BÀI TẬP MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Một dòng nước thải sử lý có BOD tới hạn 50 mg/l, với lưu lượng 1,1 m3/s đổ vào dòng suối chảy với lưu lượng 8,7m3/s có BOD tới hạn mg/l, số tốc độ phản ứng oxi hóa K là: K = 0,2 ngày-1 Giả thiết điểm gặp hai dòng nước có trộn lẫn hoàn toàn, tính BOD tới hạn nước suối điểm cách xa nơi hợp dòng 30000m Tại điểm hợp dòng cống thải sông, nước có giá trị BOD tới hạn 10,9 mg/l DO 7,6 mg/l Nhiệt độ dòng sông hỗn hợp nước thải 20 độ C, số tốc độ phản ứng oxi hóa K = 0,2 ngày-1, tốc độ dòng chảy trung bình 0,3 m/s, độ sâu trung bình 3m Tính thời gian khoảng cách từ điểm dòng bắt đầu trộn lẫn với tới điểm có lượng oxi hòa tan tối thiểu, độ thiếu hụt lớn Tìm giá trị DO nói Xác định nồng độ cực đại mức độ sát mặt đất Một nhà máy điện đốt 5,45 than phát thải sản phẩm cháy qua ống khói có chiều cao hiệu 75 m Than có hàm lượng lưu huỳnh 4,2% vận tốc gió đỉnh ống khói 6m/s Các điều kiện khí mức độ vừa phải tới mức độ ổn định thấp Xác định nồng độ SO2 cực đại mức độ sát đất khoảng cách từ ống khói tới điểm xuất cực đại Tính toán độ hòa tan khí nước Tính toán độ hòa tan khí nước 00C áp suất atm Giả thiết vật liệu khác hòa tan không đáng kể (hoặc bỏ qua) Cho số Henry không khí 00C H = 4,32.104 atm/phần mol Quá trình chuyển hóa BOD BOD5 nước thải xác định 150 mg/L 200C Giá trị số tốc độ 0,23 ngày-1 Xác định BOD8 mẫu thực 150C? Ứng dụng đường cong BOD Nhà máy xử lý nước thải đô thị thải dòng thứ cấp tới dòng nước bề mặt Điều kiện tồi tệ xuất tháng mùa hè lưu lượng dòng thấp nhiệt độ nước cao Dưới điều kiện đó, việc đo thực phòng thí nghiệm trường để xác định đặc trưng dòng nước thải lưu lượng dòng Nước thải xác định với tốc độ dòng cực đại 15 000 m3/ngày, BOD5 40mg/L, nồng độ oxy hòa tan mg/L nhiệt độ 250C Dòng chảy (đầu dòng tính từ điểm nước thải thải ra) xác định tốc độ dòng cực tiểu 0,5m3/s; BOD 3mg/L; nồng độ oxy hòa tan 8mg/L nhiệt độ 220C Hỗn hợp hòa lẫn hoàn toàn dòng nước thải dòng chảy xảy lập tức, tốc độ hỗn hợp 0,2m/s Từ chế độ dòng chảy, số tốc độ xác định 0,4 ngày-1ở điều kiện nhiệt độ 200C Vẽ đồ thị oxy hòa tan với dòng chảy cách xa 100 km? Hướng dẫn: Để thực mối tương quan oxy hòa tan khoảng cách dòng chảy (ở 100 km) cần thực theo bước: Bước Xác định đặc trưng hỗn hợp dòng thải: tốc độ dòng theo thể tích (Volume/time); BOD, DO, nhiệt độ Bước Tính số xác theo nhiệt độ Bước Xác định thiếu hụt oxy ban đầu (Do) Bước Xác định thiếu hụt tới hạn vị trí chúng Bước Xác định thiếu hụt điểm 20, 75 100 km từ điểm dòng chảy thải; Bước