Công nghệ môi trường - Quá trình hình thành chất lượng nước

Nội dung text: Công nghệ môi trường - Quá trình hình thành chất lượng nước

1. Cáckháiniệmcơbản 281
2. Mộtsốkýhiệu § BOD (Biochemical Oxygen Demand) –nhucầuoxy sinhhóatoànphần(mg/l); § BOD đạidiệnchonhữngthànhphầncóthể phân hủysinhhọc. Nếucóoxy, quátrìnhphânhủysinh họcsẽđòihỏimộtlượngoxy tương ứngvớilượng giảmBOD; § BOD5 –Nhucầuoxy sinhhóasauthờigian5 ngày (mg/l); § COD (Chemical Oxygen Demand )–nhucầuoxy hóahọc(mg/l); § DO (dissolved oxygen) –Nồng độ oxy hòatan (mg/l); 282
3. Khốithể tíchnước dz cudydz ¶ [cu + cudx]dydz ¶x mg m mg m 2 = m3 s s dy dx § Xétmộtkhốithể tích. Chấtlượngnướctrongthể tíchphụ thuộcvàokhốilượngcủachấtô nhiễm. § Mô hìnhchấtlượngnướccầnthể hiệnkhốilượngcủachất đótrongyếutốthể tích § Sự thay đổikhốilượng đượctínhtoánbằngsựchênhlệnh giữadòngkhốilượngnhậpvàovàxuấtrakhỏithể tích. 283
4. Quá trình hình thành chất lượngnước § Khốilượng đượcdòngchảyvậnchuyểntheocácthành phầnvéctơ vậntốcU(U, V, W). Quátrìnhnày đượcgọilà quátrìnhchuyểntải(advection) . Khốilượngchuyểntải theophươngx bằngC x U x dy x dz. Trong đóC lànồng độ chất đangxét. § Cácthànhphầnkhác đượcgọilà phântán. Cóhaithuật ngữ cầnphânbiệt: diffusion (khuếchtán), dispersion (phântán). § Phân tán đượcdùngchỉ tác độngkếthợpgiữakhuếchtán phântử(molecular diffusion) vàkhuếchtánrối(turbulent diffusion). Cả haiquátrìnhnày đềudo xung độnggâyra theo địnhluậtBrown về khuếchtánphântửdo ảnhhưởng củagradient nồng độ. 284
5. § Quátrìnhphântán tuânthủđịnhluậtFick § Cácquátrìnhvậnchuyểncácchấtvàonước: Thủy phân(phản ứngtrao đổigiữanướcvàcácloạikhoáng chất); hòatan (pháhủycấutrúcmạngtinhthể củacác loạimuốivàphânlythànhcácdạngion) § Cácquátrìnhtáchcácvậtchấtrakhỏinguồnnước : baogồmcácquátrìnhlắng đọng(do tỷ trọng, nồng độ vuợtgiớihạnbãohòa, quátrìnhhấpthụ, quátrìnhkeo tụ, cácquátrìnhphản ứnggiữacáchợpchấtvàcác quátrìnhsinhtháichấtlượngnước ) 285
6. Chấthữucơ § Cácchấthữucơ(organic wastes): cácchấtthảicó nguồngốctừcácsinhvậtsốnghoặcchết. Khi được đưavàonguồnnước, cácchấthữucơsẽlàmcho cácvi sinhvậthiếukhípháttriển. Cácvi sinhvật nàysẽtiêuthụ oxy làmcholượngoxy hoàtan sẽ giảmxuốngchonêncásẽdầndầnbiếnmất. Khi phầnlớnlượngoxy hoàtan giảm đithìcácvi sinh vậtkỵkhísẽbiến đổicáchợpchấtcóchứalưu huỳnhthànhH2S làmchonướccómùi 286
