Bài tập Mô hình hóa ô nhiễm nước mặt

Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu Hãy tính: trong đó v m/s là vận tốc trung bình của dòng chảy, H m – là độ sâu trung bình của sông.. 4/ Tính nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu

Bài tập mô hình Streeter-Phelps

PGS.TSKH Bùi Tá Long , Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

1

Nội dung

1 Bài tập mô hình Streeter-Phelps

2 Mô hình Streeter-Phelps mở rộng

4 Tính cho nhiều nguồn thải

2

Mô hình cân bằng DO

Gw= QwCw, Gr= QrCr

Mặt cắt pha trộn

Tính DO và BOD trong nước sông sau khi xáo trộn

a

Q L + Q L

L =

Q + Q

w w r r

w r

Q C + Q C

DO =

Q + Q

La= BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn

ØQw= Lưu lượng nước thải, m3/s

ØQr= Lưu lượng nước sông, m3/s

ØCw= Nồng độ oxy hòa tan trong nước thải, g/m3

ØCr = Nồng độ oxy hòa tan trong nước sông, g/m3

ØLw= Nồng độ BOD toàn phần của nước thải, g/m3

ØLr= Nồng độ BOD toàn phần của nước sông, g/m3

Mặt cắt pha trộn

5

Bài tập 1

Một khu đô thị thải mỗi ngày ra sông 17 360m3nước thải đã được xử lý có BOD5= 12mg/L và có hằng số tốc độ BOD là

k1=0,12 ngày-1ở nhiệt độ 20oC Sông có lưu lượng 0,43 m3/s

và BOD toàn phần là 5,0 mg/L DO của nước sông là 6,5 mg/L và DO của nước thải sau khi xử lý là 1,0 mg/L Tính toán DO và BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn.

6

Bài giải

Chuyển đổi lưu lượng nước thải sang đơn vị tương thích, tức là m3/s:

Qw =

3 17.360m /ngay

/s

DO sau khi hòa trộn:

DO =

(0, 20m /s)(1, 0mg/L) + (0, 43m /s)(6,5mg/L)

Trước khi chúng ta xác định BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn, chúng ta cần

phải xác định BOD toàn phần của nước thải Ta tính Lo như sau:

Lo = 15

-k t BOD

BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn:

La =

(0, 20m /s)(26, 6mg/L) + (0, 43m /s)(5, 0mg/L)

7

Độ thiếu hụt DO (D0) ban đầu

w w r r

Q C + Q C

D = DO

Q + Q

−

DObh– Nồng độ bão hòa của oxy ở nhiệt độ của nước sông sau khi xáo trộn, mg/L

D0- Độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi nước sông và chất thải được xáo trộn, mg/L

Qw = Lưu lượng nước thải, m3/s

Qr = Lưu lượng nước sông, m3/s

Cw = Nồng độ oxy hòa tan trong nước thải, g/m3

Cr = Nồng độ oxy hòa tan trong nước sông, g/m3

8

Bài tập 2

Khu công nghiệp A có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh Lưu

độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2.5 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 24

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

Hãy tính:

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

sông

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

2.26 v

K (20 C) = ngay H

9

3/ BOD5pha 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) sau khi có sự pha trộn

8/ Hệ số thấm khí Kasau khi có sự pha trộn

9/ Độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn 10/ Thời gian đạt được sự thiếu hụt oxy cực đại 11/ Độ thiếu hụt oxy cực đại

12/ Khoảng cách nơi đó diễn ra độ thiết hụt oxy cực đại

10

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

0C Nồng độ oxy bão hòa (mg/l)

Bài giải bài 2

2.26× v 2, 26× 0,3

3 14400

Q = + 2000 = 2600(m /h) 24

5 600× 40 + 2000× 2.5

2600

1/Tính hệ số Ka(20oC)

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

3/BOD5pha trộn ở nhiệt độ 20oC:

o -0,15×5

11.15

(1- e )

⇒

0

600× 2.5 + 2000× 7.5

2600

0 mix

600× 24 + 2000× 22

2600

trộn: Từ BOD5= Lo(1-e-K

1)

