Chương 3 TỰ LÀM SẠCH NGUỒN NƯỚC 3.1. Quy luật cơ bản của quá trình tự làm sạch nguồn nước 3.1.1 Khái niệm chung a) Khái niệm Tự làm sạch là tổ hợp các quá trình tự nhiên như các quá trình thuỷ động lực, hoá học, vi sinh vật học, thuỷ sinh học, diễn ra trong nguồn nước mặt bị nhiễm bẩn nhằm phục hồi lại trạng thái chất lượng nước ban đầu b) Các vùng ô nhiễm và tự làm sạch nguồn nước - Vùng I: Xáo trộn nước thải với nước nguồn nhờ quá trình khuếch tán tạo tia. - Vùng II: Vùng pha loãng nước thải nhờ khuếch tán chất bẩn với nước nguồn. - Vùng III: Vùng xáo trộn hoàn toàn nhờ khuếch tán. - Vùng IV: Vùng phân huỷ hoặc chuyển hoá chất bẩn. Phục hồi trạng thái ban đầu (C 4 TB ~C o ). - Vùng V: Vùng chất lượng nước được phục hồi. Quá trình tự làm sạch bao gồm 2 quá trình: Xáo trộn, pha loãng: Chủ yếu tại vùng I và II Quá trình phân huỷ, chuyển hoá: Chủ yếu ở vùng III và IV 3.1.2 Quy luật lan truyền (mô hình toán ) của quá trình Quá trình khuếch tán các chất bẩn trong dòng chảy được mô tả: - C , t : Nồng độ chất bẩn và thời gian . C o C 1 C o C nt C 1 Max C 0 C nt I II III IV C 2 Max C 0 C 3 TB C 0 Y X )(cF z C zy C yx C xz C y C x C t C DDD UUU ZYX ZYX (1) - U X Y,Z : Vận tốc dòng nhảy toàn phần theo các phương x,y,z ; Đặc trưng quá trình vận chuyển vật chất nhờ đối lưu. - D X ,Y, Z : Hệ số khuếch tán theo các phương x , y, z; đặc trưng quá trình vận chuyển chất nhờ gradien nồng độ và sự chảy rối. Một số trường hợp riêng: a) U Y ,U Z << U X (đối với sông có dòng chảy lớn):U x v; D Y , D Z 0, D X = cosnt b) Đối với sông rộng hoặc hồ (có dòng chảy chủ đạo): Khuếch tán tịnh tiến theo phương x và khuyếch tán rối theo phương yU Y , U Z << U X ; D y >> D x , D Z Sau khi nước thải và nước nguồn xáo trộn hoàn toàn thì các phương trình trên viết dưới dạng: dC/dt =F(C) F(C): Lượng chất phát sinh từ nguồn thải và quá trình biến đổi hoặc chuyển hoá trong nước. IrCF i )( Trong đó: r i : lượng chất sinh ra trong quá trình biến đổi thứ i I: Lượng chất được cung cấp từ nguồn nước thải 3.2 Quá trình pha loãng xáo trộn nước thải với nước nguồn 3.2.1 Quá trình pha loãng: Đặc trưng của quá trình là số lần pha loãng n: CngC CngC Q QQ n NT NT NTNG ' + Q' NG = Q NG : Lượng nước nguồn tham gia và quá trình pha loãng + = 0.85 - 0.9: tỷ lệ của nước nguồn tham gia pha loãng với nước thải C NT : Nồng độ chất bẩn trong nước thải C NG : Nồng độ chất bẩn trong nguồn trước khi pha loãng C : Nồng độ chất bẩntrong nguồn tại thời điểm tính toán. Nồng độ nước thải tại điểm tính toán: (5) )( 2 2 CF C x C v t C y D y )( 2 