Bảo vệ nguồn nước - Chương 4 pot

Mô hình đánh giá chất lượng nước có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng nưóc nguồn.. 4.1 Các mô hình chất lượng nước sông 4.1.1 Mô hình 2 chiều với chất bẩn bền v

O

y

Chiều dòng chảy

x

k-1 k k+1

Điểm xả nước thải

m m+1

m -1

Chương 4

CÁC MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC

Các mô hình đánh giá chất lượng nước dựa trên quá trình tự làm sạch của nguồn nước

Mô hình đánh giá chất lượng nước có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng nưóc nguồn

4.1 Các mô hình chất lượng nước sông

4.1.1 Mô hình 2 chiều với chất bẩn bền vững

Trong trường hợp nước thải ổn định:

F(c) 0 , c/t=0

Hiện nay có xu thế chung để giải phương trình (1) bằng:

Mô hình toán; Hàm lượng giác; Dùng phương pháp chuỗi; Dùng phương số (phương pháp gần đúng): Chia nhỏ ra để đúng dần

Sau đây là một số phương pháp giải phương trình trên

c/x=Dy 2c/y2  xC /x=Dy 2yC /y2 (2)

- Gốc toạ độ đặt tại điểm x=0 (tại điễm xả nước thải)

- Sự chính xác của bài toán phụ thuộc vào cách chia và cách chọn

Từ(2) ta có xC = 2yC.Dy.x /y2

m k m

k m k m

k m

y

x Dy

C , 2 ( 1, 1  2 1,  1, 1)  1,





- Theo carausep đối với các sông đồng bằng thì: Dy x / 2 y = 1/2 (4)

) (

2 /

1 1, 1 1, 1

,m  k m  k m

- Đối với trường hợp khác

g: gia tốc trọng trường=9,81m/s

H: Độ sâu trung bình của sông

M : Hàm của hằng số cedi

M=0,7Cs+6 (m0,5 /s)

Cs: Hằng số cedi của sông

- Từ (3) và (4):  x = M.C s  2 y /2gH

y: Phụ thuộc vị trí xả:

) 2

2 ,

1







m

y

x Dy C

C

2

+ Xả lòng sông : y=Qnt/2vH

ví dụ:

Giải: Đây là trường hợp xả lòng sông

y=0,8/2.0,2.1,8=1,11m

M=0,7.38,4+6=32,9 (m 0,5 /s)

x=32,9.38,4/2.9,8.1,8=43,8m

Số khoảng theo y, x: Ny=500/1,11= Nx=70/43,8=

x

y

Kết quả tính toán: C max 500 =26,8mg/l , n=120-0/26,8-0=4,48

b, Mô hình Frôlôp:Rodziller

Điều kiện biên:

- Các dòng chảy vô tận

- Không đề cập số lần pha loãng ban đầu

-Xả tập trung

- B = 70 m

- H =1,8 m

- C S = 38,4 m0,5 /s

- v = 0,2 m/s

- C NG = 0

- CNTH = 120 mg/l

- x =500 m

n = ?

C MAX = ?

Q NTH =0,8 m 3 /s

11 m

500 m

) exp(

)

C

C: Nồng độ chất bẩn tại điểm xáo trộn hoàn toàn

Co: Nồng độ chất bẩn của nước thải

Hệ số khuếch tán Dy xác định theo công thức của Popanov :

Dy=Hvx/200

 Hệ số thụ thuộc vào vị trí xả

 = 1 xả ven bờ

 = 1,5 xả giữa dòng

 : Hệ số phụ thuộc vào hình thái của sông = L/Lthẳng

ưu điểm: thông tin đơn giản (số liệu đầu vào)

nhược điểm: sai số lớn do thông tin gần đúng

ứng dụng: Chỉ áp dụng cho sông lớn, dài vô tận

4.1.2 Mô hình chất lượng nước 1 chiều đối với chất bẩn không bền vững

- Điều kiện biên: 0<=x<=;

