Mô hình chất lượng nước

MƠ HÌNH HĨA Ơ NHIỄM NƯỚC MẶT PGS.TSKH Bùi Tá Long , Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Yêu cầu phải đạt Vì cần mơ hình chất lượng nước ? Chất lượng nước mối quan tâm Xây dựng công cụ giám sát chất lượng nước Bảo vệ nguồn tài nguyên nước Hiện chất lượng nước vấn đề quan tâm nghiên cứu Theo tổ chức y tế giới khoảng 30% dân số thiếu nước ăn 35% không đủ nước (400 triệu người mắc bệnh đường ruột, giun: 200 triệu, sốt rét:100 triệu, bệnh tả: 20 – 40 triệu/năm) Sự cần thiết mơ hình chất lượng nước Để bảo vệ nguồn tài ngun nước kiểm sốt nhiễm nước cần phải biết đánh giá chất lượng nước, kiểm sốt nguồn gây nhiễm Ở mơ hình chất lượng nước có ý nghĩa quan trọng Thuật ngữ, sở pháp lý Stt Ký hiệu Ngày ban hành Cơ quan ban hành TCVN 5502:2003 31/12/2003 Bộ KHCN Chất lượng nước sinh hoạt Nội dung Quyết định số 39/2003/QĐ- BKHCN QCVN 01:2008 18/7/2008 Bộ TNMT QCVN 08:2008 31/12/2008 Bộ TNMT Nước thải công nghiệp chế biến cao su thiên nhiên Chất lượng nước mặt Quyết định số 04/2008/QĐ- BTNMT 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 bột giấy QCVN 13:2008 Nước thải công nghiệp dệt may QCVN 14:2008 QCVN 01:2009 Nước thải sinh hoạt 17/06/2009 Bộ Y Tế 16/11/2009 Bộ TNMT QCVN 02:2009 QCVN 24:2009 QCVN 25:2009 QCVN 28:2010 Ghi Chất lượng nước ăn uống Thông tư số 04/2009/TT- BYT Chất lượng nước sinh hoạt Thông tư số 05/2009/TT- BYT Nước thải công nghiệp Thông tư số 25/2009/TT- BTNMT Nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn 16/12/2010 Bộ TNMT 12/12/2011 Bộ TNMT Chất lượng nước mặt bảo vệ đời sống thủy sinh Chất lượng nước dùng cho tưới tiêu Thông tư số 43/2011/TT- BTNMT QCVN 40:2011 28/12/2011 Bộ TNMT Chất lượng nước thải công nghiệp Thông tư số 47/2011/TT- BTNMT Thay QCVN 24:2009/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 QCVN 29:2010 QCVN 38:2011 Nước thải y tế Thông tư số 39/2010/TT- BTNMT Nước thải kho cửa hàng xăng dầu QCVN 39:2011 Các nguồn gây ô nhiễm cho nguồn nước Phân loại nguồn nước  Tùy theo mục đích sử dụng chia thành loại nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản …  Theo độ mặn: nước ngọt, nước lợ nước mặn  Theo vị trí nguồn nước: nguồn nước mặt (sông, suối, ao, hồ ….), nguồn nước đất Tài nguyên nước với thành phần chịu ảnh hưởng BĐKH 11 Các đặc trưng nước thải  BOD (Biochemical Oxygen Demand) – nhu cầu oxy sinh hóa tồn phần (mg/l), BOD đại diện cho thành phần phân hủy sinh học Nếu có oxy, q trình phân hủy sinh học địi hỏi lượng oxy tương ứng với lượng giảm BOD;  BOD5 – Nhu cầu oxy sinh hóa sau thời gian ngày (mg/l);  COD (Chemical Oxygen Demand )– nhu cầu oxy