Mô hình chất lượng nước

Nếu có oxy, quá trình phân hủy sinh học sẽ đòi hỏi một lượng oxy tương ứng với lượng giảm BOD; mg/l; Các đặc trưng của nước thải 14 Chất hữu cơ Các chất hữu cơ organic wastes:các chất t

MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM NƯỚC MẶT

PGS.TSKH Bùi Tá Long , Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

1

Chất lượng nước đang là mối quan tâm

nghiên cứu

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

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

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

6

Thuật ngữ, cơ sở pháp lý

7

Stt Ký hiệu Ngày ban hành Cơ quan ban

TCVN 5502:2003 31/12/2003 Bộ KHCN Chất lượng nước sinh hoạt Quyết định số 39/2003/QĐ- BKHCN

QCVN 01:2008 18/7/2008 Bộ TNMT Nước thải công nghiệp chế biến cao su thiên

nhiên Quyết định số04/2008/QĐ- BTNMT QCVN 08:2008 31/12/2008 Bộ TNMT Chất lượng nước mặt Ban hành theo

Quyết định số 16/2008/QĐ- BTNMT QCVN 09:2008 Chất lượng nước ngầm

QCVN 10:2008 Chất lượng nước ven bờ

QCVN 11:2008 Nước thải công nghiệp chế biến thủy sản

QCVN 12:2008 Nước thải công nghiệp giấy và bột giấy

QCVN 13:2008 Nước thải công nghiệp dệt may

QCVN 14:2008 Nước thải sinh hoạt

QCVN 01:2009 17/06/2009 Bộ Y Tế Chất lượng nước ăn uống Thông tư số 04/2009/TT- BYT

QCVN 02:2009 Chất lượng nước sinh hoạt Thông tư số 05/2009/TT- BYT

QCVN 24:2009 16/11/2009 Bộ TNMT Nước thải công nghiệp Thông tư số 25/2009/TT- BTNMT

QCVN 25:2009 Nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn

QCVN 28:2010 16/12/2010 Bộ TNMT Nước thải y tế Thông tư số 39/2010/TT- BTNMT

QCVN 29:2010 Nước thải của kho và cửa hàng xăng dầu

QCVN 38:2011 12/12/2011 Bộ TNMT Chất lượng nước mặt bảo vệ đời sống thủy

sinh Thông tư số 43/2011/TT- BTNMT QCVN 39:2011 Chất lượng nước dùng cho tưới tiêu

QCVN 40:2011 28/12/2011 Bộ TNMT Chất lượng nước thải công nghiệp Thông tư số 47/2011/TT- BTNMT

QCVN 44:2012 12/10/2012 Bộ TNMT Chất lượng nước biển xa bờ Thông tư số 10/2012/TT- BTNMT

QCVN 52:2013 25/10/2013 Bộ TNMT Chất lượng nước thải công nghiệp sản xuất

thép Thông tư số 32/2013/TT- BTNMT

8

Phân loại nguồn nước

nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản …

hồ ….), nguồn nước dưới đất

9

Các nguồn gây ô nhiễm cho nguồn nước

Tài nguyên nước với các thành phần chịu ảnh hưởng của BĐKH.

Mô hình chất lượng nước đơn giản

(mô hình BOD/DO đơn giản)

13

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;

(mg/l);

Các đặc trưng của nước thải

14

Chất hữu cơ

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 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

mùi

15

 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 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 … )

Quá trình ảnh hưởng tới chất lượng nước

16

Chất dễ phân huỷ sinh học

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

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

Hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ k1là 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

18

Hiện tượng nạp khí

trình vật lý (chuyển hóa khối

lượng) của oxy từ khí quyển vào

khối nước

lượng nước sông cần thiết phải

xây dựng phương pháp tính toán

hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt

thoáng (ngay-1)

Đặc điểm

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

Các giả thiết đơn giản hóa mô hình

được thải ra ở một điểm cho

trước

không đổi

21

Tiếp theo

Sự khuếch tán tạo điều kiện cho nồng độ BOD và DO coi như đồng đều trong mặt cắt của sông

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

22

1

t t

dL K L

dt  

Cách nhận phương trìnhStreeter – Phelps

Độ thiếu hụt oxy được ký hiệu như sau : D=DO bh – DO (8.1)

Giả sử DO bh là hằng số, lấy vi phân phương trình (8.1) ta được :