Các nồng độ oxy hòa tan điểm tìm thấy (tại bước 5) Bài giải tham khảo Bài (Độ sâu sửa lại 3m ?) - Độ thiếu hụt ban đầu Do = 9,1 – 7,6 = 1,5 mg/l Với 9,1 hàm lượng oxy hòa tan bão hòa nước 20 °C - Đánh giá hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng (ngày-1) Ka= (ngày -1) Trong đó: v = vận tốc trung bình dòng chảy H = độ sâu trung bình dòng chảy => Ka= = 0,41 (ngày -1) - Tính thời gian độ thiếu hụt đạt cực đại với tc: Giải phương trình Streeter Phelps cho DO =K1×Lt –Ka.D Nghiệm phương trình Với K1≠Ka Độ thiếu hụt cực đại là: Dc= Thời gian độ thiếu hụt cực đại tc= ln( (1- Thay số vào ta tc= ln( (1- )) ))= 2,675 (ngày) xc=v.tc= 0,3 (m/s)×86400 s/ngày× 2,675 ngày = 69336 (m) Giá trị nhỏ DO đạt Dc lớn Độ thiếu hụt DO cực đại là: Dc= = × 10.9 (mg/L)× = 3.1 (mg/L) DO min= 9.1- 3.1=6 (mg/L) Bài a)BOD tới hạn trung bình nơi hai dòng nước gặp nhau: BOD = = 10,9 mg/l b)Quá trình oxy hóa sinh học chất hữu BOD cần cho trình oxy hóa sinh học biểu diễn theo phương trình : Lx = L o = L o Trong Lx – BOD vị trí x; Lo – BOD vị trí x = Áp dụng phương trình với Lo = 10,9 mg/l ; k = 0,2 ngày -1; x =30000 m v = 0,3 m/s = 0,3.24.3600 = 25920m/ngày Thay số vào phương trình, ta có Lx = BOD30000= 8,7 mg/l Bài tập nhà Bài Theo phương pháp BERLIAND M.E ta có: Nồng độ cực đại mặt đất: (công thức áp dụng cho khí bụi nhẹ) + n)2 M k1 Cmax = 0.116(11.5(1 k0u1 u1H +n) Khoảng cách từ XM từ nguồn đến vị trí có nồng độ max: u1H 1+n X max = k1(1+ n)2 Trong công thức : u1 – vận tốc gió độ cao z = 1m, m/s M – lượng khí SO2 thải môi trường, g/s H – chiều cao hiệu ống khói, m n - 0.15 ÷ 0.2 (Số mũ hàm biến thiên tốc độ gió) k1= 0.1 ÷ 0.2 m/s k0= 0.5 ÷ m Công thức tính vận tốc độ cao z: u = u0 Với : uz - Vận tốc gió độ cao z u0 - Vận tốc gió độ cao biết Do ta xét SO2 dạng khí nên ta giả sử giá trị trị số sau (lấy mức nhỏ nhất): n = 0,15, k1 = 0,1 (m/s) ; k0 = 0,5 m - Vận tốc u1 độ cao 1m trường hợp xét: u1 = u75 (1/75)0,15 = 6.(1/75)0,15 = 3,14 m/s • - Lượng khí SO2 thải môi trường : M = 5,45.106.0,042.64/(32.3600) = 127,16 g/s Thay số : ta có Cmax = = 9,138.10-4g/m3 = 0,9138 mg/m3 Khoảng cách từ ống khói tới điểm xuất cực đại : Xmax = = 2268,6 m Định luật Henry: Độ hoà tan chất khí chất lỏng nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần khí tác dụng lên chất lỏng Gọi Si độ hòa tan khí i: Si = Pi/H [H] = [atm/phần mol] Với áp xuất p = atm, ta có độ hòa tan không khí vào nước 0°C là: Skk = 1/ 4,32.104 = 2,31.10-5(phần mol) Quy tỷ lệ mg/l Skk ≈ = 37,22 (mg/l) 3.Coi giá trị BOD tới hạn gần BOD20 20°C L0 = BOD5(20°C)/0,68 = 150/0,68 = 220,6 mg/l [hoặc BOD5 = L0.