Áp dụng mô hình DO- phương pháp Streeter- Phelps vào việc đánh giá chất lượng ô nhiễm nước sông

Ô nhiễm nước là một trong những vấn đề quan trọng hiện nay cần được quan tâm và xử lý thích hợp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÍ MÔI TRƯỜNG

TIỂU LUẬN

MÔN : MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

đánh giá chất lượng ô nhiễm nước sông

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lý Ngọc Minh

Mã học phần: 212301601

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 30 Tháng 10 Năm 2010

1

Nhận xét của giáo viên

Mục lục

Phần 1: Mở đầu 5

Phần 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 6

Phần 3: Nội dung mô hình Streeter- Phelps: 7

1 Cách tiếp cận cân bằng vật chất 7

2 Độ thiếu hụt oxy 10

3 Độ thiếu hụt ban đầu 11

4 Phương trình diễn tiến của DO 11

5 Sự nạp không khí 14

Phần 4: Bài toán ứng dụng 16

Phần 4: Kết luận và kiến nghị 26

Tài liệu tham khảo 27

3

Phần 1: Mở đầu

Sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp trên đất nước chúng ta trong những nămqua đã làm gia tăng đáng kể phát thải vào môi trường Sau hơn 20 năm công nghiệphóa, hiện đại hóa đất nước, môi trường nước ta bị xuống cấp một cách nhanh chóng:đất đai bị xói mòn, thoái hóa, chất lượng nguồn nước bị suy giảm mạnh, không khí ởnhiều đô thị, khu dân cư bị ô nhiễm nặng, khối lượng phát sinh và mức độ độc hại củacác chất thải ngày càng tăng, tài nguyên thiên nhiên trong nhiều trường hợp bị khaithác quá mức, không có qui hoạch, đa dạng sinh học bị đe dọa nghiêm trọng, điềukiện vệ sinh môi trường, cung cấp nước sạch ở nhiều nơi không bảo đảm Việc đẩymạnh phát triển công nghiệp, dịch vụ, quá trình đô thị hóa,…đang gây ra áp lực lớnlên tài nguyên và môi trường, đặt công tác bảo vệ môi trường nước ta trước nhữngthách thức gay gắt Các chất ô nhiễm đưa vào môi trường ngày càng nhiều làm tổn hạicác hệ sinh thái-gây tổn hại đến cấu trúc hệ sinh thái và tàn phá các sinh vật, đặc biệt

là môi trường nước Một nhiệm vụ quan trọng đặt ra là chúng ta phải dự đoán sự biếnđổi của môi trường dưới sự tác động của các yếu tố khác nhau Do vậy, mô hình hóamôi trường sẽ giúp đưa ra những dự báo trước, từ đó đưa ra những biện pháp quản lý

và biện pháp kỹ thuật thích hợp

Ô nhiễm nước là một trong những vấn đề quan trọng hiện nay cần được quan tâm và

xử lý thích hợp Việc đưa các chất có nhu cầu về oxy, kể cả chất hữu cơ, vô cơ vàotrong một con sông dẫn tới sự suy giảm hàm lượng oxy hòa tan trong nước sông Điềunày có thể đưa tới một nguy cơ thực sự đối với cá và các loài thủy sinh bậc cao khácnếu như nồng độ oxy hòa tan trong nước sông giảm tới một giá trị tới hạn nào đó Để

dự báo mức độ suy giảm oxy cần phải biết loại chất thải được thải vào sông và baonhiêu oxy cần thiết để phân hủy chất thải Các vật chất hữu cơ có nhu cầu về oxythường được đo bằng cách xác định lượng oxy bị tiêu thụ trong quá trình phân hủytheo cách gần đúng với sự phân hủy trong các nguồn nước thiên nhiên Mô hình DO,

cụ thể là phương pháp Streeter- Phelps sẽ giúp chúng ta tìm hiểu về các vấn đề trên

