Bài giảng MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG - Phần 8 pdf

Chất lượng nước trong thể tích phụ thuộc vào khối lượng của chất ô nhiễm... Quá trình hình thành chấtlượng nước § Khối lượng được dòng chảy vận chuyển theo các thành phần véctơ vận tốc U

Các khái niệm cơ bản

§ BOD5 – Nhu cầu oxy sinh hóa sau thời gian 5 ngày (mg/l);

§ COD (Chemical Oxygen Demand )– nhu cầu oxy hóa học (mg/l);

Khối thể tích nước

§ Xét một khối thể tích Chất lượng nước trong thể tích phụ

thuộc vào khối lượng của chất ô nhiễm

§ Mô hình chất lượng nước cần thể hiện khối lượng của chất

cu d d

z y x

cu x

cu d ] d d

[

¶

¶ +

s

mg m

Quá trình hình thành chất

lượng nước

§ Khối lượng được dòng chảy vận chuyển theo các thành

phần véctơ vận tốc U(U, V, W) Quá trình này được gọi là

quá trình chuyển tải (advection) Khối lượng chuyển tảitheo phương x bằng C x U x dy x dz Trong đó C là nồng

§ Quá trình phân tán tuân thủ định luật Fick

§ Các quá trình vận chuyển các chất vào nước: Thủy

phân (phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoángchất); hòa tan (phá hủy cấu trúc mạng tinh thể của cácloại 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 độvuợt giới hạn bão hòa, quá trình hấp thụ, quá trình keo

tụ, các quá trình phản ứng giữa các hợp chất và cácquá trình sinh thái chất lượng nước … )

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 các hợp chất có chứa lưu

huỳnh thành H2S làm cho nước có mùi

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 dộ đủ để loại bỏ một tính

chất đặc trưng nào đó.

Hằng số tốc độ phân huỷ K 1

§ 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.

Hiện tượng nạp khí (oxy từ không

khí xâm nhập vào nước mặt)

§ 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

Mô hình chất lượng nước

đơn giản (mô hình BOD/DO

đơn giản)

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 trợ giúp làm đơn giản hóa mô hình Streeter Phelps

§ Chỉ có một nguồn ô nhiễm tồn

tại

§ Tải trọng ô nhiễm không đổi

được thải ra ở một điểm cho

trước

§ Sông không có nhánh

§ Vận tốc dòng chảy không đổi

§ Mặt cắt ngang dòng sông coi

như không đổi

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

Phương trình Streeter - Phelps

§ Dt = Cs – Ct

§ Cs = nồng độ oxy bão hòa

§ Ct = nồng độ oxy ở thời điểm t

§ Lt = nồng độ chất hữu cơ, được đo bằng BOD ở thời

K dt

D K L

K

dD =

-t

t C L

Một số vấn đề nảy sinh

§ Làm thế nào để tính được K1 và Lt?

§ Làm sao tính toán những tác động của nhiệt độ?

§ Làm sao ước lượng sự nạp khí (reaeration)?

Giá trị của K1, Ka, Lt và No được đưa ra cho một số

trường hợp đặc trưng ở Bảng sau đây

Ký hiệu KN là hằng số tốc độ của sự nitrat hóa:

NH+

4 + 2O2 à NO3- + H2O + 2H+

Một số ký hiệu dùng trong các phương trình

§ Ka (20oC)= hệ số nạp khí (tốc độ hòa tan oxy qua mặt

§ Cs = nồng độ oxy bão hòa (mg/l)

§ Ct = nồng độ thực của oxy ở thời điểm t (mg/l)

Cách tính K a

§ Ka phụ thuộc vào nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và độ sâu dòng chảy như được đề ra trong những phương trình dưới đây:

3 / 2

1 3

2 0

26 2

26

2 )

20 (

-

v T

K

ngay H

v C

K

T a

a

Giá trị của K1, Ka, Lt và No được đưa ra cho một số

trường hợp đặc trưng ở Bảng sau đây

KN là hằng số tốc độ của sự nitrat hóa:

NH+

4 + 2O2 à NO3- + H2O + 2H+

06 1 20

05 1

T K

C K

T K

Giá trị đặc trưng K1, KN, No và Lo(ở nhiệt độ 20oC)

0 – 1

0 – 1 0.05

0.05 – 0.10 Nước uống

10 – 80

60 – 120 0.05 – 0.20

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:

Giải phương trình Streeter Phelps cho DO

-D K L

0 1

-= +

*

*

=

¹ +

-

-a

t K

a

t K t

K t

K a

K K

e D

L t

K D

K K

e D e

e K

0 1

1

0 1

0 1

,

,

1 1

D e

e K

t

k o

c

t

k o

e

L k

k D

D k

e L

k dt

dD

1 1

a 1

=

Điểm mà tại đó nồng độ oxy thấp nhất chính là giới hạn nguy hại

0 ,

®

dt

D

d dt

dD D

§ Do D = Cs – Ct suy ra Ct=Cs-D, khi D max nghĩa là Ctmin

ú û

ù ê

è

-

c

L K

K K

D 1

K

K ln K K

1 t

Có lưu ý tới sự nitrat hóa trong phương trình cân bằng oxy

§ Trong đó a là quan hệ giữa nồng độ ammonium và lượng

oxy tiêu thụ tương ứng với phương trình

NH +

4 + 2O2 à NO3- + H2O + 2H +

§ a được tính là 2.32/14 = 4.4mg O2 với mỗi mg ammonium;

b phụ thuộc vào sự đồng hóa vi sinh của ammonia, tỉ lệ này

là 4.3mg O2 với mỗi n ammonium trong thực tế

D K N

K a L

K dt

dD

a t

N

t K t

K t

K N

t K t

K e a K N e N e a D e a e

L K

-Thay biến t = x/v trong các công thức trên

§ 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

=

¹ +

-

-v x K

a

v x K v

x K v

x K a

K K

e D L

x K

D

K K

e D e

e K K

/ /

1

0 1

,

,

1

Bài tập

Nước thải được pha trộn với nước sông, kết quả là BOD5 được đo ở

25oC là 25mg/l Hằng số tốc độ thấm khí ở nhiệt độ 15oC được xác định trên sông là 0.8 l/ngày Tìm L0 và Ka ở 20oC Sử dụng giá trịtrung gian từ bảng đã cho để đánh giá các thông số