7. Chấtdễphânhuỷ sinhhọc § Chấtdễphânhuỷ sinhhọc(readily biodegradable substances): chấtcóthể bị phânhuỷ sinhhọcđến mộtmứcđộ nhất địnhnào đótheocácphépthửđã định đốivớikhả năngphânhuỷ sinhhọchoàntoàn. § Sự phânhuỷ sinhhọchoàntoàn: sự phânhuỷ sinh họcdẫnđếnsựvôcơhoáhoàntoàn. § Phân huỷ bậcnhất: sự phânhuỷ cấutrúcphântử củamộtchất đếnmứcdộđủđể loạibỏmộttính chất đặctrưngnào đó. 287
8. Hằngsốtốcđộ phânhuỷ K1 § Hằngsốtốcđộ phânhuỷ cácchấthữucơk1là đại lượng đặctrưngchotốcđộ củaphản ứngphânhuỷ cácchấthữucơdễphânhuỷ sinhhọcdo cácvi sinhvậthiếukhítrongdòngchảy đượcxác định trong điềukiệntĩnhtrongphòngthínghiệm. 288
9. Hiện tượng nạp khí (oxy từ không khíxâmnhậpvàonướcmặt) § Nạpkhí(Reaeration) là quátrìnhvậtlý(chuyển hóakhốilượng) củaoxy từ khíquyểnvàokhối nước. § Để sử dụngcácmôhình chấtlượngnướcsông cầnthiếtphảixâydựng phươngpháptínhtoán hệ số tốc độ hòatan oxy qua mặtthoáng. (ngày-1) 289
10. Môhìnhchấtlượngnước đơngiản(môhìnhBOD/DO đơngiản) 290
11. Đặc điểm § Loạimôhìnhnàyliên quan đếnnồng độ oxy trongsôngvàsuối § Mô hìnhchấtlượng nước đầutiênxemxét mốiquanhệBOD/DO trongmộthệthống sông đã đượcphát triểnbởiStreeter Phelps năm1925. 291
12. Cácgiả thiếttrợ giúplàm đơngiản hóamôhìnhStreeter Phelps § Chỉ cómộtnguồnô nhiễmtồn tại. § Tảitrọngô nhiễmkhông đổi đượcthảira ở một điểmcho trước. § Sôngkhông cónhánh. § Vậntốcdòngchảykhông đổi. § Mặtcắtngangdòngsôngcoi như không đổi. 292
13. Tiếptheo § Sự khuếchtántạođiều kiệnchonồng độ BOD vàDO coinhưđồng đềutrongmặtcắtcủa sông. dL t = - K .L § Sự phânhủysinhhọc dt 1 t diễnratrongsôngcó bậcnhấtvàngoàira khôngcósựthamgia củacácquátrìnhkhác. 293
14. PhươngtrìnhStreeter -Phelps dLt dD = - K1.Lt = K L - K D dt dt 1 t a § Dt = Cs –Ct § Cs= nồng độ oxy bãohòa § Ct = nồng độ oxy ở thời điểmt § Lt= nồng độ chấthữucơ, được đobằngBOD ở thời điểmt § K1= hệ số tốc độ phânhủycácchấthữucơhay hằngsố tốcđộ tiêuthụ oxy do quátrìnhphânhủycácchấthữu cơ(ngày-1) -1 § Ka = hệ số tốc độ hòatan oxy qua mặtthoáng(ngày ) (gọingắngọnlàhệsốthấmkhí) 294
15. D, Lt , C t q D 0 ,T K , K , K a , R a dD 1 N = K L - K D dt 1 t a 295
16. Mộtsốvấnđề nảysinh § Làmthế nào để tính đượcK1vàLt? § Làmsaotínhtoánnhữngtác độngcủanhiệt độ? § Làmsao ướclượngsựnạpkhí(reaeration)? Giátrị củaK1, Ka, Lt vàNođược đưarachomộtsố trườnghợpđặctrưng ở Bảngsau đây. KýhiệuKNlàhằngsốtốcđộ củasựnitrathóa: + - + NH 4 + 2O2 à NO3 + H2O + 2H 296
17. Một số ký hiệu dùng trong các phương trình o § Ka (20 C)= hệ số nạp khí(tốc độ hòatan oxy qua mặt thoáng) ở 200C. § Ka(T)= hệ số nạp khí(tốc độ hòatan oxy qua mặtthoáng) ở T0C. § v = vậntốctrungbìnhcủadòngchảy(m/s). § H = độ sâu(m). § θ = hằngsố= 0.0240oC-1, 5oC <T<25oC. § Cs = nồng độ oxybãohòa(mg/l). § Ct = nồng độ thựccủaoxy ở thời điểmt (mg/l). 297