Phần 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

DO (Dessolved Oxygen) là thông số hóa học quan trọng nhất, lượng oxy hòa tantrong nước cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh Trong các chất khí hòa tan trongnước, oxy hòa tan đóng một vai trò rất quan trọng Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vậtthủy sinh phát triển, nó là điều kiện không thể thiếu của quá trình phân hủy hiếu khícủa vi sinh vật Khi nước bị ô nhiễm do các chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vậtthì lượng oxy hòa tan trong nước sẽ bị tiêu thụ bớt, do đó giá trị DO sẽ thấp hơn sovới DO bảo hòa tại điều kiện đó Vì vậy DO được sử dụng như một thông số để đánhgiá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ của các nguồn nước DO có ý nghĩa lớn đối với quátrình tự làm sạch của sông (assimilative capacity - AC) Đơn vị tính của DO thườngdùng là mg/l

Nồng độ oxy hòa tan trong một con sông là một chỉ số phản ánh mức độ trong sạchchung của nó Tất cả các dòng sông đều có một khả năng tự làm sạch nhất định củachúng Với điều kiện là việc thải các chất có nhu cầu về oxy nằm trong khả năng tựlàm sạch của một con sông, hàm lượng DO vẫn được duy trì ở mức độ cao và khi đó

có thể tìm thấy một quần xã thực vật và động vật phong phú, bao gồm cả các bầy cá.Khi lượng chất thải tăng nhanh, khả năng tự làm sạch của dòng sông bị quá tả, hàmlượng DO trong nước sông bị suy giảm, từ đó dẫn đến những thay đổi bất lợi trongđời sống của hệ thủy sinh trong sông Khi DO tụt xuống tới mức 4-5mg/l, phần lớntôm cá sẽ di chuyển ra khỏi đó để tìm nơi cư trú mới Nếu DO bị khử hoàn toàn, cá vàđộng vật bậc cao hơn khác bị giết chết hoặc phải di tản đến nơi khác và dẫn đếnnhững điều kiện cực kì nguy hại Nước sẽ trở nên có màu đen và bốc mùi hôi thốigiống như nước sông, đồng thời diễn ra sự thối rữa kị khí các xác chết của hệ thủysinh nước sông Một trong những công cụ chính của việc quản lý chất lượng nướcsông là đánh giá khả năng hấp thụ chất thải của dòng sông Điều này được tiến hànhbằng cách xác định diễn biến nồng độ DO trong các dòng thải ra sông Diễn biến nàyđược gọi là đường cong lõm DO bời vì nồng độ DO lúc đầu bị giảm xuống nhanhcùng lúc với các vật chất có nhu cầu về oxy trong dòng thải bị oxy hóa và sau đó từ từ

5

tăng lên dọc theo đường chuyển nước cùng lúc với sự nạp lại dần oxy từ khí quyểncho dòng chảy

Để phát triển một biểu thức toán học đối với đường cong lõm DO, nguồn oxy và cácyếu tố, ảnh hưởng đến sự tụt giảm oxy phải được xác định và định lượng Nguồn cungcấp oxy chủ yếu là từ khí quyển và từ sự quang hợp của các loài thực vật trong nước

Sự tụt giảm oxy được gây ra do nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là BOD củadòng thải ra, và BOD sẵn có trong nước sông theo dòng chảy ngược lên dòng thảithường thấp hơn so với DO trong sông Như vậy, DO ở sông bị giảm xuống nhanhngay khi chất thải được đưa vào sông Các yếu tố khác ảnh hưởng đến sự tụt giảm oxyhòa tan bao gồm sự ô nhiễm từ các nguồn diện, sự hô hấp của các sinh vật sống trongbùn đáy, và sự hô hấp của các thực vật trong nước Theo cách tiếp cận cổ điển,phương trình diễn biến DO được phát triển bằng cách chỉ xem xét đến sự tụt giảm DOban đầu, BOD cacbon, và sự cung cấp lại không khí từ khí quyển Và vào năm 1925,Streeter và Phelps đã công bố một công trình về “đường cong thiếu hụt DO”, trongsông Ohio Các kết quả này cho phép giải thích sự giảm đi của DO theo khoảng cáchtheo hướng dòng chảy của sông do sự phân hủy BOD, và phương trình toán này đượcmang tên phương trình Streeter- Phelps

