Mô hình hóa sự lan truyền kim loại nặng Cu, Mn, Cr, As trong nguồn nước thải của khu công nghiệp An Phú

Bài viết trình bày kết quả tính toán (Sử dụng phần mềm Matlab) về sự lan truyền ô nhiễm các kim loại Cu, Mn, Cr, As trong nước thải tại khu công nghiệp An Phú, tỉnh Phú Yên và được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm.

Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 103 MƠ HÌNH HĨA SỰ LAN TRUYỀN KIM LOẠI NẶNG Cu, Mn, Cr, As TRONG NGUỒN NƯỚC THẢI CỦA KHU CÔNG NGHIỆP AN PHÚ Modeling the transport of heavy metals Cu, Mn, Cr and As in wastewater of An Phu industrial zone ThS NCS Trương Minh Trí Phụ trách Phịng KH&HTQT, trường Đại học Xây dựng Miền Trung Abstract: To show the transport of heavy metals As, Cr, Cu, Mn in waste water of An Phu industrial zone, a mathematical model was developed using Matlab software The model was tested and verified by the experimental data, and then was used to predict a tendency of the contaminants effluence The simulation results showed that the transport of heavy metals was clearly Based on this, the concentrations of As, Cr, Cu, Mn were forecasted at different distances far from the effluent source Đặt vấn đề Gần mười năm hình thành vào hoạt động, khu cơng nghiệp An Phú có đóng góp đáng ghi nhận vào phát triển kinh tế-xã hội tỉnh Phú Yên Tuy nhiên, trình sản xuất kinh doanh doanh nghiệp hoạt động khu công nghiệp, gia tăng nguyên liệu sản phẩm đầu vào với việc xử dụng dây chuyền công nghệ lạc hậu tạo lượng nước thải lớn Do chưa có trạm xử lý thải tập trung, doanh nghiệp có trạm xử lý thải nội chưa đạt chất lượng theo yêu cầu nên phần lớn nước thải chưa qua xử lý thải trực tiếp vào môi trường, gây nên nhiễm Trong hai cơng trình trước [1, 2] báo cáo Tổng kết đề tài:“Ứng dụng phương pháp kích hoạt nơtron phương pháp phân tích hóa lý đại, đánh giá tình trạng môi trường khu công nghiệp tỉnh Phú Yên đề xuất giải pháp khắc phục, phòng ngừa”[3], nghiên cứu phương pháp xác định 04 nguyên tố đánh giá hàm lượng chúng nước thải Khu công nghiệp An Phú Trong cơng trình này, chúng tơi cơng bố kết tính toán (Sử dụng phần mềm Matlab) lan truyền ô nhiễm kim loại Cu, Mn, Cr, As nước thải khu công nghiệp An Phú, tỉnh Phú Yên kiểm chứng với kết thực nghiệm Mơ hình Matlab 2.1 Phương trình [5, 6] Mơ hình hóa nhiễm nước thể nhiều yếu tố ảnh hưởng lên trình gây ô nhiễm đa dạng ô nhiễm Ở giới hạn xem xét mơ hình mơ tả q trình chuyển dời pha lỗng chất độc hại khoảng thời gian tương đối ngắn Sự lan truyền chất nhiễm dịng nước mơ tả cách đầy đủ phương trình khuếch tán rối 03 chiều chất: C   C   C   C C  Kx  Ky  Kz V KC (1) t x  x  y  y  z  z  x Trong đó: C – nồng độ chất gây nhiễm; Thơng báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 t – thời gian; x, y, z – tọa độ không gian; Kx, Ky, Kz – hệ số khuếch tán rối theo hướng trục x, y, z; V – tốc độ dịng chảy; K – hệ số phi bảo tồn * Vận tốc giải từ phương trình dịng chảy chiều nước nông  hU hV    qs (2) t x y U U U  U V  Fx  M x  g 0 t x y x (3) V V V  U V  Fy  M y  g 0 t x y y (4)  z  U  ( x, y , z )  ln    z0  h    z0     ln     z0   h  z  ln    z0  h    z0     ln     