Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình hóa ô nhiễm nước mặt - Bùi Tá Long
MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM NƯỚC MẶT
PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,
Đại học Bách khoa,
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Vì sao cần mô hình chất lượng nước ?
Yêu cầu phải đạt được
4
1
Chất lượng nước đang là mối quan tâm
Xây dựng công cụ giám sát chất lượng nước
Bảo vệ nguồn tài nguyên nước
Sự cần thiết của các mô hình
chất lượng nước
Hiện nay chất lượng nước đang là vấn đề được quan tâm
nghiên cứu.
Để bảo vệ nguồn tài nguyên nước và kiểm soát ô nhiễm
nước cần phải biết đánh giá chất lượng nước, kiểm soát các
nguồn gây ô nhiễm. Ở đây mô hình chất lượng nước có một ý
nghĩa quan trọng.
Theo tổ chức y tế thế giới khoảng 30% dân số còn thiếu
nước ăn và hơn 35% không đủ nước sạch (400 triệu người
mắc bệnh đường ruột, giun: 200 triệu, sốt rét:100 triệu, bệnh
tả: 20 – 40 triệu/năm).
5
6
Thuật ngữ, cơ sở pháp lý
Stt
Ký hiệu
Ngày ban hành
Cơ quan ban
hành
Nội dung
Ghi chú
TCVN 5502:2003
QCVN 01:2008
31/12/2003
18/7/2008
31/12/2008
Bộ KHCN
Bộ TNMT
Bộ TNMT
Chất lượng nước sinh hoạt
Quyết định số 39/2003/QĐ- BKHCN
Nước thải công nghiệp chế biến cao su thiên
nhiên
Quyết định số
04/2008/QĐ- BTNMT
QCVN 08:2008
QCVN 09:2008
QCVN 10:2008
QCVN 11:2008
QCVN 12:2008
QCVN 13:2008
QCVN 14:2008
QCVN 01:2009
QCVN 02:2009
QCVN 24:2009
QCVN 25:2009
QCVN 28:2010
QCVN 29:2010
QCVN 38:2011
Chất lượng nước mặt
Ban hành theo
Quyết định số 16/2008/QĐ- BTNMT
Chất lượng nước ngầm
Chất lượng nước ven bờ
Nước thải công nghiệp chế biến thủy sản
Nước thải công nghiệp giấy và bột giấy
Nước thải công nghiệp dệt may
Nước thải sinh hoạt
17/06/2009
16/11/2009
16/12/2010
12/12/2011
Bộ Y Tế
Bộ TNMT
Bộ TNMT
Bộ TNMT
Chất lượng nước ăn uống
Thông tư số 04/2009/TT- BYT
Thông tư số 05/2009/TT- BYT
Thông tư số 25/2009/TT- BTNMT
Chất lượng nước sinh hoạt
Nước thải công nghiệp
Nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn
Nước thải y tế
Thông tư số 39/2010/TT- BTNMT
Thông tư số 43/2011/TT- BTNMT
Nước thải của kho và cửa hàng xăng dầu
Chất lượng nước mặt bảo vệ đời sống thủy
sinh
QCVN 39:2011
QCVN 40:2011
Chất lượng nước dùng cho tưới tiêu
28/12/2011
Bộ TNMT
Chất lượng nước thải công nghiệp
Thông tư số 47/2011/TT- BTNMT
Thay thế QCVN 24:2009/BTNMT
QCVN 44:2012
QCVN 52:2013
12/10/2012
25/10/2013
Bộ TNMT
Bộ TNMT
Chất lượng nước biển xa bờ
Thông tư số 10/2012/TT- BTNMT
Thông tư số 32/2013/TT- BTNMT
Chất lượng nước thải công nghiệp sản xuất
thép
7
8
2
Phân loại nguồn nước
Các nguồn gây ô nhiễm cho nguồn nước
Tùy theo mục đích sử dụng được chia thành các loại
nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản …
Theo độ mặn: nước ngọt, nước lợ và nước mặn.
Theo vị trí nguồn nước: nguồn nước mặt (sông, suối, ao,
hồ ….), nguồn nước dưới đất.
9
Tài nguyên nước với các thành phần chịu ảnh
hưởng của BĐKH.
