Bảo vệ nguồn nước - Chương 4 pot

1 O y Chiều dòng chảy x k-1 k k+1 Đi ể m x ả nư ớ c th ả i m m+1 m -1 Chương 4 CÁC MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC Các mô hình đánh giá chất lượng nước dựa trên quá trình tự làm sạch của nguồn nước. Mô hình đánh giá chất lượng nước có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng nưóc nguồn. 4.1 Các mô hình chất lượng nước sông 4.1.1 Mô hình 2 chiều với chất bẩn bền vững  Trong trường hợp nước thải ổn định: F(c) 0 , c/t=0 Khi đó: vc/x=Dy.  2 c/y 2 (1) Hiện nay có xu thế chung để giải phương trình (1) bằng: Mô hình toán; Hàm lượng giác; Dùng phương pháp chuỗi; Dùng phương số (phương pháp gần đúng): Chia nhỏ ra để đúng dần Sau đây là một số phương pháp giải phương trình trên a, Mô hình Carausep (Dùng phương pháp sai phân hữu hạn) c/x=D y .  2 c/y 2   x C / x =Dy  2 y C / y 2 (2) - Gốc toạ độ đặt tại điểm x=0 (tại điễm xả nước thải) - Sự chính xác của bài toán phụ thuộc vào cách chia và cách chọn Từ(2) ta có  x C =  2 y C.Dy. x / y 2 mkmkmkmkmk CCCC y xDy C ,11,1,11,1 2 , )2(      (3) - Theo carausep đối với các sông đồng bằng thì: Dy.  x / 2 y = 1/2 (4) )(2/1 1,11,1,   mkmkmk CCC - Đối với trường hợp khác Dy=gH/MC s (4) g: gia tốc trọng trường=9,81m/s H: Độ sâu trung bình của sông M : Hàm của hằng số cedi M=0,7C s +6 (m 0,5 /s) C s : Hằng số cedi của sông - Từ (3) và (4):  x = M.C s .  2 y /2gH (5) y: Phụ thuộc vị trí xả: )2( 1,1,11,1 2 ,1,      mkmkmkmkmk CCC y xDy CC 2 + Xả ven bờ y=Q nt /vH + Xả lòng sông : y=Q nt /2vH ví dụ: Giải: Đây là trường hợp xả lòng sông y=0,8/2.0,2.1,8=1,11m M=0,7.38,4+6=32,9 (m 0,5 /s) x=32,9.38,4/2.9,8.1,8=43,8m Số khoảng theo y, x: N y =500/1,11= N x =70/43,8= x y 1 2 3 4 5 6 10 11 12 1 0 2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 7,5 15 7,5 8 0 0 30 15 30 19,2 9 0 60 30 45 30 26,8 18,0 10 120 60 60 45 45 26,8 26,8 11 120 60 60 45 45 26,8 26,8 12 0 60 30 45 30 26,8 18,0 13 0 0 30 15 30 19,2 14 0 0 0 15 7,5 15 0 0 0 0 7,5 Kết quả tính toán: C max 500 =26,8mg/l , n=120-0/26,8-0=4,48 b, Mô hình Frôlôp:Rodziller  Điều kiện biên: - Các dòng chảy vô tận - Không đề cập số lần pha loãng ban đầu -Xả tập trung - B = 70 m - H =1,8 m - C S = 38,4 m 0,5 /s - v = 0,2 m/s - C NG = 0 - C NTH = 120 mg/l - x =500 m n = ? C MAX = ? Q NTH =0,8 m 3 /s 11 m 500 m )exp()( 3 LCCoCC MAX   3 C: Nồng độ chất bẩn tại điểm xáo trộn hoàn toàn C o : Nồng độ chất bẩn của nước thải Hệ số khuếch tán Dy xác định theo công thức của Popanov : D y =Hv x /200  Hệ số thụ thuộc vào vị trí xả  = 1 xả ven bờ  = 1,5 xả giữa dòng  : Hệ số phụ thuộc vào hình thái của sông = L/L thẳng ưu