Phần 3: Nội dung mô hình Streeter- Phelps:

1 Cách tiếp cận cân bằng vật chất

Các cân bằng vật chất đơn giản giúp ta có thể hiểu được và giải quyết các vấn đề đường cong diễn tiến DO Ba dạng cân bằng vật chất truyền thống (không có phản ứng hóa học) có thể sử dụng để kiểm toán việc xáo trộn ban đầu của dòng chất thải vàsông, BOD cacbon, và tất cả những thay đổi về nhiệt độ gây ra do sự xáo trộn dòng chất thải và sông

Sơ đồ cân bằng vật chất truyền thống đối với oxy (chỉ có xáo trộn) được thể hiện trên hình sau, tích số của lưu lượng nước và nồng độ DO cho ta một khối lượng oxy trên một đơn vị thời gian:

Gn =QnCn

Gs= QsCs

Trong đó: Gn= tải lượng DO trong nước thải,g/s

Gs= tải lượng DO trong nước sông ,g/s

Qn = lưu lượng nước thải, m3/s

Qs = lưu lượng nước sông, m3/s

Cn= nồng độ oxy hòa tan trong nước thải,g/m3

Cs= nồng độ oxy hòa tan trong nước sông, g/m3

Do

Hình : sơ đồ cân bằng vật chất di truyền thống đối với sự xáo trộn DO

Tải lượng DO trong sông sau khi hòa trộn cân bằng với tổng tải lượng DO của dòngnước sông và nước thải:

Tải lượng DO sau khi hòa trộn= QnCn + QsCs

Tương tự đối với BOD toàn phần:

Tải lượng BOD sau khi hòa trộn= QnLn + QsLs

Trong đó: Ln = BOD toàn phần của nước thải, mg/l

Ls = BOD toàn phần của nước sông ,mg/l

7

Tải lượng DO trong

nước sông

Tải lượng DO trong nước sông sau khi hòa trộnTải lượng DO trong nước

thải

Nồng độ của DO và BOD trong nước sông sau khi xáo trộn tương ứng bằng tải lượ

Phương trình diễn tiến DO đã được phát triển bằng cách sử dụng độ thiếu hụt oxy hơn

là nồng độ oxy hòa tan nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải phương trình viphân mà nó được dẫn ra từ việc biểu diễn bằng toán học phương trình cân bằng vậtchất Độ thiếu hụt oxy là lượng mà tại đó, nồng độ oxy hòa tan thực sự thấp hơn giátrị bão hòa đối với oxy trong không khí:

D=DObh – DO

Trong đó: D = độ thiếu hụt oxy, mg/l

DObh = nồng độ bão hòa của oxy hòa tan, mg/l

DO= nồng độ thực tế của oxy hòa tan, mg/l

3 Độ thiếu hụt ban đầu

Khởi đầu của đường cong diễn tiến DO là điểm mà tại đó dòng thải được xáo trộn vớinước sông Độ thiếu hụt ban đầu được xem như là sự khác biệt giữa nồng độ DO bãohòa và nồng độ DO sau khi xáo trộn:

Da= DObh -

11

Trong đó: Da = độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi nước sông và chất thải được xáo trộn

mg/l , DObh = nồng độ bão hòa của oxy ở nhiệt độ của nước sông sau khi xáo trộn,

mg/l

4 Phương trình diễn tiến của DO:

Một sơ đồ cần bằng vật chất của DO trong một khúc sông nhỏ đã được thể hiện trên

hình a Đây là một cân bằng vật chất toàn diện, mà nó xem xét đến tất cả các đầu vào

và đầu ra Như đề cập ở trên, chúng ta sẽ giới hạn vấn đề của chúng ta đến mô hình