11
3
Các đặc trưng của nước thải
BOD (Biochemical Oxygen Demand) – nhu cầu oxy sinh hóa
toàn phần (mg/l), BOD đại diện cho những thành phần có thể
phân hủy sinh học. Nếu có oxy, quá trình phân hủy sinh học
sẽ đòi hỏi một lượng oxy tương ứng với lượng giảm BOD;
BOD5 – Nhu cầu oxy sinh hóa sau thời gian 5 ngày (mg/l);
COD (Chemical Oxygen Demand )– nhu cầu oxy hóa học
Mô hình chất lượng nước đơn giản
(mô hình BOD/DO đơn giản)
(mg/l);
DO (dissolved oxygen) – Nồng độ oxy hòa tan (mg/l);
13
14
Chất hữu cơ
Quá trình ảnh hưởng tới chất lượng nước
Các chất hữu cơ (organic wastes): các chất thải có nguồn gốc
từ các sinh vật sống hoặc chết. Khi được đưa vào nguồn nước,
các chất hữu cơ sẽ làm cho các vi sinh vật hiếu khí phát triển.
Các quá trình vận chuyển các chất vào nước: Thủy phân
(phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoáng chất);
hòa tan (phá hủy cấu trúc mạng tinh thể của các loại muối
và phân ly thành các dạng ion);
Các vi sinh vật này sẽ tiêu thụ oxy làm cho lượng oxy hoà tan sẽ
giảm xuống cho nên cá sẽ dần dần biến mất. Khi phần lớn
lượng oxy hoà tan giảm đi thì các vi sinh vật kỵ khí sẽ biến đổi
các hợp chất có chứa lưu huỳnh thành H2S làm cho nước có
mùi ...
Các quá trình tách các vật chất ra khỏi nguồn nước : bao
gồm các quá trình lắng đọng (do tỷ trọng, nồng độ vuợt
giới hạn bão hòa, quá trình hấp thụ, quá trình keo tụ, các
quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quá trình
sinh thái chất lượng nước … ).
15
16
4
Chất dễ phân huỷ sinh học
Hằng số tốc độ phân huỷ K1
Chất dễ phân huỷ sinh học (readily biodegradable substances):
chất có thể bị phân huỷ sinh học đến một mức độ nhất định
nào đó theo các phép thử đã định đối với khả năng phân huỷ
sinh học hoàn toàn.
Hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ k1 là đại lượng đặc
trưng cho tốc độ của phản ứng phân huỷ các chất hữu cơ dễ
phân huỷ sinh học do các vi sinh vật hiếu khí trong dòng chảy
được xác định trong điều kiện tĩnh trong phòng thí nghiệm.
Sự phân huỷ sinh học hoàn toàn: sự phân huỷ sinh học dẫn đến
sự vô cơ hoá hoàn toàn.
Phân huỷ bậc nhất: sự phân huỷ cấu trúc phân tử của một chất
đến mức độ đủ để loại bỏ một tính chất đặc trưng nào đó.
17
18
Hiện tượng nạp khí
Đặc điểm
Nạp khí (Reaeration) là quá
trình vật lý (chuyển hóa khối
lượng) của oxy từ khí quyển vào
khối nước.
Để sử dụng các mô hình chất
lượng nước sông cần thiết phải
xây dựng phương pháp tính toán
hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt
thoáng. (ngay-1).
Loại mô hình này liên quan đến nồng độ oxy trong sông và suối
Mô hình chất lượng nước đầu tiên xem xét mối quan hệ BOD/DO
trong một hệ thống sông đã được phát triển bởi Streeter Phelps năm
1925.
19
20
5
Các giả thiết đơn giản hóa mô hình
Tiếp theo
dL
t
K1.L
t
Chỉ có một nguồn ô nhiễm tồn tại.
dt
Tải trọng ô nhiễm không đổi
được thải ra ở một điểm cho
trước.
Sự khuếch tán tạo điều kiện cho nồng độ BOD và DO coi như
đồng đều trong mặt cắt của sông.
Sông không có nhánh.
Sự phân hủy sinh học diễn ra trong sông có bậc nhất và ngoài ra
không có sự tham gia của các quá trình khác.
Vận tốc dòng chảy không đổi.
Mặt cắt ngang dòng sông coi như
không đổi.