18. CáchtínhKa § Kaphụ thuộcvàonhiệt độ, vậntốcdòngchảyvà độ sâudòngchảynhưđược đề ratrongnhữngphương trìnhdưới đây: 0 2.26 v -1 K a (20 C) = 2 (ngay ) H 3 2.26v K ()T = e q(T -20 )(ngay -1) a H 2 / 3 298
19. Giátrị củaK1, Ka, Lt vàNođược đưarachomộtsố trườnghợpđặctrưng ở Bảngsau đây. KN làhằngsốtốcđộ củasựnitrathóa: + - + NH 4 + 2O2 à NO3 + H2O + 2H 299
20. CáchtínhK1, KN Để tính Để tính No lànồng độ ammonium K1 KN vàL0lànồng độ chấthữu cơđobằngBOD ban đầu. KT (tại 1.05 1.06 - K1 vàKNphụ thuộcvào 200C) 1.08 nhiệt độ T: 0 T-20 K1(T) = K1 (20 C)´1.05 0 T-20 KN ()T = KN (20 C)´1.06 300
21. Giátrị đặctrưngK1, KN, No vàLo (ởnhiệt độ 20oC) K1 KN No Lo Nước thải 0.35 –0.40 0.15 –0.20 80 –120 150 –250 đôthị Nước thải 0.35 0.10 –0.25 70 –120 75 -150 đôthịđãxử lýcơhọc Nước thải 0.10 –0.25 0.05 –0.20 60 –120 10 –80 đôthịđãxử lýsinhhọc Nướcuống 0.05 –0.10 0.05 0 –1 0 –1 Nướcsông 0.05 –0.15 0.05 –0.10 0 –2 0 -5 301
22. TínhtoánBOD § Nồng độ chấthữucơtrongnướcthảithường đượcchỉđịnhbằngBOD5 hay BOD7, lầnlượtlà lượngoxy tiêuthụ trong5 và7 ngày. § Nhưđãđề cập ở trên, từ giả thiếtsựphânhủy tuântheoquyluậtbậcnhấtnêntacó: dL t = - K .L L = L .e -K1 t dt 1 t t 0 -K 5 -K1 5 BOD = L (1- .e 1 ) L5 = L0 .e 5 o 302
23. GiảiphươngtrìnhStreeter - Phelps choDO dD dD = K L - K D + K D = K L e-K1t dt 1 t a dt a 1 0 D t=0 = D0 D t=0 = D0 K L é 1 0 - K1 t -Kat -Ka t D = (e - e )+ D0 .e , K1 ¹ K a ê K - K ê a 1 ê K1t ëD = (K1 *t * L0 + D0 )e , K1 = K a 303
24. Độ thiếuhụtDO cực đại K L 1 0 - K1 t -Kat -Ka t dD D = (e - e )+ D0 .e Þ = 0 Û K a - K1 dt dD - = k L e k1t - k D = 0 dt 1 o a k1 -k1t Dc = Lo e k a 304
25. Điểmmàtạiđónồng độ oxythấp nhấtchínhlàgiớihạnnguyhại dD d 2 D D ® max Û = 0, < 0 dt dt 2 § Do D = Cs –Ct suyraCt=Cs-D, khiD max nghĩalàCt min 1 éK æ D (K - K )öù a ç 0 a 1 ÷ t c = lnê ç1- ÷ú K a - K1 ë K1 è K1L0 øû 305
26. Có lưu ý tới sự nitrat hóa trong phương trình cân bằng oxy dD = K .L + a.K .N - K D dt 1 t N t a § Trong đó a làquan hệ giữa nồng độ ammonium và lượng oxy tiêu thụ tương ứng với phương trình + - + NH 4 + 2O2 à NO3 + H2O + 2H § a được tính là2.32/14 = 4.4mg O2 với mỗi mg ammonium; b phụ thuộc vào sự đồng hóa vi sinh của ammonia, tỉ lệ này là4.3mg O2 với mỗi n ammonium trong thực tế K .L K .N 1 0 - K1 t -Kat N 0 - K N t -Kat -Ka t D = ( e - e ) + ( e - e ) + D0 .e K a - K1 K a - K N 306