Streeter-Phelps cổ điển Sơ đồ cân bằng vật chất đã được đơn giản hóa được thể hiện

trên hình b Phương trình cân bằng vật chất như sau: RODv + W + A –M – RODr = 0

Sơ đồ cân bằng DO trong khúc sông nhỏ (a) và cân bằng vật chất đã được đơn giản

hóa đối với mô hình Streeter- Phelps (b)

Chú giải:

RODvào- = khối lượng DO chảy vào khúc sông

RODra = khối lượng DO chảy ra khúc sông

W = khối lượng DO trong nước thải chảy vào khúc sông khối lượng DO đi vào từ các

sản phẩm có chứa oxy do sự quang hợp của tảo

B = khối lượng DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu của sinh vật đáy

M = khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của C-BOD

N = khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của N-BOD

R = khối lượng DO bị tiêu thụ bởi sự hô hấp của tảo

Tốc độ mà ở đó DO biến mất do hoạt động của vi khuẩn (M) đúng bằng tốc độ giatăng độ thiếu hụt oxy hòa tan Với giả thiết rằng giá trị DO bão hòa vẫn là hằng số[d(DObh)/dt=0], lấy vi phân phương trình sau , ta được

suy ra = - Tốc độ mà ở đó DO biến mất xảy ra đồng thời với tốc độ mà ở đó BOD bị phân hủy,cho nên: = - = -

Như đã biết BODt = Lo-Lt

Và do Lo là một hằng số nên khi lấy đạo hàm theo thời gian nó bằng không từ đó suy

ra - = -

Mặt khác = kLt suy ra = kLt

Điều này có nghĩa là tốc độ k thay đổi độ thiếu hụt ở thời điểm t do BOD là một phản ứng bậc nhất tỷ lệ với đương lượng oxy của các chất hữu cơ còn lại: hằng số tốc độ k được gọi là hằng số tốc độ khử oxy và được kí hiệu là kd

Tốc độ thấm khối oxy từ không khí vào dung dịch (A) là một phản ứng bậc nhất tỷ lệ với sự chênh lệch giữa giá trị bão hòa và nồng độ thực của DO:

kd = hằng số tốc độ khử oxy , ngày-1

L= BOD hoàn toàn của nước sông, mg/l

Kr = hằng số tốc độ nạp khí, ngày-1

D = độ thiếu hụt oxy trong nước sông, mg/l

Bằng cách lấy tích phân phường trình này với các điều kiện biên: ở thời điểm t= 0 :D=Da và L=La và thời điểm t, D =D và L=L , ta được phương trình diễn tiến DO:D=

Trong đó:

D = độ thiếu hụt oxy trong nước sông sau khi sử dụng BOD theo thời gian, mg/l

La = BOD hoàn toàn lúc ban đầu sau khi nước sông và nước thải được xáo trộn , mg/l

Kd = hằng số tốc độ khử oxy, ngày

-1-Kr = hằng số tốc độ nạp khí , ngày-1

Da = độ thiếu hụt ban đầu sau khi nước sông và nước thải được xáo trộn, mg/l

Khi kr = kd phương trình được viết lại thành:

D = (kdtLa + Da)e-k

dtHằng số tốc độ nạp không khí cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và có thể điều chỉnh theo nhiệt độ thức tế của một con sông bằng cách sử dụng :

KT = k20(∞)T-20

Trong đó:

T= nhiệt độ xem xét , 0C

KT = hằng số tốc độ BOD ở nhiệt độ xem xét, ngày -1

K20 = hằng số tốc độ BOD ở nhiệt độ 200C , ngày-1

Hệ số nhiệt độ, ∞=1,135 ở nhiệt độ trong khoảng từ 4-20oC và ∞=1,056 ở nhiệt độ trong khoảng 20-30oC