21
22
… Tiếp theo
Cách nhận phương trìnhStreeter – Phelps
Độ thiếu hụt oxy được ký hiệu như sau : D=DObh – DO
(8.1)
Giả sử DObh là hằng số, lấy vi phân phương trình (8.1) ta được :
d()DO dD
d()DO
dD
dt
0 suy ra
(8.2)
Trong đó các ký hiệu sau được sử dụng:
dt
dt
dt
Do tốc độ DO biến mất xảy ra đồng thời với tốc độ BOD bị phân hủy cho nên ta có
phương trình:
L0 : BOD toàn phần tại thời điểm ban đầu (mg/L) – đặc trưng cho nước thải từ cống xả thải;
Lt : BOD toàn phần tại thời điểm t (mg/L);
d()DO
dD
dt
d()BOD
t
(8.3)
dt
dt
k1 : hệ số tốc độ loại oxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ (ngày-1) - một số tài liệu khác gọi
Như đã biết BODt được xác định bởi:
là hệ số tốc độ khử oxy; t : thời gian (ngày).
BODt = Lo - Lt
và do Lo là một hằng số, nên khi lấy đạo hàm theo thời gian nó bằng không, từ đó suy ra:
d(BOD )dL
Mặt khác tốc độ thấm oxy từ không khí vào dung dịch là một phản ứng bậc nhất tỷ lệ
với sự chênh lệch giữa DObh và nồng độ thực của DO:
t
t
= -
dt
dt
d()DO
k2 ()DObh DO k2D
(8.6)
Giả thiết rằng tốc độ loại oxy tại bất kỳ vị trí nào trên sông tỷ lệ với BOD còn lại tại
điểm đó:
dt
Trong đó k2 : hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng, gọi tắt là hệ số thấm oxy.
dL
t
= - k1L
(8.4)
t
dt
Từ (8.3), (8.4) suy ra
dD
dt
= k1L
(8.5)
t
23
24
6
Phương trình Streeter - Phelps
Độ thiếu hụt ôxy
k1L0
2t
dD
1
2
k1 k2
k1 k2
D t =
(e-k t -e-k t )+ D 0e -k
= k1Lt -k2D
k2 -k1
dt
D t = k tL +D e-k t
1
0
1
0
- dD/dt = tốc độ thay đổi độ thiếu hụt oxy (D) trên đơn vị thời gian,
mg/L. ngày.
- k1 = hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào
loại chất thải phân hủy.
T-20
k2 (T)= k 20
2
- Lt
= BOD còn lại sau t ngày tính từ thời điểm chất thải đó thải vào
.
.
T – nhiệt độ xem xét, 0C
k1 – hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào
sông, có thứ nguyên là mg/L.
- k2 = hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng, gọi tắt là hệ số thấm
oxy có thứ nguyên là ngày-1.
loại chất thải phân hủy
.
.
.
k2(T) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ xem xét, ngày-1
k2(200) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ 200C, ngày-1
- D
= có thứ nguyên là mg/L.
Hệ số nhiệt độ, = 1,135 ở nhiệt độ trong khoảng từ 4 - 200C và =
1,056 ở nhiệt độ trong khoảng 20 – 30 0C.
25
26
Tính toán BOD
Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải thường được chỉ định
bằng BOD5 hay BOD7, lần lượt là lượng oxy tiêu thụ trong 5
và 7 ngày.
Như đã đề cập ở trên, từ giả thiết sự phân hủy tuân theo quy
luật bậc nhất nên ta có:
dL
L L0.ek t
t
1
k1.L
t
t
dt
BOD5 Lo (1 ek 5
)
1
L5 L0.ek 5
1
28
7
Lt
Độ thiếu hụt ô xy hòa tan
Lo
BOD còn lại
BODt
Lt = Lo e-kt
dD
dt
k2D k1L0ek t
dD
1
k1L k2D
t
Lt
dt
Thời gian, ngày
t
D
D0
t0
D
D0
t0
BODt
Lo = BOD cuối cùng pha cacbon
Lt
k1L0
1 t
2
2
BOD5
D
e k ek t D .ek t ,k1 k2
Oxy đã sử
dụng
k k
BODt = Lo(1-e-kt
)
0
2
1
D k t L D ek1t ,k k
0
1
0
1
2
Thời gian, ngày
t
29
30
Độ thiếu hụt DO cực đại
Thay biến t = x/v
.Nước thải sau khi gia nhập vào dòng sông, có sự sự hòa trộn
hoàn toàn với dòng chảy.
k1L0
1 t
2 t
2
D
e k ek t D ek ;D
max
k k
0
2
1
.Vận tốc dòng chảy là như nhau trong suốt các mặt cắt ngang
dòng sông.