27. Thaybiếnt = x/vtrongcác côngthứctrên § Nước thải sau khi gia nhập vào dòng sông, cósựsựhòa trộn hoàn toàn với dòng chảy § Vận tốc dòng chảy là như nhau trong suốt các mặt cắt ngang dòng sông. K L é 1 0 - K1 x/ v -Kax/ v -Ka x/ v D = (e - e )+ D0.e ,K1 ¹ Ka ê K - K ê a 1 ê æ x ö K1x/ v êD = çK1 * *L0 + D0 ÷e ,K1 = Ka ë è v ø 307
28. Bàitập Nướcthải đượcphatrộnvớinướcsông, kếtquả làBOD5 được đo ở 25oC là25mg/l. Hằngsốtốcđộ thấmkhí ở nhiệt độ 15oC đượcxác o định trên sông là0.8 l/ngày. Tìm L0 vàKaở20 C. Sử dụng giátrị trung gian từ bảng đã cho để đánh giácác thông số. Giải. o 0 K1 ở 25 C được xác định bằng phương trình tính theo K1 tại 20 C o 5 K1(ở 25 C) = 0.375 * 1.05 = 0.479 -K1*5 L0 được xác định từ phương trình BOD5 = L0(1-e ) -0.479*5 25 = L0 (1 –e ) = L0*0.91 Þ L0=27 mg/l o q(T-20) Ka ở 20 C cóthể tính được từ phương trình Ka(T)=Ka(20)e o 0.025*(-5) o o 0.8=(Ka ở 20 C)e =(Ka ở 20 C)*0.88 Þ Ka(ở 20 C) = 0.91 l/ngày. 308
29. Bàitập Nướcthảicủamộtnhàmáyphatrộnvớinướcsông, kếtquả là BOD = 10.9 mg/l, DO = 7.6 mg/l. Sự phatrộndiễnratạinhiệt độ 20°C, tốc độ phânhủycácchấthữucơtrên sông đượcxác định là0.2 ngày-1. Vậntốctrungbìnhcủadòngchảylà0.3 m/s, độ sâutrungbìnhlà3.0 m. ChobiếtDO bãohòa= 9.1 mg/l. §Hãy tínhthờigianvàkhoảngcáchtheochiềudòngchảytạiđó độ thiếuhụtlàcựcđại? §Hãy tìmgiátrị nhỏ nhấtcủaoxy hòatan (DO)? 309
30. Bàigiải § Độ thiếuhụtban đầu Do = 9.1 –7.6 = 1.5 mg/L § Đánhgiáhệsốtốcđộ hòatan oxy qua mặtthoáng(ngày-1) 2.26v K ()T = eq(T-20)(ngay-1)Þ a H 2/3 2.26´0.3 K (20)= eq(20-20)» 0.33(ngay-1) a 3.02/3 310
31. Bàigiải(tiếptheo) § Tínhthờigiankhi độ thiếuhụtđạtcựcđạivớitc: ü 1 ìKa é Do (Ka - K1)ùï tc = lní ê1- úý K - K K K L a 1 î 1 ë 1 o ûþï 1 ì0.33é 1.5(0.33-0.2)ùü = lní ê1- úý (0.33-0.2) î 0.2 ë 0.2´10.9 ûþ = 3.13ngay xc = vtc = 0.3m/s ´86,400 s/ngay´3.13ngay= 81,129 m 311
32. Bàigiải(tiếptheo) § Giátrị nhỏ nhấtcủaDO cũng đạt đượckhiDclàlớnnhất Độ thiếuhụtDO cực đạilà: -1 K1 -K1t 0.2 -(0.2day )(3.13days) Dc = Lo e = (10.9 mg/L)e = K a 0.33 0.2 (10.9 mg/L)´ 0.527 = 3.48 mg/L 0.33 DOmin = 9.1- 3.48 = 5.62 mg / L 312
33. BÀI TẬP 3 KhucôngnghiệpA cóxảnướcthảivàomộtđốitượngtiếpnhậnlàmột 3 con kênh. Lưulượngdòngnướcthảilà14400 (m /ngày), BOD5 ở nhiệt độ 200C là40 mg/l, nồng độ oxy hòatan trongdòngnướcthải là2.5 (mg/l) nhiệt độ củadòngnướcthảilà24 (0C) . Dòngchảycủacon kênhcólưulượnglà2000 (m3/giờ), BOD5 ở 200 là 2.5 (mg/l), nồng độ oxy hòatan là7.5 (mg/l). Nhiệt độ dòngchảylà 22 (0C). Dòngchảycóvậntốctrungbìnhlà0.3 (m/s), độ sâu2.5 (m). Biếtrằngsựhòatrộnhoàntoàndiễnratứcthời. Lấyhệsốtốcđộ phân 0 -1 hủycácchấthữucơK1tạinhiệt độ 20 C là0.15 (ngày ) . Hãytính: 1/ Hệ số Ka tạinhiệt độ 200 C theocôngthứcJorgensen S.E. 0 2.26 v -1 K a (20 C) = 2 (ngay ) H 3 trong đóv (m/s) làvậntốctrungbìnhcủadòngchảy, H (m) –là độ sâu trungbìnhcủasông. 