hóa học (mg/l);  DO (dissolved oxygen) – Nồng độ oxy hịa tan (mg/l); Mơ hình chất lượng nước đơn giản (mơ hình BOD/DO đơn giản) 13 Chất hữu 14 Quá trình ảnh hưởng tới chất lượng nước  Các chất hữu (organic wastes): chất thải có nguồn gốc từ sinh vật sống chết Khi đưa vào nguồn nước, chất hữu làm cho vi sinh vật hiếu khí phát triển Các vi sinh vật tiêu thụ oxy làm cho lượng oxy hoà tan giảm xuống cá biến Khi phần lớn lượng oxy hồ tan giảm vi sinh vật kỵ khí biến đổi hợp chất có chứa lưu huỳnh thành H2S làm cho nước có mùi 15   Các trình vận chuyển chất vào nước: Thủy phân (phản ứng trao đổi nước loại khống chất); hịa tan (phá hủy cấu trúc mạng tinh thể loại muối phân ly thành dạng ion); Các trình tách vật chất khỏi nguồn nước : bao gồm trình lắng đọng (do tỷ trọng, nồng độ vuợt giới hạn bão hịa, q trình hấp thụ, trình keo tụ, trình phản ứng hợp chất trình sinh thái chất lượng nước … ) 16 Chất dễ phân huỷ sinh học Hằng số tốc độ phân huỷ K1 Chất dễ phân huỷ sinh học (readily biodegradable substances): chất bị phân huỷ sinh học đến mức độ định theo phép thử định khả phân huỷ sinh học hoàn toàn Sự phân huỷ sinh học hoàn toàn: phân huỷ sinh học dẫn đến vơ hố hồn tồn Phân huỷ bậc nhất: phân huỷ cấu trúc phân tử chất đến mức độ đủ để loại bỏ tính chất đặc trưng  Hằng số tốc độ phân huỷ chất hữu k1 đại lượng đặc trưng cho tốc độ phản ứng phân huỷ chất hữu dễ phân huỷ sinh học vi sinh vật hiếu khí dòng chảy xác định điều kiện tĩnh phịng thí nghiệm 17 Hiện tượng nạp khí 18 Đặc điểm Nạp khí (Reaeration) q trình vật lý (chuyển hóa khối lượng) oxy từ khí vào khối nước  Để sử dụng mơ hình chất lượng nước sơng cần thiết phải xây dựng phương pháp tính tốn hệ số tốc độ hịa tan oxy qua mặt thống (ngay-1)  Loại mơ hình liên quan đến nồng độ oxy sơng suối Mơ hình chất lượng nước xem xét mối quan hệ BOD/DO hệ thống sông phát triển Streeter Phelps năm 1925 19 20 Các giả thiết đơn giản hóa mơ hình   dLt   K1.Lt dt Chỉ có nguồn nhiễm tồn Tải trọng ô nhiễm không đổi thải điểm cho trước  Sơng khơng có nhánh  Vận tốc dịng chảy khơng đổi  Tiếp theo Sự khuếch tán tạo điều kiện cho nồng độ BOD DO coi đồng mặt cắt sông Sự phân hủy sinh học diễn sơng có bậc ngồi khơng có tham gia q trình khác Mặt cắt ngang dịng sơng coi khơng đổi 21 Cách nhận phương trìnhStreeter – Phelps Độ thiếu hụt oxy ký hiệu sau : D=DObh – DO 22 … Tiếp theo (8.1) Giả sử DObh số, lấy vi phân phương trình (8.1) ta : d ()DO dD  0 dt dt suy d ()DO dD  dt dt Trong ký hiệu sau sử dụng: (8.2) L0 : BOD toàn phần thời điểm ban đầu (mg/L) – đặc trưng cho nước thải từ cống xả thải; Do tốc độ DO biến xảy đồng thời