VII. í nghĩa khoa học và thực tiễn của luận ỏn
2.1.1. Nước trong đất và hiện tượng mao dẫn
Trong đất, sự dịch chuyển của chất ụ nhiễm phụ thuộc rất lớn vào dũng nước dưới đất. Khụng gian chứa nước và sự phõn bố của nước dưới đất cú ảnh hưởng rất lớn đến sự lan truyền của chất ụ nhiễm.
Nước đúng vai trũ quan trọng trong đất. Thứ nhất, một lượng lớn nước phải được sử dụng cho sự sinh trưởng của thực vật, bởi vỡ nước bị mất liờn tục do bốc thoỏt hơi từ mặt lỏ, từ mặt đất, và mặt nước. Thứ hai, nước là một dung mụi kết hợp với những dưỡng chất hũa tan thành dung dịch đất mà từ đú thực vật cú thể hấp thụ những nguyờn tố thiết yếu. Bờn cạnh đú chớnh hai vai trũ trờn mà nước đúng vai trũ quan trọng trong việc di chuyển chất thải nguy hại trong đất. Nước trong đất thường hiện diện ở những
lỗ rỗng, những nơi khụng bị chiếm hữu bởi khụng khớ. Tuy nhiờn, ở một vài nơi chỳng ta cú thể quan sỏt thấy nước và khụng khớ cũng hiện diện chung trong một lỗ rỗng. Xung quanh hạt đất được bao bọc thành một màng nước với lực hấp phụ rất mạnh, bờn ngoài là nước ngưng tụ cú khả năng cung cấp cho thực vật sử dụng dễ dàng. Những lỗ rỗng sẽ chứa đầy nước khi mưa lớn và sau đú mất đi do chảy tràn hoặc do thấm xuống tầng dưới. Nếu trong nước cú chất thải nguy hại sẽ theo cơ chế này mà di chuyển sõu xuống lũng đất [15].
Phần lớn cỏc lỗ rỗng đều được chiếm hữu bởi nước, bao bọc xung quanh hạt đất là một màng nước mỏng; vài nơi khụng khớ vẫn cũn hiện diện giữa nước và cỏc hạt đất. Khi đất bị khụ thỡ lượng nước trong lỗ rỗng khụng nhiều, và phần lớn cỏc lỗ rỗng bị chiếm bởi khụng khớ. Ảnh hưởng đến sự vận chuyển chất thải nguy hại trong đất thụng qua nước. Tuy nhiờn lượng nước trong đất cũn lệ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc như: sa cấu, độ sõu của tầng đất, điều kiện thời tiết và điều kiện canh tỏc cũng như mực nước thủy cấp.
Khi lượng ẩm độ đất tối ưu cho sự sinh trưởng thực vật, nước trong những lỗ rỗng cú thể chứa chất thải nguy hại sẽ di chuyển trong đất và thực vật sẽ sử dụng chỳng. Sự di chuyển của nước trong đất cú thể theo bất cứ hướng nào: di chuyển xuống do ảnh hưởng của trọng lực, di chuyển lờn bờn trờn hoặc ngang theo hiện tượng mao dẫn.
Hiện tượng mao dẫn là khỏ phổ biến. Một vớ dụ điển hỡnh là sự di chuyển của nước lờn trờn khi nhỳng một đầu dõy bấc đốn cầy vào nước. Lực mao dẫn tồn tại trong tất cả cỏc loại đất. Tuy nhiờn tốc độ di chuyển và dõng lờn cao của mao quản thỡ lệ thuộc vào cơ sở của những lỗ rỗng chứa trong đất. Hơn nữa vài lỗ rỗng cú chứa đầy khụng khớ thỡ sẽ làm chậm và chống lại sự di chuyển của nước bằng mao dẫn. Vụ hỡnh chung làm ngăn cản sự di chuyển của nước cú chứa chất thải nguy hại. Thụng thường chiều cao dẫn nước lờn từ mao dẫn lớn nhất khi đất cú cỏt mịn, nếu cú đủ thời gian và lỗ rỗng khụng quỏ nhỏ. Điều này được giải thớch trờn cơ bản của kớch thước mao quản và tớnh liờn tục của lỗ rỗng. Với đất cỏt, nú xảy ra nhanh chúng, nhưng quỏ nhiều lỗ rỗng khụng cú mao quản nờn chiều cao của nước mao dẫn sẽ khụng lớn.
