermed ikke ha like stort produksjonsbehov.

Trykklinjen til et pumpekraftverk vil ha en trykklinje som ligger på høyeste punket i systemet, men også her må man kompansere for falltapet. Her vil denne kompansasjonen føre til at du får høyere trykk nærme turbinen som synker jo nærmere du kommer inntaket.

Skisse av kraftverk

Kraftverk

Vassdragsregulering

Når en snakker om vassdragsregulering menes somregel det å bygge magasiner for å styre vannføringer i vassdrag. Dette gjøres som regel for å skape en jevnere vannforsyning til for eksempel kraftverk, eller drikkevannsforsyning til byer. Siden verken nedbør eller snøsmelting er den samme fra dag til dag er det derfor samler en opp vann i peroder med overskudd og slipper ut i resten av året. Magasiner er også et verktøy for flomsikring.

Magasiner bygges som regel ved hjelp av dammer, der man demmer opp en elv eller innsjø. Man kan også bruke eksisterende innsjøer som naturlige dammer, ved å bygge tunneller/rør ut fra sjøen og eventuellt senke bunnen.

HRV
Høyeste regulerte vannstand
LRV
Laveste regulerte vannstand

Flomsikring av dammer

Siden et dambrudd kan få katastrofale følger, dimmensjoneres dammer ofte for flommer langt større enn det som er observert i vassdraget. Et vanlig tiltak er her å bygge flommløp som leder vann vekk og som sikrer at dammen ikke utsettes for større krefter enn den er bygget for.

Damtyper

Gravitasjonsdam
Dammens masse utnyttes for å holde tilbake vannet.Bygget i betong.
Hvelvdam
Bygges ofte i trange og høye elveløp, og overfører kreftene fra vannet til fjellsidene rundt. Bygget i betong.
Platedam/Lamelledam
Dammen støttes opp av lameller med jevne mellomrom langs dammen, som regel bygget i betong.
Fyllingsdammer
Bygges i jord eller stein, med morenekjerne som tetter.

Damtyper

Vannforsyning og avløp

Vannforbruk

Forbruk beregnes som regel i m$^3$/år

Privat forbruk $Q_p$
Forbruket fra private husholdinger, i Norge har man et spesifikt forbruk på mellom 120 - 200 l/pd
Industriellt forbruk $Q_i$
Forbruket fra industrien.
Offentlig forbruk
Forbruk fra offentlige institusjoner, type skoler, sykehus.
Tap $Q_t$
Tap som følge av lekasjer og sløsing, angis som en andel av det totale forbruket. $Q_t=t\cdot Q_T$ t er en faktor som i Norge ligger mellom 0,15 og 0,5
Annet forbruk $Q_a$
Forbruk som ikke går innunder andre kategorier, angis som en andel av det totale forbruket $Q_a=a\cdot Q_T$ a er en faktor som normalt liger mellom 0,05 og 0,1.
Totalt forbruk $Q_T$
Summen av overnevnte forbruk er det totale forbruket.
Daglig forbruk $Q_d$
Vannforbruk pr døgn, middlere forbruk over et år blir $Q_d=Q_T/365$
Timeforbruk
Vannforbruk pr time, middlere forbruk over et år blir $Q_h=Q_T/(365\cdot 24)$

Brannslukking

Det stilles krav til vannforsyningen slik at dette kan brukes ved en eventuell brann.

Variasjoner i vannforbruk

For å kompansere for variasjoner i vannforbruket når en skal dimmensjonere annlegg bruker en, døgn- og timefaktorer

F-faktoren, tar hensyn til variasjonene fra dag til dag. For en gitt dag er denne definert som $$f=\frac{Q_{dmax}}{Q_d}$$ Vannforbruket er ofte større om sommeren enn vinteren, $f_{max}$ ligger typisk i juni og $f_{min}$ i desember/januar. F-faktorer for et gitt anlegg beregnes som regel statistisk.

K-faktoren, fungerer på samme måte som f-faktoren for variasjoner i et døgn.