0<=t<=

c/t+v c/x-Dx2c/x2 - f(Ct) =0 (4)

t: Thời gian của dòng chảy tính từ điểm xả => điểm tính toán

v: vận tốc (m/s)

Dx: hằng số khuyếch tán theo phương x

f(Ct)= - KC

Cx,o=Cđầu(nồng độ chất bẩn trung bình của sông trước khi xả nước thải vào)

Khi xả nước thải tại x = 0 => Co,t = f(t)

a) Xác định nồng độ chất bẩn của sông tại thời điểm t, vị trí X

Điều kiện biên: Trước khi xả nước thải vào sông, nồng độ chất bẩn không

thay đổi theo thời gia Co,t = f(t) = C0 =cons

Dùng toán tử Laplas để giải(4)

- Hệ số khuếch tán tính theo công thức:

DX = 2138H.U.(V/U)2

(5)

3

nth

Q

Dy



 

kt

C x

D

kt D

v D

v kt

C C

x x

x

dau t

x

2 1 ] ) 2 1 4

2 exp[(

) 2 1

2 0

,

















4

- U: vận tốc động học của dòng chảy:

S

C

g V

U  .

Hi V

V

C S  .

Cs: Hệ số cedi của sông, i: Độ dốc thuỷ lực, H: Chiều sâu sông

- k: hằng số chuyển hoá chất bẩn(ở 20 độ C, nước thải sinh hoạt (BOD) k=0,1

b Cũng như trên nhưng nồng độ chất bẩn thay đổi theo thời gian

Bằng cách giải như trên ta có:

M: hàm của hằng số cedi M=0,7Cs+6

c, khi xả tức thời lượng chất bẩnG vào sông thì sau tác động đó ở khoảng cách x thì C x,t =?

: diện tích tiết diện ước tính của vùng nước bị nhiễm bẩn, phụ thuộc loại chất bẩn

4.1.3 Mô hình BOD - DO của sông

Đặc trưng cho mô hình này là độ thiếu hụt ôxi D và BOD

D/t + vD/x = Dx2D/2x + F(c) (8)

L/t + vL/x = Dx2L/2x - K1L

F(c)=K1L - K2D

+ K1: Hằng số tốc độ tiêu thụ ôxy (1/ngày)

+ K2: Hằng số tốc độ hoà tan ôxy trên bề mặt (1/ngày)

+ L: Nồng độ BOD (mg/l)

Trong trường hợp xáo trộn hoàn toàn, quá trình tự làm sạch chủ yếu dựa vào vi sinh vật => phương trình (8) chuyển về dưới dạng Phelp -Streeter (Đây là mô hình đơn giản nhất, chỉ đề cập đến quá trình tiêu thụ ô xy của vi sinh vật hiếu khí và hoà tan ô xy qua bề mặt khi có thiếu hụt ô xy)

dD/dt= K1L - K2D

dL/dt = - k1L

Dt=[k1L0/(k2 - k1)] [exp(-k1t) - exp(-k2t)] + D0exp(-k2t) (10)

Lt = Lo x 10 - K1.t + Lbs

- Do và Lo là độ thiếu hụt ô xi và BOD ban đầu, tại thời điểm t = 0

- Lbs: Nồng độ BOD bổ sung do các yếu tố

+ quá trình sinh hoá gây nhiểm bẩn

(7)

)