5 Sự nạp không khí

Giá trị kr phụ thuộc vào mức độ hỗn loạn mà mức độ đó liên quan chặt chẽ với tốc độ dòng chảy, và phụ thuộc vào tỉ số giữa diện tích mặt thoáng so với thể tích nước trong

sông Một dòng sông hẹp và sâu sẽ có giá trị kr nhỏ hơn nhiều so với dòng sông rộng

và nông

kr =

trong đó: kr= hằng số tốc độ nạp không khí ở 20oC, ngày

v = vận tốc trung bình của dòng chảy , m/s

H = độ sâu trung bình của dòng chảy,m

Lưu ý rằng hệ số 3,9 tính đến một thừa số chuyển đổi để có được số hạng có số hạng thứ nguyên của phương trình

Hằng số tốc độ nạp không khí có thể xác định bởi phương trình trên nhưng với hệ số nhiệt độ ∞ = 1,024 Đối với nhiều dòng chảy, kr có thể thay đổi từ 0,05 đến lớn hơn

18 ngày-1

Để liên hệ thời gian di chuyển với khoảng cách vật lý xuôi dòng, cần phải biết vận tốcdòng chảy trung bình Một khi đã tìm được giá trị của dòng chảy tại một điểm bất kì của dòng chảy xuôi Lưu ý rằng không sử dụng các biện pháp vật lý nào để làm cho

DO thấp hơn không

Điểm thấp nhất của đường cong lõm DO là điều mà ta quan tâm nhiều nhất bởi vì nó chỉ ra những điều kiện tồi tệ nhất trong sông Thời gian để đạt đến điểm tới hạn có thểđược xác định bằng cách lấy vi phân từ phương trình trên, gán cho nó bằng không, và giải đối với t bằng cách sử dụng các giá trị của cơ số e đối với kr và kd

Phần 4: Bài toán ứng dụng

Bài toán 1 : Bài toán 3: Khu công nghiệp Nhơn Trạch có xả nước thải vào một đối

tượng tiếp nhận là một con kênh Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m3/ngày),BOD5 ở nhiệt độ 20oC là 35 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2,5(mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 22(oC)

Dòng chẩy của con kênh có lưu lượng là 1400 (m3/giờ),BOD5 ở 20oC là 4,5 (mg/l),nồng độ oxy hòa tan là 6,0 (mg/l) nhiệt độ dòng chảy là 20oC Dòng chảy có vận tốctrung bình là 0,25(m/s), độ sâu 3 (m)

Tại khoảng cách 10 km so với nguồn xả nước thải người ta bơm nước sạch vào vớimục tiêu pha loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông Dòng nước xảnày có các thông số như sau: Lưu lượng 9000 (m3/ngày), BOD5 ở 20oC là 1,5(mg/l),nồng độ oxy hòa tan là 7,5 (mg/l).Nhiệt độ dòng nước xả là 22oC

Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chấthữu cơ K1 tại nhiệt độ 20oC là 0.25 (ngày-1) Sử dụng công thức Owens-Gibbs tínhKa(20oC)

=9,4u0.67/H1,85

Trong đó u (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của conkênh

Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5

km so với nguồn xả thải thứ hai

Qo, mix= + = + 1400 = 600 + 1400 = 2000 (m3/ h)

BOD5 pha trộn ở nhiệt độ 20oC:

= 13,65 (mg/l)Nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu sau khi có sự pha trộn: Lo,mix,o=

= 19,13(mg/l)Nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu:

Hệ số thấm khí sau khi có sự pha trộn:

Ka (Tmix,o)= Ka(20,6oC) = Ka (20oC) e(20,6-20) = 0,486 e0,024 x 0,6 = 0,493(ngày-1)

17

Sử dụng bảng và công thức nội suy ta nhận được nồng độ oxy hòa tan bão hòa tạinhiệt độ 20,6oC là 9,08 Từ đó độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn Do,mix=DObão hòa – DOban đầu = 9,08 – 6 = 3,08 (mg/l)

BOD toàn phần tại điểm cách nguồn thải 10000m được tính theo công thức:

DO(10000)= DObão hòa – D1(10000)= 9,08 - 4,193= 4,887(mg/l)

Lưu lượng pha trộn giữa nước xả và nước sông (m3/h) tại mặt cắt số 2 (nơi xảy ra sựhợp lưu giữa sông và nguồn xả 2):