Dimmensjonerende vannmengder for vannforbruk

Kilde

Må velges slik at tilsiget pr år er større enn $Q_T$

Overføring fra kilde til høydebasseng

Her må man ta hensyn til døgnfaktoren, men ikke timefaktoren, siden en av funksjonene til høydebassenget er å fungeresom et magasin for å sørge for jevn vannforsyning hele dagen. Dimmensjoneredne vannmengde her blir da $Q_{dim}=f_{max}\cdot Q_d+Q_{lekkasje}$.

Høydebasseng

Høydebassengets funksjon er å jevne ut timevariasjonene og skape en stabil vannforsyning. Bassenget skal også være en sikkerhet i tilfelle problemer med vannforsyningen og dimmensjoneres ofte med et volum tilsvarende flere dagers forbruk. Volumet $V=d\cdot(Q_{dmax})+Q_{lekkasje}+Q_{brann}$

Distribusjonsnett

På distribusjonsnettet, må man ta hensyn til timefaktorene i tillegg til døgnfaktorene. $Q_{dim}=f_{max}\cdot k_{max}\cdot Q_d+Q_{lekkasje}+Q_{brann}.$

Valg av diameter på ledning

En grei måte å velge diameteren til ledningen på er ved hjelp av Colebrooks formel.

Avløp

Avløpsvann brukes som betengnelse på vann du ikke vil ha i systemet ditt som du transporterer vekk.

Spillvann $Q_s$
Vann som er brukt av forbruker.
Overvann $Q_o$
Vann fra overflaten i utbaniserte områder som ikke infiltrerers ned i grunnen og som må transportere vekk.
Infiltrasjonsvakt $Q_{inf}$
Vann som trenger inn i rørnettet, gjennom sprekker o.l. Gjerne gitt som en andel av total vannmende i ledningen.
Fremmedvann $Q_{fr}$
Vann som ikke skal tilføres avfallsledningene, det er et mål at man verken skal ha fremmedvann eller infiltrasjonsvann på ledningsnettet.

Avløpssystem

Separatsystem/Fellessystem

En kan transportere avløpsvann på flere måter, begrepene separatsystem og fellessystem brukes om system der overvann og spillvann transporteres i henholdsvis separate og fellles rør. Separatsystem er som regel å foretrekke først og fremst siden du får mye mindre avløpsvann som må renses i og med at overvannet stort sett er rent. Men separatsystem kan være dyrere å bygge. I byer som for eksempel Trondheim jobbes det med å bygge om fellesystem til separatsystem.

Dimmensjonering av avløpssystem

Spillvann

Spillvannsmengden dimmensjoners på sammme måte som forbruket, ved bruk av døgn og timeverdier. $$Q_{Smax}=f_{max}\cdot k_{max}\cdot Q_{smidl}+Q_{inf}$$ I tillegg til dette beregnes ofte den selvrensende vannmengden, som er $$Q_{selvrens}=f_{min}\cdot k_{max}\cdot Q_{smidl}+Q_{inf}$$ Den selvrensende vannmengden brukes som en minimumsverdi for vannmengden i røret og røret må bygges med en hellning som gjør at den selvrensende vannmengden klarer å transportere stoffer og partikkler i spillvannet.

Overvann

Overvannet til et felt kan beregnes med den rasjonale formel og avrenneingen for et område vil være lik summen av avrenningene fra de ulike arealtypene områdene består av. $$Q_{o}=ø\cdot A\cdot I+Q_{inf}$$ Der A er arealet av området(m$^2$), I er nedbørsintensiteten(l/sm$^2$), og ø er avrenningskoefesienten. ø er en koeefesient som sier hvor mye av nedbøren i et området som renner til avrenning. Den varierer med områdetypen, tak og asfalterte plasser har ofte høy ø, mens parker o.l har lav ø.

Et tiltak for å minke overvannet i urbansierte områder, er såkalte grønne tak, disse har mye lavere ø enn vanlige tak.