z0   h C uC vC ( w  s )C     t x y z  ( x, y , z )  V   C   C   C   Ac   Ac  Kc S x x  y y  z  z  (5) 104 Fx, Fy - ngoại lực phương x,y; ω - vận tốc theo phương đứng hệ tọa độ sigma; U, V - thành phần vận tốc trung bình chiều sâu theo phương x y tương ứng; AC, KC - hệ số khuếch tán rối phương ngang phương đứng; 2.2 Phương pháp giải Trong trường dòng chảy với thành phần vận tốc w = v = u = const, bỏ qua khuếch tán theo phương trục x, lời giải xác cho phương trình (7) có tên mơ hình Gauss, cho nguồn điểm liên tục, với cơng suất M đặt tọa độ (x = 0, y = 0, z = H) là: C(x, y, z)   y2   (z H wx  M s /U) (*) EXP EXP    2Uyz 2z    2y  Trong σy σz hệ số khuếch tán biến thiên trục x: (6) (7) Trong đó: D - độ sâu z0 - cao trình mà vận tốc 0; C - nồng độ chất bẩn; u, v w - vận tốc trung bình dịng chảy theo phương x, y z; Ωs - độ thô thủy lực; S - số hạng nguồn; t - thời gian; g - gia tốc trọng trường; η - cao trình mặt nước; zb - cao độ đáy; h - chiều sâu nước (h = η - zb ); ρ - khối lượng riêng nước; qs - lưu lượng nguồn thành phần vận tốc nó;  y2  AC KC x ,  z2  x U U 2.3 Mô lan truyền + Độ cao điểm nguồn phát thải vị trí lấy mẫu so với gốc O hệ trục xyz: chọn giá trị đủ lớn để không ảnh hưởng đến độ cản trở địa hình, chúng tơi chọn độ cao H(m)= 50,2; vị trí lấy mẫu cách mặt nước 0,2 m, độ cao mẫu lấy vị trí theo trục tung 50m, gốc toạ độ O xem vị trí đáy thấp dịng xả thải Trong thực tế chạy mơ hình, chọn độ cao H giá trị khác nhau, kết hàm lượng chất phát thải không thay đổi Trong báo này, nguồn phát thải xem xét toàn khu cơng nghiệp đến Hồ Bầu Sen bên khu công nghiệp đến Hồ Bầu Sen bao gồm cống thải cống xi măng Sự lan truyền theo mơ hình tính nước thải chảy tràn khỏi khu vực Hồ Bầu Sen Vì vậy, khoảng Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 cách xác định lan truyền tính từ khoảng cách 140m điểm cuối cống xả thải) + Khoảng cách lớn xây dựng mô hình Matlab theo phương X cần khảo sát (phương ngang theo chiều dòng chảy): Xmax (m)= 1000 + Vận tốc trung bình dịng chảy theo phương x (được đo trực tiếp): U(m/s) = + Hệ số khuếch tán rối theo phương ngang (phương y): Ac(m 2/s) = theo phương đứng (phương z): Kc(m2/s) = 0,5 [4] + Vận tốc rơi tới hạn trung bình nhóm hạt chất thải: ws(m/s) = 105 + Các đường đồng mức có đơn vị mg/m (hay ppb) + Để xác định lượng phát thải khu vực nguồn xả thải As, Cr, Cu, Mn, xác định lưu lượng thải khu công nghiệp 232 m 3/ngày, sau tiến hành phân tích thực nghiệm xác định hàm lượng chất thải 11 điểm nút xả thải bên Khu công nghiệp An Phú Trên sở đó, giải phương trình (*), để xác định lượng phát thải M(mg/s) chất xét nguồn điểm liên tục toàn khu vực xả thải Kết thảo luận Bảng Kết xác định hàm lượng chất thải 11 điểm nút xả thải bên Khu công nghiệp An Phú) As (ppb) 14,2 ± 1,2 18,2 ± 1,1 16,3 ± 1,4 14,3 ± 1,2 14,7 ± 1,3 14,6 ± 1,3 11,3 ± 0,9 13,3 ± 1,0 13,6 ± 1,0 12,9 ± 0,9 13,1 ± 0,8 Hàm lượng (ppb) Cr (ppb) Cu (ppb) 23,5 ± 1,9 263 ± 7,8 16,0 ± 1,4 127 ± 5,9 19,8 ± 1,8 179 ± 5,1 14,2 ± 1,3 133 ± 5,7 14,6 ± 1,3 120 ± 6,2 14,3 ± 1,3 116 ± 7,0 13,6 ± 1,2 111 ± 6,7 14,0 ± 1,3 107 ± 6,4 13,8 ± 1,2 105 ± 5,8 13,7 ± 1,4 104 ± 6,9 13,5 ± 1,6 102 ± 6,9 Việc giải phương trình (*) cho ta thấy lượng phát thải M(mg/s) chất xét nguồn điểm liên tục toàn khu vực xả thải tương ứng theo thứ tự với As = 33957(mg/s); Cr = 35613(mg/s); Cu = 283786(mg/s) Mn =1690018(mg/s) Q trình mơ kết thực nghiệm theo phần mềm Matlab Mn (ppb) 1440 ± 28,2 1100 ± 22,8 828 ± 17,0 850 ± 17,6 740 ± 17,2 670 ± 18,6 640 ± 18,8 630 ± 18,1 630 ± 18,4 620 ± 18,2 620 ± 18,7 hình 1, 2, lan truyền As, Cr, Cu, Mn nước thải theo chiều dòng chảy cho thấy dịch chuyển hàm lượng nguyên tố thể rõ vị trí đường đồng mức theo phương ngang chiều dịng chảy (x) Thơng báo Khoa học Cơng nghệ* Số 1-2013 106 Hình Mơ hình lan truyền As Hình Mơ hình lan truyền Cr Hình Mơ hình lan truyền Cu Kết mơ theo mơ hình - cho thấy phân bố nồng độ chất thải mặt phẳng đứng qua nguồn phát thải với đường đồng mức có đơn vị ppb Để kiểm tra tính tương thích tính khả dụng mơ hình Matlab, ứng dụng mơ hình nghiên cứu khả lan truyền chất nhiễm đốn diễn nhiễm, dự báo mức hàm Hình Mơ hình lan truyền Mn lượng gây nhiễm chất gây nhiễm quan tâm, mơ hình thí nghiệm thiết lập Theo đó, kết dự báo hàm lượng nguyên tố mô phần mềm Matlab (bảng 2) cho thấy phù hợp với giá trị hàm lượng nguyên tố nhận tiến hành phân tích mẫu thu thập vị trí lấy mẫu khác (bảng 3) Bảng Khoảng cách lấy mẫu hàm lượng nguyên tố As, Cr, Cu, Mn tính phần mềm Matlab Khoảng cách tính từ khu vực xả thải (m) 140 200 300 360 As 12,2 8,5 5,7 4,8 Hàm lượng (ppb) Cr Cu 12,8 102 8,9 71,4 5,9 48 4,9 40 Mn 607 425 284 236 Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 107 Bảng Khoảng cách lấy mẫu hàm lượng nguyên tố As, Cr, Cu, Mn xác định phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử Khoảng cách tính từ khu vực xả thải (m) 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 360 As 12,3 ±1,0 12,0 ±1,0 10,8 ±0,9 9,2 ±0,8 8,5 ±0,8 7,3 ±0,7 7,1 ±0,6 6,6 ±0,6 6,3 ±0,5 6,2 ±0,5 5,2 ±0,6 Cụ thể xét khu vực khảo sát dịch chuyển As, Cr, Cu, Mn sai số kết phân tích mẫu thực tế (bảng 3) theo mô phần mềm (bảng 2) với As ≤ 9,7%; với Cr ≤ 10,9%; với Cu ≤ 10,2% với Mn ≤ 16,6% Trên sở mô phỏng, dự đốn hàm lượng As, Cr, Cu, Mn khoảng cách khác xa khu vực xả thải (theo hình 1, 2, 3, 4): - Ở vị trí cách khu vực thải x = 400m theo chiều dịng thải, hàm lượng As 4,3 ppb; vị trí cách khu vực thải x = 800m theo chiều dịng thải, hàm lượng As 2,1 ppb - Ở vị trí cách khu vực thải x = 400m theo chiều dịng thải, hàm lượng Cr 5,0 ppb; vị trí cách khu vực thải x = 600m theo chiều dòng thải, hàm lượng Cr 3,0 ppb - Ở vị trí cách khu vực thải x = 500m theo chiều dịng thải, hàm lượng Cu Hàm lượng (ppb) Cr Cu 13,1 ±1,1 105 ±5,8 12,0 ±1,0 92 ±8,0 10,8 ±0,9 88 ±8,0 9,4 ±0,8 78 ±6,8 9,0 ±0,8 74 ±6,4 8,3 ±0,8 69 ±5,5 7,6 ±0,6 63 ±5,5 6,9 ±0,6 58 ±4,3 6,7 ±0,6 53 ±4,3 6,2 ±0,5 50 ±4,1 5,5 ±0,5 44 ±4,0 Mn 610 ±17,8 580 ±16,2 540 ±16,0 510 ±16,0 480 ±15,8 420 ±15,3 400 ±15,2 350 ±14,6 310 ±14,3 280 ±14,1 240 ±13,6 28,6 ppb; vị trí cách khu vực thải x = 700m theo chiều dịng thải, hàm lượng Cu 20,4 ppb - Ở vị trí cách khu vực thải x = 400m theo chiều dịng thải, hàm lượng Mn 212 ppb; vị trí cách khu vực thải x = 600m theo chiều dịng thải, hàm lượng