Bài tập mô hình hóa môi trường

Cho vào thùng một lượng benzen và khuấy đều đến khi nồng độ benzen trong nước, không khí và bùn không đổi... Nồng độ cao nhất của chất ô nhiễm trong nước sông sau 4 giờ kể từ khi tr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÀI TẬP MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

GVGD: Nguyễn Linh Vũ

Sinh viên thực hiện:

Họ tên: Huỳnh Mạnh Phúc

Lớp: DH12MT

MSSV: 12127134

TP Hồ Chí Minh, tháng 6, năm 2015

I Bài tập 1

Câu 1: Nồng độ giới hạn của SO2 trong khí thải của ống khói nhà máy nhiệt điện là 500 mg/m3 ở điều kiện chuẩn (25oC, 1 atm.) Khối lượng riêng của khí thải ở điều kiện chuẩn là 1,184 kg/m3 Tính:

10

10 10

1 184

, 1

1 1

500

mgkk

kgkk kgkk

kk m kk

2 2

2 2

2 3 3

2

10

10 1

10 1

8 , 24 96

1 1

10 1

500

lSO

SO m molSO

lSO gSO

molSO mgSO

gSO kk

SO m lSO

SO m molSO

lSO gSO

molSO mgSO

gSO kk

m

mgSO

1 96

10 8 , 24 500 1

10 1

8 , 24 96

1 1

10 1

500

3

2 3 6 2

2 3 3 2 2 2

2 2

2 3 3

x10-4 atm

đốt củi là 5.000 ppmv Biết khối lượng riêng của khói là 1,3 g/L Đổi nồng độ này sang: a) Nồng độ mol/m3

2 , 0 8 , 24

1 1

10 10

5 10

5000

3 3

3 3 3

l kk

m

CO m kk

m

CO m

b) Nồng độ mg/m3

5600 1

10 28 1

10 1

10 3

, 1

1 1

5600

lkk

kk m mgCO

gCO gkk

lkk kk

3 6

10 5 1

10 5000



kk m

CO m atm

V

V Pkk

CO

P

kk

CO a

atm

5.2 mg/L Chuyển đổi nồng đó sang:

a) Nồng độ của phốt pho (mg/L P)

697 , 1 10

1

1 1

31 1

10 95

1 1

2

,

5

3 3 4 3

4

3 4 3 3

4

3 4 3

4          

gP

mgP molPO

molP molP

gP mgPO

gPO gPO

molPO l

mgPO

(mg/l)

b) Nồng độ mol của ion phốt phát

l mol mg

g g

mol l

mg

/ 10

5 , 5 1

10 95

1 1

độ BOD trong nước thải là C = 60 ppm Cho biết đoạn sông ngay trước khi đến miệng cống

xả có lưu lượng dòng chảy là 30 m3/s, vận tốc là 0,8 km/h Trước khi đến miệng ống xả, nồng độ BOD trong nước sông là 5 mg/L Tính:

a) Tải lượng thải của nhà máy

24

1 1

10 10

60

3 3

kg m

mg d

m

kg/h

b) Lưu lượng và vận tốc dòng chảy sau miệng ống xả

+ Lưu lượng của dòng chảy sau miệng cống xả:

km

h s

1

108

,

0

1

3600s

m30

3 3

) / ( 03 , 30 Q

2

3 x

m

s m

m

g s

m m

g s

d d

m

3

3 3

3 3

03 , 30

5 30

60 86400 3000

5,06 (g/m3) = 5,06 (mg/l)

d) Thông lượng BOD của sông sau miệng ống xả

) ( 135

) / ( 5 , 7 L

2 



m

h kg

II Bài tập 2

Câu 1: Mot thùng kín chứa 10 L nước và 10 L không khí và 1 kg bùn có hàm lượng chất

hữu cơ là 10% Cho vào thùng một lượng benzen và khuấy đều đến khi nồng độ benzen trong nước, không khí và bùn không đổi Biết:

 Ðộ tan của benzen là 1,8 g/L

 Hằng số Henry (không thứ nguyên) của benzen là 0,225

 Hệ số phân chia octanol-nướcc Kow của benzen là 131,8 Hệ số phân chia cacbon hữu cơ- nước Koc (L/kg) của benzen phụ thuộc vào Kow theo công thức : log10 Koc =