điểm: thông tin đơn giản (số liệu đầu vào) nhược điểm: sai số lớn do thông tin gần đúng ứng dụng: Chỉ áp dụng cho sông lớn, dài vô tận. 4.1.2 Mô hình chất lượng nước 1 chiều đối với chất bẩn không bền vững - Điều kiện biên: 0<=x<=; 0<=t<= c/t+v. c/x-Dx 2 c/x 2 - f(C t ) =0 (4) t: Thời gian của dòng chảy tính từ điểm xả => điểm tính toán v: vận tốc (m/s) Dx: hằng số khuyếch tán theo phương x f(C t )= - KC C x,o =C đầu (nồng độ chất bẩn trung bình của sông trước khi xả nước thải vào) Khi xả nước thải tại x = 0 => C o,t = f(t) a) Xác định nồng độ chất bẩn của sông tại thời điểm t, vị trí X Điều kiện biên: Trước khi xả nước thải vào sông, nồng độ chất bẩn không thay đổi theo thời gia C o,t = f(t) = C 0 =cons. Dùng toán tử Laplas để giải(4) - Hệ số khuếch tán tính theo công thức: D X = 2138H.U.(V/U) 2 (5) 3 nth Q Dy   kt C x D kt D v D v kt C CC dau x x x dau tx 21 ]) 21 4 2 exp[() 21 ( 2 2 0,       4 - U: vận tốc động học của dòng chảy: S C gV U .  HiV V C S .  C s : Hệ số cedi của sông, i: Độ dốc thuỷ lực, H: Chiều sâu sông - k: hằng số chuyển hoá chất bẩn(ở 20 độ C, nước thải sinh hoạt (BOD) k=0,1 b. Cũng như trên nhưng nồng độ chất bẩn thay đổi theo thời gian Bằng cách giải như trên ta có: M: hàm của hằng số cedi M=0,7C s +6 c, khi xả tức thời lượng chất bẩnG vào sông thì sau tác động đó ở khoảng cách x thì C x,t =? : diện tích tiết diện ước tính của vùng nước bị nhiễm bẩn, phụ thuộc loại chất bẩn 4.1.3 Mô hình BOD - DO của sông  Đặc trưng cho mô hình này là độ thiếu hụt ôxi D và BOD  D / t + v D / x = D x  2 D / 2 x + F(c) (8)  L / t + v L / x = D x  2 L / 2 x - K 1 L F(c)=K 1 L - K 2 D + K 1 : Hằng số tốc độ tiêu thụ ôxy (1/ngày) + K 2 : Hằng số tốc độ hoà tan ôxy trên bề mặt (1/ngày) + L: Nồng độ BOD (mg/l)  Trong trường hợp xáo trộn hoàn toàn, quá trình tự làm sạch chủ yếu dựa vào vi sinh vật => phương trình (8) chuyển về dưới dạng Phelp -Streeter (Đây là mô hình đơn giản nhất, chỉ đề cập đến quá trình tiêu thụ ô xy của vi sinh vật hiếu khí và hoà tan ô xy qua bề mặt khi có thiếu hụt ô xy) d D /d t = K 1 L - K 2 D dL/dt = - k 1 L D t =[k 1 L 0 /(k 2 - k 1 )] [exp(-k 1 t) - exp(-k 2 t)] + D 0 exp(-k 2 t) (10) L t = L o x 10 - K1.t + L bs - D o và L o là độ thiếu hụt ô xi và BOD ban đầu, tại thời điểm t = 0 - L bs: Nồng độ BOD bổ sung do các yếu tố + quá trình sinh hoá gây nhiểm bẩn (7)   )exp(1)( 0,0 MtCtfC t           kt tD vtx tD G C x x tx 4 )( exp 4 2 ,  kt C x D kt D v D v kt C Mt CC dau x x x dau tx 21 ]) 2 21 4 2 exp[( 21 ) 21 1 ( 2 2 0,               5 + Vẩn cặn đáy xâm nhập trở lại + Nguồn khác bổ cập  Trong điều kiện Việt Nam, các sông hồ đô