1193 mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy luận văn tốt nghiệp

BỘGIÁODỤC VÀĐÀOTẠO VIỆNHÀNLÂMKHOAHỌC&CƠNGNGHỆVIỆTNAM VIỆNHĨA HỌC  LÊMINHTHÀNH MƠHÌNHHĨASỰTHAY ĐỔINỒNG ĐỘ OXI TRONGMƠITRƯỜNGNƯỚCDƯỚITÁCĐỘNGCỦALỚPBÙNĐÁY Chun ngành: Hóa lý thuyết Hóa lýMãsố:62.44.01.19 LUẬNÁNTIẾN SĨHÓAHỌC Ngườihướngdẫnkhoahọc: GS.TS.LÊQUỐCHÙNG TS.PHẠM HỒNGPHONG HàNội–2015 LỜICAMĐOAN Tên Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết vàHóa lý, khóa 2010-2014 Tơi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mơ hình hóa thay đổinồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy ” cơng trìnhnghiên cứu riêng tơi, cơng trình tơi thực hướng dẫn khoahọc GS.TS Lê Quốc Hùng TS Phạm Hồng Phong Các số liệu, kết trìnhbày luận án hồn tồn thu từ q trình tính tốn lý thuyết đo đạc thựcnghiệmcủabảnthân,đượctiếnhànhmộtcáchtrungthựcvàkhơngsaochép.Cá ctàiliệu vàthơng tin trích dẫn luận án đãđượcghirõ nguồn gốc Nghiêncứusinh LêMinhThành LỜICẢMƠN Lời với lòng biết ơn sâu sắc xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS.Lê Quốc Hùng TS Phạm Hồng Phong, người truyền cho tri thức,cũng tâm huyết nghiên cứu khoa học, người tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ vàtạomọi điều kiện tốt đểtơi hồn thànhbản luận ánnày! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoahọc Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi tạo điều kiện thuận lợichotôi suốt thờigian thamgianghiêncứu sinh! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cơ, anh chị em Phịng ỨngdụngT i n h ọ c t r o n g H ó a h ọ c , V i ệ n H ó a h ọ c – V i ệ n H n l â m K h o a h ọ c v C ô n g nghệViệtNamđãchiasẻnhữngkinhnghiệmquýbáuvàtrợgiúptôithực hiệncácnghiên cứu! Và xin gửi lời cảm ơn chân thành tới đồng nghiệp, bạn bè, nhữngngườiđãluônquan tâm,động viên tơi trongsuốtthờigian qua! Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân tơi,những người tin tưởng, động viên tiếp sức cho tơi thêm nghị lực để tơivữngbướcvàvượt quamọi khókhăn! Tácgiả LêMinhThành MỤC LỤC LỜICAMĐOAN .i LỜICẢMƠN ii MỤCLỤC iii Danhmục kí hiệu vi Danhmục hình x Danhmục bảng .xiii MỞĐẦU 1 Lýdo lựachọn đề tàiluận án .1 Mụcđích, đối tượng vàphạmvi nghiên cứucủa luậnán .2 Ý nghĩakhoa học,ýnghĩathựctiễn luận án Nộidungnghiên cứu CHƯƠNG1:TỔNG QUAN .5 1.1 Cácyếu tố ảnh hưởngđếnnồngđộoxihòatan trongnước 1.1.1 Sựtrao đổioxigiữakhơngkhívànước .6 1.1.2 Qtrình quanghợp vàhơhấp thủy sinhvật 1.1.3 Nhucầu oxi sinhhóa 14 1.1.4 Nhucầu oxi bùn đáy 16 1.1.5 Nhucầuoxi hóa học .18 1.1.6 Qtrình nitrathóa .20 1.1.7 Sựxáo trộnvàlắngđọng chấthữu cơgiữa trầmtích vànước 21 1.1.8 Cácyếu tốkhácảnhhưởngđếnoxihòatan .22 1.2 Cáctínhchấtcủabùn đáy 28 1.2.1 Thànhphầnhóahọccủabùnđáy .29 1.2.2 Độxốpcủa bùnđáy .30 1.2.3 Mậtđộcủa bùnđáy .31 1.2.4 Tỉkhốicủabùn đáy .31 1.3 Nghiêncứu vềmơ hìnhhóacácthơng số chấtlượng nước 31 1.3.1 Phươngtrình lan truyềnkhuếch tán tổngquát .32 