với tốc độ BOD bị phân hủy ta có phương trình: d ()BODt d ()DO dD   dt dt dt Lt : BOD toàn phần thời điểm t (mg/L); (8.3) k1 : hệ số tốc độ loại oxy trình phân hủy chất hữu (ngày-1) - số tài liệu khác gọi Như biết BODt xác định bởi: hệ số tốc độ khử oxy; t : thời gian (ngày) BODt = Lo - Lt Mặt khác tốc độ thấm oxy từ khơng khí vào dung dịch phản ứng bậc tỷ lệ Lo số, nên lấy đạo hàm theo thời gian khơng, từ suy ra: với chênh lệch DObh nồng độ thực DO: d(BODt )dL t =dt dt d ()DO  k2 ()DObh  DO  k2 D dt Giả thiết tốc độ loại oxy vị trí sơng tỷ lệ với BOD cịn lại điểm đó: dLt = - k1 Lt dt (8.6) Trong k2 : hệ số tốc độ hịa tan oxy qua mặt thống, gọi tắt hệ số thấm oxy (8.4) Từ (8.3), (8.4) suy dD = k1 Lt dt (8.5) 23 24 Phương trình Streeter - Phelps Độ thiếu hụt ơxy dD = k1L t - k D dt - dD/dt = tốc độ thay đổi độ thiếu hụt oxy (D) đơn vị thời gian, mg/L ngày Dt = k1  k D t  =  k1tL0 + D0  e-k1t θ T-20 k (T)= k 20     - k1 = số tốc độ loại oxy có thứ nguyên ngày-1, phụ thuộc vào loại chất thải phân hủy - Lt = BOD cịn lại sau t ngày tính từ thời điểm chất thải thải vào sơng, có thứ ngun mg/L  T – nhiệt độ xem xét, 0C  k1 – số tốc độ loại oxy có thứ nguyên ngày-1, phụ thuộc vào loại chất thải phân hủy  k2(T) – hệ số tốc độ nạp oxy nhiệt độ xem xét, ngày-1  k2(200) – hệ số tốc độ nạp oxy nhiệt độ 200C, ngày-1  Hệ số nhiệt độ,  = 1,135 nhiệt độ khoảng từ - 200C  = 1,056 nhiệt độ khoảng 20 – 30 0C - k2 = hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng, gọi tắt hệ số thấm oxy có thứ nguyên ngày-1 - D k1L0 -k1t -k t (e - e )+ D 0e -k t k - k1 k1  k2 = có thứ nguyên mg/L 25 26 Oxy hòa tan (mg/L) Tính tốn BOD  Nồng độ chất hữu nước thải thường định BOD5 hay BOD7, lượng oxy tiêu thụ ngày  Như đề cập trên, từ giả thiết phân hủy tuân theo quy luật bậc nên ta có: dLt   k1.Lt dt L5  L0 e  k1 Lt  L0 e  k1 t BOD5  Lo (1 e  k1 ) 28 Lt Độ thiếu hụt ô xy hòa tan Lo BOD lại BODt Lt = Lo e-kt Lt t BODt Oxy sử dụng Thời gian, ngày Lo = BOD cuối pha cacbon Lt BOD5 BODt = Lo(1-e-kt) t dD  k1 Lt  k2 D dt dD  k2 D  k1 L0 e  k1t dt D D t 0  D0  t 0  D0  k1 L0   k1 t  e  k2t  D0 e  k2 t , k1  k2 D  k  k e  kt  D   k1  t  L0  D0  e , k1  k2 Thời gian, ngày 29 Độ thiếu hụt DO cực đại  Thay biến t = x/v  k1 L0 e  k1 t  e  k2t  D0 e  k2 t ; D  max  k2  k1  k  D  k  k   dD d 2D dD  0,  0;   tc  ln      dt dt dt k2  k1  k1  k1 L0   D Nước thải sau gia nhập vào dịng sơng, có sự hịa trộn hồn tồn với dòng chảy Vận tốc dòng chảy suốt mặt cắt ngang dịng sơng k1 L0   k1 x / v  e  k2 x / v  D0 e  k2 x / v , k1  k2 D  x  k  k e   D  x    k  x  L  D  e k1x / v , k  k 0   v   Khi từ phương trình: dD  k1 L0 e  k1t  k2 D  dt 30  k Dc  L0 e  k1tc k2 31  32 Cách tính k1 (T) Cách tính K2 k2 ()(20 T )k2  T 20 Theo The Committee on Sanitary Engineering Research,1961  = 1,0241 Tác giả Cơng thức No nồng độ ammonium L0 nồng độ chất hữu ban đầu đo BOD k1 kN phụ thuộc vào nhiệt độ T: Điều kiện Vận tốc U (m/s) Độ cao trung Khác bình H (m) Cơng thức tính k2 dựa vào yếu tố thủy lực : O'connor – Dobbins 0.15 ≤ U ≤ 0.49 1/ 3.93U H 3/ 0.3 ≤ H ≤ 9.1 0.05 ≤ k2 ≤ 12.2 1962 Owens et al (1) 1964 Owens et al (2) 1964 kT (tại 200C) 1.05 (1.047) 1.06 -1.08 ngày-1 1958 Churchill et al Để tính k1 Để tính kN 5.026U 0.969 H 1.673 0.55 ≤ U ≤ 1.524 0.61 ≤ H ≤ 3.35 5.34U 0.67 H 1.85 0.3 ≤ U ≤ 1.5 0.12 ≤ H ≤ 3.3 6.94U 0.73 H 1.75 0.3 ≤ U ≤ 0.54 0.12 ≤ H ≤ 3.3 k1  T  = k1  200 C  ×1.05T-20 k N  T  = k N  200 C  ×1.06T-20 33 34 Bài tập Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý K1(200) kN No Lo Nước thải đô thị 0.35 – 0.40 0.15 – 0.20 80 – 120 150 – 250 Nước thải đô thị xử lý học 0.35 0.10 – 0.25 70 – 120 75 - 150 Nước thải đô thị xử lý sinh học 0.10 – 0.25 0.05 – 0.20 60 – 120 10 – 80 Nước uống 0.05 – 0.10 0.05 0–1 0–1 Nước sông 0.05 – 0.15 0.05 – 0.10 0–2 0-5 Nước thải pha trộn với nước sông, kết BOD5 đo mặt cắt pha trộn 25mg/l, với nhiệt độ hòa trộn 25oC Được biết hệ số tốc độ thấm khí nhiệt độ 15oC xác định sông 0.8 ngày-1 Tìm L0 pha trộn K2(ở 20oC) Sử dụng giá trị trung gian từ bảng cho để đánh giá thông số Cho K1(200 C) = 0.375 Giải K1 25oC xác định phương trình tính theo K1 200C K1(ở 25oC) = 0.375 * 1.055 = 0.479 L0 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 Ka 20oC tính từ phương trình Ka(T)=Ka(20)e(T-20) 0.8=(K2 20oC)e 0.025*(-5) =(K2 20oC)*0.88  K2(ở 20oC) = 0.91 ngày-1 35 36 Mơ hình Streeter phân vùng Đường cong DO 37 38 39 40 k2(200C) cho số nguồn nước Nguồn nước Khoảng giá trị k2(200C) Các hồ nước nhỏ có xốy ngược 0.10 – 0.23 Dịng sơng chảy chậm hồ nước lớn 0.35 – 0.46 Sơng lớn có tốc độ chảy thấp Sơng lớn có tốc độ chảy bình thường Sơng chảy xốy 0.23 – 0.35 0.46 – 0.65 0.65 – 1.15 > 1.15 10 Một số hạn chế mơ hình Streeter - Phelps Một số ký hiệu Chỉ lưu ý tới tiêu thụ oxy q trình oxy hóa chất hữu dịng chảy vi sinh hiếu khí hịa tan oxy qua mặt thống vào nước SOD (Sediment Oxygen Demand) CBOD (carbonaceous biochemical oxygen demand) NBOD (nitrogenous biochemical oxygen demand), NH3 (ammonia) 41 42 Q trình hơ hấp lớp bùn đáy Sơ đồ cân DO khúc sông nhỏ D D S +u = -k D t x H Độ thiếu hụt D dòng chảy điêu kiện ổn định là: RDOvào = RDOra = W A P B M N R Khối lượng DO chảy vào khúc sông Khối lượng DO chảy khúc sông = Khối lượng