Nedbørsintensiteten I kan finnes ved hjelp av IVF-kurver, som er en graf der nedbørsvarighet plottes mot vannmengde.

Vannbehandling

Vannparametre

Dette er parametre som påvirker vannkvaliteten, og som muligens må endres for at vannet skal ligge innenfor lovlige verdier, både når det kommer til produksjon av drikkevann og utslipp av avløpsvann.

Uorganiske parametre

Temperatur
Vannets temperatur
Oppløst oksygen
Hvor mye oksygen som er oppløst i vannet
pH
Vannets surhet. Nøytral pH=7, naturlig vann har omtrentlig pH=6
Ledningsevne
Vannets evne til å lede eletrisk strøm, mål på salter i vannet.
Alkalitet
Vannets evne til å nøytralisere syre, mengden (mol) syre som trengs for å redusere pH til 4,5
Hardhet
Summen av innholdet kalsium og magnesium i vannet. Angis i mengde CaCo$_3$, mengde Ca eller dH (1dh=10mg CaO/L), for høy hardhet fører til utfelling av CaCO$_3$ i varmtvannsanlegg og redusert effekt av såpe. Norsk vann er som regel bløtt heller enn hardt.
Suspendert stoff (SS)
Angir konsentrasjonen av partikler over en viss størrelse i vannet, måles vha. filter og veiing.
Totalt tørrstoff (TS, TSS)
Inkluderer vekten av oppløst materiale i vannet i tillegg til SS, måles vha, koking og veiing.
Flyktig stoff
Mengden tørrstoff eller suspendert stoff som er organisk (flyktig), måles vved å brenne SS eller TS for så å veie prøven
Turbiditet
Angir hvor grumsete vannet er, måles ved å måle spredning av lys i vannet.
Næringsalter
Fortrinsvis Nitrogen og forfor, i organiske forbindelser. Fosfor og nitrogen er berensende næringstoff i henholdsvis ferskvann og saltvann, og økte mengder av dette fører til økt algevekst (Eutrofiering), som igjen fører til høyere oksygenforbruk, økt turbiditet og økt mikrobiell forurensing.

Metaller

Jern (Fe) og mangan (Mn)
Estetiske- og bruksproblem (misfarging, slam, osv), naturlig forekommende i vann med lavt oksygeninnhold.
Kobber (Cu), sink (Zn) og aluminium (Al)
Middels toksisk, normalt menneskeskapt (korrosjonsprodukt, industriutslipp, gruveindustri)
Bly (Pb), kadmium (Cd), krom (Cr) og kvikksølv (Hg)
Svært giftig og helsefarlig, i hovedsak industriutslipp. Ender opp i avløpsvann, kloakkslam og/eller resipient (utslippsted, typsik elv eller fjord).

Organiske parametre

Biokjemisk oksygenforbruk (BOF)
Mål for innholdet av organisk stoff, primært brukt for avløpsvann, angir oksygenet som avløpsvannet forbruker ved utslipp til resipient.
Kjemisk oksygenforbruk (KOF)
Mål for inholdet av organisk stoff, men bruker kjemisk istedenfor bioksjemisk oksidasjon, raskere og enklere analyse enn BOF.
Totalt organisk karbon (TOC)
Mål på mengden organisk karbon, forbrenner og måler CO$_2$ i en filtrert prøve av vannet, rask metode som primært brukes på drikkevann.

Mikroorganismer

Svært viktig å ha kontroll på i drikkevanssammenheng, analysemetode og indikatorer avhenger fra organisme til organisme.

Drikkevannsbehandling

Drikkevannsforskriften pålegger vannleverandører å levere vann som er hygienisk betryggende, klart, uten lukt smak eller farge og uten fysiske kjemiske og biologiske komponenter som er helseskadelige.

Det finnes grenseverdier for de fleste overnevnte indikatorer.

Behandlingsbehovet varier utfra hvilken vannkilde det er snakk om.

Partikkelfjerning

Partikler i drikkevann fjernes ofte i flere omganger.

