(2.1) Phương trình bảo toàn động lượng theo phương x:
2.3.1. Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh học (BOD)
Ôxy hòa tan (DO) là một yếu tố thủy hóa rất quan trọng đối với hệ sinh thái dưới nước, tồn tại ở dạng phân tử tự do O2 và có liên quan tới hàng loạt quá trình sinh địa hoá xảy ra trong môi trường biển trong đó đáng kể nhất là quá trình oxi hóa các chất hữu cơ giữ cho môi trường nước biển trong sạch. Nồng độ ôxy hoà tan là hàm của quá trình hô hấp, quang hợp, phân huỷ, đạm hoá… Nhu cầu ôxy sinh học (BOD) là lượng ôxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ trong nước (đặc biệt là nước thải). Ôxy sử dụng trong quá trình này là oxi hòa tan trong nước biển.
BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước do các chất hữu cơ có thể bị vi sinh vật phân hủy trong điều kiện hiếu khí. Chỉ số BOD chỉ ra lượng ôxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong phản ứng ôxy hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm. Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học càng lớn, nước bị ô nhiễm đồng thời cũng cho thấy lượng ôxy bị hao hụt trong nước biển điều đó ảnh hưởng trực tiếp tới sự tồn tại của thủy sinh vật trong thủy vực.
Trong mô hình ECO Lab, DO và BOD liên hệ với nhau thông qua phương trình cân bằng ôxy tại 4 mức khác nhau tương ứng với "mẫu" đã được lựa chọn trong khi thiết lập mô hình tính toán. Trong khuôn khổ luận văn, học viên lựa chọn phương
40
trình cân bằng ôxy với các hợp chất dinh dưỡng (mức thứ 3). Phương trình có dạng sau:
(2.9)
trong đó:
- reaeration (1) : quá trình trao đổi ôxy giữa nước biển với khí quyển (g/m3/ngày).
- nitrification(2): quá trình đạm hóa(g/m3. ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ôxy - BOD decay (3): quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày)
- photosynthesis (4): quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày) - respiration (5): quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày)
-SOD (6) (sediment oxygen demand): nhu cầu ôxy cho phân hủy các vật chất hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm lượng ôxy và nhiệt độ) (g/m3/ngày).
Dựa trên phương trình cân bằng ôxy, có thể thấy được hai nhóm quá trình chủ yếu, nhóm làm tăng hàm lượng ôxy (gồm quá trình trao đổi với khí quyển và quang hợp) và nhóm làm giảm hay tiêu thụ ôxy (quá trình đạm hóa, phân hủy BOD, hô hấp và quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ tại đáy).
- Qúa trình trao đổi oxi với khí quyển - bao gồm sự hấp thụ ôxy từ khí quyển khi nồng độ của nó trong nước biển chưa đạt bão hòa và - được xác định theo công thức:
(2.10) trong đó CS là nồng độ ôxy bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối của nước biển thông qua biểu thức sau:
)} . 000077774 , 0 . 0000374 , 0 007991 , 0 .( 41022 , 0 . 00256 , 0 .{ . 0841 , 0 652 , 14 T S T S T S CS (2.11) và K2 là tốc độ trao đổi phụ thuộc vào vận tốc gió, vận tốc dòng chảy và độ sâu:
41
(2.13)
- Quang hợp là quá trình giải phóng khí ôxy tự do nhờ sự tổng hợp của thực vật phù du sống trong môi trường nước biển. Quang hợp được biểu diễn thông qua năng suất sinh học lớn nhất được tạo ra vào thời điểm giữa trưa của một ngày. Tuy nhiên vì phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới mặt biển nên quá trình này biến đổi theo thời gian và độ dài tương đối của một ngày. Hơn nữa cùng với quá trình hấp thụ oxi từ khí quyển, quang hợp chỉ diễn ra ở lớp nước bên trên bề mặt và thường không vượt quá độ sâu 200 - 300m
nếu nếu
- Đạm hóa cũng là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới cân bằng ôxy trong nước biển khi nó sử dụng ôxy hòa tan trong quá trình chuyển hóa amoni (NH4+) thành hợp phần nitrit (NO2-). Quá trình đạm hóa trong phương trình cân bằng ôxy được biểu diễn qua biểu thức sau:
(2.14)
- Hô hấp là quá trình duy trì sự sống cho sinh vật (chủ yếu cho động vật) và cũng là quá trình tiêu thụ ôxy trong môi trường biển. Hoạt động hô hấp phụ thuộc vào nhịp sinh học theo thời gian trong ngày và một số yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ.
(2.15)
- BOD là một thành phần quan trọng trong phương trình cân bằng ôxy, biến đổi hàm lượng BOD theo thời gian thể hiện qua biểu thức:
(2.16)
42
- SOD là nhu cầu ôxy dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ lớp đáy được mô tả riêng biệt (không phải là các chất hữu cơ từ nguồn thải) và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ ôxy có trong nước biển.
(2.18) giải thích các ký hiệu:
- V: vận tốc dòng chảy tại độ sâu trung bình (m/s) - WV: vận tốc gió (m/s)
- H: độ sâu (m)
- K4: tốc độ quá trình đạm hóa tại 200C (1/ngày) - : hệ số nhiệt độ cho quá trình đạm hóa - T: nhiệt độ (oC)
- DO: nồng độ oxi hòa tan thực có trong nước biển (mg O2/l) - BOD: nồng độ BOD thực có trong nước biển (mg O2/l)
- HS_nitr: nồng độ nửa bão hòa cho quá trình đạm hóa (mg O2/l)
- Pmax: sức sản xuất ôxy lớn nhất tại thời điểm giữa trưa (g O2/m2/day) - F1(H): hàm suy giảm ánh sáng theo độ sâu
- : thời gian thực trong một ngày liên quan tới thời điểm giữa trưa - : độ dài ngày thực
- : hệ số nhiệt độ cho quá trình quang hợp - tup,down: thời gian mặt trời mọc, lặn
- R1: tốc độ hô hấp của các sinh vật tự dưỡng tại 200C (gO2/m2/ngày)
- R2: hệ số nhiệt độ trong quá trình hô hấp của các sinh vật dị dưỡng (gO2/m2/ngày)
- : hệ số nhiệt độ cho quá trình hô hấp của các sinh vật dị dưỡng - K3: hằng số phân huỷ các chất hữu cơ tại 200C (1/ngày)
- : hệ số nhiệt độ Arhenius
43
- HS_SOD: nồng độ nửa bão hoà cho SOD (mgO2/l)