Các nghiên cứu về sunfua trong HTTN thải đã được đề cập đến từ những năm đầu của thế kỷ 20. Từ nửa sau của thế kỷ 20 cho đến nay, đã có nhiều nghiên cứu tổng quát về quá trình hình thành, phát thải, tác động của H2S đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Nhiều công trình đã công bố trong khoảng thời gian này và đưa ra các mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải. Việc phát triển các công thức dự báo sự hình thành sunfua được áp dụng trong cả đối tượng là dòng chảy không áp (gravity sewer) và có áp (filled sewer). Các công thức áp dụng cho trường hợp dòng chảy không áp cũng có thể được áp dụng đối với trường hợp dòng chảy trên kênh hở, thông qua sự chuyển đổi các yếu tố tương ứng về điều kiện thủy lực. Các công thức áp dụng cho trường hợp dòng chảy có áp thì không thể áp dụng được đối với trường hợp dòng chảy trên kênh hở. Tuy nhiên, các công thức dự báo
43
sự hình thành sunfua trong HTTN thải không áp thì phức tạp hơn do có sự ảnh hưởng của quá trình trao đổi khí H2S, O2… giữa pha lỏng và pha khí. Nhìn chung, các công thức phát triển để dự báo sự hình thành khí H2S trong HTTN thải không áp cũng ít được đề cập nghiên cứu hơn so với trường hợp dòng chảy có áp.
Hầu hết các phương trình thực nghiệm dự báo lượng sunfua hình thành trong đường ống có sử dụng thông số BOD5 hoặc COD như là những thông số biểu thị sự tương quan với lượng CHC [69, 139, 171]. Các phương trình liên quan đến lượng sunfua hình thành trong hệ thống cống phụ thuộc vào các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình hình thành sunfua. Các yếu tố này bao gồm CHC, sunfat, nhiệt độ, và thời gian lưu [44]. Mặc dù pH và Eh ảnh hưởng lớn tới sự hình thành sunfua, nhưng chúng thường bị bỏ qua và không được đưa vào trong các phương trình dự báo vì tỷ lệ hình thành sunfua là cao nhất trong phạm vi pH 6,0 đến 8,5 và phạm vi Eh từ -50 mV đến -250 mV, đó là khoảng pH, Eh bình thường của HTTN thải sinh hoạt [70].
Các phương trình dự báo có thể được giải thích sự hình thành sunfua chủ yếu là phụ thuộc vào giá trị của COD hoặc BOD5, nhiệt độ của nước thải, thời gian lưu giữ và màng sinh học (lớp bùn đóng vai trò như màng sinh học trên bề mặt các bức tường) của đường ống. Phần lớn các công thức dự báo sự hình thành sunfua trong nước thải có dạng mô tả như phương trình 1.20 (Bảng 1.7) [33, 61, 69, 124, 139].
∆S = a * Cb *1.07(T-20) * th * (A/V) (1.20) Nguồn: Boon, 1995; Harlina và nnk, 2011; Hvitved-Jacobsen và nnk, 1988; Pomeroy, 1959; Tanaka và Hvitved-Jacobsen, 2001 [33, 61, 69, 124, 139]. Trong đó:
ΔS: Biến thiên nồng độ S2- (mg/L); C: Trị số COD hoặc BOD5;
T: Nhiệt độ (°C);
A: Diện tích mặt cắt của đường ống (m2); V: Thể tích của khối nước thải trong ống (m3);
44 th : Thời gian lưu (giờ);
a và b là các hệ số. Trong phần lớn các công thức, b = 1, và a phụ thuộc
vào lượng CHC (COD và BOD5) và chất lượng nước thải.