Sự di chuyển nước trong đất thực hiện theo nhiều hướng khỏc nhau khi mà sự hấp dẫn giữa những lỗ rỗng đất và nước được thực hiện theo cả hướng ngang và cả hướng dọc. í nghĩa của mao dẫn trong việc kiểm soỏt sự di chuyển nước trong những lỗ rỗng sẽ trở nờn hiển nhiờn khi nghiờn cứu sự di chuyển của chất thải nguy hại trong đất. 2.1.2. Nước di chuyển xuống do trọng lực
Tỏc động của trọng lực đối với nước cũng giống như đối với bất cứ vật thể khỏc, hấp dẫn theo chiều hướng vào trung tõm trỏi đất. Trọng lực đúng vai trũ quan trọng
trong việc vận chuyển nước thừa (chất thải nguy hại) từ vựng rễ bờn trờn do bởi mưa lớn hoặc do cung cấp nước. Là một trong những yếu tố quan trọng đưa nước xuống tầng nước dưới đất.
Ngoài cỏc yếu tố trờn sự di chuyển chất thải nguy hại trong đất cũn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ pH, hệ số hỳt ẩm,… Ngoài ra cũn phụ thuộc nhiều vào tớnh chất húa lý của mỗi loại chất thải..
2.2. Quỏ trỡnh lan truyền chất ụ nhiễm và cỏc yếu tố ảnh hưởng 2.2.1. Lưu lượng dũng thấm 2.2.1. Lưu lượng dũng thấm
Chu trỡnh nước cho thấy khi bắt đầu việc kết tụ của nước trờn mặt đất do mưa, mưa đỏ, tuyết hỡnh thành một dũng chảy tràn trờn mặt đất. Dũng nước chảy tràn trờn mặt đất này một phần thấm xuống dưới đất thành nước dưới đất, phần cũn lại chảy về của vựng trũng (vựng tụ thủy) hỡnh thành dũng chảy như suối, sụng và cuối cựng chảy ra biển. Lượng nước ngấm xuống đất và lượng nước chảy trờn bề mặt tiếp tục bốc hơi vào khớ quyển, phần cũn lại trong đất tiếp tục thấm xuống và tựy theo cấu trỳc địa tầng mà hỡnh thành của tầng chưa bóo hũa nước và tầng chứa nước. Theo cấu trỳc địa tầng nước sẽ cú xu hướng dịch chuyển đi lờn mặt đất hay hướng về chỗ trũng. Quỏ trỡnh dịch chuyển và hướng dịch chuyển của nước trong đất phụ thuộc rất lớn vào thành phần đất vớ dụ đối với tầng chứa cỏt và sỏi nước sẽ cú xu hướng thấm ngang hơn là thấm dọc. Lưu lượng dũng chảy của nước dưới đất trong đất cú thể ước tớnh bằng cỏch sử dụng cụng thức của định luật Darcy
Q=k. i.A (2-1)
Q: lưu lượng (cm3/s); k: hệ số thấm (cm/s); i: gradient thủy lực; A: diện tớch mặt cắt (cm2) Hệ số thấm k phụ thuộc rất nhiều vào thành phần đất, bảng 2.1 trỡnh bày một số hệ số thấm của đất Bảng 2.1. Hệ số thấm của cỏc thành phần đất Thành phần đất Hệ số thấm k (cm/s) Sỏi 1-105 Cỏt hay hỗn hợp cỏt sỏi 10-3 - 1 Cỏt mịn và bựn (phự sa) 10-2 - 10-6 Sột pha bựn hay sột 10-5 - 10-9 Nguồn: Fetter, (1988) [51]
Trong cụng thức trờn, gradient thủy lực chỉ thị cho độ tổn thất thế năng khi dũng chảy qua lớp vật liệu xốp (đất) được xỏc định như sau:
𝑖 = (2-2)
h1 = chiều cao cột ỏp tại vị trớ 1 (cm) h2 = chiều cao cột ỏp tại vị trớ 2 (cm) l = khoảng cỏch giữa hai vị trớ (cm)
Do trong đất cú lỗ xốp và quỏ trỡnh dịch chuyển của dũng chảy trong đất là sự dịch chuyển qua của lỗ xốp vỡ vậy cú thể tớnh lưu lượng theo cụng thức biến đổi Darcy như sau: Q = v.A = vsAV (2-3) v = vận tốc thấm darcy = k.i (cm/s) A: diện tớch mặt cắt ngang dũng (cm2) vs: vận tốc thấm tuyến tớnh (cm/s) = v/n n: độ xốp của đất (%)
AV : diện tớch mặt cắt ngang hữu ớch của dũng (diện tớch lỗ xốp m2) Tuy nhiờn đất mỗi nơi đều cú thành phần và cấu trỳc khỏc nhau, điều này dẫn đến tốc độ thấm khỏc nhau. Để đỏnh giỏ khả năng dẫn nước của đất, người ta sử dụng giỏ trị độ dẫn nước (transmissivity) của đất để đỏnh giỏ