thị nước ta tính theo công thức L x,max =L ng exp(-k 1 t) + 1/n (L nt - L ng )exp(-k 1 * t) +L bs - L ng :BOD của nước sông khi chưa xả nước thải vào t=0 - L nt : BOD của nước thải sông tại điểm t=0 - n: số lần pha loãng - L bs :BOD bổ sung. Đối với kênh hồ đô thị: L bs (ng/l) + Kênh thoát nước với v = 0,01 -0,02 1,4 - 2 + Hồ đô thị với thời gian nước lưu lại 10-20 ngày 2,5 - 3,5 20 -40 ngày 3,0 - 4 - k 1 : hằng số tốc độ tiêu thụ ôxi trong nước nguồn + Kênh, mương thoát nước, v nhỏ hơn 0,02 m/s: K 1 = 1,0142 + 0,14 L ng (ngày -1 ) - Cơ số logarit + Đối với hồ đô thị tiếp nhận nước thải sinh hoạt: K 1 = 0,229 t - 0,656 (ngày -1 ) - K 2 : hằng số tốc độ hoà tan ôxy, phụ thuộc vào v, nhiệt độ, độ sâu H K 2 = 86400 (D x v) 1/2 /H 3/2 D x : Hệ số khuếch tán, D x = 2,05.10 -9 ở 20 0 C. 4.1.4 Đặc điểm quá trình pha loãng và chuyển hoá chất bẩn trong sông khi có nhiều nguồn thải. a, Đối với các chất bẩn bền vững: 1 1 1 1, QQ C Q C Q C NG NG NG XT    1 2 3 4 Q 1 C 1 Q 2 C 2 Q NG C 1 C NG C MAX , C MAX ,2 C MAX ,3 C MIN ,1 C MIN ,2 C MIN ,3 C XT ,1 C XT ,2 C XT ,3         1 1 1 1 1 1, n i Q Q C Q C Q C NG n i i NG NG nXT 6 b)Đối với các chất bẩn không bền vững : Nếu k 1 = const 4.2 Các mô hình đánh giá chất lượng nước hồ 4.2.1 Đặc điểm hồ Hồ là nơi yếu tố dòng chảy không rõ rệt, quá trình vận chuyển trong hồ chủ yếu nhờ gió và các quá trình thuỷ động lực trong hồ a, Phân loại hồ  Theo nguồn gốc hình thành - Hồ tự nhiên Đặc điểm: Hình thành do sự vận động của vỏ thực động vật làm cho địa hình biến đổi tạo vùng trũng chứa nước bề mặt chảy xuống hoặc nước ngầm. Hệ sinh thái trong loại hồ này thường ổn định. -Hồ nhân tạo: Được hình thành do con người tác động (Hồ đào và hồ đắp) Đặc điểm: Do thời gian hình thành ngắn nên hệ sinh thái chưa ổn định. Điều kiện sống hay bị thay đổi, sinh vật dễ chết hoặc thay đổi trạng thái hoạt động  Theo độ mặn: Hồ nước ngọt , Hồ nước mặn, Hồ nước lợ QQ C Q C Q C ING NG NG XT tktk     1010 1111 . 1 1 . 1,          n ING n n n iNGnXT nXT QQ C QQQQ C tktk nn 1 . 1 1 . 1, , 1010 11 )(. ? ,  C NXT 1 2 3 Q 1 C 1 Q 2 C 2 Q NG C 1 C NG C MAX , C MAX ,2 C MIN ,1 C MIN ,2 C MIN ,3 C XT ,1 C XT ,2 C MAX ,3 C XT ,3 t 1 t 2 t 3 7  Theo mức độ dinh dưỡng: Hồ giàu dinh dưỡng, Hồ trung bình, Hồ nghèo dinh dưỡng b, Các đặc tính cơ bản của hồ - Sự phân tầng nhiệt độ , ô xi theo chiều sâu - Sự phân vùng theo đường đồng tâm  Phân tầng nhiệt độ - Tầng mặt : Nhiệt độ nước thay đổi theo môi trường bên ngoài, nước bị xáo trộn do gió ( xúc tác không khí ổn định ) sâu 0 đến 0.5 m - Tầng giữa: sâu 0,5 đến 2,5 m. Chiều sâu của tầng phụ thuộc kích thước, chiều