() 0

d DO dD

dt dt suy ra ()

d DO dD

dt  dt (8.2)

Do tốc độ DO biến mất xảy ra đồng thời với tốc độ BOD bị phân hủy cho nên ta có

phương trình:

() () d BOD t

d DO dD

dt  dt  dt (8.3)

Như đã biết BOD t được xác định bởi:

BOD t = L o - L t

và do L o là một hằng số, nên khi lấy đạo hàm theo thời gian nó bằng không, từ đó suy ra:

t

d(BOD )dL =

-dtt dt

Giả thiết rằng tốc độ loại oxy tại bất kỳ vị trí nào trên sông tỷ lệ với BOD còn lại tại

điểm đó:

t

1 t

dL = - k L

Từ (8.3), (8.4) suy ra

1 t

dD =k L dt (8.5) 23

Trong đó các ký hiệu sau được sử dụng:

0

L : BOD toàn phần tại thời điểm ban đầu (mg/L) – đặc trưng cho nước thải từ cống xả thải;

t

L : BOD toàn phần tại thời điểm t (mg/L);

1

k : hệ số tốc độ loại oxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ (ngày -1 ) - một số tài liệu khác gọi

là hệ số tốc độ khử oxy; t : thời gian (ngày).

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 DO bh và nồng độ thực của DO:

() ()

bh

Trong đó k 2 : hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng, gọi tắt là hệ số thấm oxy.

… Tiếp theo

24

Phương trình Streeter - Phelps

1 t 2

dD = k L -k D dt

- 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

- Lt = BOD còn lại sau t ngày tính từ thời điểm chất thải đó thải 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

- D = có thứ nguyên là mg/L

25

 T – nhiệt độ xem xét,0C

 k1– hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào 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

 Hệ số nhiệt độ,= 1,135 ở nhiệt độ trong khoảng từ 4 - 200C và= 1,056 ở nhiệt độ trong khoảng 20 – 300C

  1 0 -k t 1 -k t 2 -k t 2

0

2 1

k L

k - k

1 0 0

D t = k tL +D e

1 2

k k

1 2

k k

k (T)= k 20 θ

26

Độ thiếu hụt ôxy

Tính toán BOD

bằng BOD5hay BOD7, lần lượt là lượng oxy tiêu thụ trong 5

và 7 ngày

luật bậc nhất nên ta có:

1

0. k t t

L L e  

1

t t

1 5

5 (1 k )

o

BOD  L  e

Thời gian, ngày

BOD còn lại

L o

L t

BOD t

L t = L o e -kt t

L t

t

BOD 5

BOD t

L o = BOD cuối cùng pha cacbon

BOD t = L o (1-e -kt )

L t Oxy đã sử

dụng

Thời gian, ngày

29

Độ thiếu hụt ô xy hòa tan

1

1 0

2 1

,

k t

k L





1 t 2

dD k L k D

dt  

t

1

2 1 0 k t

dD k D k L e dt



 

0 0

t

30

Độ thiếu hụt DO cực đại

1 0

0

2 1

2

2 2

1

k t k t k t

c

k L

D k k k



31

1

1 0 k t 2 0

dD k L e k D

dt



Khi đó từ phương trình:

1

1 0 2

c

k t

k





Thay biến t = x/v

Nước thải sau khi gia nhập vào dòng sông, có sự sự hòa trộn hoàn toàn với dòng chảy

Vận tốc dòng chảy là như nhau trong suốt các mặt cắt ngang dòng sông

 

1

1 0

2 1

/

,

k x v

k L

x

v





32

20

2()(20 )2 T

k T  k  

Theo The Committee on Sanitary Engineering Research,1961 thì  = 1,0241

Vận tốc U (m/s) Độ cao trung

bình H (m)

Khác Công thức tính k 2 dựa vào các yếu tố thủy lực :

O'connor –

Dobbins

1958

2 / 3 2 / 1

93 3

H

U 0.15 ≤ U ≤ 0.49 0.3 ≤ H ≤ 9.1 0.05 ≤ k 2 ≤ 12.2

ngày -1

Churchill et al

969 0

026 5

H

U 0.55 ≤ U ≤ 1.524 0.61 ≤ H ≤ 3.35

Owens et al (1)

67 0

34 5

H

U 0.3 ≤ U ≤ 1.5 0.12 ≤ H ≤ 3.3

Owens et al (2)