d2D
dt2
dD
dt
1
k2
0
1
1
D
k k
dD
dt
2
0,
0;
0 tc
ln
k2 k1
k
k1L0
1
k1L0
Khi đó từ phương trình:
1
2
2
D x
e k x/v ek x/v D .ek x/v ,k1 k2
0
k2 k1
k1
Dc L0ek t
x
dD
1 c
k1L0ek t k2D 0
1
e
k x/v ,k1 k2
1
D x k L0 D
k2
0
1
dt
v
31
32
8
Cách tính k1 (T)
Cách tính K2
k2(T)(20)k2
T20
Theo The Committee on Sanitary Engineering Research,1961 thì = 1,0241
Để tính k1 Để tính kN
No là nồng độ ammonium và
L0 là nồng độ chất hữu cơ
ban đầu đo bằng BOD. k1 và
kN phụ thuộc vào nhiệt độ T:
Tác giả
Công thức
Điều kiện
Độ cao trung
Vận tốc U (m/s)
Khác
bình H (m)
kT (tại
200C)
1.05
1.06 -1.08
Công thức tính k2 dựa vào các yếu tố thủy lực :
(1.047)
3.93U1/ 2
H 3/ 2
O'connor –
Dobbins
0.15 ≤ U ≤ 0.49
0.3 ≤ H ≤ 9.1
0.05 ≤ k2 ≤ 12.2
ngày-1
1958
5.026U 0.969
Churchill et al
1962
0.55 ≤ U ≤ 1.524
0.3 ≤ U ≤ 1.5
0.61 ≤ H ≤ 3.35
0.12 ≤ H ≤ 3.3
0.12 ≤ H ≤ 3.3
k T = k 200 C ×1.05T-20
H1.673
1
1
kN T = k 200 C ×1.06T-20
5.34U 0.67
H1.85
Owens et al (1)
1964
N
6.94U 0.73
H1.75
Owens et al (2)
1964
0.3 ≤ U ≤ 0.54
33
34
Bài tập
Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý
K1(200)
kN
No
Lo
Nước thải được pha trộn với nước sông, kết quả BOD5 được đo ở mặt
cắt pha trộn là 25mg/l, với nhiệt độ hòa trộn là 25oC. Được biết hệ số
tốc độ thấm khí ở nhiệt độ 15oC được xác định trên sông là 0.8 ngày-1.
Tìm L0 pha trộn và K2(ở 20oC). Sử dụng giá trị trung gian từ bảng đã
cho để đánh giá các thông số. Cho K1(200 C) = 0.375.
Nước thải đô 0.35 – 0.40
thị
0.15 – 0.20
80 – 120
150 – 250
75 - 150
Nước thải đô
thị đã xử lý
cơ học
0.35
0.10 – 0.25
0.05 – 0.20
70 – 120
60 – 120
Giải.
K1 ở 25oC được xác định bằng phương trình tính theo K1 tại 200C
K1(ở 25oC) = 0.375 * 1.055 = 0.479
L0 được xác định từ phương trình BOD5 = L0(1-e-K1*5
)
Nước thải đô 0.10 – 0.25
thị đã xử lý
10 – 80
25 = L0 (1 – e -0.479*5) = L0*0.91 L0=27 mg/l
Ka ở 20oC có thể tính được từ phương trình Ka(T)=Ka(20)e(T-20)
sinh học
0.8=(K2 ở 20oC)e 0.025*(-5) =(K2 ở 20oC)*0.88 K2(ở 20oC) = 0.91 ngày-1.
Nước uống
Nước sông
0.05 – 0.10
0.05 – 0.15
0.05
0 – 1
0 – 2
0 – 1
0 - 5
0.05 – 0.10
35
36
9
Mô hình Streeter và sự phân vùng
Đường cong DO
37
38
k2(200C) cho một số nguồn nước
39
40
10
Một số ký hiệu
Một số hạn chế mô hình Streeter - Phelps
Chỉ lưu ý tới sự tiêu thụ oxy do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong dòng
chảy do các vi sinh hiếu khí và sự hòa tan oxy qua mặt thoáng vào nước.
SOD (Sediment Oxygen Demand)
CBOD (carbonaceous biochemical oxygen demand).
NBOD (nitrogenous biochemical oxygen demand),
NH3 (ammonia).