2 CF x C x C v t C D X (2) (3) (4) t W QQQ C t W QQQ QQQ QCQC C MNGNT NG MNGNT MNGNT NGNGNTNT exp exp1 Q NT : lượng nước thải vào . Q M :Tổng lượng nước mất đi trong quá trình xáo trộn (bay hơi, thấm ) Q NG : Tổng lượng nước nguồn. W : Dung tích sông, hồ . t : Thời gian dòng chảy từ thời điểm ban đầu đến thời điểm t. -Xáo trộn hoàn toàn, t= , Đối với sông Q M 0 NGNT NGNGNTNT QQ QCQC C - Đối với hồ: do dòng chảy nhỏ nên đưa ra chu kỳ trao đổi nước (thời gian nước lưu lại trong hồ). Nồng độ chất bẩn khi xáo trộnhoàn toàn: W QQQ MNGNT 1 NGNT NGNGNTNT XT QQ QCQC C - Đối với biển: C XT C BIEN Các giai đoạn pha loãng: 2 giai đoạn - Giai đoạn 1 (giai đoạn đầu): n đ Nhờ quá trình khuếch tán các tia nước thải từ miệng xả vào nguồn nước và sự chênh lệch tỉ trọng giữa NT và nước nguồn. n đ phụ thuộc TP, tính chất, V NT , Q NT của nước thải và vị trí , cấu tạo miệng xả - Giai đoạn 2 (Giai đoạn cuối): n c - nhờ chế độ thuỷ động học dòng chảy. n c phụ thuộc Q NG , V NG chiều sâu, rộng và độ khúc khuỷu của sông, hồ C C CC n NG NGNTH 1 1 C C CC n NG NG 2 1 2 nxnn C C CC NG NGNTH 2 21 Vậy: n = n đ x n c 3.2.2 Các hệ số xáo trộn và hệ số khuyếch tán a) Hệ số xáo trộn : - L: Khoảng cách tính từ điểm xả nước thải đến điểm tính toán theo chiều nước chảy. -: Hệ số phụ thuộc chủ yếu của chế độ thuỷ động học của dòng chảy. -: Độ khúc khuỷu cuả dòng chảy, có thể xác định bằng công thức: =L dòng chảy /L thẳng - :đặc trưng cho vị trí của miệng xả nước thải D y: hệ số khuyếch tán rối của dòng chảy theo phương y b) Hệ số khuyếch tán rối Theo phương x: D x = a . R . v * Trong đó: a: hệ số phụ thuộc trạng thái thuỷ lực của dòng chảy (=8,7- 640 tuỳ thuộc vào sông, suối) R: bán kính thuỷ lực cuả dòng chảy v * : vận tốc động học của dòng chảy(khác với v, v x có kể đến hệ số nhám của sông) 8 * VxV :hệ số nhám Theo phương y: - Công thức ơle đối với sông: D y =0,23(Hv * ) (m 2 /s) - Công thức Bensal đối với sông, hồ: Q Q NG NG ' )exp(1 )exp(1 3 3 L L Q Q NT NG 3 NT y Q D 387,1 /3524 HB HV D X y Trong đó: H:chiều sâu trung bình của dòng chảy B:chiều rộng trung bình của dòng chảy v x :vận tốc dòng chảy của sông theo phương x - Công thức của Popanov (Sông dài vô tận): D y =Hv x /200 3.2.3 ý nghĩa của quá trình pha loãng nước thải với nước nguồn trong vấn đề bảo vệ nguồn nước: Giảm nồng độ chất bẩn tại các điểm cục bộ, nhằm đáp ứng quá trình tự làm sạch, hay điều chỉnh sinh thái (lắng cặn đều, khả năng tiếp xúc giữa SV với chất bẩn tốt hơn ) Dựa vào số lần pha loãng hay xáo trộn, đánh giá được chất lượng nước và mức độ xử lý. (Xem các ví dụ trong sách HDA ĐALNT). Phân bố, qui hoạch các điểm xả đáp ứng yêu cầu bảo vệ chất lượng nước sông, hồ. 3.3 Quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nguồn nước 3.3.1 Các quá trình chính * Quá trình oxi hoá sinh hoá chất hữu cơ, làm giảm BOD và COD * Quá trình quang hợp, tăng DO, giảm BOD * Các quá trình hoá học , hoá lý: Hấp thụ, keo tụ, kiềm hoá, lắng cặn, bay hơi Các quá trình này sẽ làm giảm COD và SS trong nước * Quá trình khuyếch tán ôxi qua bề nặt nước sông hồ=> BOD giảm, DO tăng * Quá trình hô hấp của vùng cặn đáy => giảm DO, BOD, COD * Quá trình lắng đọng của kim loại nặng=> giảm SS, giảm kim loại nặng Hiện nay, toàn bộ các quá trình này coi như nó diễn ra theo các phản ứng bậc 1 theo phương trình sau: dC/dt= - KC dC/dt=dC 1 /dt+dC 2 /dt+ +dC n /dt =- (k 1 +k 2 +k 3 + +k n )C C t = C o exp{- (k 1 +k 2 +k 3 + +k n )t} Trong đó: k 1 ,k 2 ,k 3 ,k n : các hệ số tốc độ chuyển hoá chất bẩn theo các quá trình 1,2,3 n C t =C 0 exp (-(k 1 +k 2 +k 3 + +k n )t) 3.3.2 Quá trình ôxi hoá sinh hoá chất hữu cơ Quá trình ô xy hoá sinh hóa diễn ra như sau: CHC+O 2 vi khuẩn hô hấp CO 2 + H 2 O + năng lượng Phương trình vi phân phản ứng bậc 1 dL/dt= -k 1 L L t =L 0 exp(-k 1 t) Trong đó: Chất hữu cơ Thực vật bậc cao Nư ớ c thải Ôxy hoà tan Hợp chất nitơ Ch ế t Q.hợp Tảo Bùn đáy Chết và phân huỷ Phản nitorat nitorit, nitorat hoá Q.hợp Vi khuẩn chết Vẩn nổi Vi khuẩn Hô hấp Q.hợp Hô hấp Phân huỷ Hô hấp Sinh trtưởng Chết O 2 bề mặt Chết và phân huỷ Vẩn nổi Ch ế t L ắ ngt - k 1 : Hằng số tốc độ tiêu thụ ôxi trong điều kiện nhất định - đặc trưng cho tốc độ phản ứng ( ngày -1 ) k 1 = f ( t 0 , pH, thành phần, tính chất nước, chế độ thuỷ động học) Để đơn giản người ta chia k 1 ra 2 thành phần: k 1 =k 1tĩnh . k 1động + k 1 tĩnh : Phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần, tính chất nước ở điều kiện 20 0 C, trong phòng TN , đối với nước thải sinh hoạt hoặc nước thải có thành phần tương tự nước sinh hoạt : k 1tĩnh20oC = 0,1/ngày (cơ số logarit thập phân) = 0,23/ngày(cơ số logarit tự nhiên) Khi điều kiện T thay đổi k 1tĩnhT =k 1tĩnh20oC T-20 Theo phelp-streder,Ratzenler =1,047 Theo N/c khác: khi 4<T<20 0C =1,135 khi T>20 0 C =1,056 + k 1động = Phụ thuộc vào chế độ dòng chảy K 1 động = k 1 tĩnh . H - m . V n Trong đó: m, n là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào từng loại nguồn m = f(H) = 0.1 - 1.5 n = f(V) = 0.5 - 2.5 - Bằng thực nghiệm, hệ số k 1 tại Hà Nội được xác định như sau: +Đối với hồ: k 1 (25 o ) =0,229t -0,856 ( ngày -1 ) t: Thời gian nước lưu lại trong hồ + Đối với sông thoát nước Hà Nội : v 0,02 m/s k 1 =0,0142+0,14 lg L o ( ngày -1 ) 3.3.3 Qúa trình hoà tan oxy trong nước Nồng độ ô xy hoà tan trong nước phụ thuộc vào các quá trình sau: Bổ cập -Khuyếch tán bề mặt Phụ thuộc: T o , pH, TP và tính chất nước, chế độ thuỷ động học, cường độ ánh sáng Tiêu thụ (mất ôxi) -ôxi hoá sinh hoá chất hữu cơ trong nước; Nhân tố chính là vi khuẩn -Hô hấp bùn đáy -Tiêu thụ ôxi trong quá trình nitrat và nitrat -Quang hợp phù du thực vật và thực vật bậc cao: Đặc biệt quan trọng với hồ tù. -Bố cập ôxi từ thượng lưu(nguồn khác) - Quá trình phản nitơrat hóa -Động vật hô hấp -Thực vật hô hấp -Bay hơi (quá bão hoà) -ôxi hoá hoá học các chất bẩn khác trong nước Quá trình hoà tan ô xy được Street - Phelp đưa ra tính cho thời điểm t: Trong đó: k 2 :Hằng số tốc độ hoà tan oxy; k 1 : hàng số tiêu thụ ô xy Trong đó: + L:BOD của hỗn hợp nước thải và nước nguồn + D 0 , L 0 : Độ thiếu hụt ôxy và BOD ban đầu Chú ý: trong tính toán XLNT, t tới hạn không được lớn hơn 2 ngày D gh = C S -4 (mg/l) C S : Nồng độ o xy bão hoà, 4mg/l là giá trị tối thiểu trong sông hồ loại A + K 2 được xác định theo bảng sau đây: DL dt dD kk 21 )exp()exp()exp( 2021 12 01 tkDtktk KK LK D t t t t Tới hạn H ệ sinh thái m ấ t ổ n đ ị nh nh ấ t L o D t D o Nước thải O 2 M ứ c đ ộ ô xy bão hoà Mức O 2 thực tế trong sông hồ O 2 tạo ra do quang h ợ p O 2 tạo ra do tích luỹ hoà tan Tiêu thụ O 2 do phân huỷ, hô hấp Tiêu thụ O 2 do quá trình nitơrát hoá C S C CO 2 + NO 3 - + HPO 4 3- + H 2 O +H + ~ C 106 H 263 O 110 N 16 P + O 2 Nhiệt độ nước nguồn (độ C) Đặc điểm dòng chảy 15 20 25 30 -Dòng chảy yếu hoặc tù -Dòng chảy vận tối bé -Dòng chảy vận tốc lớn -Suối (v rất lớn) 0.25 0.43 1.06 1.70 0.34 0.46 1.15 1.84 0.49 1.24 1.99 0.54 1.75 2.15 Hoặc có thể xác định K 2 bằng các CT khác C: Bằng số thực nghiệm phụ thuộc nhiệt độ n: Hằng số thực nghiệm thuộc vận tốc và cấu tạo dòng chảy sông hồ Trong thực tế quá trình sản sinh và tiêu thụ ô xy còn phức tạp hơn rất nhiều (do quang hợp DO tăng )Tuy nhiên mô hình này đơn giản, dễ áp dụng vì vậy mô hình này đang được áp dụng phổ biến. 3.3.4 Quá trình quang hợp, hô hấp và lắng cặn a. Quá trình lắng cặn - Phụ thuộc: Chế độ thuỷ động học; Khả năng kết tụ trong quá trình vận chuyển; đặc tính nguồn - ý nghĩa: làm giảm nồng độ chất bẩn trong nước - Khi lắng xuống diễn ra quá trình phân huỷ cặn đáy với 2 vùng:: + Vùng trên, tiếp xúc với nước và ôxy thâm nhập nên có phân huỷ hiếu khí. + Vùng thiếu ô xy, diễn ra quá trình phân huỷ yếm