sâu hồ , vị trí địa lý, khí hậu, môi trường Nhiệt độ của tầng giữa không ổn định. Tại tầng này, có sự xáo trộn nhưng chỉ xáo trộn trong bản thân tầng giữa do sự chệnh lệch thành phần nhiệt độ giữa tầng 1 và 3. -Tầng đáy : Sâu trên 2,5 m . Nhiệt độ ổn định. nhiệt độ chênh lệch giưa tầng đáy và tầng mặt lớn( lên đến 30 0 ). Đây là lý do ảnh hưởng đến hệ sinh thái trong hồ =>thành phần sinh vật trong hồ rất khác nhau  Phân tầng chế độ oxy : - Chế đô xy phản ánh: mức độ dinh dưỡng, QT. thuỷ động học và sinh hoá. - Ô xi cung cấp cho hồ chủ yếu là quá trình khuyếch tán và quang hợp - Theo độ sâu, chế độ ô xy chia 3 vùng: Hô hấp hiếu khí (100%), hô hấp tuỳ tiện (o xy bão hoà bão 30-60%) hoà và hô hấp kị khí (ô xi bão hoà <30%) Nhiệt độ KK Mùa đông Nhiệt độ KK mùa hè Nhiệt độ nướ c mùa Hè H t Mùa Đông Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3 Tiêu thụ do hô hấp DO tích luỹ do quang hợp DO th ự c t ế DO khuyếch tán H DO,% 0,3  0,5 m 0,15  0,2 m 0-1,5m 1,5 - 2,5m Vùng hiếu khí Vùng tuỳ tiện Vùng yếm khí 8  Phân vùng theo chế độ dinh dưỡng: Phân vùng theo nguyên lý đồng tâm: Chất hữu cơ, dinh dưỡng giảm dần từ ven bờ vào giữa. - Ven bờ thì phù du thực vật và thực vật bậc cao phát triển hơn - P, N cuốn theo nước bề mặt trôi xuống tập trung ở ven bờ 4.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước hồ (Hồ nước ngọt) a, Đánh giá theo mức độ ô nhiễm: TCNN 5942-1995 có các tiêu chỉ đánh giá chất lượng nước hồ b, Mức độ dinh dưỡng Chỉ tiêu Oligotrophic (nghèo dd) Eutrophic (giàu dd) Độ sâu Sâu (Tầng đáy>tầng mặt) Nông (T.đáy<tầng mặt) Độ trong đĩa secchi,m >4,0 m <2,0 m Màu Lam Lục pH Trung tính Trung tính - Kiềm Bão hoà O 2 tầng đáy > 80% < 10% Chất dinh dưỡng: N P <0,2 mg/l <0,02 mg/l >0,2 mg/l >0,02 mg/l Chlorophyll a 0,3-2,5mg/m 3 (10-50 mg/m 2 ) >5 mg/m 3 (>20 mg/m 3 ) Thực vật phù du Tảo khác nhau (số lượng ít) Tảo lam, tảo lục Động vật phù du Nghèo Phong phú Động vật đáy Phong phú Nghèo CHC đáy thấp Cao 4.2.3 Quá trình pha loãng nước thải trong hồ Quá trình pha loãng chủ yếu phụ thuộc: - Chế độ thuỷ động học(chủ yếu do gió ) - chế độ xả nước thải vào hồ a, Mô hình Rufell: Theo Rufell quá trình pha loãng chủ yếu do gió và phụ thuộc nhiều vào điểm xả nước thải ở tầng mặt hay tầng đáy n=n đ . n c Trong đó:  n đ = f (điều kiện xả nước thải) - Xả NT tầng mặt: 2 2 00118,0 0118,0 HQ HQ n nth nth d    Gió Gió Hồ nông Hồ Sâu 9 - Xả NT ở tầng đáy thì Trong đó: + Q nth : nước thải xả vào hồ m 2 /s + H: chiều sâu của cống xả nước thải (độ ngập của cống). - Nếu cống nằm trên mặt nước thì n đ = 1  n c (Số lần pha loãng cơ bản) phụ thuộc tình hình xả NT - Xả nước thải ven bờ - X ả NT xa bờ xL c xLn   /0064,041,0 )/(32,285,1 Trong đó: L: Khoảng cách tính từ địa điểm xả NT đến vị trí tính toán x: bước theo hướng nước xả x =6, 53.H 1,167 hồ H hồ : độ sâu trung bình của hồ b, Mô hình của Lásôp  Điều kiện biên: - Vận tốc nước thải tại miệng xả v o > 2m/s - Chiều sâu hồ / Đường kính miệng xả , H / d 0  30  Số lần pha loãng: Trong đó: - A:Hệ số. Xả nước thải tập trung: A=1 Xả nước thải phân tán A = 0,74 (L/l 1 + 2,1) - 0,4 - L: Khoảng cách từ miệng xả đến điểm tính toán - l 1 : Khoảng cách giữa các điểm xả phân tán - p: Đặc trưng cho chế độ thuỷ động học trong hồ - v TB : vận tốc trung bình dòng chảy trong hồ - v 0 : vận tốc nước thải tại miệng xả ( > 2m/s ) - s: Hệ số phụ thuộc độ sâu của hồ - H: độ ngập trung bình của cống xả trong hồ Ví dụ: xác định số lần pha loãng n, C X ; xả tập trung với các điều kiện đây: H = 30 m; Q nth = 0,32m 3 /s; L = 500m; v TB = 0,02m/s, C 0 = 150mg/l; C ng = 10mg/l 2 2 000435,0 0087,0 HQ HQ n nth nth d    )(0002,0627,0 )(142,01 x L c x L n     SP d L An . 0 2,0          5 0 10)(360 325,0 875,0 v v H S   X L TBo TB VV V P   000015,0 10 Giải: Sơ bộ chọn v 0 = 2,5m/s; Từ v d Q 4 14,3 2 0  Error! 30: 0  d H dk Để đảm bảo đk => chọn d 0 =0,4m, v=2,53m/s Xả nước thải tập trung =>A=1 n = (C 0 - C ng )/ (C x - C ng ), thay vào ta tính được C x 4.2.4 Mô hình chuyển hoá chất hữu cơ (BOD) trong hồ  Điều kiện biên: - Xem hồ tính toán là hồ sinh vật ổn định. - Các quá trình xảy ra trong hồ là phản ứng bật 1  Quá trình xáo trộn hoàn toàn Thời gian nước lưu lại trong hồ o rt ra Q V t LL LL k t      lg 1 1 Trong đó: - L a : BOD của hỗn hợp nước thải và nước hồ sau khi xáo trộn hoàn toàn L a = (L ng .Q ng + L nt .Q nt )/( Q ng +Q NT ) - Q 0 =Q ng +Q NT - L r : Lượng chất bẩn bổ sung do: phì dưỡng, tái nhiễm bẩn lần 2; do chất bẩn cuốn trôi bề mặt (run-off) L r = 2 - 3 mg/l - k 1 : Hằng số tốc độ tiêu thụ ô xy sinh hoá (hằng số chuyển) Thông thường lấy: k 1 =0,1 - 0,3 (ngày -1 ) - v : dung tích hồ md 404,0 5,2*14,3 32,0*4 0  126) 4,0 500*2,0 (1 884,0 10) 53,2 02,0 (360 30*325,0875,0 997,0 02,053,2*000015,0 02,0 5         n s p Q 0 , La Q 0 , Lt t = 3 - 60ng Q ng , Lng Qnt, Lnt [...]... 100kj - N/P = 16 * 14/ 1*31 = 7,2 (**) - Trong quá trình quang hợp (1, 4- 1 ,7)g O2 1g sinh khối tảo thực vật lấy H+ để quang hợp => (1, 5-2 )g CO2 OH tăng => nước có môi trường kiềm Muối dinh dưỡng - Cả N, P đều rất qua trọng, N: 6 0-9 0 g quyết định quá trình phì dưỡng P: 9-1 5 g Tuy nhiên để đánh giá, dựa vào tỷ lệ N/P: N: 6 0-9 0 kg Các yêu cầu để hình thành 1 g tảo +N : P  12 Nguồn: Poul haremoos, 19 84 :P... loãng xác định theo Rufell hoặc Lapsop 4. 