1,01 log10 Kow – 0,72

Tính nông độ benzen đã cho vào thùng nếu nồng độ benzen trong bùn đo được là 0,2 mg/kg

Giải

Ta có:

+ Thể tích không khí chứa benzen: Va = 10 l,

+ Thể tích nước chứa benzen: Vw = 10 l,

+ Khối lượng bùn chứa benzen: ms = 1 kg,

+ Nồng độ benzen trong bùn: Cs = 0,2 mg/kg,

+ Nồng độ benzen trong nước: Cw (mg/l)

+ Nồng độ benzen trong không khí: Ca (mg/l)

+ Thành phần cacbon hữu cơ trong chất rắn: foc = 10%

+ Hằng số henry không thứ nguyên: Hc = 0,225

Khối lượng của benzen cho vào thùng:

, 2

2 , 0

Câu 2: Chọn Acenaphthene và 2 chất bất kì khác trong Bảng 36 trong file đính kèm 100 kg

của từng chất phân bố thế nào ở trạng thái cân bằng trong một không gian kín có: 150 tấn đất (5% organic carbon) 5000 m3 nước và 106 m3 khí? Các giá trị độ tan (solubility), hằng số

Henry (HLC) và hằng số Henry không thứ nguyên (H’) được cho trong bảng Sử dụng quan

hệ giữa Koc (L/kg) và Kow theo công thức (Koc) = 0.41 (Kow)

Giải:

Với chất: Acenaphthene

Tra bảng 3.6 Ta có:

+ Thành phần cacbon hữu cơ trong đất: foc = 5%

Hằng số phân chia rắn – nước:

Kp =  oc oc  0 , 05  0 , 41  103,92  170 , 5

w

s

K f C

Với chất: Benzene

Tra bảng 3.6 Ta có:

+ Hằng số Henry HLC = 5,55x10-3 (atm.m3/mol)

+ Hằng số Henry không thứ nguyên H’ =2,28x10-1

+ logKow = 2,13 => Kow = 102,13

+ Thể tích nước: 5000 m3

+ thể tích không khí: 106 m3

+ Khối lượng đất: 150 tấn đất

+ Thành phần cacbon hữu cơ trong đất: foc = 5%

Hằng số phân chia rắn – nước:

Kp =  oc oc  0 , 05  0 , 41  103,92  2 , 77

w

s

K f C

+ Thành phần cacbon hữu cơ trong đất: foc = 5%

Hằng số phân chia rắn – nước:

Kp =  oc oc  0 , 05  0 , 41  106,1  25808

w

s

K f C

C

(l/kg) => Cs = 25808Cw (1)

Trạng thái cân bằng:

III Bài tập 3

Câu 1: Kết quả của một thí nghiệm nhằm xác định tốc độ phân hủy của chất ô nhiễm Z như

+ Đồ thị biểu diễn bậc phản ứng 0 là:

+ Đồ thị biểu diễn bậc phản ứng 1 là:

+ Đồ thị biểu diễn bậc phản ứng 2 là:

Dựa vào 3 đồ thị ta có thể thấy, thí nghiệm phân hủy chất ô nhiễm Z là phản ứng ở bậc

2 Hằng số phân hủy, K = - 0,0857

Câu 2: Môt vụ tràn đổ hóa chất A xảy ra trên sông lúc 8h tối Kết quả mô phỏng nồng độ

của chất A trên sông ở các thời điểm sau khi tràn đổ xảy ra 2, 4, 6 và 10 giờ được trình bày trong hình dưới đây

Nồng độ cao nhất của chất ô nhiễm trong nước sông sau 4 giờ kể từ khi tràn đổ xảy ra là bao nhiêu mg/L, đo được ở vị trí cách nơi tràn đổ bao xa? Nồng độ cho phép của chất A trong nước dùng cho cấp nước là 3 µg/L Nhà máy nước nằm cách vị trí tràn đổ 18 km về phía hạ lưu Việc tràn đổ có làm ảnh hưởng đến hoạt động của nhà máy nước không?