khí chất hữu cơ, quá trình khử sunfát, nitơrát, nitơrít VD: H 2 S (tạo ra do phân huỷ yếm khí)+ F e = F e S hoặc Fe 2 S 3 (màu đen) Lên men kị khí tạo thành CH 4 b, Quang hợp - Phù du thực vật và thực vật bậc cao đóng vai trò lớn trong quá trình quang hợp từ N, P,CO 2 , năng lượng mặt trời, tổng hợp nên sinh khối và phải phóng ôxi - Là nguyên nhân của quá tái nhiễm bẩn: Do đầy 2 2 H Cv K n đủ điều kiện ánh sáng, dinh dưỡng làm tăng năng suất sơ cấp dẫn đến rong tảo chết hàng loạt, CHC tăng - Xu thế phù du thực vật nổi lên phía trên, tạo nên lớp màng cản trở thâm nhập ô xy và ánh sáng mặt trời. - Trong nhiều sông hồ, nồng độ tảo cao làm cho chế độ ôxi hoà tan thay đổi rất lớn, ban ngày có lúc do tăng đến 11mg/l , ban đêm do giảm xuống còn 4mg/l dẫn đến hiện tượng cá nổi đầu vào huổi sáng. - Một số loài thực vật có khả năng hấp thụ chất bẩn rất lớn: Bèo lục bình b, Hô hấp cặn đáy - Vi khuẩn hấp thụ ôxi để ôxi chất hữu cơ dẫn đến độ thiếu hụt ôxy lớn tại vùng nước sát lớp đáy - Quá trình nitrit và nitrat hoá diễn ra tại lớp cặn đáy, cũng là nguyên nhân dẫn đến độ thiếu hụt ô xy ôxi. - Do độ thiếu hụt ô xy tại vùng đáy lớn, do vậy tại vùng này thường xảy ra hiện tượng hô hấp kị khí. - Sản phẩm quá trình hô hấp cặn đáy là CO 2 , trả lại cho nước một lượng CHC, chất dinh dưỡng 3.3.5 Quá trình diệt khuẩn Các loại vi khuẩn gây bệnh trong nước khi xả vào nguồn nước bị tiêu diệt do: -Kém cạnh tranh với các vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ khác - Bị tiêu diệt bởi các tia năng lượng (tử ngoại, hồng ngoại) Quá trình diệt khuẩn trong sông hồ được thực hiện trong sơ đồ của Chick (phản ứng bậc 1) N t =N 0 10 Kv.T + Trong điều kiện 20 0 C trong các vùng giàu ánh sáng của sông thì hằng số: K v (coliform) = 0,436 - 0,785/ngày( Sông lớn lấy gía trị lớn) +Trong điều kiện khác 20 0 C + Trong các hồ sinh vật : k v (20 0 C) = 2 (vì vi khuẩn dị dưỡng lớn hơn nên khả năng cạnh tranh cao hơn) O 2 CO 2 NO 2 ,NO 3 BOD 075,1 20 20 T vt kvkv . CO 2 + NO 3 - + HPO 4 3- + H 2 O +H + ~ C 106 H 2 63 O 110 N 16 P + O 2 Nhiệt độ nước nguồn (độ C) Đặc điểm dòng chảy 15 20 25 30 -Dòng chảy yếu hoặc tù -Dòng chảy vận tối bé -Dòng chảy. thức của Popanov (Sông dài vô tận): D y =Hv x /200 3. 2 .3 ý nghĩa của quá trình pha loãng nước thải với nước nguồn trong vấn đề bảo vệ nguồn nước: Giảm nồng độ chất bẩn tại các điểm cục bộ,. trong nguồn nước mặt bị nhiễm bẩn nhằm phục hồi lại trạng thái chất lượng nước ban đầu b) Các vùng ô nhiễm và tự làm sạch nguồn nước - Vùng I: Xáo trộn nước thải với nước nguồn