2.5 Mô hình chuyển hoá chất dinh dưỡng trong hồ Quá trình chuyển hoá chất dinh dưỡng và tổng hợp sinh khối là nguyên nhân của: - Chất hữu cơ tăng (tái nhiễm bẩn) - Chất độc hại tăng đột ngột; - Màu, mùi Trong nước (đặc biệt trong hồ dòng chảy yếu) tảo và phù du thực vật khác phát triển và tăng nhanh: 106 CO2 + 16 NO 3- + HPO4 2- + 122 H2O + 18 H + + (yếu tố vi lượng)... (sử dụng để đánh giá) + N: P  7,2 : N là yếu tố giới hạn + N:P =7,2 -1 2: Cả N và P là yếu tố gới hạn Thông thường, trong nước: N/P = 20 => theo (**) khi p trong nước tăng => Tảo phát triển mạnh => nước nở hoa, tái nhiễm bẩn lần 2 Chính vì vậy, để tránh hiện tượng nở hoa trong nước người ta phải khống chế hàng lượng p trong nước -Trên cơ sở đó nhà sinh thái học người Đan mạch Volenweider(1976) đã xác... sinh thái trong hệ ST hồ l Nguồn: Tchobanoglous, George,1985 - : hằng số phụ thuộc điều kiện chế độ thuỷ động học và hình thái của hồ L dai   5    0,7  0,8 B rong L  5    0,3  0,65 B Như vậy từ công thức trên sẽ xác định được Lt - nồng độ BOD tại thời điểm t bất kỳ Nếu không xác định trộn hoàn toàn phải kể đến hệ số pha loãng Lt = Lng.1 0- k1 t + (1/n) (LNT - Lng)1 0- k1.t + Lr Trong đó: k... do nước mưa đưa vào S[P]: Lượng p bị trầm tích lắng đọng trong hồ R[p]: Lượng P do các phù du thực vật tiêu thụ cho quá trình quang hợp v: dung tích hồ - Theo Volenweider: [p]ra = [p]vào/ (1+ t - 1/2 ) (2) t: thời gian nước lưu lại trong hồ (tính bằng năm) Biểu thức xác định lượng P tới hạn( tải lượng cho phép của p trong hồ) Lc=10 qs [1+(H/qs) 0.5 ] (3) (mg P / m3 năm) 12 Trong đó: - qs: Tốc độ nước. .. P tới hạn( tải lượng cho phép của p trong hồ) Lc=10 qs [1+(H/qs) 0.5 ] (3) (mg P / m3 năm) 12 Trong đó: - qs: Tốc độ nước chảy trong hồ tính theo bề mặt qs= Q/A = m 3 nước vào hồ trong năm / diện tích hồ - H: độ sâu trung bình của hồ - Nếu tải lượng P trong hồ Lp > Lc => phì dưỡng Lp ổn định Pthực vật Pđộng vật PV ăn cỏ Pcá P Pr Pđộng vật Trầm tích Pthực vật BOD độc Phì dưỡng màu mùi 13 . + Kênh thoát nước với v = 0,01 -0 ,02 1 ,4 - 2 + Hồ đô thị với thời gian nước lưu lại 1 0-2 0 ngày 2,5 - 3,5 20 -4 0 ngày 3,0 - 4 - k 1 : hằng số tốc độ tiêu thụ ôxi trong nước nguồn + Kênh,. n=12 0-0 /26, 8-0 =4, 48 b, Mô hình Frôlôp:Rodziller  Điều kiện biên: - Các dòng chảy vô tận - Không đề cập số lần pha loãng ban đầu -Xả tập trung - B = 70 m - H =1,8 m - C S = 38 ,4. L x,max =L ng exp(-k 1 t) + 1/n (L nt - L ng )exp(-k 1 * t) +L bs - L ng :BOD của nước sông khi chưa xả nước thải vào t=0 - L nt : BOD của nước thải sông tại điểm t=0 - n: số lần pha loãng - L bs :BOD