Giải:

Dựa vào đồ thị có thể nhận xét rằng, nồng độ của chất ô nhiễm A trong nước sông sau

4 giờ từ khi tràn đổ xảy ra (tức 24h) là 4,13x10-6 mg/l Vị trí có nồng độ cao nhất của chất ô nhiễm sau khi tràn đổ 4 h là 7,2 km

Nồng độ chất ô nhiễm nằm cách vị trí tràn đổ 18km (nhà máy nước) là 2,6x10-6 (g/l) = 2,3 g / l< nồng độ cho phép của chất A trong nước dùng cho nước cấp Vì vậy không ảnh hưởng đến hoạt động của nhà máy

Câu 3: Một tên khủng bố thả một ống nghiệm chứa 1011 vi khuẩn bệnh than vào một con kênh Điểm thả cách miệng ống lấy nước của nhà máy xử lý nước 900 m về phía thượng lưu Mặt cắt dòng chảy của kênh là 0.6 m2 Nếu vận tốc dòng chảy là 40 cm/s và hệ số khuyếch tán của dòng chảy là 0.1 cm2/s, sau bao lâu thì nồng độ khuẩn than ở tại miệng ống của nhà máy nước sẽ cao nhất? Nồng độ đó là bao nhiêu? Nếu khuẩn than có thời gian bán phân hủy

là 10 h, thì nồng đô khuẩn than cao nhất tại miệng ống nhà máy nước là bao nhiêu?

Giải

Ta có:

+ Hệ số khuếch tán của dòng chảy là: E = 0,1 cm2/s = 10-4 m2/s

+ Thời gian bán phân hủy là  = 10h => K =



693 , 0

= 0,0693 (1/h) = 1,93x10-5 (1/s)

+ Vận tốc dòng chảy là: v = 40 cm/s = 10-4 (m/s)

+ Diện tích mặt cắt của dòng sông: A = 0,6 (m2),

 Thời gian mà vi khuẩn than di chuyển từ nơi thả ống nghiệm đến nhà máy nước là:

) / ( 4 , 0

900



s m

/ ( 10 4 ) (

2 2

4 2

11

s s

m

s m

s s

A

M

4

) ( exp 4

)) ( 2250 (m/s) 4 , 0 ) ( 900 ( exp ) ( 2250 ) / ( 10 4

2 2

4 2

11

s s

s s

m

s m

s s

m

m 

= 9,5x1010 (vk/m3)

Câu 4: Một tàu chở hóa chất bị thủng và một lượng chất hữu cơ A bị tràn đổ ra sông Nước

sông có pH là 7,5 Vận tốc dòng chảy là 0,3 m/s, hệ số khuyếch tán của dòng chảy là 5x10-2

m2/s và lưu lượng là 1 m3/s Ở pH 7.5, chất đó chủ yếu Khoảng cách (km)

Nồng độ (g/L) bị phân hủy do thủy phân với hằng số tốc độ phản ứng bậc nhất là 2x10

-4 /s Nồng độ lớn nhất của chất đó đo được tại trạm quan trắc 1080 m cách điểm tràn đổ về phía hạ nguồn là 153 mg/L hay 0,153 kg/m3 Ước tính khối lượng chất A đã tràn đổ Sau 2 giờ kể từ khi tràn đổ, nồng độ chất A tại điểm cách vị trí tràn đổ 2200 m là bao nhiêu?

Giải

Ta có:

+ Hệ số khuếch tán của dòng chảy là: E = 5x10-2 m2/s,

+ Hằng số tốc độ phản ứng bậc nhất là: K = 2x10-4 /s,

+ Vận tốc dòng chảy là: v = 0,3 m/s,

+ Nồng độ lớn nhất của chất đó đo được tại trạm quan trắc là: Cmax = 0,153 kg/m3,

+ Lưu lượng của sông: 1 m3/s,

+ Diện tích mặt cắt của dòng sông: A = 1/0,3 = 3,3 (m2),

 Thời gian mà chất A di chuyển từ nơi tràn đổ đến trạm quan trắc:

) / ( 3 , 0

1080



s m

A

M

4

) ( exp 4

Et A C

4

)(exp

4

102)(360010

54

))(3600)/(3,0)(1080(exp

)(360010

54)(3,3153

,0

4 - 2

2

2

2 2 2

3

s s

m

s s

m m

s s

m m

A

M

4

) ( exp 4

)) ( 0 20 7 (m/s) 3 , 0 ) ( 2200 ( exp ) ( 7200 ) ( 10 5 4

2 2

2 2

2 2

s s

s s

m

s m

s s

m m

kg



= 0,018 (kg/m3) = 18 (mg/l)

Câu 5: Một thùng chứa m = 200 kg chất X bị tràn đổ ra sông vào lúc 7h tối từ một nhà máy

Một trạm quan trắc nằm ở 2 km về phía hạ lưu của nhà máy Số liệu quan trắc cho thấy vận

tốc dòng chảy là 0.1 m/s, hệ số khuyếch tán của dòng chảy là 30 m2/s và lưu lượng dòng chảy là 2 m3/s Nếu ngưỡng phát hiện chất X của máy đo tại trạm quan trắc là 0.1 ppm thì tại thời điểm nào trạm quan trắc bắt đầu phát hiện chất X? Nồng độ lớn nhất của chất đó đo được tại trạm là bao nhiêu? Nồng độ đó đo được vào lúc nào? Khi đó chiều dài của khúc sông bị ô nhiễm (chứa 95% lượng chất ô nhiễm đã đổ) là bao nhiêu? Khi nào thì trạm quan trắc không còn phát hiện được chất X nữa? Nếu vụ tràn đổ xảy ra vào lúc 9h sáng, do chất X

dễ bị phân hủy bởi ánh sáng,

Giải

Ta có:

+ Hệ số khuếch tán của dòng chảy là: E = 30 m2/s,

+ Vận tốc dòng chảy là: v = 0,1 m/s,

+ Lưu lượng của sông: 2 m3/s,

+ Diện tích mặt cắt của dòng sông: A = 2/0,1 = 20 (m2),

+ Khối lượng của chất X là: M = 200 (kg),

+ Ngưỡng phát hiện ra chất X của máy đo tại trạm quan trắc là: 0,01 ppm = 0,01 g/m3

Thời điểm mà trạm quan trắc bắt đầu phát hiện được chất X là:

A

M

4

) ( exp 4

) ( 200000

2

2 2

s t m

s t s m m

 t = 4000 (s)

 Thời điểm bắt đầu phát hiện chất X là 4000s

Nồng độ cao nhất tại thời điểm t = 20000 s:

A

M

4

) ( exp 4

30 4

) 20000 1

, 0 2000 ( exp 20000 30

IV Bài tập 4

Mã số SV:

Các thông số của dòng chảy (ở 25 t o C)

1 Vẽ đường biễu diễn nồng độ oxy hòa tan và BOD của trên các phân khúc FA, AC, CD trong điều kiện cơ bản đã cho ở trên

 Phân khúc FA:

Phương trình biểu diễn nồng độ DO:

x k k

k

L k v

x

d a

o d

Với:

+ Do = 4,4 (mg/l), (tại thời điểm t = 0)

+ Lo = 22,25 (mg/l) (tại thời điểm t = 0 và x = 0),

+ Theo công thức thực nghiệm của O’connor – Dobbins (20oC):

+ v = 3333 (m/d)

x v

x

88 , 0 exp 35

, 0 exp 35 , 0 88 , 0

25 , 22 35 , 0 88

, 0

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn nồng độ DO và BOD trên phân khúc FA

 Phân khúc AC:

 Nồng độ BOD tại điểm A (từ nguồn F đi chuển tới): 4,61 (mg/l)

 Nồng độ DO tại điểm A (từ nguồn F đi chuển tới): 5,65 (mg/l)

 Lưu lượng của phân khúc AC: QAC = 190000 (m3/ngày)

, 4 150000 3

, 5 150000 5

5,1 (mg/l)

Phương trình biểu diễn nồng độ BOD:

Phương trình biểu diễn nồng độ DO:

x k k

k

L k v

x

d a

o d

Với:

+ Do = 5,1 (mg/l), (tại thời điểm t = 0)