(1- e-kt) = 150 mg/l => L0 = BOD5/(1 – 10-kt) = 150/(1 – e-5.0,23)] Hằng số tốc độ nhiệt độ T tính theo công thức: KT = K20.θ(T-20) Với θ ≈ 1,048 số thực nghiệm Thay số, ta giá trị K15 = 0,23.1,048(15-20) = 0,182 ngày-1 Suy BOD8(15°C) = Lo.(1 - ) = 220,6.(1 - ) = 169,14 mg/l 4 Tính giá trị trung bình hợp dòng BODTB = = 12,5 mg/l DOTB = = 6,45 mg/l TTB = = 22,8 °C Hằng số tốc độ nhiệt độ trung bình là: KT = K20.θ(T-20) = K22,8 = 0,4.1,048(22,8 – 20) = 0,456 ngày-1 Độ hòa tan bão hòa oxy nước 22,8°C lấy gần mg/l Suy độ thiếu hụt oxy ban đầu là: Do = – 6,45 = 2,55 mg/l Cho số tốc hòa tan oxy qua mặt thoáng (ngày-1) 20°C Ka = 0,41 ngày-1 Vậy số Ka 22,8°C tính theo công thức: KaT = Ka20.θ(T-20) = 0,41.1,048(22,8 – 20) = 0,468 ngày-1 - Tính thời gian độ thiếu hụt đạt cực đại với tc: Giải phương trình Streeter Phelps cho DO =K1×Lt –Ka.D Nghiệm phương trình Với K1≠Ka (*) Độ thiếu hụt cực đại là: Dc= Thời gian độ thiếu hụt cực đại t c= ln( (1- Thay số vào ta tc= ln( (1- )) ))= 1,72 (ngày) xc=v.tc= 0,2 (m/s)×86400 s/ngày× 1,72 ngày = 29721,6 (m) Giá trị nhỏ DO đạt Dc lớn Dc= = × 12,5 (mg/L)× = 5,56 (mg/L) Nồng độ oxi hòa tan cực tiểu là: DO = – 5,56 = 3,44 (mg/L) - Xác định độ thiếu hụt điểm 20, 75, 100 km Tương ứng với thời gian là: T20 = 20000/(0,2.24.3600) = 1,16 ngày T75 = 75000/(0,2.24.3600) = 4,34 ngày T100 = 100000/(0,2.24.3600) = 5,79 ngày Áp dụng công thức (*), thay giá trị T vào ta có độ thiếu hụt điểm xét là: D20 = () + 2,55.e-0,468.1,16 = 5,35 mg/l D75 = () + 2,55.e-0,468.4,34 = 3,67 mg/l D100 = () + 2,55.e-0,468.5,79 = 2,44 mg/l Vậy nồng độ oxy hòa tan điểm là: DO20 = – 5,35 = 3,65 mg/l DO75 = – 3,67 = 5,33 mg/l DO100 = – 2,55 = 6,45 mg/l Bảng tổng hợp giá tri DO tính từ điểm dòng chảy thải Khoảng cách (km) 20 29,7216 75 100 DO (mg/l) 6,45 3,65 3,44 5,33 6,45 Đồ thị thay đổi lượng oxy hòa tan nước thải từ điểm hợp dòng đến điểm cách dòng 100 km sau : Bài Bình 1) Lượng thải khí SO2 (kg/h) tính theo công thức sau đây: MSO2 =20B.S Trong đó: B lượng nhiên liệu đốt (tấn/h) S: hàm lượng lưu huỳnh nhiên liệu MSO2 = 20 x 5,45 x 4,2= 457,8 (kg/h)=127166 (mg/s) Tính toán khuyếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao theo phương pháp BERLIAND M.E dựa phương trình vi phân trình khuyếch tán từ nguồn điểm cao viết dạng: u ∂C + w ∂C = k y ∂ C2 ÷÷+ ∂ kz ∂C ÷+ α C ∂x ∂z ∂y ÷ ∂z ∂z ÷ C - Nồng độ chất ô nhiểm u - Vận tốc gió ω - Vận tốc theo phương thẳng đứng chất ô nhiễm α kz ky - hệ thống trao đổI theo