Mn 142 ppb Kết mơ cịn dự đốn khả lan truyền nhiễm; cụ thể là: Khi cơng suất phát thải tồn khu công nghiệp An Phú tăng lần so với nay, mơi trường nước thải có dấu hiệu bị ô nhiễm As (0,05 ppm – QCVN 40:2011/BTNMT), vị trí cách nguồn thải 140m, As có hàm lượng 0,05 ppm; Khi cơng suất phát thải tồn khu cơng nghiệp An Phú tăng gấp ≈ 19 lần so với nay, mơi trường nước thải có dấu hiệu bị nhiễm Cr (Cr tổng: 0,25 ppm – QCVN 40:2011/BTNMT); Khi cơng suất phát thải tồn khu công nghiệp An Phú tăng gấp 19,6 Thông báo Khoa học Công nghệ* Số 1-2013 lần so với nay, mơi trường nước thải có dấu hiệu bị nhiễm Cu, vị trí cách nguồn thải 140m Cu có hàm lượng ppm Riêng Mn: có dấu hiệu nhiễm vượt ngưỡng nước thải loại A mơi trường (0,607 ppm), Tuy nhiên, theo kết thực nghiệm tính tốn mơ hình Matlab, xa nguồn thải 200m hàm lượng Mn thấp tiêu chuẩn loại A (theo QCVN 40:2011/BTNMT) Kết luận Kết sử dụng phần mềm Matlab giải toán lan truyền ô nhiễm nguyên tố (As, Cr, Cu, Mn) khu vực xả 108 thải dọc kênh dẫn khu công nghiệp An Phú tỉnh Phú Yên phù hợp so với kết thực nghiệm Từ kết mơ phần mềm Matlab dự báo tốc độ di chuyển khả gây ô nhiễm bốn nguyên tố công suất phát thải khu công nghiệp tăng lên Có thể mở rộng phần mềm Matlab để mơ hình hóa q trình dịch chuyển ngun tố khác có khả gây nhiễm mơi trường khu cơng nghiệp An Phú nói riêng khu cơng nghiệp nói chung TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Tuấn Trương Minh Trí Xác định hàm lượng ion Cu, Mn, Cr , As mẫu nước phương pháp kích hoạt nơtron có xử lý hóa học sau chiết pha rắn phức 8Hydroxyquinoline chúng than hoạt tính Tạp chí Hóa học, tập 48 số 4C, 11/2010 [2] Nguyễn Ngọc Tuấn Trương Minh Trí Xác định hàm lượng ion Cr(III), Cr(VI), As(III) As(V) mẫu nước thải phương pháp kích hoạt nơtron có xử lý hóa học sau hấp phụ phức Amonium pyrolidine dithiocarbamate (APDC) chúng than hoạt tính Tạp chí Hóa học, tập số 1/2010 [3] Nguyễn Ngọc Tuấn Trương Minh Trí Báo cáo Tổng kết đề tài:“Ứng dụng phương pháp kích hoạt nơtron phương pháp phân tích hóa lý đại, đánh giá tình trạng mơi trường khu công nghiệp tỉnh Phú Yên đề xuất giải pháp khắc phục, phòng ngừa” [4] Trần Văn Quang 2008 Mơ hình chất lượng nước Nxb Đại học Quốc Gia, Tr 17 [5] Nguyễn Xuân Nguyên 2004 Phân tích tổng hợp hệ thống cung cấp, xử lý nước sản xuất công nghiệp Nxb Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Tr 219 - 222 [6] Van Rijn 1987 “Mathematical Modelling of Morphological Processes in the Case of Suspended Sediment Transport”, Delft Hydraulics Communication No 382  ... 1-2013 106 Hình Mơ hình lan truyền As Hình Mơ hình lan truyền Cr Hình Mơ hình lan truyền Cu Kết mơ theo mơ hình - cho thấy phân bố nồng độ chất thải mặt phẳng đứng qua nguồn phát thải với đường... thay đổi Trong báo này, nguồn phát thải xem xét tồn khu cơng nghiệp đến Hồ Bầu Sen bên khu công nghiệp đến Hồ Bầu Sen bao gồm cống thải cống xi măng Sự lan truyền theo mơ hình tính nước thải chảy... luận Kết sử dụng phần mềm Matlab giải toán lan truyền ô nhiễm nguyên tố (As, Cr, Cu, Mn) khu vực xả 108 thải dọc kênh dẫn khu công nghiệp An Phú tỉnh Phú Yên phù hợp so với kết thực nghiệm Từ