+ Lo = 3,3 (mg/l) (tại thời điểm t = 0 và x = 0),

+ Theo công thức thực nghiệm của O’connor – Dobbins (20oC):

+ v = 5937,5 (m/d) = 0,069 (m/s)

ka (20oC) = 3,93 1,5

5 , 0

H

v

= 3,93 1,5

5 , 0

1 , 3

069 , 0

x v

x

21 , 0 exp 51

, 0 exp 51 , 0 21 , 0

3 , 3 51 , 0 21

, 0

 Nồng độ BOD tại điểm C (từ nguồn A,F di chuyển tới): 0,39 (mg/l)

 Nồng độ DO tại điểm C (từ nguồn A,F di chuyển tới): 5,13 (mg/l)

 Lưu lượng của phân khúc CD: QCD = 210000 (m3/ngày)

, 0 20000 80

, 5 20000 2

Phương trình biểu diễn nồng độ DO:

x k k

k

L k v

x

d a

o d

Với:

+ Do = 4,8 (mg/l), (tại thời điểm t = 0)

+ Lo = 7,8(mg/l) (tại thời điểm t = 0 và x = 0),

+ Theo công thức thực nghiệm của O’connor – Dobbins (20oC):

+ v = 5000 (m/d) = 0,059 (m/s)

ka (20oC) = 3,93 1,5

5 , 0

H

v

= 3,93 1,5

5 , 0

8 , 2

059 , 0

x v

x

23 , 0 exp 46

, 0 exp 46 , 0 23 , 0

8 , 7 46 , 0 23

, 0

Bảng 4.3 Biểu diễn nồng độ DO và BOD theo thời gian

Câu 2 Xác định chất lượng nước thải các điểm B và D

V Bài tập 5

lưu nước (tính bằng thể tích hồ / lưu lượng vào hồ) là 4.6 năm

Một nhà máy hóa chất sản xuất thuốc trừ sâu thải malathion (một loại thuốc trừ sâu gốc

phốt pho) vào hồ với lượng thải ước tính là 2000x106 g/năm Lượng nước thải từ nhà máy

xem như rất nhỏ so với lưu lượng dòng suối Trước khi chảy qua nhà máy, dòng suối chảy qua một khu nông nghiệp nên bị nhiễm malathion với nồng độ 15 ppm Lượng nước chảy

vào và chảy ra khỏi hồ là bằng nhau

a Tính nồng độ malathion trong hồ ở trạng thái ổn định nếu:

 Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc không với hằng số tốc độ thủy phân là

 Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc một với thời gian bán hủy là 6.93 năm

 Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc hai với hằng số tốc độ thủy phân là

0.008 m3/g.năm

b Xét trường hợp Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc một, để nồng độ malathion trong hồ duy trì ở mức 30 ppm ở trạng thái ổn định thì nhà máy cân nhắc chọn một trong hai phương pháp sau:

+ Phương pháp 1: Xây dựng hệ thống xử lý chất thải Hiệu suất xử lý malathion mà hệ thống cần đạt được là bao nhiêu (theo %)?

+ Phương pháp 2: Trộn một enzym xúc tác vào hồ để tăng tốc độ thủy phân của malathion Khi đó hằng số tốc độ phản ứng thủy phân (có xúc tác) cần đạt được là bao nhiêu?

Giải

Ta có:

+ Thể tích của hồ chứa: V = 5x11x106 = 55x106 (m3)

+ Lưu lượng nước vào hồ trong 1 năm là: Q =

6 , 4

V

= 12x106 (m3/năm) + Tốc độ thải trực tiếp: W = 2000x106 g/năm

+ Nồng độ malathion chảy vào hồ: Cv = 15 ppm = 15 g/m3

+ Lưu lượng nước vào hồ và ra khỏi hồ là bằng nhau và bằng Q

a Tính nồng độ malathion trong hồ ở trạng thái ổn định nếu:

 Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc không với hằng số tốc độ thủy phân là

0.05 g/m3.năm => K = 0,05 g/m3.năm

 Phương trình cân bằng vật chất trong hồ theo bậc không:

d

d

v t

Q v 0

)(1096,11

)(1055).(05,0)(102000)