phương đứng phương ngang - Hệ số xác định thay đổi nồng độ chất ô nhiễm phân huỷ hoá học gội mưa, sương Các giả thiết ban đầu thừa nhận là: nguồn điểm đặt độ cao z = H (khi x = 0); có phản xạ hoàn toàn chất ô nhiễm từ mặt đất ; nồng độ chất ô nhiễm tiến dần đến triệt tiêu khoảng cách tương đối xa so với nguồn Với giả thiết trên, Berlaind chứng minh đưa kết sau: Nồng độ ô nhiễm mặt đất khí bụi nhẹ: C( x, y,z =0) = M e 2(1+ n)k1 π k0 x u H1+n − − y k1(1+n) x 4k0 x (1) Nồng độ cực đại mặt đất: + n)2 M k1 Cmax = 0.116(11.5(1 k0u1 u1H +n) (2) Khoảng cách từ XM từ nguồn đến vị trí có nồng độ max: u1H 1+n X max = k1(1+ n)2 (3) Trong công thức : M: Lượng thải (mg/s) H - Độ cao hiệu dụng ống khói (m) u1 – vận tốc gió độ cao z = 1m (m/s) n = 0.15 ÷ 0.2 (Số mũ hàm biến thiên tốc độ gió) k1= 0.1 ÷ 0.2 m/s (Hệ số khuếch tán rối mực 1m ) k0= 0.5 ÷ m (K0- Kích thước khuếch tán rối ngang) u1=u10.()n ; u75=u10.()n =>= ()n => u1= u75 ()0,14 = ()0,14 =3.278 Thay số vào (2), (3) ta + n)2 M k1 Cmax = 0.116(11.5(1 k0u1 u1H +n) = = 1.27 u H 1+n X max = k1(1+ n)2 X max= = 1154 (m) 2) Quá trình chuyển hóa BOD Lo xác định từ phương trình Lt= Lo BOD5=Lo(1-) => Lo= = =219.5 K1 15oC = K1 (20oC) 1.0515-20 = 0.23 1.05-5 = 0.18 BOD8=Lo(1-)=219.5 (1-) = 167.5 2) Độ hoà tan chất khí chất lỏng nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần khí tác dụng lên chất lỏng Gọi S độ hòa tan khí : S = k.P (k : số Henry, phụ thuộc vào chất chất khí nhiệt độ), số Henry không khí 00C H = 4,32.104 atm/phần mol Vậy: S= 4,32.104 1=4,32.104 3) Tìm nồng độ oxy tới hạn: Đổi: 0,5m3/s = 1800 m3/ngày Sự pha trộn: 15000+18000=33000 m3/ngày BOD5 pha trộn= =19.818 (mg/L) Lo= = 23 (mg/L) Oxi hòa tan là: DO mixture = = 5,2727 (mg/L) Nhiệt độ pha trộn là: = 23,4 (oC) Sử dụng K1 (20oC)=0.4 cho dòng chảy rối K1 23.40 là: K1= K1 (20oC)x1.05 (23,4-20) = 0,4 x 1,05 (23,4-20) = 0.472 Ka 23,4o là: Ka=Ka(20oC) = Ka không tính đề không cho độ sâu trung bình H Độ thiếu hụt tới hạn là: Dc= Thời gian độ thiếu hụt tới hạn tc= ln((1-)) Thay số vào ta xc=v.tc DO min= DO bão hòa –Dc σ y = ax0.894 σ z = bxc + d (33) Trong x – khoảng cách xuôi theo chiều gió kể từ nguồn, tính km Các hệ số a, b, c, d cho bảng Bảng 2: Các hệ số a, b,c, d công thức (33) Cấp ổn x ≤ km định a b c d A B C D E F 213 156 104 68 50.5 34 Thay số vào ta có : σ y = ax0.894 = 440.8 106.6 61 33.2 22.8 14.35 1.941 1.149 0.911 0.725 0.678 0.740 9.27 3.3 -1.7 -1.3 -0.35 b x >1 km c d 459.7 108.2 61 44.5 55.4 62.6 2.094 1.098 0.911 0.516 0.305 0.180 -9.6 2.0 -13.0 -34.0 -48.6