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

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

13

K 22.46 C = K (20 C)×K = 0,15×(1, 05) = 0.17

K T = K (20 C) × e

o 0,025(22,46-20) -1 a

K (22, 46 C) = 0, 37 × e = 0.39 (ngay )

⇒

o

D = 8, 76 - 6, 35 = 2, 41(mg/l)

⇒

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 hòatra bảng 1 = 8,76(mg/l) (nội suy)

14

( )

1 c

-K t 1

a

K

K

-0,17×3,05 0,17

× 21.14× e = 5.47 mg/l

0, 39

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

11/ Độ thiếu hụt oxy cực đại: Dc

a c

K 1

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

c

x = t × v = 3, 05× 24×3600×0,3 = 79080 (m)

15

Phân đoạn kênh sông

Đây là quá trình chia nhỏ một con sông thành nhiều đoạn phụ thuộc vào các hệ số hằng số Quá trình này gọi là

“segmentation”

Nồng độ ban đầu có thể thay đổi do:

– Nhánh phụ hay chỗ hợp dòng (ngã ba sông) – Do nguồn thải

– Do đập hay do có thác nghềnh (thấp khí rất nhanh)

16

Phân đoạn sông

17

Tính toán DO và BOD tại các vị trí có nguồn thải

L0– CBOD ban đầu tại điểm hợp lưu (mg/l)

Lw– nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải (mg/l)

Ls– nồng độ CBOD từ thượng nguồn (mg/l)

Q – lưu lượng dòng sông (mg/m3)

Qw- Lưu lượng dòng nước thải (mg/m3)

0

L

+

= +

N hán hín h

18

Tính nồng độ và nhiệt độ pha trộn

C0– nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu (mg/l)

Q1– lưu lượng dòng sông chính (m3/s)

C1 – nồng độ oxy hòa tan của dòng sông chính tại x =

0 (mg/l)

Q2 – lưu lượng dòng chảy phụ (m3/s)

C2– nồng độ oxy hòa tại tại dòng phụ (mg/l)

T0– nhiệt độ pha trộn ban đầu tại hợp lưu (ºC)

T1 – nhiệt độ dòng sông chính (ºC)

T2 – nhiệt độ nhánh sông phụ (ºC)

D0–độ thiếu hụt oxy hòa tan ban đầu (mg/l)

Cbão hòa- nồng độ oxy hòa tan bão hòa tại nhiệt độ T0

(mg/l)

( 0) 0

2 1 2 2 1 1 0

2 1 2 2 1 1 0

C C D

Q Q T Q T Q T

Q Q C Q C Q C

hoa bao −

= +

+

= +

+

=

Bài toán xác định vị trí nguồn thải

Khúc 1 bắt đầu từ x = 0 chịu sự ảnh hưởng của 1 nguồn thải

Khúc 2 bắt đầu khi có 1 đập nước cách

vị trí ban đầu là 20 km gây ra sự

khuếch tán oxy từ khí quyển vào dòng chảy và làm thay đổi D0(x=0 tại vị trí

20 km)

Khúc 3 cáchđiểm x = 0 một khoảng cách 30 km có 1 nguồn thải khác chảy vào và tạo ra sự thay đổi D0, L0, N0, u và k0

Cuối cùng là đoạn 4 bắt đầu tại vị trí 45km so với điểm x=0 lại làm thay đổi

D0, L0, N0, u và k0 Điều này buộc chúng ta phải có sự tính toán tương ứng

1

Sự pha trộn do nhánh phụ

Sự hoà trộn các

nhánh sông vào một

con sông lớn Tính

toánđộ thiếu hụt DO

ban đầu, CBOD, và

nhiệt độ tại vị trí xảy

ra xáo trộn bằng cách

sử dụng mô hình DO

Csat,r= 8,4 mg/l Csat,t= 8,6mg/l

Cr= 7,3mg/l (DO) Ct= 6,8mg/l (DO)

21

Sự pha trộn do nhánh phụ

L0= (QrLr+ QtLt)/(Qr+Qt)= (2000.3 +500.6)/(2000+500)=3,6 mg/l (CBOD)

C0= (QrCr+ QtCt)/(Qr+Qt)= (2000.7,3 +500.6,8)/(2000+500)=7,2 mg/l (nồng độ oxy)

C Q

Q T Q T Q T

t r t r r o

0 2 26 500

2000

9 24 500 3 26

+

× +

×

= +

+

=

Tại nhiệt độ 26.20C, nồng độ oxy bão hòa xấp xỉ 8.5 mg/l Do vậy độ

thiếu hụt oxy ban đầu D bằng:

D0=Cbão hòa– C0=8.5-7.2=1.3 mg/l

22

Hệ số tự làm sạch

Hệ số tự làm sạch được định nghĩa bởi Fair và Geyer

là Ka/K1, tỷ lệ giữa hằng số tốc độ thấm khí oxy từ khí

quyển với hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình oxy

hóa

Nó là một số không thứ nguyên, nó ảnh hưởng mạnh

đến cả hai Dcvà xc,

23

Sơ đồ tính toán BOD/DO

Kênh sông

Lưu lượng dòng chảy (m 3 /giờ) BOD 5 ở nhiệt độ 20 o C (mg/l) Nồng độ oxy hòa tan (mg/l) Vận tốc trung bình của dòng chảy

(m/s)

Nhiệt độ trung bình ( o C)

Nguồn xả

Lưu lượng (m 3 /giờ) BOD 5 ở nhiệt độ 20 o C (mg/l) Nồng độ oxy hòa tan (mg/l) Nhiệt độ dòng nước thải ( o

C)

Hệ số k 1 (20 o C).(ngày -1 )

Hệ số k a (20 o C).(ngày -1 )

Kịch bản

Mô hình Streeter – Phelps

Nồng độ BOD ở mặt cắt pha trộn Nồng độ oxy hòa tan ở mặt cắt pha trộn

T nhiệt độ pha trộn

K 1 (T pha trộn)

K a (T pha trộn)

Độ thiếu hụt ban đầu

Độ thiếu hụt cực đại Khoảng cách đạt độ thiếu hụt cực đại

Phân bố BOD, DO tại khoảng cách x theo dòng chảy

24

Sơ đồ tính toán BOD/DO tại khúc 1

Ứng dụng

mô hình Streeter Mặt c

mô hình Streeter

Nguồn xả 2 Nguồn xả 1

Khúc 1

Kênh sông

Lưu lượng dòng chảy (m 3 /giờ):Q r,0

BOD 5 ở nhiệt độ 20 o C (mg/l): BOD 5,r,0

Nồng độ oxy hòa tan (mg/l):DO r,0

Vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s) : V

Độ sâu trung bình (m): H Nhiệt độ trung bình ( o C): T r,0

Nguồn xả

Lưu lượng (m 3 /giờ): Q w,0

BOD 5 ở nhiệt độ 20 o C (mg/l):BOD 5,w,0

Nồng độ oxy hòa tan (mg/l):DO w,0

Nhiệt độ dòng nước thải ( o C) :T w,0

Hệ số k 1 , k a

Hệ số k 1 (20 o C).(ngày -1 )

Hệ số k a (20 o C).(ngày -1 )

0,mix r,1 r,0 w,0

Q = Q = Q + Q

5,mix,0 5,r,0 5,w,0

r,0 r,0 w,0 w,0

mix,1

0,mix

Q

( o) 0 (T mix,1 -20)

1 mix,1 1 T

K T C = K (20 C)× K

( ) o θ(T mix,1 -20)