,



















t D

vt x t

D

G C

x x

t x

4

) (

exp 4

2 ,





kt

C x

D

kt D

v D

v kt

C Mt

C C

dau

x x

x

dau t

x

2 1 ] ) 2

2 1 4

2

exp[(

2 1

) 2 1

1

2 0

,

































+ Vẩn cặn đáy xâm nhập trở lại

+ Nguồn khác bổ cập

Trong điều kiện Việt Nam, các sông hồ đô thị nước ta tính theo công thức

Lx,max=Lngexp(-k1t) + 1/n (Lnt- Lng)exp(-k1*t) +Lbs

- Lng:BOD của nước sông khi chưa xả nước thải vào t=0

- Lnt: BOD của nước thải sông tại điểm t=0

- n: số lần pha loãng

- Lbs:BOD bổ sung

+ Kênh thoát nước với v = 0,01 -0,02 1,4 - 2

+ Hồ đô thị với thời gian nước lưu lại 10-20 ngày 2,5 - 3,5

- k1: hằng số tốc độ tiêu thụ ôxi trong nước nguồn

+ Kênh, mương thoát nước, v nhỏ hơn 0,02 m/s:

K1 = 1,0142 + 0,14 Lng (ngày-1) - Cơ số logarit

+ Đối với hồ đô thị tiếp nhận nước thải sinh hoạt:

K1 = 0,229 t - 0,656 (ngày-1)

- K2: hằng số tốc độ hoà tan ôxy, phụ thuộc vào v, nhiệt độ, độ sâu H

K2 = 86400 (Dxv)1/2/H3/2

Dx: Hệ số khuếch tán, Dx = 2,05.10-9 ở 200C

4.1.4 Đặc điểm quá trình pha loãng và chuyển hoá chất bẩn trong sông khi có nhiều nguồn thải

a, Đối với các chất bẩn bền vững:

.

1

1 1 1

,

Q Q

C Q C

Q

C

NG

NG NG XT







1

Q2

C2

QNG

C1

CNG

CMAX ,

CMAX ,2

CMAX ,3

CMIN ,1

CMIN ,2

CMIN ,3

CXT ,1

CXT ,2

CXT ,3









1

.

1

1 1 1

i

Q Q

C Q C

Q C

NG

n

i i NG

NG n

XT

6

b)Đối với các chất bẩn không bền vững :

Nếu k1 = const

4.2 Các mô hình đánh giá chất lượng nước hồ

4.2.1 Đặc điểm hồ

Hồ là nơi yếu tố dòng chảy không rõ rệt, quá trình vận chuyển trong hồ chủ yếu nhờ gió và các quá trình thuỷ động lực trong hồ

a, Phân loại hồ

Theo ngu ồn gốc hình thành

- Hồ tự nhiên

Đặc điểm: Hình thành do sự vận động của vỏ thực động vật làm cho địa hình

biến đổi tạo vùng trũng chứa nước bề mặt chảy xuống hoặc nước ngầm Hệ sinh thái trong loại hồ này thường ổn định

-Hồ nhân tạo: Được hình thành do con người tác động (Hồ đào và hồ đắp)

Đặc điểm: Do thời gian hình thành ngắn nên hệ sinh thái chưa ổn định Điều kiện sống hay bị thay đổi, sinh vật dễ chết hoặc thay đổi trạng thái hoạt động

Theo độ mặn: Hồ nước ngọt , Hồ nước mặn, Hồ nước lợ

Q Q

C Q C

Q C

I NG

NG NG XT

t k t

k











10

1 1

1

,

.

.





















n

I NG

n n n

i NG

n XT n

XT

Q Q

C Q Q Q

Q

C

t k t

1

1

1

1 , ,

10

.

?

, 

CXT N

1

Q2

C2

Q NG

C1

CNG

CMAX ,

CMAX ,2

CMIN ,1

CMIN ,2

CMIN ,3

CXT ,1

CXT ,2 CMAX ,3

CXT ,3

Theo m ức độ dinh dưỡng:

Hồ giàu dinh dưỡng, Hồ trung bình, Hồ nghèo dinh dưỡng

b, Các đặc tính cơ bản của hồ

- Sự phân tầng nhiệt độ , ô xi theo chiều sâu

- Sự phân vùng theo đường đồng tâm

Phân t ầng nhiệt độ

- Tầng mặt : Nhiệt độ nước thay đổi theo môi trường bên ngoài, nước bị xáo trộn do gió ( xúc tác không khí ổn định ) sâu 0 đến 0.5 m