T = k.t (cm2/s) (2-4)
k: hệ số thấm (cm/s)
t: độ dày của tầng chứa nước (cm) 2.2.2. Hệ số khuếch tỏn của chất ụ nhiễm
Khi thực hiện mụ hỡnh húa sự lan truyền của chất ụ nhiễm dọc theo dũng thấm trong đất, cần phải xỏc định một thụng số quan trọng, đú là hệ số khuếch tỏn của chất ụ nhiễm trong đất. Trờn thực tế, hệ số khuếch tỏn này phụ thuộc vào chất ụ nhiễm và loại đất, vỡ vậy cần phải tiến hành thớ nghiệm để cú thể tỡm được hệ số khuếch tỏn một cỏch chớnh xỏc nhất. Tuy nhiờn, với điều kiện thực tế ở Việt Nam, cụng việc này rất tốn kộm về thời gian và kinh phớ và vỡ vậy cú thể tiến hành thu thập một số số liệu liờn quan đến hệ số khuếch tỏn này. Theo nghiờn cứu của ầamur và cộng sự [35], Rowe và cộng sự [89], Yang [116]hệ số khuếch tỏn được cỏc tỏc giả tỡm ra cú thể tham khảo sử dụng trong tớnh toỏn lan truyền cỏc chất ụ nhiễm và kim loại nặng trong đất bảng 2.2.
Bảng 2.2. Chất ụ nhiễm và hệ số khuếch tỏn trong đất
T T Chất ụ nhiễm Hệ số khuếch tỏn (cm2/s) Tỏc giả
1 Cd 2,5 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
2 Cl 9,5 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
3 Cr 2,2 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
4 Cu 2,9 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
5 Fe 2,2 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
6 K 7,9 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
7 Mn 3,1 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
8 Ni 1,6 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
9 Pb 3,2 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005)
10 Zn 2,5 x 10-6 ầamur M. Zeki &
Yazicigil Hasan (2005) 11 Cr(VI) 1,50 ì 10 −7 đến 2,08 ì 10−7 Yang, Q., Zhang, J., Yang, Q. et al (2011) 12 Dung dịch nước rỉ rỏc 3,5 x 10-6 Rowe R. K., Fraser M. J. (1995) Nguồn: ầamur và cộng sự [35], Rowe và cộng sự [89], Yang [116]
Nguồn: Mirbagheri, S. A. (2004) [74]
Hỡnh 3.1. Sơ đồ tổng quỏt về cõn bằng nước trong ụ chụn lấp
Cụng thức tổng quỏt về cõn bằng nước như sau [40]:
L = I+ GI - ∆S = P – ET – RO + GI - ∆S (3-1)
Trong đú
L: Lượng nước tớch tụ dưới đỏy ụ chụn lấp, mm P: Nước mưa rơi vào khu vực ụ chụn lấp, mm ET: Thoỏt hơi nước, mm
RO: Nước chảy tràn, mm
GI: Nước dưới đất thấm vào, mm
∆S: Sự thay đổi lượng nước trong ụ chụn lấp, mm
Phương phỏp cõn bằng nước (WBM) chớnh là sự xõm nhập của nước qua lớp che phủ ụ chụn lấp, đi qua ụ chụn lấp (cú độ sõu nhất định) và bị ảnh hưởng bởi sự bốc hơi, phần cũn lại coi như được tạo ra từ ụ chụn lấp gọi là nước rỉ rỏc. Điều này là hợp lệ sau khi chất thải rắn đạt đến bóo hũa nước hoặc khả năng hấp thụ giữ nước. Để đạt đến giai đoạn này cú thể mất vài năm tựy thuộc vào kớch thước ụ chụn lấp, vận hành thực tế và điều kiện thời tiết. Hỡnh 3.1 mụ tả khỏi niệm tổng quỏt của cỏc biến được sử dụng trong WBM. Mặc dự phương phỏp này về mặt lý thuyết chớnh xỏc và đơn giản, nhưng cú một sự khụng chắc chắn khi kết hợp với cỏc biến để dự bỏo. Cỏc biến này là hoặc ngẫu nhiờn mang tớnh tự nhiờn (biến thời tiết như lượng
mưa, giú, nhiệt độ) hoặc phụ thuộc vào cỏc thụng số khú xỏc định độ chớnh xỏc (chẳng hạn như hệ số chảy tràn và mức độ đầm nộn chất thải hoặc độ ẩm).