a mix,1 a

K T = K (20 C) × e

mix,o bh,0 mix,0

D = DO - DO

0

5,mix,1

0,mix,1 -K (20 C)×5

BOD

r,0 0,r w,0 0,w

0,mix

0,mix

Q ×DO + Q × DO

DO =

Q

-K -K -K

1 0,mix,2 V V V

a

K × L

D (x) = × (e - e ) + D e

K - K

SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

PHƯƠNG PHÁP TÍNH

Khúc 1 x 1 , km Khúc 2

BƯỚC 1

25

Ký hiệu được sử dụng

26

Tính toán cho nhiều nguồn

mix,0 mix,0,r w,1 w,1

mix,1

mix,0,r w,1

o,r,1 r,1 o,w ,2 w ,2 r,1 w, 2

L * Q + L *Q

Q + Q

1

5,2 -K *5

BOD 1- e

mix,1

w,2 w,2 r,1 w,2 r,1

1,mix r,1 w ,2 w ,2 r,1 w ,2

Q + Q

x x x -K -K -K

1 0,mix,2 V V V

a 1

K × L

K - K

1

x

-K

V

x,1 0,mix,1

L = L e

Qr,1=Q0,mix: Lưu lượng nước sông tại mặt cắt số 1 (mặt cắt trước khi pha trộn với nguồn xả số 2);

BODr,1: BOD toàn phần của sông tại mặt cắt 1;

L0,w,2: BOD toàn phần của nước xả tại vị trí xả số 2;

L0,mix,2: BOD toàn phần pha trộn giữa nước sông và nguồn xả số 2 tại mặt cắt số 2;

BOD5,2: BOD5 ở nhiệt độ 200C tại nguồn xả số 2;

L0,r,1=Lx,1(x1): BOD toàn phần đầu tiên của nước sông tại mặt cắt số 1

Qw,2: lưu lượng của nguồn xả số 2;

DOw,2 : nồng độ oxy hòa tan trong nguồn xả số 2

DOmix,1: nồng độ oxy hòa tan trong nước sông tại mặt cắt số 1 (được tính từ bước 1);

T2,mix: nhiệt độ pha trộn giữa nước sông và nguồn xả số 2 tại mặt cắt số 2;

T1,mix: nhiệt độ pha trộn giữa nước sông và nguồn xả số 1 tại mặt cắt số 1;

Tw,2: nhiệt độ nguồn xả số 2;

DO0,2: nồng độ oxy hòa tan ban đầu tại mặt cắt số 2

D0,2: độ thiếu hụt oxy ban đầu tại mặt cắt số 2 DO(T2,mix) : nồng độ oxy hòa tan tại nhiệt độ T2,mix

Bài tập 3 (nhiều nguồn thải)

Khu công nghiệp B có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh Lưu

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

Tại khoảng cách 20 km so với nguồn thải người ta bơm nước sạch vào với mục tiêu pha

loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông Dòng nước xả này có các

Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính: Nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 30 km

so với nguồn xả thải

29

Số liệu cho mô hình

30

3.93× v 3.93× 0, 3

K 20 C = = = 0.54 ngay

H 2.5

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

0,mix

Q Q 14400 48000

Q = = + = 600 + 2000 = 2600 (m /h)

24 + 24 24 24

5,mix,0

600× 40 + 2000× 2.5

BOD = = 11,15(mg/l)

2600

4/Nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu sau khi có sự pha trộn:

5,mix,0

BOD 11,15

L = = 21,14(mg/l)

(1- e ) = (1- e )

31

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

0,mix

600× 2.5 + 2000× 7.5

2600 6/Nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông:

0 mix,0

600× 24 + 2000× 22

2600 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:

a

K (22,46 C) = 0,54×e × = 0.58 (ngay )

32

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 = 8,76 (mg/l) (nội suy)

0,mix

10/ BOD toàn phần tại điểm x1 cách nguồn thải 20000 km được tính theo công

thức :

20000 -K 0.3 0,mix,0

11/ Độ thiếu hụt oxy và nồng độ oxy hòa tan tại vị trí 20000 được tính như sau:

K × L

K - K

D1(20000) = 3.60 (mg/l), DO(20000)=5.15 (mg/l)

33

12 Lưu lượng pha trộn giữa nước thải và nước sông (m³/h) tại mặt cắt số 2 (nơi xảy ra sự hợp lưu giữa sông và nguồn xả 2):

Q = Q + Q = 2600 400 3000 + = m /h

13 BOD pha trộn ban đầu tại mặt cắt 2 giữa sông và nguồn xả 2:

0,mix,2

r,1 w ,2

L *Q + L * Q 16.71* 2600 + 4.738* 400

L = = = 15.11 (mg/l)