- Tầng giữa: sâu 0,5 đến 2,5 m Chiều sâu của tầng phụ thuộc kích thước, chiều sâu hồ , vị trí địa lý, khí hậu, môi trường

Nhiệt độ của tầng giữa không ổn định

Tại tầng này, có sự xáo trộn nhưng chỉ xáo trộn trong bản thân tầng giữa do

sự chệnh lệch thành phần nhiệt độ giữa tầng 1 và 3

-Tầng đáy : Sâu trên 2,5 m Nhiệt độ ổn định nhiệt độ chênh lệch giưa tầng đáy và tầng mặt lớn( lên đến 300) Đây là lý do ảnh hưởng đến hệ sinh thái trong hồ =>thành phần sinh vật trong hồ rất khác nhau

Phân t ầng chế độ oxy :

- Chế đô xy phản ánh: mức độ dinh dưỡng, QT thuỷ động học và sinh hoá

- Ô xi cung cấp cho hồ chủ yếu là quá trình khuyếch tán và quang hợp

- Theo độ sâu, chế độ ô xy chia 3 vùng: Hô hấp hiếu khí (100%), hô hấp tuỳ tiện (o xy bão hoà bão 30-60%) hoà và hô hấp kị khí (ô xi bão hoà <30%)

Nhiệt độ KK Mùa đông

Nhiệt độ

KK mùa hè

Nhiệt độ nước mùa Hè

H

t

Mùa Đông Tầng 1

Tầng 2

Tầng 3

Tiêu thụ do

quang hợp

DO thực tế

DO khuyếch tán

H

DO,%

0,3 0,5

m

0,15 0,2 m

0-1,5m

1,5 - 2,5m

Vùng hiếu khí Vùng tuỳ tiện

Vùng yếm khí

8

Phân vùng theo ch ế độ dinh

dưỡng:

Phân vùng theo nguyên lý đồng tâm: Chất

hữu cơ, dinh dưỡng giảm dần từ ven bờ

vào giữa

- Ven bờ thì phù du thực vật và thực vật

bậc cao phát triển hơn

- P, N cuốn theo nước bề mặt trôi xuống

tập trung ở ven bờ

4.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước hồ (Hồ nước ngọt)

a, Đánh giá theo mức độ ô nhiễm:

TCNN 5942-1995 có các tiêu chỉ đánh giá chất lượng nước hồ

b, Mức độ dinh dưỡng

Chỉ tiêu Oligotrophic (nghèo dd) Eutrophic (giàu dd)

Độ sâu Sâu (Tầng đáy>tầng mặt) Nông (T.đáy<tầng mặt)

Độ trong đĩa secchi,m >4,0 m <2,0 m

Bão hoà O2 tầng đáy > 80% < 10%

Chất dinh dưỡng: N

P

<0,2 mg/l

<0,02 mg/l

>0,2 mg/l

>0,02 mg/l Chlorophyll a 0,3-2,5mg/m3 (10-50 mg/m2) >5 mg/m3 (>20 mg/m3) Thực vật phù du Tảo khác nhau (số lượng ít) Tảo lam, tảo lục

4.2.3 Quá trình pha loãng nước thải trong hồ

Quá trình pha loãng chủ yếu phụ thuộc:

- Chế độ thuỷ động học(chủ yếu do gió )

- chế độ xả nước thải vào hồ

a, Mô hình Rufell: Theo Rufell quá trình pha loãng chủ yếu do gió và phụ thuộc nhiều vào điểm xả nước thải ở tầng mặt hay tầng đáy

n=nđ nc

Trong đó:

n đ = f (điều kiện xả nước thải)

- Xả NT tầng mặt:

2

2

00118 ,

0

0118 ,

0

H Q

H Q

n

nth

nth d







Gió

Gió

Hồ nông

Hồ Sâu

- Xả NT ở tầng đáy thì

Trong đó:

