TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI
6.1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
6.1.1. Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định
Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định là trường hợp đơn giản nhất, tức là trường hợp mà từng chất cũng như tổng các chất được bảo toàn.
Phương trình vật chất trong từng trường hợp có thể viết:
LƯỢNG CHẤT ĐI VÀO = LƯỢNG CHẤT ĐI RA (6.2) Hệ thống bảo toàn vật chất ổn định được thể hiện trong hình 6.2.
Hệ thống nghiên cứu được giới hạn là một hồ nước, dòng suối chảy vào hồ với lưu lượng chảy là Qs(lưu lượng nước/thời gian) và nồng độ chất ô nhiễm Cs (lượng chất ô nhiễm/ lưu lượng nước). Dòng nước thải chảy vào hồ từ kênh dẫn thải có lưu lượng chảy là Qwvà nồng độ là Cw. Dòng nước chảy ra khỏi hồ là dòng nước đã được trộn đều với lưu lượng được bảo toàn và ổn định. Phương trình cân bằng vật chất, trong trường hợp này, được viết:
CsQs + CwQw =CmQm (6.3) Hệ số suy giảm = 0
Hệ số tích tụ = 0
Hình 6.2. Hệ thống bảo toàn ổn định Ví dụ 6.1
Có hai dòng suối bị ô nhiễm. Một suối chảy có lưu lượng nước là 10m3/s nhập vào dòng suối thứ hai có lưu lượng là 5 m3/s. Nồng độ chất ô nhiễm clorua từ thượng nguồn của dòng suối thứ nhất đến chỗ gặp nhau là 20 mg/L. Nồng độ chất ô nhiễm clorua ở suối thứ hai là 40 mg/L.
Xác định nồng độ ô nhiễm Cmsau điểm hai suối gặp nhau.
Giải:
Theo điều kiện của bài toán, mô hình hai dòng suối chảy có thể được minh họa trong hình dưới đây:
Áp dụng công thức (6.3) ta có:
W S
W W S S m
W W S S
m Q Q
Q C Q C Q
Q C Q C C
+
= +
= +
Thay các số liệu đã cho:
L s mg
m
s m L
Cm mg 26,7 /
/ ) 5 10 (
/ /
) 5 40 10 20 (
3
3 =
+
×
× +
= ×
Qm = Qs +Qw = 10 + 5 = 15 m3/s
6.1.2. Hệ thống ổn định ô nhiễm không bảo toàn
Trong thực tế, các chất ô nhiễm chịu sự tác động của các phản ứng hóa học, phản ứng sinh học của vi sinh vật và khi xử lý ô nhiễm không thể duy trì được sự bảo toàn vật chất. Phương trình cân bằng vật chất trong trường hợp hệ thống ổn định không bảo toàn được viết:
LƯỢNG CHẤT ĐI VÀO = LƯỢNG CHẤT ĐI RA
+ LƯỢNG CHẤT BỊ TIÊU HỦY
(6.4) Phần tiêu hủy của chất ô nhiễm không bảo toàn được tính đến với
các phản ứng tiêu hủy đầu tiên, nghĩa là phần chất ô nhiễm mất đi sẽ tỷ lệ với lượng chất ô nhiễm:
dt kC
dC =− (6.5) Trong đó: k là hệ số tiêu hủy với thứ nguyên (1/ [T]), dấu (-) biểu thị chất ô nhiễm mất đi trong một đơn vị thời gian, C là nồng độ chất ô nhiễm, t là thời gian.
Lấy tích phân phương trình 6.5, thu được:
∫
∫ = ∞ −
0 0
) (
C C
C
dt C k
dC
hay: kt
C C C
C − = =−
0 0) ln ln(
)
ln( (6.6) Do nồng độ chất ô nhiễm trong khu vực nghiên cứu biến thiên theo thời gian:
e kt
C
C = 0 − (6.7) Trong đó C0là nồng độ chất ô nhiễm ban đầu tại t = 0.
Công thức (6.7) thể hiện sự suy giảm nồng độ chất ô nhiễm. Nếu chất ô nhiễm phân bố đều trong thể tích nghiên cứu thì tổng chất ô nhiễm sẽ là CV và tổng lượng suy giảm của chất ô nhiễm là d(CV)/dt = VdC.dt.
Phương trình cân bằng vật chất đối với chất ô nhiễm không bảo toàn sẽ được viết:
LƯỢNG BỊ TIÊU HỦY = k.C.V (6.8) Thay công thức (6.8) vào công thức (6.4) thu được công thức đơn giản về cân bằng vật chất đối với trường hợp chất ô nhiễm không bảo toàn trong hệ ổn định với điều kiện thừa nhận là nồng độ chất ô nhiễm phân bố đều trong thể tích V:
LƯỢNG CHẤT Ô NHIỄM VÀO = LƯỢNG CHẤT Ô NHIỄM
RA + kCV (6.9)
Ví dụ 6.2
Cho một hồ nước bị ô nhiễm có thể tích lá 106 m3. Có một dòng suối chảy vào hồ với lưu lượng là 5 m3/s và nồng độ chất ô nhiễm của suối là 10 mg/L và một cống thải xả nước vào hồ với lưu lượng là 0,5 m3/s mang theo cùng chất ô nhiễm như chất ô nhiễm của dòng suối.
Nồng độ chất ô nhiễm của nước thải lá 100 mg/L và hệ số tiêu hủy của hồ là 0,2/d, thừa nhận rằng chất ô nhiễm được trộn đều trong cả thể tích của hồ, không xét đến hiện tượng nước bốc hơi cũng như nước thấm qua thành hồ (thấm vào hoặc thấm ra). Xác định nồng độ chất ô nhiễm trong hồ ở điều kiện ổn định.
Giải:
Các điều kiện theo đề bài được minh họa trong hình dưới đây:
Lưu lượng vào: = QsCs + QwCw
= ( 5 m3/s × 10 mg/L + 0,5 m3/s × 100 mg/L) × 103L/m3 = 1,0 ×105 mg/s.
Lưu lượng ra: = Qm Cm = (Qs +Qw) × C = (5 +0,5 )m3/s × C mg/L.103L/m3 = 5,5 × 103 C mg/s
Lượng bị tiêu hủy: = kCV = 0,2/ngày × C mg/L× 106× 103 L/m3 = 23,1.103C mg/s
Thay các giá trị vào công thức (6.9):
1,0.105 = 5,5. 103C + 23,1.103C = 28,6.103C Rút ra C (nồng độ chất ô nhiễm trong hồ) sẽ là:
L mg
C 3,5 /
10 6 , 28
10 0 , 1
3
5 =
×
= ×