Q + Q 2600 + 400

(sử dụng công thức

1

5,2

BOD

L = = 4.738

14 Nồng độ ôxy pha trộn ban đầu tại mặt cắt số 2 là : 5.38 (mg/l)

mix,1

r,2

Q * DO + Q * DO

DO =

Q + Q 400*7.0 2600*5.15 5.39

400 2600 +

+

34

15 Nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông (°C): 22.67

w,1

2,mix

2600 400

+

+

16 Hệ số K1 sau khi pha trộn ở mặt cắt số 2: 0.17

17 Hệ số thấm khí Ka sau khi pha trộn tại mặt cắt số 2 là : 0.58

18/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 = 8,73 (mg/l) (nội suy)

0,mix,2

D = 8, 73 - 5.38 = 3, 35(mg/l)

19/ Độ thiếu hụt oxy và nồng độ oxy hòa tan tại vị trí 30000 (m) được tính như sau:

K × L

K - K

D1(30000) = 3.63 (mg/l) DO(30000)= 5.10 (mg/l)

Làm sạch nguồn nước

38

… tiếp theo

Với sự pha loãng bằng nước sạch nồng độ oxy hòa tan tại vị

trí 5 km tăng từ 3.9 mg/l (không đạt tiêu chuẩn Việt Nam) tăng

lên thành 5.2 mg/l (đạt tiêu chuẩn).

39

Cho phép hay hay không đặt nguồn thải

40

Sự lựa chọn hệ số thấm khí ka

1 O’Connor - Dobbins đã sử dụng đề nghị của Danewerts về sự phụ thuộc của hệ số vận tốc

thấm khí vào mức chảy rối của dòng và đề cử công thức sau:

( )0,5( )

V

trong đó

V - vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s);

H –độ sâu trung bình của dòng chảy (m)

2 Churchill, Elmore và Buckingham:

a

trong đó: V – vận tốc trung bình của dòng chảy m/s; H – độ sâu trung bình của dòng chảy (m)

3 Jorgensen M.E

2.26 V

H

V - vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s);

H –độ sâu trung bình của dòng chảy (m)

41

Với các dòng có độ sâu từ 0.12 đến 3,41 m và vận tốc từ 0.03 đến 1,55 m/s:

( )

0,67

V

K = 9, 4 ngay H

trong đó

V : vận tốc trung bình, m/s

H : độ sâu trung bình, m

5 Langbien - Durum

( )

V

K = 3.3 ngay H

trong đó

V : vận tốc trung bình, m/s;

H : độ sâu trung bình, m

6.Vận tốc gió tại 10 m:

2 a

K = 0.782× w - 0.317 × w + 0.0372.w

7 Hiệu chỉnh theo nhiệt độ:

Quá trình thấm khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước, vì vậy cần phải đưa vào

hiệu chỉnh nhiệt độ dưới dạng

0

T -20 0

k T C = k 1, 0241

trong đó T0 – nhiệt độ của nước

Hệ số tự làm sạch

Hệ số tự làm sạch được định nghĩa bởi Fair và Geyer là

Ka/K1, tỷ lệ giữa hằng số tốc độ thấm khí oxy từ khí quyển với hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình oxy hóa

Nó là một số không thứ nguyên, nó ảnh hưởng mạnh đến

cả hai Dcvà xc,

Các quy luật thay đổi hệ số vận tốc thấm khí

O’Connor - Dobbins

Churchill

Jorgensen

Owens-Gibbs

Langbien-Durum

85 , 1 67 , 0 20

2 9 , 4u H

k =

( ) 0,5 20

2 1,5

u

k = 3.93 H

673 1 969 0

2 = 4 96u *H−

3

0 2 26 * ) 20 (

H u C

33 , 1 20

2 3 , 3u H

k =

2 a

K = 0.782× w - 0.317× w + 0.0372.w

0

T -20 0

2 2 20

k T C = k 1, 0241

45

Mô hình Streeter phiên bản 1.0

46

Khởi động chương trình

47

Mở file

48

Nhập thông số cho mô hình

49

Kết quả tính toán

Đường cong DO

Đường cong BOD

50

Thực hiện báo cáo