+ Qnth: nước thải xả vào hồ m2/s

+ H: chiều sâu của cống xả nước thải (độ ngập của cống)

- Nếu cống nằm trên mặt nước thì nđ = 1

nc (Số lần pha loãng cơ bản) phụ

thuộc tình hình xả NT

- Xả nước thải ven bờ

x L

n  1 , 85  2 , 32 ( /  )0,410,0064 /

Trong đó:

L: Khoảng cách tính từ địa điểm xả NT đến vị trí tính toán

x: bước theo hướng nước xả

x =6, 53.H 1,167 h

Hh : độ sâu trung bình của hồ

b, Mô hình của Lásôp

Điều kiện biên:

- Vận tốc nước thải tại miệng xả vo > 2m/s

- Chiều sâu hồ / Đường kính miệng xả , H / d0  30

Số lần pha loãng:

Trong đó:

- A:Hệ số Xả nước thải tập trung: A=1

Xả nước thải phân tán A = 0,74 (L/l1 + 2,1)- 0,4

- L: Khoảng cách từ miệng xả đến điểm tính toán

- l1: Khoảng cách giữa các điểm xả phân tán

- p: Đặc trưng cho chế độ thuỷ động học trong hồ

- vTB: vận tốc trung bình dòng chảy trong hồ

- v0 : vận tốc nước thải tại miệng xả ( > 2m/s )

- s: Hệ số phụ thuộc độ sâu của hồ

- H: độ ngập trung bình của cống xả trong hồ

Ví dụ:

xác định số lần pha loãng n, CX ; xả tập trung với các điều kiện đây:

H = 30 m; Qnth= 0,32m3/s; L = 500m; vTB= 0,02m/s,

C = 150mg/l; C = 10mg/l

2

2

000435 ,

0

0087 ,

0

H Q

H Q

n

nth

nth d







) ( 0002 , 0 627 , 0

) ( 142 , 0

L

c

x

L







S P

d

L A

n

.

0

2 , 0



















5 0

10 ) ( 360

325 , 0 875 , 0

v v

H S





X

L

TB o

TB

V V

V P



 000015 ,

0

10

Giải: Sơ bộ chọn v0= 2,5m/s; Từ

v

d Q

4

14 ,

3 02



Error! : 30

0



d

H dk

Để đảm bảo đk => chọn d0=0,4m, v=2,53m/s

Xả nước thải tập trung =>A=1

n = (C0 - Cng)/ (Cx- Cng), thay vào ta tính được Cx

4.2.4 Mô hình chuyển hoá chất hữu cơ (BOD) trong hồ

Điều kiện biên: - Xem hồ tính toán là hồ sinh vật ổn định

- Các quá trình xảy ra trong hồ là phản ứng bật 1

Quá trình xáo trộn hoàn toàn

Thời gian nước lưu lại trong hồ

o

r t

r a

Q

V

t

L L

L L

k

t









1

Trong đó:

- La: BOD của hỗn hợp nước thải và nước hồ sau khi xáo trộn hoàn toàn

La = (Lng.Qng + Lnt.Qnt)/( Qng +QNT)

- Q0=Qng+QNT

- Lr: Lượng chất bẩn bổ sung do:

phì dưỡng, tái nhiễm bẩn lần 2; do chất bẩn cuốn trôi bề mặt (run-off)

Lr= 2 - 3 mg/l

- k1: Hằng số tốc độ tiêu thụ ô xy sinh hoá (hằng số chuyển)

Thông thường lấy: k1 =0,1 - 0,3 (ngày-1)

- v : dung tích hồ

m

5 , 2

* 14

,

3

32 , 0

*

4

126 )