Bảng 1.7. Một số công thức dự báo sự hình thành sunfua
TT Công thức Nguồn 1 ∆S = 0.0265 * COD0.5 *1.07(T-20) * th * (A/V) [61] 2 ∆S = 1.5 * 10-3 (COD-50)0.5 *1.07(T-20) * th * (A/V) [69] 3 ∆S = 1.52 * 10-3 * BOD5 * th *{(1 + 0.004 * D)/D} [33] (1) 4 ∆S = Kc* t * LCOD *[(1+0,004*d)/d] *1,07T-20 [66] 5 ∆S = 32,2 * 10-6 * Vs * (BOD)0,8 * (SO4)0,4 * 1,139T-20 [142] 6 ∆S = 0.0026 * 10-6 * EBOD * th *{(1 + 0.01 * D)/D} [124](2) 7 Bst = 0,143 * 10-4 * Fps * Vs * Fs * Pt/As * BOD0,8 * SO40,4 * 1,139(T-20) [142](3) 8 Ra =M’ * BOD5 * 1,07(T-20) – N * (s * u)3/8 * (P/b)-1 *CS [70](4)
(1) th theo phút và D (đường kính) theo cm;
(2) EBOD là giá trị BOD5 hoạt tính xác định theo công thức: EBOD = BOD5 * 1.07 (T-20)
(3)
Áp dụng cho HTTN thải không áp, với các thông số: Fps là hệ số không thứ nguyên (sử dụng bảng tra); Vs là vận tốc dòng chảy;
Fs là hệ số phụ thuộc vào chu vi ướt của trạng thái mức độ ngập nước tối đa và tối thiểu;
Pt là chu vi ướt;
As là diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy; (4) Ra là tỷ lệ sunfua hình thành thực tế;
M’, N là các hệ số thực nghiệm; s là độ dốc;
u là vận tốc dòng chảy; P là chu vi ướt;
45 b là chiều rộng mặt thoáng; CS là hàm lượng lưu huỳnh.
Holder (1994) đã khảo nghiệm các công thức dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải được công bố trong giai đoạn từ 1959 đến 1975 (bao gồm các công thức số 4, 5, 6 (Bảng 1.7), cho thấy các công thức này là không phù hợp. Các phương trình thực nghiệm này có rất ít mối liên hệ giữa công thức dự báo với cơ chế hình thành sunfua, và sự phát triển của mỗi công thức nói trên được dựa trên dữ liệu có phạm vi khá hạn chế về điều kiện hoạt động [66].
Sự đa dạng của các mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải (Bảng 1.7) cũng thể hiện được xu thế ảnh hưởng của đặc trưng của từng loại nước thải và điều kiện khí hậu (vùng, miền khí hậu) đối với sự hình thành sunfua. Nhìn chung các phương trình này chỉ thích hợp cho dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN đường ống và cần phải có khảo nghiệm sự phù hợp với đặc điểm và tính chất của HTTN thải. Harlina và nnk (2011) đã dựa trên cơ sở mô hình dự báo do Hvitved - Jacobsen (1988) đưa ra để xác định lại các hệ số phù hợp với điều kiện và đặc trưng của HTTN thải ở Malaysia [61, 69].
Các công thức số 7 và 8 (Bảng 1.7) được Thislethwayte (1972), Pomeroy và Parkhurst (1977) công bố để dự báo lượng sunfua hình thành trong HTTN thải không áp [70, 142]. Các công thức này được xây dựng cho hệ thống cống không áp, và nó có thể áp dụng cho các hệ thống kênh hở khi chuyển đổi các thông số vật lý đặc trưng của đường ống cống sang các thông số đặc trưng của kênh hở. Tuy nhiên hạn chế lớn nhất của công thức này việc áp dụng nhiều hệ số, do vậy phạm vi áp dụng sẽ bị hạn chế ngay cả khi áp dụng cho các hệ thống đường ống cống thoát nước ở các vùng miền có điều kiện khí hậu khác nhau. Vì vậy, trong điều kiện kênh hở các phương trình ở bảng 1.7 là không phù hợp để dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải bởi những lý do:
x Trong điều kiện kênh hở, nước thải có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường (không khí) do trao đổi của khí H2S, ảnh hưởng của nhiệt độ và các loại khí khác như O2, CO2, CH4 ... giữa không khí và nước thải. Sự
46 !
chuyển pha của các loại khí nói trên từ pha lỏng và pha khí phù hợp với lý thuyết màng kép [90, 91];
• Do điều kiện kênh hở nên có sự kết nối dễ dàng của các dòng thải nhánh đổ vào tùy theo dạng địa hình, do đó trên các kênh hở thường có nhiều nguồn thải bổ sung. Trên sông Tô Lịch có hơn mười cửa xả lớn, và hàng trăm cống nhỏ thải ra sông này [15, 74, 148]. Vì vậy, chất lượng nước trên sông Tô Lịch (kênh hở) có thể có những thay đổi liên tục do ảnh hưởng của việc xả nước thải bổ sung, cũng như ảnh hưởng đến thời gian lưu của nước thải;
• Do tính đến phân tầng của nước thải trong các kênh hở về nhiệt độ và Eh trong bề mặt của nước thải thường cao hơn so với lớp dưới cùng.
1.5. Quá trình phát tán H2S trong HTTN thải