41
42
Sơ đồ cân bằng DO trong khúc sông nhỏ
Quá trình hô hấp của lớp bùn đáy
D
t
D
x
S
+ u
= -k2D -
H
Độ thiếu hụt D trong dòng chảy ở điêu kiện ổn định là:
k x
S
k x
RDOvào
RDOra
W
A
P
=
=
Khối lượng DO chảy vào khúc sông
Khối lượng DO chảy ra khúc sông
2
2
D = D0exp -
+
1-exp -
u
k H
u
2
=
Khối lượng DO trong nước thải chảy vào khúc sông
Khối lượng DO đi vào từ khí quyển
=
=
=
=
=
=
Khối lượng DO đi vào từ các sản phẩm có chứa oxy do sự quang hợp của tảo
Khối lượng DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu của sinh vật đáy.
Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của C-BOD
Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của N-BOD
Khối lượng DO bị tiêu thụ bởi sự hô hấp của tảo.
S – nhu cầu oxy của lớp cặn đáy, mg O2/m2.ngày
H- chiều sâu của lớp nước.
B
M
N
R
43
44
11
Quá trình oxy hóa các hợp chất chứa nitơ
… tiếp theo
Bổ sung thêm quá trình tiêu thụ oxy do quá trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ có chứa nitơ (ammôn hóa, nitrit và nitrat hóa).
Khi đó nhận được phương trình:
Độ thiếu hụt oxy D trong dòng chảy ở điều kiện ổn định
k x
kN N0
k x
k x
2
N
2
D = D0exp -
+
exp -
-exp -
u
k2 - kN
u
u
D
t
D
x
u
k2D kN N
N0 – nồng độ ammonium (mg/l).
kN – hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình nitrat hóa, ngày-1.
N – tải trọng ammonia
Nx/u
N = N0e-k
45
46
Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý
Quá trình quang hợp – hô hấp
Phương trình mô tả sự thiếu hụt oxy do sự phân hủy các chất hữu
cơ và do quá trình quang hợp – hô hấp của hệ thực vật nước
k1
kN
No
Lo
Nước thải đô 0.35 – 0.40
thị
0.15 – 0.20
80 – 120
150 – 250
D
t
D
x
u
k D R P
2
Nước thải đô
thị đã xử lý
cơ học
0.35
0.10 – 0.25
0.05 – 0.20
70 – 120
60 – 120
75 - 150
10 – 80
P – sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp,mg/l.ngày
R – Lượng oxy tiêu hao do quá trình hô hấp, mg/l.ngày
Nước thải đô 0.10 – 0.25
thị đã xử lý
sinh học
Nước uống
Nước sông
0.05 – 0.10
0.05 – 0.15
0.05
0 – 1
0 – 2
0 – 1
0 - 5
0.05 – 0.10
47
48
12
Quá trình lắng các chất lơ lửng
Quá trình quang hợp – hô hấp (tiếp theo)
Trong quá trình lan truyền, một phần các chất hữu cơ dạng lơ lửng và
phân tán sẽ lắng đọng theo các quá trình vật lý, hóa học và sinh học
trong dòng chảy.
Sự thiếu hụt oxy trong điều kiện ổn định:
k x
R P
k x
2
2
D D0 exp
1 exp
u
k2
u
D
t
D
x
kr k1 ks
u
k1Lk2D
P – sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp,mg/l.ngày
R – Lượng oxy tiêu hao do quá trình hô hấp, mg/l.ngày
L
t
L
u kr L
x
Loại mô hình này thường được áp dụng tính toán sự biến động về
hàm lượng oxy hòa tan theo thời gian trong ngày tại các lưu vực dòng
chảy giàu chất dinh dưỡng với sự phát triển mạnh các loài thực vật
nước
.ks – tốc độ lắng đọng các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán trong quá
trình lan truyền, ngày-1.
.k1 – tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1.
.kr – tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ (CBOD) trong dòng chảy, ngày-1.
49
50
Quá trình lắng các chất lơ lửng, điều kiện ổn định (tiếp)
k x
r
L L exp
0
u
k x
k1L0
k x
k x
2
r
2
D D0 exp
exp
exp
u
k2 kr
u
u
ks – tốc độ lắng đọng các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán trong
quá trình lan truyền, ngày-1
k1 – tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1
kr – tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1
51
13
13 trang
15780
Free
Bạn đang xem tài liệu "Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình hóa ô nhiễm nước mặt - Bùi Tá Long", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_mo_hinh_hoa_moi_truong_chuong_mo_hinh_hoa_o_nhiem.pdf