Cỏc thành phần tạo nờn sự cõn bằng nước cho một đơn nguyờn thể tớch rỏc bao gồm: nước thõm nhập vào BCL từ phớa trờn, độ ẩm của chất thải rắn, độ ẩm của đất phủ, nước tiờu thụ cho cỏc phản ứng tạo khớ BCL. Lượng nước rỉ rỏc cần phải thu gom cú thể tớnh được nhờ vào bài toỏn cõn bằng nước trong BCL. Cỏc thành phần trong phương trỡnh cõn bằng nước bao gồm :
- Nước đi vào từ phớa trờn : chủ yếu là nước mưa thấm xuyờn qua lớp vật liệu bao phủ. Một điểm quan trọng nhất khi tiến hành thiết lập bài toỏn cõn bằng nước là phải xỏc định được lượng nước mưa thấm xuyờn qua lớp vật liệu che phủ sau cựng.
- Độ ẩm của chất thải : gồm độ ẩm của bản thõn CTR và độ ẩm hấp thụ từ khớ quyển hay nước mưa khi chứa trong cỏc ụ chụn lấp. Vào mựa khụ, độ ẩm cú thể bị mất đi tựy thuộc vào điều kiện chụn lấp. Độ ẩm trong CTR đụ thị và thương mại khoảng 20%. Tuy nhiờn vỡ độ ẩm của CTR phụ thuộc vào thời tiết nờn cần thiết phải kiểm tra độ ẩm theo thời tiết.
- Độ ẩm trong đất phủ bề mặt: phụ thuộc vào loại đất phủ bề mặt: phụ thuộc vào loại đất phủ và mựa trong năm. Độ ẩm lớn nhất của đất bao phủ gọi là độ giữ nước là lượng chất lỏng giữ lại trong cỏc lỗ rỗng của đất dưới tỏc dụng của trọng lực. Đất sột cú độ giữ nước từ 6 -12% và đất mựn sột là 23-31%.
- Nước tiờu thụ cho cỏc phản ứng tạo khớ bói chụn lấp : Trong quỏ trỡnh phõn huỷ chất hữu cơ trong chất thải rắn sinh hoạt hỡnh thành khớ bói chụn lấp cần tiờu thụ một lượng nước. Lượng nước này cú thể được tớnh toỏn theo phương trỡnh phõn huỷ [101]:
- Nước thoỏt ra do quỏ trỡnh bay hơi: cỏc khớ hỡnh thành trong BCL thường ở dạng khớ bóo hũa. Lượng nước bay hơi thoỏt ra khỏi BCL cú thể tớnh được từ lượng khớ bóo hũa hơi nước.
Pv.V = nRT (3-2) Trong đú : PV : ỏp suất hơi bóo hũa của hơi nước ở nhiệt độ T ,kg/m2
V: thể tớch, m3
N: số mol khớ
R : hằng số khớ = 8,31x10-3 kJ/(mol.0K) T: nhiệt độ ,0 K
a. Thụng số tớnh toỏn
Tổng diện tớch chụn lấp tại BCL Kiờu Kỵ là 2,71ha = 27100 m2, cú chiều sõu phần chỡm là 4,85m, phần nổi là 10 m.