2/ Lưulượngphatrộngiữanướcthảivànướcsông. 313
34. 0 3/ BOD5 phatrộntạinhiệt độ 20 C. 4/ Tínhnồng độ chấthữucơởthời điểmban đầusaukhi cósựphatrộn(L0). 5/ Nồng độ oxy hòatan phatrộnban đầu. 6/ Nhiệt độ phatrộngiữanướcthảivànướcsông. -1 7/ Hệ số tốc độ phânhủycácchấthữucơK1 (ngày ) sau khicósựphatrộn. 8/ Hệ số thấmkhíKasaukhicósựphatrộn. 9/ Độ thiếuhụtoxy ban đầusaukhi cósựphatrộn 10/ Thờigian đại đượcsựthiếuhụtoxycực đại 11/ Độ thiếuhụtoxycực đại 12/ Khoảngcáchnơiđódiễn ra độ thiếthụtoxycực đại 314
35. Bảng1. Nồng độ oxybãohòatrong nướcnhư mộthàmsốcủanhiệt độ STT Nhiệt độ Nồng độ oxybãohòa(mg/l) 0C 1 16 10.0 2 17 9.7 3 18 9.5 4 19 9.4 5 20 9.2 6 21 9.0 7 22 8.8 8 23 8.7 9 24 8.5 10 25 8.4 315
36. Bàigiải o 1/Tính hệ số Ka(20 C) 2.26´ v 2,26´ 0,3 K (20oC) = = = 0.326(ngay -1 ) a H 2 / 3 32 / 3 2/Lưu lượngphatrộngiữanướcthảivànướcsông: 9600 Q = +1500 = 400 +1500 = 1900(m3 / h) 24 o 3/BOD5 phatrộn ở nhiệt độ 20 C: 400 ´ 35 +1500 ´ 2 BOD = = 8,95(mg / l) 5 1900 316
37. 4/Nồng độ chấthữucơởthời điểmban đầusaukhicósựphatrộn: -K 5 Từ BOD5= Lo(1-e 1 ) 8,95 Þ L = = 16,96(mg / l) o (1- e -0,15´5 ) 5/Nồng độ oxy hòatan phatrộnban đầu: 400 ´ 2 +1500 ´8 DO = = 6,74(mg / l) max 1900 6/Nhiệt độ phatrộngiữanướcthảivànướcsông: 400 ´ 24 +1500 ´ 22 T = = 22,42(0 C) max 1900 317
38. 7/Hệ số tốc độ phânhủychấthữucơsaukhicósựphatrộn: o 0 (22,42-20) 2,42 K1 (22.42 C) = K1 (20 C) ´ KT = 0,15´ (1,05) 8/Hệ số thấmkhísaukhicósựphatrộn: o q(T -20) K a (T ) = K a (20 C) ´ e o 0,024(22,4-20) -1 ÞKa (22,42 C) = 0,326´e = 0.345(ngay ) 9/Độ thiếuhụtoxy ban đầusaukhicósựphatrộnDo= DO bãohòa –DO ban đầu, DO bãohòa trabảng1 = 8,754(mg/l) (nộisuy) Þ Do = 8,754 - 6,74 = 2,018(mg / l) 318
39. 10/Thời gian đạt được độ thiếuhụtoxy cực đại: 1 éK æ D (K - K )öù a ç 0 a 1 ÷ t c = lnê ç1- ÷ú K a - K1 ë K1 è K1L 0 øû 1 ì0,345 é 2,018(0,345 - 0,17)ùü -1 ´ lní ê1- úý = 0.33(ngay ) 0,345 - 0,17 î 0,17 ë 0,17´16,96 ûþ 11/ Độ thiếuhụtoxy cực đại:Dc K 1 - K 1t c D c = ´ L o ´ e K a 0,17 ´16,96´ e -0,17´3,3 = 4.77(ngay -1 ) 0,345 319
40. 12/ Khoảngcáchnơidiễnra độ thiếuhụtoxy cực đại: x = t c ´ v = 3,3 ´ 24 ´ 3600 ´ 0,3 = 85536 (m) 320