4 , 0

500

* 2 , 0 ( 1

884 , 0 10

) 53 , 2

02 , 0 ( 360

30

* 325 , 0 875 , 0

997 , 0 02 , 0 53 , 2

* 000015 ,

0

02 , 0

5



















n

s p

Q 0 , La

Q 0 , Lt

t = 3 - 60ng

Q ng , Lng

Qnt, Lnt

- : hằng số phụ thuộc điều kiện chế độ thuỷ động học và hình thái của hồ

Như vậy từ công thức trên sẽ xác định được Lt - nồng độ BOD tại thời điểm t bất kỳ

Nếu không xác định trộn hoàn toàn phải kể đến hệ số pha loãng

Lt = Lng.10- k1 t + (1/n) (LNT - Lng)10- k1.t + Lr

Trong đó: k1: như trên

n: số lần pha loãng xác định theo Rufell hoặc Lapsop

4.2.5 Mô hình chuyển hoá chất dinh dưỡng trong hồ

Quá trình chuyển hoá chất dinh dưỡng và tổng hợp sinh khối là nguyên nhân của:

- Chất hữu cơ tăng (tái nhiễm bẩn)

- Chất độc hại tăng đột ngột;

- Màu, mùi

Trong nước (đặc biệt trong hồ dòng chảy yếu) tảo và phù du thực vật khác phát triển và tăng nhanh:

106 CO2 + 16 NO3- + HPO42-+ 122 H2O + 18 H+ + (yếu tố vi lượng)

C106H263O110 N16P + 138 O2 (*)

Quang hợp

Hô hấp

65 , 0 3 , 0 5

8 , 0 7 , 0 5























B L rong

dai B

L

Chất

DD

TV đáy

Cá nhỏ

TVphù du

ĐV.lơ lửng

Cá l

Năng lượng mặt trời

Qúa trình sinh thái trong hệ ST hồ

Nguồn:Tchobanoglous, George,1985

12

Theo phương trình trên ta

thấy:

- N/P = 16 * 14/1*31 = 7,2 (**)

- Trong quá trình quang hợp

thực vật lấy H+ để quang hợp =>

OH- tăng => nước có môi

trường kiềm

- Cả N, P đều rất qua trọng,

quyết định quá trình phì dưỡng

Tuy nhiên để đánh giá, dựa vào

tỷ lệ N/P:

+N : P  12

:P là yếu tố

giới hạn (sử dụng để đánh giá)

+ N: P  7,2 : N là yếu tố giới hạn

+ N:P =7,2 -12: Cả N và P là yếu tố gới hạn

Thông thường, trong nước: N/P = 20 => theo (**) khi p trong nước tăng => Tảo phát triển mạnh => nước nở hoa, tái nhiễm bẩn lần 2

Chính vì vậy, để tránh hiện tượng nở hoa trong nước người ta phải khống chế hàng lượng p trong nước

-Trên cơ sở đó nhà sinh thái học người Đan mạch Volenweider(1976) đã xác định biểu thức về sự thay đổi P trong hồ

Trong đó: Ipv: Lượng P vào hồ

Ipp: Lượng P cuốn trôi từ bề mặt

Ipw: Lượng do nước mưa đưa vào

S[P]: Lượng p bị trầm tích lắng đọng trong hồ

R[p]: Lượng P do các phù du thực vật tiêu thụ cho quá trình quang hợp

v: dung tích hồ

- Theo Volenweider:

[p]ra = [p]vào/ (1+ t - 1/2 ) (2)

t: thời gian nước lưu lại trong hồ (tính bằng năm)

Biểu thức xác định lượng P tới hạn( tải lượng cho phép của p trong hồ)

Lc=10 qs [1+(H/qs) 0.5 ] (3) (mg P / m3 năm)

V

p R p S I

I I

dt

dP pv  pp  pw  



1g sinh khối tảo

(1,5-2)g CO2

Muối dinh dưỡng N: 60-90 g P: 9-15 g N: 60-90 kg

Năng lượng ánh sáng min 100kj

(1,4-1,7)g O2

Các yêu cầu để hình thành 1 g tảo

Nguồn: Poul haremoos, 1984