Diện tớch chụn lấp chia làm 5 ụ. Việc tớnh toỏn nước rỉ rỏc sẽ thực hiện với ụ chụn lấp 9AB cú diện tớch 10.084m2
Thời gian hoạt động của BCL = 365 ngày/năm.
Lượng phế thải cần chụn: Rỏc sinh hoạt năm 2000 là 146 tấn/ngđ; Tỷ trọng rỏc chụn là 580kg/m3
Độ ẩm của rỏc 52,2%
Lớp rỏc sau đầm nộn dày 0,85m chưa kể lớp vật liệu phủ. Cú 10 lớp rỏc được chụn lấp trong ụ tớnh toỏn
Bảng 3.1. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt tại huyện Gia Lõm
Thành phần Tớnh chất % Khối
lượng (tấn)
Chất hữu cơ Phõn hủy sinh học nhanh 68 106,76 Giấy vụn, bỡa cỏc tụng Phõn hủy sinh học nhanh 2,4 3,76 Nhựa Phõn hủy sinh học
chậm
8,35 13,11 Da, cao su Phõn hủy sinh học
chậm
2,6 4,08 Vải Phõn hủy sinh học
chậm 4,75 7,45 Gạch vỡ, đỏ KXĐ 4,8 7,53 Vỏ sũ, vỏ tụm cua, xương KXĐ 0,5 0,785 Kim loại KXĐ 0,3 0,47 Thủy tinh, gốm. sứ KXĐ 0,8 1,25 Cỏc loại khỏc KXĐ 7,6 11,93 Tổng 100 157
Nguồn: Bỏo cỏo đỏnh giỏ tỏc động mụi trường và bỏo cỏo nghiờn cứu khả thi [2,3] JICA (2011) Bỏo cỏo nghiờn cứu quản lý chất thải rắn Việt Nam [11]
b.Xỏc định cụng thức phõn tử của chất thải rắn
- Tớnh toỏn được khối lượng của từng nguyờn tố trong chất thải hữu cơ dựa vào số liệu cho trong bảng 3.1
M nguyờn tố = (% nguyờn tố /100) x khối lượng (tấn/ngđ) C = 51; H = 6,83; O = 40,14; N = 2,8; S = 0,43
C = 1,63; H = 0,22; O = 1,66; N = 0,01; S = 0,0075 - Tớnh được số mol của từng nguyờn tố (mol x106) C = 4,38; H = 6,98; O = 2,61; N = 0,20; S = 0,0136 - Cụng thức phõn tử bỏ qua S
Cụng thức chất hữu cơ phõn hủy nhanh
C22H35O13N
Cụng thức chất hữu cơ phõn hủy chậm
C46H70O16N
Phần chi tiết tớnh toỏn theo phương phỏp cõn bằng nước xem trong phụ lục 1. Kết quả tớnh toỏn thể hiện ở bảng 3.2 và đồ thị hỡnh 3.2.
Bảng 3.2. Tớnh toỏn nước rỉ rỏc phỏt sinh theo thời gian Thỏng Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp4 Lớp5 Lớp 6 Lớp 7 Lớp 8 Lớp 9 Lớp 10 Lnrr 1m2 Lnrr cả ụ (m3) 6 403.1847 403.1847 4066 12 522.0142 403.1847 925.1989 9330 18 512.0734 522.0142 403.1847 1437.272 14493 24 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 1922.716 19389 30 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 2371.055 23910 36 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 2776.813 28001 42 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 3151.243 31777 48 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 3502.424 35318 54 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 3836.265 38685 60 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 403.1847 4157.106 41920 66 311.0459 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 522.0142 4064.967 40991 72 303.6988 311.0459 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 512.0734 3846.652 38790 78 297.7722 303.6988 311.0459 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 485.4438 3632.35 36629 84 293.008 297.7722 303.6988 311.0459 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 448.3391 3439.915 34688 90 288.843 293.008 297.7722 303.6988 311.0459 320.8409 333.8413 351.1806 374.43 405.758 3280.419 33080