(15)(

3 6 3

6 3

3 6

y m

m y

m

g y

g m

g y

2



 => K =

93 , 6

693 , 0

W C

)(102000)

(15)(1096,11

3 6 3

6

6 3

3 6

m y

y m

y

g m

g y

,

0

) ( ) ( 10 96 , 11 ) ( 10 2000 )

( 15 ) ( 10 96

,

11

3 6 2

3 2 3

3

3 6 6

3

3 6

g C y g m

m

g C y

m y

g m

g y

m

 C = 55,38 g/m3

b Xét trường hợp Malathion bị thủy phân trong nước theo bậc một, để nồng độ malathion trong hồ duy trì ở mức 30 ppm ở trạng thái ổn định thì nhà máy cân nhắc chọn một trong hai phương pháp sau:

+ Phương pháp 1: Xây dựng hệ thống xử lý chất thải Hiệu suất xử lý malathion mà hệ

thống cần đạt được là bao nhiêu (theo %)?

 Phương trình cân bằng vật chất trong hồ theo bậc 1:

d

d

v t

10 1656

+ Phương pháp 2: Trộn một enzym xúc tác vào hồ để tăng tốc độ thủy phân của malathion

Khi đó hằng số tốc độ phản ứng thủy phân (có xúc tác) cần đạt được là bao nhiêu?

 Phương trình cân bằng vật chất trong hồ theo bậc 1:

d

d

v t

C Q W C

)(30)(1096,11)(102000)

(15)(

3 3

6 6

3 3

g

m

g y

m y

g m

g y

m

(1/năm)

Câu 2: Nitrat là một chất ô nhiễm thường gặp trong nước ngầm ở các vùng nông nghiệp

Nguồn của nitrat bao gồm phân bón hóa học, phân chuồng, và từ các hầm tự hoại Nitrat có khả năng gây ra triệu chứng da xanh ở trẻ em do ức chế sự chuyên chở oxy của hồng cầu

Nồng độ giới hạn của nitrat trong nước uống được quy định là 50 mg/L Xét một hồ nước nhỏ có dòng nước chảy vào với lưu lượng Qs = 0.01 m3s-1 và nước ngầm thấm vào với lưu lượng Qg = 0.005 m3s-1 Dòng nước chảy vào ao không chứa nitrat, nhưng nước ngầm bị ô nhiễm nặng bởi nitrat thấm ra từ một kho chứa phân bón cũ gần hồ Nồng độ trung bình của nitrat trong nước ngầm là 200 mg/L Thể tích hồ là 105 m3 Do tác dụng của gió và nhiệt độ, nước trong hồ được xem như xáo trộn hoàn toàn

1 Giả sử các hố tự hoại đã tồn tại rất lâu và nồng độ của nitrat trong hồ đã đạt tới trạng thái

ổn định, nồng độ nitrat trong dòng nước chảy ra khỏi hồ là bao nhiêu?

2 Nếu sau khi tính toán nồng độ nitrat ở trên, nếu áp dụng các biện pháp ngăn chặn tại kho chứa để nitrat không thấm vào nước ngầm, sau bao nhiêu ngày thì nước hồ an toàn cho sử dụng làm nước uống?

Giải

Ta có:

+ Lưu lượng nước chảy vào hồ: Qs = 0.01 m3s-1

+ Lưu lượng nước ngầm ngấm vào hồ: Qg = 0.005 m3s-1

+ Lưu lượng nước ra khỏi hồ: Qr = Qs + Qg = 0,015 (m3/s)

+ Nồng độ nitrat chứa trong nước ngầm: Cg = 200 mg/L = 200 g/m3

+ Nồng độ nitrat chứa trong nước nguồn chảy vào hồ là 0,

+ Thể tích của hồ là: V = 105 m3

1 Nồng độ nitrat của nước chảy ra khỏi hồ là:

 Phương trình cân bằng vật chất trong hồ:

dt

dC

r g

m Q

C Q

r

g g

3

3 3

015 , 0

200 005

2 Thời gian để hồ an toàn cho sử dụng làm nước uống

 Phương trình cân bằng vật chất trong hồ: