Mô phỏng thí nghiệm lan truyền Amoni - NH4 trong các cột đất Côn Sơn

Các thông số lan truyền được ước tính bằng sự hỗ trợ của phần mềm Hydrus 1D dựa trên thuật toán ước tính ngược thông số LevenbergMarquardt. Kết quả các thí nghiệm cho thấy, các hệ số phân tán, hệ số phân vùng và hệ số chuyển đổi chất đặc trưng cho quá trình lan truyền amoni trong dung dịch đất Côn Sơn đều tương thích với đặc tính cơ lý của đất cũng như thành phần hạt trong tầng chứa nước dưới đất của thung lũng Côn Sơn.

TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM LAN TRUYỀN AMONI NH4 TRONG CÁC CỘT ĐẤT CÔN SƠN MODELLING AMMONIUM TRANSPORT EXPERIMENTS IN CON SON SOIL COLUMNS ThS Nguyễn Thị Minh Trang; TS Lê Đình Hồng Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh PGS TS Võ Khắc Trí Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam TĨM TẮT Lan truyền nhiễm chất hịa tan tầng chứa nước đất vấn đề ô nhiễm thiết thực khơng Việt Nam mà cịn nhiều quốc gia giới Trong báo này, với mục tiêu nghiên cứu xác định thơng số lan truyền amoni (NH4+) đất tầng chứa nước đất thung lũng Côn Sơn - huyện Côn Đảo, thí nghiệm lan truyền với chất thị trơ natri clorua dung dịch amoni clorua tiến hành ống cột đất Côn Sơn Các thơng số lan truyền ước tính hỗ trợ phần mềm Hydrus 1D dựa thuật toán ước tính ngược thơng số LevenbergMarquardt Kết thí nghiệm cho thấy, hệ số phân tán, hệ số phân vùng hệ số chuyển đổi chất đặc trưng cho trình lan truyền amoni dung dịch đất Cơn Sơn tương thích với đặc tính lý đất thành phần hạt tầng chứa nước đất thung lũng Cơn Sơn Từ khóa: Lan truyền chất, ô nhiễm amoni, Hydrus 1D ABSTRACT Soluble contaminant transport into groundwater aquifers is one of the current practical problems occuring not only in Vietnam but also in many countries around the world In this paper, according to the main objective of determining the ammonium (NH4+) transport parameters in soil and groundwater aquifer of Con Son Island - District Con Dao, experiments with conservative tracer - sodium chlorides and ammonium chlorides solution had been carried out on the Con Son soil columns The transport parameters are estimated under supportting of software Hydrus 1D using the inverse parameter estimation method Results of the experiments showed that dispersion coefficient, distribution coefficient and mass transfer coefficient characterized the ammonium transport process in the Con Son soil and aquifers are compatible with mechanical and physical properties of Con Son soil matrix and porous media Keywords: Contaminant transport, ammonium pollution, Hydrus 1D GIỚI THIỆU Nitơ vô dạng amoniac (NH3) ion amoni (NH4+) xem 26 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 chất gây nhiễm nguồn nước đất (NDĐ) phổ biến nhất, phát sinh từ hoạt động xả thải, sử dụng phân bón từ đất bị nhiễm chất hữu [1] Với chất ion tương đối linh động nên xâm nhập vào nguồn NDĐ, NH4+ có khả lan truyền nhanh nước làm ô nhiễm NDĐ phạm vi sâu rộng, có hỗ trợ mưa điều kiện địa chất thủy văn thuận lợi tầng chứa nước đất cát, mạch nông Tác động NH4+ lên nguồn NDĐ nói riêng hay nguồn nước nói chung gây nên hậu đáng kể mặt mơi trường sinh thái Điển hình nguồn NDĐ khai thác đưa vào sử dụng nguồn nước sinh hoạt có mặt NH4+ làm giảm hiệu khử trùng, dẫn đến hình thành nitrit (NO2-) gây vấn đề mùi vị [2] Bản thân ammonia không gây độc trực tiếp cho người động vật vào thể sống, chuyển hóa NH4+ thành NO2- khả gây bệnh người, cụ thể hội chứng Methaemoglobinaemia hay gọi hội chứng trẻ xanh trẻ sơ sinh gây ung thư bao tử người trưởng thành (Kross, 1993) Từ lý mà NH4+ nhìn nhận tiêu quan trọng dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn NDĐ, đặc biệt ô nhiễm tầng chứa NDĐ bên bãi chơn lấp Với hình thức bãi chơn lấp đặc biệt, nghĩa trang hồn tồn có khả gây nhiễm nguồn NDĐ phát thải hợp chất hữu vô khác [3] Thông thường khoảng từ 10 đến 12 năm để thể chết phân hủy hoàn tồn Ước tính nửa chất nhiễm từ thân xác người bắt đầu rò rỉ vào đất năm gần nửa chất nhiễm cịn lại tiếp tục thấm xuống đất năm [3] Khi chất ô nhiễm thấm qua tầng đất bề mặt, tiếp tục len lỏi dần thấm sâu vào tầng chứa NDĐ bên điều kiện thuận lợi Bên cạnh đó, việc chơn sâu quan tài (hay xác người) cách có ý thức người vơ tình “góp phần” đưa chất nhiễm đến gần tầng chứa NDĐ tạo mối lo ngại chất lượng NDĐ nằm nghĩa trang [4] Với mục đích nghiên cứu xác định thông số lan truyền ô nhiễm NH4+ phát thải từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa NDĐ thung lũng Côn Sơn, huyện Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, thí nghiệm bốn cột đất khoan lấy mẫu từ thung lũng Côn Sơn thực phịng thí nghiệm Trung tâm Mơi trường Sinh thái (thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam) Các thí nghiệm tiến hành với hai dung dịch: (1) natri clorua - nồng độ 5,8 g/l (2) amoni clorua NH4Cl với nồng độ mg/l Bên cạnh đó, nhờ hỗ trợ phần mềm HYDRUS 1D [5][6], kết đo đạc từ thí nghiệm ống cột ước tính ngược thành thơng số lan truyền chất cần thiết dựa thuật tốn Levenberg-Marquardt MƠ TẢ THÍ NGHIỆM 2.1 Mục tiêu thí nghiệm - Xác định hệ số phân tán dung dịch đất Côn Sơn thông qua việc xác định lan truyền chất natri clorua, ion Cl- - ion linh động, có tính trơ (khơng bị hấp phụ) nhân tố để xác định hệ số phân tán đất VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 27 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 - Xác định hệ số hấp phụ amoni, hệ số phân vùng hệ số chuyển đổi chất theo lan truyền ion NH4+ - thành phần dung dịch amoni clorua NH4Cl 2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình thí nghiệm Theo C.W Fetter (1992), lan truyền dọc 1D chất thị trơ dung dịch đất với độ ẩm đất theo thể tích khơng thay đổi biểu diễn phương trình truyền tải-phân tán sau: ( , ) = ( , ) × + × ( , ) (1) Trong đó: R: nhân tố trì hỗn; ( , ): nồng độ chất hòa tan dạng dung dịch (mg/l); : chiều sâu ống cột (cm); : thời gian (s); : vận tốc dịng chảy Darcy (cm/s); : độ ẩm theo thể tích đất (cm3/cm3) : hệ số phân tán (cm2/s) Hệ số phân tán D xác định theo công thức sau: = Với : độ phân tán (cm) Để mô tốt lan truyền chất ô nhiễm hịa tan dung dịch đất, bên cạnh mơ hình lan truyền cân bằng, cần thiết kiểm chứng hòa khớp giá trị nồng độ chất hòa tan thực đo với mơ hình lan truyền khơng cân vật lý và/hoặc hóa học [9] Mơ hình không cân vật lý giả định hấp phụ luôn diễn trạng thái cân bằng, pha nước phân chia thành hai vùng: vùng linh động vùng bất động Sự chuyển đổi khối lượng thành pha nước bất động xảy chủ yếu nhờ phân tán [5][10] Khác biệt với mơ hình khơng cân vật lý, mơ hình khơng cân hóa học (MH KCBHH) khơng giả định hấp phụ diễn trạng thái cân mà ngược lại trình động Bởi để trình hấp phụ tiến đến trạng thái cân nồng độ pha lỏng pha rắn cần trải qua quãng thời gian định Sự lan truyền không cân thường diễn tương tác chất hòa tan chất bị hấp phụ xảy tương đối chậm so với thời gian ổn định (là khoảng thời gian mà đơn vị khối lượng giữ nguyên đơn vị thể tích) Bên cạnh đó, pha rắn xem hình thành từ phần tử có lực hấp phụ khác Chính mà MH KCB HH giả định có hai dạng vùng hấp phụ đồng tồn tại: dạng vùng I giả định trình hấp phụ diễn cân tức thời với nồng độ pha lỏng; dạng vùng II - có hấp phụ động, phụ thuộc vào thời gian [11][12] Nếu giả định phân rã chất hịa tan diễn khơng đáng kể phương trình lan truyền mơ hình khơng cân hóa học cho hai vùng mô tả sau: ( , ) = ( , ) + ( , ) − (1 − ) (2) Trong đó: F: thơng số vùng hấp phụ; Kd: hệ số phân vùng, (l/kg hay cm3/g); α: hệ số chuyển đổi chất, (1/h) 28 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Trong nghiên cứu này, phần mềm Hydrus 1D sử dụng để giải phương trình lan truyền chất, cụ thể phương trình (2) dịch chuyển amoni ống cột đất Côn Sơn Hydrus 1D phần mềm phần tử hữu hạn, phát triển mô hình Hydrus [5] Hydrus 1D thực hiện: mơ hình lan truyền cân bằng; khơng cân vật lý/hóa học mơ hình lan truyền khơng cân vật lý hóa học [6] 2.3 Mơ tả mẫu đất 2.3.1 Vị trí lấy mẫu Các mẫu đất lấy vị trí cách nghĩa trang Cơn Đảo 1,8 km, gần Hồ Quang Trung (xem Hình 1) Các mẫu đất lấy theo phương pháp khoan khô nhằm bảo quản thành phần hạt giữ nguyên trạng cấu trúc lớp địa tầng (xem Hình 2) Công việc khoan lấy mẫu thực với cộng tác Liên hiệp Khoa học Địa kỹ thuật Mơi trường TP.HCM Hình Hình ảnh thực tế mẫu đất khoan thung lũng Côn Sơn 2.3.2 Đặc tính lý mẫu đất Các mẫu đất thung lũng Cơn Sơn Phịng nghiên cứu móng địa kỹ thuật thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam phân tích với đặc tính lý sau: - Độ ẩm tự nhiên đất: 1,84% - Độ bão hòa đất: 6,07% - Tỷ trọng đất: 2,664 - Độ rỗng: 44,67% - Thành phần hạt mẫu đất bao gồm: cát hạt trung 1÷0,5 mm: 11,7% 0,5÷0,25 mm: 43,5%; cát hạt nhỏ 0,25÷0,1 mm: 44,3% 0,1÷0,05 mm: 0,5% - Tổng hàm lượng chất hữu (TOC) đất: 0,36% - Hàm lượng amoni (N-NH4+) ban đầu đất: 0,15 mg/100 g 2.4 Thiết lập mơ hình thí nghiệm Các thí nghiệm thực 04 ống cột nhựa có đường kính cm VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 29 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 chiều cao 70 cm theo tỷ lệ thu nhỏ 1/30 so với chiều cao phẫu diện đất thực tế Trạm quan trắc CS9 (xem Hình 2) - trạm quan trắc NDĐ quốc gia nằm phía cổng nghĩa trang Cơn Đảo Hình Phẫu diện đất trạm quan trắc nước đất CS9 Hình Sơ đồ 01 ống cột thí nghiệm (a) mặt 04 ống cột (b) 30 Hình Hình ảnh mơ hình thực tế VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Các lớp đất ống cột đầm đồng đến đạt dung trọng đất tương ứng 1,5 g/cm3, khối lượng đất sử dụng cho ống cột vào khoảng 7,3 kg Tại đầu biên ống cột, cm đá sỏi đệm vào nhằm đảm bảo khả thoát nước giữ đất cát ống không bị trơi tiến hành bơm dung dịch thí nghiệm Mỗi ống cột vận hành thí nghiệm từ đầu biên thấp (tại điểm đầu vào) cách sử dụng máy bơm nước AP3500 Lifetech Sơ đồ hình ảnh thực tế mơ hình cột đất thí nghiệm trình bày Hình Hình 2.4 Trình tự thí nghiệm Các thí nghiệm thực phịng thí nghiệm Mơi trường Sinh thái thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, bao gồm bước sau: - Bước 1: nước thủy cục bơm đẩy với tốc độ thấp vào ống cột 24 để tạo mơi trường vật liệu hồn tồn bão hịa - Bước 2: natri clorua NaCl với nồng độ 5,8 g/l bơm vào ống cột, nhằm xác định hệ số phân tán dung dịch đất Cơn Sơn Các phân tích thí nghiệm hệ số phân tán với ion trơ Cl- dừng lại nồng độ Cl- đo điểm đầu ống cột cân với nồng độ Cl- điểm đầu vào Nồng độ Cl- xác định hai phương pháp: (1) sử dụng điện cực chuyên dụng Multi 3420 (2) sử dụng dung dịch chuẩn độ bạc nitrat AgNO3 0,0141N - Bước 3: nước thủy cục bơm lại vào ống cột nhằm loại bỏ hồn tồn độ mặn cịn tồn đọng dung dịch đất - Bước 4: bơm amoni clorua NH4Cl với nồng độ từ 4,84, 9,65, 19,56, 36,54; 79,82 đến 102,88 mg/l với lưu lượng không đổi 20 ml/phút vào ống cột thí nghiệm Mỗi ống cột thí nghiệm bơm liên lục dung dịch amoni clorua đến đạt bão hòa (C/C0 = 1) Nồng độ NH4+ xác định thiết bị đo quang phổ UVVIS Spectrophotometer (Shimadzu UV-1800) - Bước 5: định lượng ảnh hưởng lưu lượng dòng chảy nồng độ NH4 không đổi 100±2 mg/l lưu lượng dòng chảy sử dụng 10, 20 30 ml/phút + Trong suốt q trình thí nghiệm, pH nhiệt độ dung dịch trì ổn định với giá trị pH = 7,8÷8,2 t = 300C ± 20C 2.6 Các điều kiện thí nghiệm 2.6.1 Điều kiện 1: Thay đổi nồng độ amoni Sáu ống cột đất riêng lẻ với nồng độ tương ứng 4,84, 9,65, 19,56, 36,54, 79,82 102,88 mg/l sử dụng nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng nồng độ amoni đầu vào lên lực hấp phụ đất Côn Sơn Các giá trị nồng độ lựa chọn dựa tiêu chí nghiên cứu khoảng phát thải NH4+ từ thấp dần đến cao bãi chơn lấp chất thải rắn Lưu lượng dịng chảy 20 ml/phút (tương đương với vận tốc dịng VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 31 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 chảy Darcy 4.53 m/ngày thời gian tiếp xúc 10 giờ) trì ổn định suốt q trình thí nghiệm bốn ống cột Đường đẳng nhiệt hấp phụ amoni đất Cơn Sơn xác định sau cách thay ba mơ hình hấp thụ: Langmuir, Freundlich tuyến tính vào đường cong mơ mối quan hệ khối lượng amoni bị hấp phụ nồng độ amoni đầu vào Quá trình hấp phụ mô tốt đường đẳng nhiệt hấp phụ hệ số tương quan R2 đạt giá trị cao [7] 2.6.2 Điều kiện 2: Thay đổi lưu lượng dòng chảy Ba ống cột riêng biệt sử dụng để đánh giá tác động lưu lượng dòng chảy khác lên lực hấp phụ amoni đất Cơn Sơn Các lưu lượng dịng chảy sử dụng 10, 20 30 ml/phút, tương ứng với vận tốc dòng chảy Darcy 2,26; 4,53 6,80 m/ngày Nồng độ NH4+ đầu vào ống cột trì ổn định với giá trị 100 ± mg/l 2.7 Các giả định thí nghiệm (1) Giả định độ ẩm cột đất không thay đổi tất thí nghiệm (2) Giả định nồng độ chất hịa tan lưu lượng dòng chảy đầu biên ống cột xem với giá trị nồng độ lưu lượng đề xuất sử dụng (3) Trong suốt trình lan truyền NH4+, độ phân tán λ giả định không đổi xác định thông qua đường cong đột phá (Breakthrough curve - BTC) Cl- (4) Giả định khơng có tồn ion amoni nguồn nước thủy cục sử dụng 2.8 Tính tốn khối lượng amoni bị hấp phụ Theo [14], khối lượng chất hòa tan bị hấp phụ dung dịch đất xác định dựa thay đổi tương ứng tỷ lệ nồng độ chất thời điểm i nồng độ ban đầu theo thể tích dung dịch thu đầu ống cột Do đó, khối lượng amoni bị hấp phụ (Ms) ước tính xấp xỉ theo công thức sau: ! = %&'& " #" $ ( = $ ) ∑+/0 +/" ( + + +,- )(.+,- − + ) (3) Trong đó: " : nồng độ amoni ban đầu; Vtot: tổng thể tích thu điểm đầu ống cột nồng độ amoni đầu tiến đến nồng độ amoni đầu vào ( / " = 1); + , +,-: nồng độ amoni NH4+ thời điểm i i+1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Xác định hệ số phân tán Sau thời gian tiếp xúc 150 phút, nồng độ Cl- điểm đầu 04 ống cột đạt đến giá trị cân với nồng độ Cl- ban đầu thể đường cong đột phá Cl- Hình 32 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Nhìn nhận từ Hình cho thấy, đường cong thể tỷ lệ nồng độ C/C0 Cl gần đối xứng đến giá trị khoảng 0,87 Trên khoảng giá trị C/C0 = 0,87, đường cong đột phá thể tồn hệ số dịng chảy khơng lý lưởng Ngun nhân xuất hệ số đặt hai lớp sỏi đỡ hai đầu biên ống cột Tuy nhiên, xáo động dòng chảy gây nên tác động nhỏ lên việc tính tốn hệ số phân tán Các thông số v - vận tốc dòng chảy Darcy λ - độ phân tán mơ hình chuyển tải - phân tán ước tính tối ưu phương pháp ước tính ngược thông số Hydrus 1D [5] - Nồng độ C/C0, mg/l 0.8 0.6 0.4 0.2 Số liệu thí nghiệm Mơ hình cân 0 0.5 1.5 Thời gian, 2.5 Hình Đường cong đột phá Cl- theo số liệu thí nghiệm số liệu tính tốn từ phần mềm Hydrus 1D Với vận tốc dòng chảy v cố định 4,53 m/ngày, độ phân tán cột đất Côn Sơn ước tính 0,2 cm hệ số phân tán 8,40 (cm2/h) với hệ số tương quan giá trị nồng độ C/C0 xác định từ thí nghiệm từ mơ hình cân Hydrus 1D (dưới giá trị 0,87 - xem Hình 5) đạt giá trị R2 = 0,97 Kết λ D nhỏ đất Cơn Sơn có thành phần hạt tương đối đồng độ rỗng 3.2 Xác định hệ số lan truyền amoni Việc mô lan truyền amoni ống cột đất Côn Sơn thực dựa giả định Kết khối lượng amoni bị hấp phụ đất (Cs) tương ứng với nồng độ NH4+ khác (C0) thể Bảng Bảng Khối lượng NH4+ bị hấp phụ sáu ống cột đất C0, mg/l Cs, mg/kg 4,84 9,65 1,37 2,75 19,56 36,54 79,82 102,88 6,47 10,41 18,74 24,32 Kết trình bày Bảng cho thấy, khối lượng NH4+ bị hấp phụ tăng dần từ 1,37 đến 24,32 mg/kg tương ứng với nồng độ NH4+ dung dịch amoni clorua NH4Cl từ 4,84 đến 102,88 mg/l Điều có nghĩa hấp phụ amoni đất Côn Sơn tuân theo đường đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính đơn giản với hệ số tương quan R2 = 0,9925 × " ! = VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 33 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Với Kd: hệ số phân vùng, (1/kg) Khối lượng NH4+ bị hấp phụ Cs, mg/kg Tuy nhiên, xét đến tỷ lệ Cs/C0 hay hệ số phân vùng Kd nhận rằng, nồng độ NH4+ dung dịch tăng khối lượng NH4+ bị hấp phụ tăng theo, Kd lại có xu hướng tăng giảm theo dạng parabol Do vậy, để thể thể phân vùng hấp phụ amoni sát với số liệu thí nghiệm, hai hệ số phân vùng hình thành dựa hai phần số liệu nhau, với Kd1 = 0,35 (1/kg) - R2 = 0,9962 Kd2 = 0,21 (1/kg) - R2 = 0,9963 (xem Hình 7) 30 Số liệu thí nghiệm 25 20 Tất số liệu y = 0,2265x R² = 0,9925 Phần số liệu thứ hai y = 0,2075x R² = 0,9963 15 10 Phần số liệu thứ y = 0,3508x R² = 0,9962 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 Nồng độ NH4 dung dịch NH4Cl, mg/l + Hình Đường đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ đất Côn Sơn Các giá trị Kd nhận từ kết thí nghiệm tương đối thấp xác nhận tồn tổng hàm lượng hữu (TOC) thành phần sét đất Côn Sơn thấp Bởi giá trị Kd gia tăng tỷ lệ thuận với thành phần đất sét [15] Kết ước tính thơng số lan truyền theo mơ hình Hydrus 1D đường cong đột phá tương ứng với nồng độ thể Hình (từ a đến f) Bảng Bảng Các thông số lan truyền amoni ước tính theo MH CB MH KCB I với nồng độ NH4+ khác C0,NH4+ λ (cm) (mg/l) 4,84 0,2 9,65 0,2 19,56 0,2 36,54 0,2 79,82 0,2 102,88 0,2 34 MH CB Kd (1/kg) 0,35 0,35 0,35 0,21 0,21 0,21 R2 (%) 93,81 89,28 91,53 93,89 82,61 76,61 λ (cm) 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Kd (1/kg) 0,35 0,27 0,35 0,21 0,21 0,21 MH KCB I α (1/h) 1,00 (0,35) 2,82 (0,17) 5,20 (0,68) 5,43 (0,70) 6,77 (0,70) 7,19 (0,70) R2 (%) 99,17 99,44 98,27 98,90 99,17 98,85 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Các đường cong mơ lan truyền NH4+ mơ hình cân (MH CB) xác định sau nhiều lần mô thử nghiệm Hydrus 1D Các đường cong NH4+ theo MH CB có độ dốc gần tương tự đường cong Cl- lại khác so với đường cong NH4+ theo mơ hình khơng cân (MH KCB) Do mà MH CB khơng thể mơ tốt q trình hấp phụ amoni đất Côn Sơn MH CB dự đoán lan truyền amoni nhanh kết thí nghiệm Trong MH KCB với hai dạng vùng cho thấy tương thích rõ rệt số liệu thí nghiệm kết mơ hình Để mô tốt MH KCB, hai thông số ước tính bổ sung, là: hệ số chuyển đổi chất (α) thông số vùng hấp phụ (F) đạt cân với nồng độ pha lỏng Kết thử nghiệm ước tính phần mềm Hydrus 1D cho thấy, giá trị F nhận nhỏ (ước tính F ≈ 0,01) Chính vậy, MH KCB dạng vùng I (hay gọi tắt MH KCB I) với F = đề xuất sử dụng nhằm mô trình lan truyền NH4+ tương ứng với nồng độ khác MH KCB dạng vùng II (MH KCB II) tương ứng với lưu lượng dòng chảy khác 0.8 0.6 0.4 0.2 Nồng độ C/C0, mg/l Nồng độ C/C0, mg/l 0.8 0.6 0.4 0.2 Số liệu thí nghiệm MH KCB I MH CB 10 Thời gian, a Nồng độ C/C0, mg/l Nồng độ C/C0, mg/l 15 Số liệu thí nghiệm MH KCB I MH CB Thời gian, 10 15 b 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 Số liệu thí nghiệm MH KCB I MH CB 0.2 0 Thời gian, 10 c Số liệu thí nghiệm MH KCB I MH CB 0.2 0 15 10 Thời gian, 15 Nồng độ C/C0, mg/l Nồng độ C/C0, mg/l d 0.8 0.8 0.6 0.6 Số liệu thí nghiệm MH KCB I với q=20ml/phút MH CB MH KCB II với q=10ml/phút MH KCB II với q=30ml/phút 0.4 0.4 Số liệu thí nghiệm MH KCB I MH CB 0.2 0 10 Thời gian, 0.2 15 e 10 Thời gian, 15 f Hình Các đường cong đột phá NH4+ theo số liệu thí nghiệm mơ hình Hydrus 1D t = 30 ± 20C q=20 ml/phút, tương ứng với: a C0 = 4,84 mg/l; b C0 = 9,65 mg/l; c C0 = 19,56 mg/l; d C0 = 36,54 mg/l; e C0 = 79,82 mg/l; f C0 = 102,88 mg/l Qua kết Hình nhận thấy, đường cong NH4+ theo MH KCB I gần sát với số liệu thí nghiệm Điều rằng, hấp phụ amoni q trình động hóa học Trong hai thông số bổ sung MH KCB hệ số chuyển đổi chất VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 35 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 (α) thơng số vùng hấp phụ (F) hệ số chuyển đổi chất thơng số đặc trưng cho trình động học hấp phụ Giá trị α cao nhanh dẫn đến trạng thái cân amoni pha lỏng pha rắn ngược lại [6] Từ kết Bảng nhận thấy rõ ràng MH KCB I dự đoán đường cong tốt mà không thiết phải trùng khớp với hệ số phân vùng Kd Giá trị hệ số chuyển đổi chất α MH KCB I thay đổi từ 1.00÷7.19 (1/h) nồng độ NH4+ dung dịch tương ứng từ 4.84÷102.88 mg/l chuyển đổi NH4+ từ dạng dung dịch sang đất diễn giới hạn nồng độ dung dịch NH4+ có nồng độ thấp Bảng Khối lượng NH4+ bị hấp phụ lưu lượng dòng chảy thời gian tiếp xúc thay đổi q ≠ const 10 20 29,12 19,55 t tăng dần q = 10ml/phút t, phút 60 120 Cs, mg/kg 0,11 3,80 q, ml/phút Cs, mg/kg 30 14,94 180 11,70 Bảng Các thơng số lan truyền amoni ước tính theo MH KCB II với lưu lượng dòng chảy khác Lưu lượng dòng chảy, ml/phút λ (cm) Kd (1/kg) 10 0,2 0,29 20 0,2 0,19 30 0,2 0,15 MH KCB II α (1/h) 1,02 (0,01) 2,34 (1,04 2,89 (1,86) F (-) R2 (%) 0,09 97,51 0,01 99,27 0,00 98,23 Nồng độ C/C0, mg/l 0.8 0.6 0.4 Lưu lượng 30ml/phút MH KCB II với lưu lượng 30ml/phút Lưu lượng 10ml/phút MH KCB II với lưu lượng 10ml/phút Lưu lượng 20ml/phút MH KCB II với lưu lượng 20ml/phút 0.2 0 10 12 Thời gian, Hình Các đường cong đột phá NH4+ tương ứng với thay đổi lưu lượng dòng chảy (nhiệt độ t = 30 ± 20C, nồng độ NH4+ ban đầu = 100 ± mg/l) 36 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Đối với MH KCB dạng II (lưu lượng dòng chảy thay đổi nồng độ NH4+ trì ổn định 100 ± mg/l), đường cong NH4+ thể Hình cho thấy gia tăng hấp phụ NH4+ vào dung dịch đất Côn Sơn xảy (cụ thể giá trị F gia tăng, α suy giảm) lưu lượng dòng chảy giảm thời gian tiếp xúc tăng (xem Bảng 4) Bên cạnh đó, việc mơ tiếp tục MH KCB II ứng với lưu lượng dịng chảy 20 ml/phút hỗ trợ việc ước tính lại giá trị Kd sát với số liệu thí nghiệm minh chứng qua R2 gia tăng (từ 98,85% - MH KCB I lên 99,27% - MH KCB II) Các giá trị Kd tỷ lệ thuận với thời gian tiếp xúc tỷ lệ nghịch với gia tăng lưu lượng dòng chảy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Dựa số liệu thí nghiệm số liệu ước tính từ phần mềm Hydrus 1D xác định hệ số lan truyền sau: - Hệ số phân tán D = 8,40 cm2/h - Đối với thí nghiệm giữ ngun lưu lượng dịng chảy thay đổi nồng độ NH4 thì: + + Hệ số phân vùng Kd phân thánh hai hệ số phân vùng Kd1 Kd2 dựa hai phần số liệu nồng độ: (a) nồng độ (4,84; 9,65; 19,56 mg/l) với Kd1 = 0,35 (1/kg) (b) nồng độ (36,54; 79,82; 102,88 mg/l) với Kd2 = 0,21 (1/kg) + Hệ số chuyển đổi chất α thay đổi từ 1.00 đến 7,19 (l/h) nồng độ NH4+ dung dịch tương ứng từ 4,84 đến 102,88 mg/l - Đối với thí nghiệm giữ nguyên nồng độ NH4+ thay đồi lưu lượng dịng chảy hệ số phân vùng Kd 0,29, 0,19, 0,15 (l/kg) hệ số chuyển đổi chất α 1,02; 2,34; 2,89 (1/h) tương ứng với lưu lượng dòng chảy thay đổi từ 10, 20 đến 30 ml/phút Nhìn nhận kết thí nghiệm mơ dạng mơ hình khác phần mềm Hydrus điều kiện cột đất Côn Sơn chứa phần lớn cát hạt mịn thành phần sét hữu ít, kết luận suy giảm nồng độ amoni NDĐ thông qua lực hấp thụ đất thấp Do đó, khả lan truyền ô nhiễm amoni tầng chứa nước thung lũng Cơn Sơn xảy việc áp dụng biện pháp nitrát hóa khử nitrat để loại bỏ amoni làm NDĐ hoàn toàn khả thi Các kết thí nghiệm mơ từ mơ hình lan truyền amoni cột đất Cơn Sơn góp phần bổ sung thêm sở khoa học cho việc định hướng phát triển nghiên cứu chuyên sâu vấn đề lan truyền ô nhiễm nghĩa trang Cơn Đảo nói riêng hay bãi chơn lấp nói chung đề xuất hướng nghiên cứu lan truyền ô nhiễm phân bón/ thuốc trừ sâu khu vực phát triển nông nghiệp sân golf cao cấp Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Enviroment Agency, “Evaluation of the extent and character of groundwater pollution from point sources in England and Wales,” Enviroment Agency, Bristol, 1996 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 37 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 World Health Organization, “Guidlines for Drinking Water Quality,” Vol Recommendation 2nd WHO, Geneva, 1993 F.W.J Van Haaren, “Cemeteries as Sources of Groundwater Contaminant Ion,” in Water 35 (16), American Institute of Chemical Engineering, 1951, pp 167 – 172 C.P Young and et al., “Pollution Potential of Cemeteries – Draft Guidance,” in R & D Techinical Report P223, Environment Agency for England and Wales ISBN 1857050215, 1999, 61pp J Simunek, K Huang, M Th Van Genuchten, “The HYDRUS Code for Simulating the One-dimensional Movement of Water, Heat andMultiple Solutes in Variably Saturated Media,” Res Rep No 144 U.S Salinity Lab., USDA, Riverside, CA, 1998 J Simunek, M Th Van Genuchten, “Modelling Nonequilibrium Fow and Transport Processes Using Hydrus,” Vadoze Zone Journal 7, 2008, pp 782–797 P Grathwohl, “Diffusion in Natural Porous Media: Contaminant Transport, Sorption/Desorption and Dissolution Kinetics,” Topics in Environmental Fluid Mechanics, Kluwer Academic Publishers, 1998, 207 pp C.W Fetter, “Contaminant Hydrogeology,” New York: Macmillan Publishing Company, 1992 D.R Nielsen, M.Th Van Genuchten, J.W Biggar, “Water Fow and Solute Transport Processes in The Unsaturated Zone,” Water Resour Res 22, 1986, pp 89–108 10 M.Th Van Genuchten, R.J Wagenet, “Two-Site/Two-Region Models for Pesticide Transport and Degradation: Theoretical Development and Analytical Solutions,” Soil Sci Soc Am J 53, 1989, pp 1303–1310 11 H.M Selim, J.M Davidson, R.S Mansell, “Evaluation of a Two-site Adsorption– desorption Model for Describing Solute Transport in Soils,” In: Proc Summer Computer Simulation Conf., Washington, D.C, 1976 12 D.A Cameron, A Klute, “Convective–Dispersive Solute Transportwith a Combined Equilibrium and Kinetic Adsorption Model,” Water Resour Res 13, 1977, pp.183–188 13 T Pernyeszi et al., “Organoclays for Soil Remediation: Adsorption of 2,4 Dichlorophenol on Organoclay/Aquifer Material Mixtures Studied Under Static and Flow Conditions,” Appl Clay Sci 32, 2006, pp 179–189 14 S Jellali, N Jedidi and H Kallali, “Laboratory Ammonium Sorption Quantification in Groundwater during Soil Aquifer Treatment,” Research Gate, Conference Paper, January 2005 15 S.R Buss et al., “A Review of Ammonium Attenuation in Soil and Groundwater,” Q J Eng Geol Hydroge 37, 2004, pp 347–359 Người phản biện: PGS TS Lương Văn Thanh 38 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM ... nhỏ đất Cơn Sơn có thành phần hạt tương đối đồng độ rỗng 3.2 Xác định hệ số lan truyền amoni Việc mô lan truyền amoni ống cột đất Côn Sơn thực dựa giả định Kết khối lượng amoni bị hấp phụ đất. .. 0,1÷0,05 mm: 0,5% - Tổng hàm lượng chất hữu (TOC) đất: 0,36% - Hàm lượng amoni (N -NH4+ ) ban đầu đất: 0,15 mg/100 g 2.4 Thiết lập mơ hình thí nghiệm Các thí nghiệm thực 04 ống cột nhựa có đường... nhiễm NH4+ phát thải từ nghĩa trang Côn Đảo đến tầng chứa NDĐ thung lũng Côn Sơn, huyện Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, thí nghiệm bốn cột đất khoan lấy mẫu từ thung lũng Cơn Sơn thực phịng thí nghiệm