Mikrosiling
Man starter ofte med mikrosiling, som rett og slett siler vannet gjennom en roterende trommel med en fin duk rundt. Slammet fjernes fra trommelen ved spyling.
Koagulering
Her tilsetter man en koagulant som destabilsierer kollide partikler og samler og feller ut disse i et hydroksyd. Videre rører man rundt i vannet for å skape kollisjoner som skaper større fnokker og tilslutt separerer man disse fra vannet, ved enten sedimentering, flotasjon eller filtering, eller en kombinasjon.
Membranfiltrering
Her presses vannet gjennom et fint membran, der poreåningen i membranet avgjør hvilke partikler som kommer igjennom, og hvilke som stoppes. Forskjellig navn (mikro-, ultra-, nanofiltering samt omvendt omose) utfra hvilken porestørrelse som brukes, også her brukes gjerne kombinasjoner av flere varianter. Nanofiltrering fjerner humus og organiske mikroforbindelser og er vanlig brukt i Norge.

Desinfeksjon

Fjerning av patogener (virus, bakterier og parasitter) ved inaktivering.

Klorering
Klor i vannet, dette dreper patogenene. Det er en billig og effektiv måte som også har restvirkning på resten av ledninsnettet. Klorering fungerer dårlig mot parasitter og kan gi luk og smak, samt danne organiske forbindelser.
UV-bestråling
Bestråler vannet med UV-lys, som dereper bakeriene. Denne metoden er dyr, men er effektiv også mot parasitter og tilsetter ikke kjemkalier til vannet. Den krever at vannet har lav turbiditet og lite farge, og har ingen virkning på ledningsnettet.

Korrosjonskontroll

I Norge er det nødvending å behandle vannet for å redusere korrosivitet, dette fordi vannet i utgangspunkiet er bløtt og surt og har lav alkalitet. Man gjør dette ved å tilsette kalk (Ca) og kullsyre (CO$_2$) og eventuellt filtere vannet gjennom kaliumkarbonat (Marmor). Målet med dette er å øke pH, kalsium-innhold og alkalitet til mer nøytrale verider.

Avløpsbehandling

Vi renser avløpsvannet først og fremst for å unngå unaturlig bakterie og algevekst i resipienten. Avløpsrensingen skjer i utgangspunktet i fire trinn

Forbehandling

Rister og siler renser ut de grove stoffene i avløpet. Videre har man sand- og fettfang som renser ut sand, grus og fett fra vannet.

Primærrensing

Krav 50% SS og 20% BOF renset, her brukes det fine siler og sedimentering (mekanisk rensing) for å skille ut partikler fra vannnet.

Sekundærrensing

Brukes for å fjerne organisk materiale som ikke er tatt bort i den primære rensingen. Her er det i utgangspunktet tre metoder, kjemisk rensing, biologisk rensing, eller en kombinasjon. Et kjemisk renseanlegg bruker samme prinsipp som ved koagulering av drikkevann.

I et biologisk renseanlegg benyttes det mikroorganismer til å bryte ned stoffene man ønsker å fjerne. Bakteriekulturen kan løses i vannet(aktivslam), eller settes fast på filmer(biofilm).

Tertiærrensing

For å fjerne næringstoffer som forsfor og nitrogen. Her fjernes gjerne nitrogen biologisk og fosfor kjemisk.

Slambehandling

Slammet som produseres i avfallsrensingen kan brukes til flere ting, men det er vanlig å bruke det som gjødsel, det krever litt bearbeiding blant annet oppkonsentreing (fortykning), stabilisering (nedbryting av organisk stoff) og hygenisering (hindre smitte av bakterier farlige for mennesker og dyr). Det kan også produseres kraft av biogassen som er et biprodukt av stabiliseringen.

Written by

fredmog andlienie
Last updated: Sun, 27 May 2018 10:18:18 +0200 .
  • Contact
  • Twitter
  • Statistics
  • Report a bug
  • Wikipendium cc-by-sa
Wikipendium is ad-free and costs nothing to use. Please help keep Wikipendium alive by donating today!