1.3.2 Cácdạng điều kiện biên .34 1.3.3 Các dạng phương trình đạo hàm riêng phần mềm ComsolMultiphysics .35 1.4 Tìnhhìnhnghiêncứuvànhữngvấnđề cần giảiquyết .37 1.4.1 Tìnhhình nghiên cứu 37 1.4.2 Nhữngvấnđề cần giảiquyết 39 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁPNGHIÊNCỨU 42 2.1 Cơsở lý thuyếtxâydựng mơhình oxi hịatan 42 2.1.1 Cácgiảthiếttrongxâydựng mơ hình 42 2.1.2 Cácyếu tố mô hìnhoxihịatan .42 2.1.3 Thiếtlập vàgiảimơ hình .49 2.2 Thiếtbị vàphần mềmsử dụng 49 2.2.1 Mơhình vậtlývàthiếtbị 49 2.2.2 Phầnmềmmáy tính 52 2.3 Phươngphápnghiêncứu 53 2.3.1 Phươngpháp sốgiảibàitoánkhuếchtán 53 2.3.2 Phươngphápxây dựngvàđánhgiámơhình .54 2.3.3 Phươngphápđo đạcthực nghiệm 59 2.4 Nhậnxét chương2 .64 CHƯƠNG3:KẾTQUẢVÀTHẢO LUẬN 65 3.1 Bướcđầukhảosátkhảnăng mơphỏngcủamơ hìnhoxihịatan 65 3.1.1 Thiếtlậpmơ hìnhvàphươngtrìnhmơtả 66 3.1.2 Kếtquảmôphỏng 72 3.1.3 Nhậnxétmơhình1 83 3.2 Mơhìnhoxihịatan doảnh hưởngchủđạobởi bùnđáy 85 3.2.1 Thiếtlậpmơ hìnhvàphươngtrìnhmơtả 86 3.2.2 Đánh giá mơ hình, so sánh kết mơ khảo sát biến thiênnồngđộ oxihịatan 90 3.2.3 Nhậnxétmơhình2 99 3.3 Mơhìnhkhảo sátoxihịatantạikhuvựcranhgiớiphabùn– nước .101 3.3.1 Thiếtlậpmơ hìnhvàphươngtrìnhmơtả 102 3.3.2 Đánh giá mơ hình, so sánh kết mơ khảo sát biến thiênnồngđộ oxihịatan 107 3.3.3 Nhậnxétmơhình3 113 3.4 Mơhình tổnghợp 116 3.4.1 Thiếtlậpmơ hìnhvàphươngtrìnhmơtả 117 3.4.2 So sánhkếtquảmơ phỏngvàphântích độnhạy .121 3.4.3 Nhậnxétmơhình4 127 3.5 Nhậnxét chương3 .129 KẾTLUẬNVÀKIẾNNGHỊ 131 Kếtluận .131 Nhữngđóng góp mớicủa luận án 133 Cáckiến nghị, đềxuất 134 DANHMỤCCÁCTÀILIỆUĐÃCÔNGBỐ 135 DANHMỤCTÀILIỆUTHAMKHẢO 136 PHỤLỤC 147 PL.1M ộ t số mơhìnhtốnhọc củaoxi hòatan theolịchsử 147 PL.2C c dạngphương trìnhthamkhảotínhhằngsốk2 150 PL.3C c tốn tửthườnggặptrongphươngtrìnhPDE 152 PL.4Quy trình thực giải số hệ phương trình PDE phần mềm ComsolMultiphysics .153 PL.5T h n h p h ầ n vàtínhchấtcủamột sốmẫubùn đáynghiêncứu .164 PL.6M ộ t sốkếtquảđođạc nồngđộ DO thựctế 164 Danhmụckíhiệu a Hệsố hấpthụ BOD Nhucầuoxisinh hóa CA Nồngđộ củachấtA thời điểmtbấtkỳ(mg/L) CAlg Nồngđộtảo trongnước(mg/L) CBOD Nhucầuoxisinhhóa củahợp chấthữu chứa cacbon CBOD GiátrịBOD (mg/L),đạidiện chonồngđộ cácchất hữu cơtiêu thụoxi CBODoG i trịBOD thời điểmbanđầu(mg/L) CBODsedGiá trị BOD lớp bùn đáy (mg/L).CClo Nồng độ ion clorua nước (mg/L).CCODGiátrịCOD (mg/L) CDO Nồngđộ DOtạithờiđiểmbấtkỳ(mg/L) CDO∞Nồngđộ DO xavô cực (mg/L) CDOdef Nồngđộ DOthiếuhụtsovới nồng độDO bão hòa(mg/L) CDOint Nồngđộ DO tạiranhgiới pha bùn–nước(mg/L) CDOo Nồngđộ DO tạithờiđiểmban đầu (mg/L) CDOobs Nồng độ DO đo đạc (mg/L).CDOsat L).CDOsim Nồng độ DO bão hịa (mg/ Nồng độ DO mơ (mg/L).COD Nhu cầuoxihóahọc CSODG i trịSOD (mg/L) D Hệsốkhuếchtáncủachấttantrongnước(m2/s) d Độdàylớpbùnđáy(m) D1 Hệsốkhuếchtáncủaoxihịatantrongnước(m2/s) D1 * Hệsốkhuếchtáncủaoxitrongmơitrườngbùn(m2/s) D2 