DO nước thải chảy vào khúc sông = Khối lượng DO vào từ khí = Khối lượng DO vào từ sản phẩm có chứa oxy quang hợp tảo = Khối lượng DO bị tiêu thụ nhu cầu sinh vật đáy = Khối lượng DO bị khử phân hủy sinh học C-BOD = Khối lượng DO bị khử phân hủy sinh học N-BOD = Khối lượng DO bị tiêu thụ hô hấp tảo 43 S   k x  k x  D = D exp  -  + 1- exp  - u    u  k 2H    S – nhu cầu oxy lớp cặn đáy, mg O2/m2.ngày H- chiều sâu lớp nước 44 11 … Q trình oxy hóa hợp chất chứa nitơ Bổ sung thêm trình tiêu thụ oxy q trình oxy hóa hợp chất hữu có chứa nitơ (ammơn hóa, nitrit nitrat hóa) Khi nhận phương trình: Độ thiếu hụt oxy D dòng chảy điều kiện ổn định  k x k N D = D exp  -  + N  u  k2 - kN D D u  k2 D  k N N t x   kNx   k x  exp  - u  - exp  - u        N0 – nồng độ ammonium (mg/l) kN – số tốc độ tiêu thụ oxy trình nitrat hóa, ngày-1 N – tải trọng ammonia N = N e-k N x/u 45 Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý 46 Quá trình quang hợp – hô hấp k1 kN No Lo Nước thải đô thị 0.35 – 0.40 0.15 – 0.20 80 – 120 150 – 250 Nước thải đô thị xử lý học 0.35 0.10 – 0.25 70 – 120 75 - 150 Nước thải đô thị xử lý sinh học 0.10 – 0.25 0.05 – 0.20 60 – 120 10 – 80 Nước uống 0.05 – 0.10 0.05 0–1 0–1 Nước sông 0.05 – 0.15 0.05 – 0.10 0–2 0-5 Phương trình mơ tả thiếu hụt oxy phân hủy chất hữu trình quang hợp – hơ hấp hệ thực vật nước D D u  k2 D   R  P  t x P – sản phẩm sơ cấp trình quang hợp,mg/l.ngày R – Lượng oxy tiêu hao q trình hơ hấp, mg/l.ngày 47 48 12 Quá trình lắng chất lơ lửng Quá trình quang hợp – hơ hấp (tiếp theo) Trong q trình lan truyền, phần chất hữu dạng lơ lửng phân tán lắng đọng theo trình vật lý, hóa học sinh học dịng chảy Sự thiếu hụt oxy điều kiện ổn định:  k x RP   k2 x   D  D0 exp     1  exp   u   u k      D D u  k1L k2D t x P – sản phẩm sơ cấp trình quang hợp,mg/l.ngày kr  k1  ks L L  u  kr L t x R – Lượng oxy tiêu hao q trình hơ hấp, mg/l.ngày Loại mơ hình thường áp dụng tính tốn biến động hàm lượng oxy hòa tan theo thời gian ngày lưu vực dòng ks – tốc độ lắng đọng chất hữu dạng lơ lửng phân tán trình lan truyền, ngày-1 chảy giàu chất dinh dưỡng với phát triển mạnh loài thực vật k1 – tốc độ tiêu thụ oxy trình phân hủy chất hữu cơ, ngày-1 nước kr – tốc độ chuyển hóa chất hữu (CBOD) dòng chảy, ngày-1 49 50 Quá trình lắng chất lơ lửng, điều kiện ổn định (tiếp)  k x L  L0 exp   r   u   k x k L D  D0 exp      u  k2  kr   kr x   k2 x   exp   u   exp   u        ks – tốc độ lắng đọng chất hữu dạng lơ lửng phân tán trình lan truyền, ngày-1 k1 – tốc độ tiêu thụ oxy trình phân hủy chất hữu cơ, ngày-1 kr – tốc độ chuyển hóa chất hữu dòng chảy, ngày-1 51 13