73 0

94 6

H

U 0.3 ≤ U ≤ 0.54 0.12 ≤ H ≤ 3.3

Để tính k1 Để tính kN

kT(tại

0 T-20

0 T-20

T = k 20 C ×1.05

k T = k 20 C ×1.06

k

34

Nước thải đô

thị 0.35 – 0.40 0.15 – 0.20 80 – 120 150 – 250

Nước thải đô

thị đã xử lý

cơ học

0.35 0.10 – 0.25 70 – 120 75 - 150

Nước thải đô

thị đã xử lý

sinh học

0.10 – 0.25 0.05 – 0.20 60 – 120 10 – 80

Nước sông 0.05 – 0.15 0.05 – 0.10 0 – 2 0 - 5

Bài tập

Nước thải được pha trộn với nước sông, kết quả BOD5được 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 L0pha trộn và K2(ở 20oC) Sử dụng giá trị trung gian từ bảng đã cho để đánh giá các thông số Cho K1(200C) = 0.375

Giải.

K1ở 25oC được xác định bằng phương trình tính theo K1tại 200C K1(ở 25oC) = 0.375 * 1.055= 0.479

L0được xác định từ phương trình BOD5= L0(1-e-K1*5)

25 = L0(1 – e-0.479*5) = L0*0.91L0=27 mg/l

Kaở 20oC có thể tính được từ phương trình Ka(T)=Ka(20)e (T-20) 0.8=(K2ở 20oC)e0.025*(-5)=(K2ở 20oC)*0.88K2(ở 20oC) = 0.91 ngày-1

Mô hình Streeter và sự phân vùng

37

Đường cong DO

38

Các hồ nước nhỏ có xoáy

ngược

Dòng sông chảy chậm và các

hồ nước lớn

Sông lớn có tốc độ chảy thấp

Sông lớn có tốc độ chảy bình

thường

Sông chảy xoáy

0.10 – 0.23 0.23 – 0.35 0.35 – 0.46 0.46 – 0.65 0.65 – 1.15

> 1.15

SOD (Sediment Oxygen Demand)

CBOD (carbonaceous biochemical oxygen demand)

NBOD (nitrogenous biochemical oxygen demand),

NH3(ammonia)

Một số ký hiệu

41

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

42

Sơ đồ cân bằng DO trong khúc sông nhỏ

RDOvào= Khối lượng DO chảy vào khúc sông

RDOra = Khối lượng DO chảy ra khúc sông

W = Khối lượng DO trong nước thải chảy vào khúc sông

A = Khối lượng DO đi vào từ khí quyển

P = Khối lượng DO đi vào từ các sản phẩm có chứa oxy do sự quang hợp của tảo

B = Khối lượng DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu của sinh vật đáy.

M = Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của C-BOD

N = Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của N-BOD

Quá trình hô hấp của lớp bùn đáy

2

 

Độ thiếu hụt D trong dòng chảy ở điêu kiện ổn định là:

0

2

D = D exp - + 1 exp

    

H- chiều sâu của lớp nước

Quá trình oxy hóa các hợp chất chứa nitơ

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:

D u D k D k N

45

… tiếp theo

0

2 N

Độ thiếu hụt oxy D trong dòng chảy ở điều kiện ổn định

N0– nồng độammonium (mg/l)

kN– hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình nitrat hóa, ngày-1.

N – tải trọng ammonia

N

-k x/u 0

N = N e

46

Nước thải đô

thị 0.35 – 0.40 0.15 – 0.20 80 – 120 150 – 250

Nước thải đô

thị đã xử lý

cơ học

0.35 0.10 – 0.25 70 – 120 75 - 150

Nước thải đô

thị đã xử lý

sinh học

0.10 – 0.25 0.05 – 0.20 60 – 120 10 – 80

Nước sông 0.05 – 0.15 0.05 – 0.10 0 – 2 0 - 5

47

Quá trình quang hợp – hô hấp

2

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

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

48

Quá trình quang hợp – hô hấp (tiếp theo)

Sự thiếu hụt oxy trong điều kiện ổn định:

0

2

D D



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

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

49

Quá trình lắng các chất lơ lửng

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

L k x

L u t

L

r















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.

50

Quá trình lắng các chất lơ lửng, điều kiện ổn định (tiếp)











 



u x k L

L 0exp r

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

1 0

0

2

r

k L

D D

       