Hệsốkhuếchtáncủachấthữucơhịatantrongnước(m2/s) da Hệsốthấm DO Oxihòatan ea Hệsố khối f Sốhạng nguồn fc Ứng suất cắt tới hạn (critical shear stress) (N/ m2)FEM Phươngpháp phần tửhữu hạn fr Ứngsuấtcắtthamchiếu(referenceshearstress)(N/m2) fs Ứngsuấtcắt(shearstress)(N/m2) h Độsâu môitrường nước(m) k1 HằngsốtốcđộtiêuthụDObởichấthữucơdạngbậcnhất(1/s) k1* HằngsốtốcđộtiêuthụDObởichấthữucơdạngbậchai(Lmg-1s-1) k2 Hằngsố tốcđộtraođổioxitạiranhgiới phanước–khơngkhí(1/s) k2* Hằngsốtốcđộtraođổioxitạigiữanước–khơngkhíởđiềukiệnbiên(1/m) k3 HằngsốtốcđộtiêuthụDObởibùnđáy(mgL-1s-1) k3* HằngsốtốcđộtiêuthụDObởibùnđáyởđiềukiệnbiên(mgL-1m-1) k4 Hằng số tốcđộphản ứngkhử củaCOD (1/s) k5 Hằngsố tốcđộphản ứngnitrathóa(1/s) kAlg Hằngsốtốcđộ tảochết(1/s) kDOhalf Hằngsốbánbão hịacủaDO (mg/L) kH HằngsốHenry(Latm/mol) krese Hằngsốtốcđộtổnghợpcácqtrìnhpháttánchấthữucơtừbùnvàonướcvà k * rese lắng đọngchất hữucơ từnước vào bùn(1/s) Hằngsốtốcđộtổnghợpcácquátrìnhpháttánchấthữucơtừbùnvào nướcvàlắngđọngchấthữucơtừnướcvàobùnởđiềukiệnbiên(1/m) kset Hằngsốtốcđộ lắngđọng củachấthữu cơ(1/s) kset* Hằngsốtốcđộ lắng đọngcủachấthữu cơởđiều kiệnbiên(1/m) n Vectơ pháp tuyến biên vùng tính tốn, hướng phía ngồi.NBOD Oxyz Nhucầuoxisinh hóa củahợp chấthữu chứa nitơ HệtọađộDescartesvớitrụcOxlàchiềurộng(m);trụcOylàchiềudài(m);Ozlà chiều sâu (m)củamôi trường nước P Tốc độ oxi sinh quang hợp (mg L-1h- Phươngtrìnhđạohàmriêng )PDE Pmax Tốcđộoxisinhratối đa (mg L-1h-1) R Tốcđộoxitiêu thụdo hôhấp thực vật(mgL-1h-1) R2 Hệsố xácđịnh RSS Tổng bình phương phần dưSOD Nhucầuoxibùn đáy SR Tỉsố độ nhạy Ssed Diệntích tiếp xúc giữabềmặtbùn đáyvà nước(m2) t Thờigian(s) T Nhiệtđộ(oC) TSS Tổngbìnhphươngtồn phần v Vậntốcdịng chảycủanước (m/s) V Vậntốccủagió (m/s) vBOD Vậnt ố c t r a o đ ổ i c h ấ t h ữ u c t i b ề m ặ t n g u n t h ả i đ i ề u k i ệ n b i ê n (mgL-1m-1) vDO Vậntốctrao đổi oxitạiranh giớiphakhơngkhí– nước(m/s) X1 Giátrịđầuvào cơsở củabiếnX X2 Giátrịđầu vào củabiếnX saukhităng/giảmmộtlượngxácđịnh X3 Sinh khối vi sinh vật dị dưỡng (mg/L).X4 Sinh khối vi sinh vật tự dưỡng (mg/L).Y1 Giá trị đầu sở tương ứng với biến X1.Y2 Giátrịđầu ratươngứng vớibiếnX2 α Hệsố đối lưudịng bảo tồn α1,α2Bộhệsố điều chỉnh tươngứng vớiqtrìnhquang hợp α3,α4B ộ hệsố điều chỉnh tươngứng vớiqtrìnhhơhấp Pcons Tốcđộoxitiêu thụdohôhấp (mgL-1ngày-1) β Hệsố đối lưu β1 Lượng oxi tạo từ đơn vị khối lượng tảo (g O2/g tảo).β2 Lượng oxi tiêu thụ từ đơn vị khối lượng tảo (g O2/g tảo).β3 Tốcđộquanghợp củatảo (1/s) β4 Tốcđộhô hấp tảo(1/s) γ Sốhạng nguồncủadịngbảo tồn γ1 Hằng số tốc độ phát triển vi sinh vật dị dưỡng (1/s).γ2 Hằng số tốc độ phát triển vi sinh vật tự dưỡng (1/s).δs Độsâuxâmnhập (m) δw Độdầylớpbiênkhuếchtán (m) θs Hệsố điềuchỉnhnhiệtđộ µ NhântửLagrange ε Phầnthờigian củangàycó ánhsángmặttrời μ* Tốc độ tiêu thụ oxi sinh hóa cực đại (mg L-1ngày- )Ω Vùngtính tốn ∂Ω Biêncủa vùngtính tốn θ Hệsố điềuchỉnhnhiệtđộ