Bài giảng MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC - CHƯƠNG 2

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

122
lượt xem 33
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cơ sở lý thuyết của mô hình chất lượng nước 2.1. Các phương trình cơ bản Mô tả sự xáo trộn và lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở lý thuyết của quá trình khuếch tán rối. Lý thuyết này đã được thừa nhận rộng rãi trên thế giới. Phương trình vi phân cơ bản mô tả quá trình lan truyền và khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy dựa trên các giả thiết cơ bản sau : - ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC - CHƯƠNG 2

Chương 2.cơ sở lý thuyết của mô hình chất lượng nước 2.1. Các phương trình cơ bản Mô tả sự xáo trộn và lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở lý thuyết của quá trình khuếch tán rối. Lý thuyết này đã được thừa nhận rộng rãi trên thế giới. Phương trình vi phân cơ bản mô tả quá trình lan truyền và khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy dựa trên các giả thiết cơ bản sau : - Chất lỏng không nén. -Trị số Reynold đủ lớn để không xét đến hiệu ứng của quá tr ình khuếch tán phân tử. -Số lượng các chất giải phóng trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích là rất nhỏ và bỏ qua ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc của dòng chảy. Trên cơ sở định luật bảo toàn khối lượng, phương trình vi phân mô tả quá trình xáo trộn, lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chất lỏng lý tưởng-phương trình tải -khuếch tán như sau : C    C    C C C C   C     Dx     Dy     Dz   FS   0 (2.1)  ux  uy  uz   z t x y z x  x  y  y  z   Trong đó : - Hệ số khuếch tán phân tử, m2/s. Dx, Dy, Dz - Vận tốc dòng chảy theo các phương x,y,z, m/s. ux , uy , uz - Số hạng đặc trưng cho quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm bởi F(S) các quá trình vật lý, hoá học và sinh học diễn ra trong dòng chảy. Phương trình (2.1) là phương trình lý thuyết nửa kinh nghiệm mô tả quá trình tải và khuếch tán đối lưu vật chất trong dòng chảy. Khi áp dụng phương trình vi phân (2.1) giải bài toán xác định sự xáo trộn vật chất trong dòng chảy rối trong đường ống, Taylor (1954) từ các nghiên cứu thực nghiệm kiến nghị sử dụng hệ số khuếch tán tích phân để có thể xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc trên tiết diện của mặt cắt ướt đến quá trình khuếch tán rối vật chất. 1
Từ các nghiên cứu trên, phương trình vi phân (2.1) mô tả sự khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy được viết lại là : C C C C  C  C  C )  F S   ( x )  ( y )  ( z (2.2)  ux  uy  uz t x x x x x y y z z Trong đó : x ; y ; Z - Hệ số khuếch tán rối tích phân tại điểm đang xét, hệ số xáo trộn rối theo các phương x,y,z. Từ các phương trình (2.1), (2.2) cho thấy sự lan truyền các chất trong dòng chảy rối trong mọi trường hợp phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại điểm đang xét. Trong dòng chảy tự nhiên, trên kênh, sông... sự xáo trộn, khuếch tán của các chất tại một điểm luôn luôn chịu ảnh hưởng của trường vận tốc theo phương ngang và phương thẳng đứng, để làm rỏ sự khác biệt này so với dòng chảy trong ống thường sử dụng hệ số phân tán rối. Phương trình 2.2 được viết lại là :  2C  2C  2C C C C C  F S  (2.3)  ux  uy  uz  Ex  Ey  Ez x 2 y 2 z 2 t x x x Trong đó : - Hệ số (phân tán rối) khuếch tán rối vật chất theo phương x,y,z tại Ex E y E z mặt cắt. Như vậy, quá trình phân tán rối vật chất trong dòng chảy là tổ hợp của quá trình khuếch tán rối vật chất trong trường vận tốc dòng chảy có hướng và vận tốc khác nhau. 2.2.Hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi Nhổ õaợ phỏn tờch ồớ trón, sổỷ khuóỳch taùn vỏỷt chỏỳt trong doỡng chaớy laỡ quaù trỗnh khuóỳch taùn phỏn tổớ qua maỡng vaỡ khuóỳùch taùn õọỳi lổu. Hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi chởu aớnh hổồớng cuớa sổỷ xaùo trọỹn giổợa caùc lồùp doỡng chaớy rọỳi coù vỏỷn tọỳc khaùc nhau qua màỷt càừt ngang /2,10,11/. Caùc phổồng xaùo trọỹn cuớa nổồùc thaới vồùi nổồùc sọng taỷi mọỹt õióứm trón màỷt càừt ngang doỡng chaớy õổồỹc thóứ hióỷn ồớ H.2 Hỗnh.2 Caùc phổồng xaùo trọỹn cuớa doỡng chaớy. 2
