Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)

Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HĨA HỌC        LÊ MINH THÀNH       MƠ HÌNH HĨA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY    Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý  Mã số: 62.44.01.19        LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC       Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ QUỐC HÙNG TS PHẠM HỒNG PHONG   Hà Nội – 2015   LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chun ngành Hóa lý thuyết và  Hóa lý, khóa 2010-2014. Tơi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy” là cơng trình  nghiên cứu của riêng tơi, đây là cơng trình do tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa  học của GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong. Các số liệu, kết quả trình  bày trong luận án hồn tồn thu được từ q trình tính tốn lý thuyết và đo đạc thực  nghiệm của bản thân, được tiến hành một cách trung thực và khơng sao chép. Các  tài liệu và thơng tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.                Nghiên cứu sinh             Lê Minh Thành               i  LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất tơi xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS.  Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong, những người đã truyền cho tơi tri thức,  cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và  tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành bản luận án này!   Tơi xin chân thành cảm ơn Q thầy cơ Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa  học và Cơng nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi  cho tơi trong suốt thời gian tơi tham gia nghiên cứu sinh!    Tơi xin chân thành cảm ơn Q thầy cơ, các anh chị và các em Phòng Ứng  dụng  Tin  học  trong  Hóa  học,  Viện  Hóa  học  –  Viện  Hàn  lâm  Khoa  học  và  Công  nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp tôi thực hiện các  nghiên cứu!  Và  tôi  xin  gửi  lời  cảm  ơn  chân  thành  tới  các  đồng  nghiệp,  bạn  bè,  những  người đã ln quan tâm, động viên tơi trong suốt thời gian qua!   Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tơi,  những người đã ln tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tơi thêm nghị lực để tơi  vững bước và vượt qua mọi khó khăn!                       Tác giả             Lê Minh Thành                           ii  MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i  LỜI CẢM ƠN ii  MỤC LỤC iii  Danh mục kí hiệu vi  Danh mục hình x  Danh mục bảng xiii  MỞ ĐẦU 1  1   Lý do lựa chọn đề tài luận án 1  2   Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2  3   Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án .3  4   Nội dung nghiên cứu 3  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .5  1.1   Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước 5  1.1.1   Sự trao đổi oxi giữa khơng khí và nước 6  1.1.2   Q trình quang hợp và hơ hấp của thủy sinh vật 8  1.1.3   Nhu cầu oxi sinh hóa .14  1.1.4   Nhu cầu oxi bùn đáy 16  1.1.5   Nhu cầu oxi hóa học 18  1.1.6   Q trình nitrat hóa 20  1.1.7   Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước 21  1.1.8   Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan 22  1.2   Các tính chất của bùn đáy .28  1.2.1   Thành phần hóa học của bùn đáy 29  1.2.2   Độ xốp của bùn đáy .30  1.2.3   Mật độ của bùn đáy .31  1.2.4   Tỉ khối của bùn đáy .31  1.3   Nghiên cứu về mơ hình hóa các thơng số chất lượng nước 31  1.3.1   Phương trình lan truyền khuếch tán tổng qt 32    iii  1.3.2   Các dạng điều kiện biên 34  1.3.3   Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm Comsol  Multiphysics .35  1.4   Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết .37  1.4.1   Tình hình nghiên cứu 37  1.4.2   Những vấn đề cần giải quyết 39  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP  NGHIÊN CỨU 42  2.1   Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình oxi hòa tan 42  2.1.1   Các giả thiết trong xây dựng mơ hình 42  2.1.2   Các yếu tố trong mơ hình oxi hòa tan 42  2.1.3   Thiết lập và giải mơ hình .49  2.2   Thiết bị và phần mềm sử dụng 49  2.2.1   Mơ hình vật lý và thiết bị 49  2.2.2   Phần mềm máy tính .52  2.3   Phương pháp nghiên cứu 53  2.3.1   Phương pháp số giải bài toán khuếch tán 53  2.3.2   Phương pháp xây dựng và đánh giá mơ hình 54  2.3.3   Phương pháp đo đạc thực nghiệm 59  2.4   Nhận xét chương 2 64  CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65  3.1   Bước đầu khảo sát khả năng mơ phỏng của mơ hình oxi hòa tan 65  3.1.1   Thiết lập mơ hình và phương trình mơ tả 66  3.1.2   Kết quả mô phỏng 72  3.1.3   Nhận xét mơ hình 1 .83  3.2   Mơ hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .85  3.2.1   Thiết lập mơ hình và phương trình mơ tả 86  3.2.2   Đánh giá mơ hình, so sánh kết quả mơ phỏng và khảo sát sự biến thiên  nồng độ oxi hòa tan 90  3.2.3   Nhận xét mơ hình 2 .99    iv  3.3   Mơ hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn – nước 101  3.3.1   Thiết lập mơ hình và phương trình mơ tả 102  3.3.2   Đánh giá mơ hình, so sánh kết quả mơ phỏng và khảo sát sự biến thiên  nồng độ oxi hòa tan 107  3.3.3   Nhận xét mơ hình 3 .113  3.4   Mơ hình tổng hợp 116  3.4.1   Thiết lập mơ hình và phương trình mơ tả 117  3.4.2   So sánh kết quả mơ phỏng và phân tích độ nhạy 121  3.4.3   Nhận xét mơ hình 4 .127  3.5   Nhận xét chương 3 129  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .131  1   Kết luận 131  2   Những đóng góp mới của luận án 133  3   Các kiến nghị, đề xuất 134  DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐàCÔNG BỐ 135  DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 136  PHỤ LỤC 147  PL.1   Một số mơ hình tốn học của oxi hòa tan theo lịch sử 147  PL.2   Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 150  PL.3   Các tốn tử thường gặp trong phương trình PDE 152  PL.4   Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol  Multiphysics 153  PL.5   Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu 164  PL.6   Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế 164            v  Danh mục kí hiệu   a  Hệ số hấp thụ  BOD  Nhu cầu oxi sinh hóa.  CA   Nồng độ của chất A tại thời điểm t bất kỳ (mg/L).  CAlg Nồng độ tảo trong nước (mg/L).  CBOD  Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa cacbon.  CBOD Giá trị BOD (mg/L), đại diện cho nồng độ các chất hữu cơ tiêu thụ oxi.  CBODo Giá trị BOD ở thời điểm ban đầu (mg/L).  CBODsed Giá trị BOD trong lớp bùn đáy (mg/L).  CClo Nồng độ ion clorua trong nước (mg/L).  CCOD Giá trị COD (mg/L).  CDO Nồng độ DO tại thời điểm bất kỳ (mg/L).  CDO∞ Nồng độ DO ở xa vơ cực (mg/L).  CDOdef Nồng độ DO thiếu hụt so với nồng độ DO bão hòa (mg/L).  CDOint Nồng độ DO tại ranh giới pha bùn – nước (mg/L).  CDOo Nồng độ DO tại thời điểm ban đầu (mg/L).  CDOobs Nồng độ DO đo đạc (mg/L).  CDOsat Nồng độ DO bão hòa (mg/L).  CDOsim Nồng độ DO mơ phỏng (mg/L).  COD  Nhu cầu oxi hóa học.  CSOD Giá trị SOD (mg/L).  D Hệ số khuếch tán của chất tan trong nước (m2/s).  d Độ dày lớp bùn đáy (m).  D1 Hệ số khuếch tán của oxi hòa tan trong nước (m2/s).  D1* Hệ số khuếch tán của oxi trong mơi trường bùn (m2/s).   D2 Hệ số khuếch tán của chất hữu cơ hòa tan trong nước (m2/s).  da Hệ số thấm.  DO  Oxi hòa tan.  ea Hệ số khối.  vi  f  Số hạng nguồn  fc  Ứng suất cắt tới hạn (critical shear stress) (N/m2)  FEM  Phương pháp phần tử hữu hạn.  fr  Ứng suất cắt tham chiếu (reference shear stress) (N/m2)  fs  Ứng suất cắt (shear stress) (N/m2)  h Độ sâu mơi trường nước (m).  k1 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc nhất (1/s).  k1* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc hai (L mg-1 s-1).  k2  Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – khơng khí (1/s).  k2* Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại giữa nước – khơng khí ở điều kiện biên (1/m).  k3 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy (mg L-1 s-1).  k3* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy ở điều kiện biên (mg L-1 m-1).  k4  Hằng số tốc độ phản ứng khử của COD (1/s).  k5  Hằng số tốc độ phản ứng nitrat hóa (1/s).  kAlg  Hằng số tốc độ tảo chết (1/s).  kDOhalf Hằng số bán bão hòa của DO (mg/L)  kH Hằng số Henry (L atm/mol)  krese  Hằng số tốc độ tổng hợp các q trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào  nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn (1/s).  krese* Hằng số tốc độ tổng hợp các q trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào  nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn ở điều kiện biên (1/m).  kset  Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ (1/s).  kset*  Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ ở điều kiện biên (1/m).  n Vectơ pháp tuyến trên biên của vùng tính tốn, hướng ra phía ngồi.  NBOD  Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa nitơ.  Oxyz Hệ tọa độ Descartes với trục Ox là chiều rộng (m); trục Oy là chiều dài  (m); Oz là chiều sâu (m) của mơi trường nước.    P Tốc độ oxi sinh ra do quang hợp (mg L-1 h-1)  PDE  Phương trình đạo hàm riêng.  vii  Pmax Tốc độ oxi sinh ra tối đa (mg L-1 h-1)  R Tốc độ oxi tiêu thụ do hơ hấp của thực vật (mg L-1 h-1)  R2 Hệ số xác định  RSS  Tổng bình phương phần dư  SOD  Nhu cầu oxi bùn đáy.  SR  Tỉ số độ nhạy  Ssed Diện tích tiếp xúc giữa bề mặt bùn đáy và nước (m2)  t Thời gian (s).  T Nhiệt độ (oC).  TSS  Tổng bình phương tồn phần  v Vận tốc dòng chảy của nước (m/s).  V Vận tốc của gió (m/s).  vBOD Vận  tốc  trao  đổi  chất  hữu  cơ  tại  bề  mặt  nguồn  thải  ở  điều  kiện  biên   (mg L-1 m-1).    vDO Vận tốc trao đổi oxi tại ranh giới pha khơng khí – nước (m/s).  X1 Giá trị đầu vào cơ sở của biến X.  X2 Giá trị đầu vào của biến X sau khi tăng/giảm một lượng xác định.  X3 Sinh khối của vi sinh vật dị dưỡng (mg/L).  X4 Sinh khối của vi sinh vật tự dưỡng (mg/L).  Y1 Giá trị đầu ra cơ sở tương ứng với biến X1.  Y2 Giá trị đầu ra tương ứng với biến X2.  α Hệ số đối lưu dòng bảo tồn  α1, α2 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với q trình quang hợp.  α3, α4 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với q trình hơ hấp.  Pcons Tốc độ oxi tiêu thụ do hơ hấp (mg L-1 ngày-1).  β  Hệ số đối lưu  β1 Lượng oxi được tạo ra từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo) β2 Lượng oxi được tiêu thụ từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo).  β3 Tốc độ quang hợp của tảo (1/s).  viii    β4 Tốc độ hơ hấp của tảo (1/s).  γ  Số hạng nguồn của dòng bảo tồn.  γ1 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật dị dưỡng (1/s).  γ2 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng (1/s).  δs Độ sâu xâm nhập (m)  δw Độ dầy lớp biên khuếch tán (m)  θs Hệ số điều chỉnh nhiệt độ.  µ Nhân tử Lagrange  ε Phần thời gian của ngày có ánh sáng mặt trời.  μ* Tốc độ tiêu thụ oxi sinh hóa cực đại (mg L-1 ngày-1)  Ω Vùng tính tốn.   ∂Ω Biên của vùng tính tốn.  θ  Hệ số điều chỉnh nhiệt độ.  ix  ... Tên tơi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chun ngành Hóa lý thuyết và  Hóa lý, khóa 2010-2014. Tơi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy  là cơng trình  nghiên cứu của riêng tơi, đây là cơng trình do tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa ... Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án hướng  đến  vấn  đề  “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy  làm nội dung nghiên cứu.   Mục... Hệ số khuếch tán của chất tan trong nước (m2/s).  d Độ dày lớp bùn đáy (m).  D1 Hệ số khuếch tán của oxi hòa tan trong nước (m2/s).  D1* Hệ số khuếch tán của oxi trong mơi trường bùn (m2/s).   D2 Hệ số khuếch tán của chất hữu cơ hòa tan trong nước (m2/s).