độ sâu trung bình là 3.0 m Cho biết DO bão hòa = 9.1 mg/l.

§Hãy tính thời gian và khoảng cách theo chiều dòng chảy tại đó

độ thiếu hụt là cực đại?

§Hãy tìm giá trị nhỏ nhất của oxy hòa tan (DO)?

33

0 0

3

3 0 26

2 20

26 2

20

20 3

/ 2

1

20 3

/ 2

-q

q

e K

e H

v T

K

a

T a

§ Tính thời gian khi độ thiếu hụt đạt cực đại với tc:

m 81,129 ngay

.13 3 s/ngay 86,400

m/s 0.3

vt x

13

.

3

9 10 2

0

) 2 0 33 0 ( 5

1 1 2 0

33

0 ln ) 2 0 33

ln

1

1

1 1

ü î

í

ì

úû

ù êë

é

´

-

-=

ïþ

ï ý

ü ê

ë

é

ú û

ù

-

-î í

ì -

=

ngay

o

a o

a a

c

L K

K K

D K

K K

K t

Bài giải (tiếp theo)

Bài giải (tiếp theo)

§ Giá trị nhỏ nhất của DO cũng đạt được khi Dc là lớn nhất

Độ thiếu hụt DO cực đại là:

L mg

DOmin = 9 1 - 3 48 = 5 62 /

mg/L48

.3527

.0mg/L)9

.10

(33.0

2.0

emg/L)9

.10

(33.0

2

K K D

BÀI TẬP 3

Khu công nghiệp A có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m 3 /ngày), BOD5 ở

nhiệt độ 20 0 C là 40 mg/l, nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải

là 2.5 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 24 ( 0 C)

Dòng chảy của con kênh có lưu lượng là 2000 (m 3 /giờ), BOD5 ở 20 0 là 2.5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7.5 (mg/l) Nhiệt độ dòng chảy là

22 ( 0 C) Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0.3 (m/s), độ sâu 2.5

(m).

Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ K1 tại nhiệt độ 20 0 C là 0.15 (ngày -1 )

Hãy tính:

1/ Hệ số Ka tại nhiệt độ 20 0 C theo công thức Jorgensen S.E.

trong đó v (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H (m) – là độ sâu trung bình của sông.

( 1 )

3 2

0 2 26 )

20

( = ngay

-H

v C

K a

3/ BOD5 pha trộn tại nhiệt độ 200C.

4/ Tính nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu sau khi

có sự pha trộn (L0)

5/ Nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu

6/ Nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông

7/ Hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ K1 (ngày -1) saukhi có sự pha trộn

8/ Hệ số thấm khí Ka sau khi có sự pha trộn

9/ Độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn

10/ Thời gian đại được sự thiếu hụt oxy cực đại

11/ Độ thiếu hụt oxy cực đại

Bảng 1 Nồng độ oxy bão hòa trong nước như một hàm số của nhiệt độ

8.7 23

8

8.8 22

7

9.0 21

6

9.2 20

5

9.4 19

4

9.5 18

3

9.7 17

2

10.0 16

1

Nồng độ oxy bão hòa (mg/l)

Nhiệt độ

0 C STT

( ) ( 1)

3 / 2 3

/

3

3 , 0 26 , 2 26

2

-H

v C

) / (

1900 1500

400

1500 24

h m

2 1500 35

1/Tính hệ số Ka(20 o C)

2/Lưu lượng pha trộn giữa nước thải và nước sông:

3/BOD5 pha trộn ở nhiệt độ 20 o C :

Bài giải

) / ( 96 ,

16 )

1 (

95 ,

8

5 15 ,

0 mg l e

6 1900

8 1500 2

400

DO = ´ + ´ =

) ( 42 ,

22 1900

22 1500

5/Nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu:

6/Nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông:

345

0 326

, 0 )

42 , 22

( = ´ 0,024(22,4-20) = -1

7/Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ sau khi có sự pha trộn:

8/Hệ số thấm khí sau khi có sự pha trộn:

9/Độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn Do = DO bão hòa – DO ban đầu,

DO bão hòa tra bảng 1 = 8,754(mg/l) (nội suy)

( 1)

33

0 96

, 16 17 , 0

) 17 , 0 345 , 0 ( 018 , 2 1 17 , 0

345 , 0 ln 17 ,

ü î

í

ì

úû

ù êë

é

´

-

-´

c

t K o

10/Thời gian đạt được độ thiếu hụt oxy cực đại:

11/ Độ thiếu hụt oxy cực đại: Dc

ú û

ù ê

è

-

-=

0 1

1 a

0 1

a 1

a

c

L K

K K

D 1

K

K ln K K

1 t

12/ Khoảng cách nơi diễn ra độ thiếu hụt oxy cực đại:

) (

85536 3

, 0 3600

24 3

,

v t