Trong thổỷc tóỳ, caùc hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi thổồỡng õổồỹc xaùc õởnh giaù trở trung bỗnh vồùi tióỳt dióỷn màỷt càừt ổồùt cuớa doỡng chaớy, khọng phuỷ thuọỹc vaỡo toỹa õọỹ õióứm tờnh toaùn vaỡ õọỹ lồùn cuớa noù phuỷ thuọỹc vaỡo caùc yóỳu tọỳ thuớy lổỷc cuớa doỡng chaớy taỷi màỷt càừt.  Hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi theo phổồng thàúng õổùng z Hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi theo chióửu thàúng õổùng taỷi mọỹt õióứm trón màỷt càừt ngang õổồỹc xaùc õởnh theo cọng thổùc :  z  z  z  kdu    1   (2.4)  d  d Vồùi : u  g d S : vỏỷn tọỳc trổồỹt (vỏỷn tọỳc õọỹng lổỷc) cuớa doỡng chaớy taỷi màỷt càừt. z : toỹa õọỹ õióứm tờnh toaùn, m. k : hóỷ sọỳ rọỳi Von Karman (k  0,40 ). d : chióửu sỏu trung bỗnh cuớa doỡng chaớy taỷi màỷt càừt. S : õọỹ dọỳc õaùy cuớa doỡng chaớy, m/m. g : gia tọỳc troỹng trổồỡng, m/s2. Goỹi  Z laỡ hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi trung bỗnh cho màỷt càừt. d 1 (2.4) z   z dz d0 Jobson vaỡ Sayer (1970) ; Csanady (1976) bàũng caùc nghión cổùu thổỷc nghióỷm xaùc õởnh hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi vaỡ õóử xuỏỳt cọng thổùc kinh nghióỷm vóử hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi z taỷi mọỹt màỷt càừt ngang cuớa doỡng chaớy.  z  0,067 du  (2.5)  Hóỷ sọỳ xaùo trọỹn theo phổồng ngang y Fischer (1967,1969) bàũng thổỷc nghióỷm xa ùc õởnh hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi vaỡ õổa ra cọng thổùc tờnh hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi y taỷi mọỹt õióứm trón màỷt càừt ngang cuớa doỡng chaớy.  0 ,1 5 d u   (2.6) y Lau vaỡ Krishnapan (1977) bàũng caùc thổỷc nghióỷm trong caùc doỡng chaớy tổỷ nhión trón kónh, sọng coù caùc chóỳ õọỹ chaớy khaùc nhau, kióỳn nghở mổùc õọỹ sai sọỳ cuớa hóỷ sọỳ y .  y  0.15du   50% Doỡng chaớy trong kónh thàúng hỗnh thang : (2.7) 3
 0 ,6 d u   5 0 % Sọng coù chóỳ õọỹ chaớy óm :  y (2.8) u 2d 3 Sọng hỗnh daỷng cong, khuùc khuớy :  y  25 Rc2 u  (2.9) Trong õoù : -1 u :vỏỷn tọỳc trung bỗnh taỷi màỷt càừt ngang doỡng chaớy, L.T Rc :baùn kờnh thuớy lổỷc, L d : chióửu sỏu trung bỗnh, L. Tổỡ cọng thổùc (2.5) vaỡ (2.6) dóự daỡng nhỏỷn thỏỳy  y  10 z nhổ vỏỷy quaù trỗnh khuóỳch taùn rọỳi theo phổồng ngang cuớa doỡng chaớy lồùn hồn rỏỳt nhióửu so vồùi quaù trỗnh khuóỳch taùn rọỳi theo phổồng thàúng õổùng.  Hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi x Tổồng tổỷ nhổ vióỷc xaùc õởnh z vaỡ y , Elder (1959) bàũng thổỷc nghióỷm õaợ xaùc õởnh hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi taỷi mọỹt õióứm trón màỷt càừt ngang theo chióửu doỡng chaớyx .    5 , 93 du (2.10) x So saùnh x; y vaỡ z cho thỏỳy : x  y  z nhổ vỏỷy quaù trỗnh xaùo trọỹn vaỡ pha loaớng caùc chỏỳt ọ nhióựm dióựn ra chuớ yóỳu theo theo chióửu cuớa doỡng chaớy. Hay noùi mọỹt caùch khaùc sổỷ xaùo trọỹn, khuóỳch taùn rọỳi chỏỳt ọ nhióựm taỷi mọỹt õióứm naỡo õoù taỷi màỷt mọỹt õióứm naỡo õoù trón càừt ngang doỡng chaớy chởu aớnh hổồớng chuớ yóỳu vaỡo trổồỡng vỏỷn tọỳc cuớa doỡng chaớy taỷi màỷt càừt ngang õoù.  Hóỷ sọỳ phỏn taùn doỹc doỡng chaớy Ex Khi xem xeùt aớnh hổồớng cuớa trổồỡng vỏỷn tọỳc taỷi màỷt càừt ngang lón sổỷ khuóỳch taùn doỹc theo chióửu doỡng chaớy Fischer (1967) kióỳn nghở thay thóỳ hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi x bàũng hóỷ sọỳ phỏn taùn doỹc doỡng chaớy E . Hóỷ sọỳ naỡy õổồỹc xaùc õởnh bàũng caùch chia nhoớ màỷt càừt doỡng chaớy ra thaỡnh nhióửu õồn vở nhoớ õóứ coù thóứ xeùt õổồỹc aớnh hổồớng cuớa trổồỡng vỏỷn tọỳc taỷi màỷt càừt lón sổỷ xaùo trọỹn vaỡ phỏn taùn vỏỷt chỏỳt. y y w 1 1  u  (2.11)  u ddydydy  u Ex i  yd A 0 0 0 Vồùi : w : chióửu rọỹng cuớa doỡng chaớy taỷi màỷt càừt õang xeùt, L ui : vỏỷn tọỳc trung bỗnh qua õồn vở màỷt càừt i ,L.T-1 u : vỏỷn tọỳc trung bỗnh trón toaỡn bọỹ màỷt càừt, L.T-1 d : chióửu sỏu cuớa màỷt càừt õồn vở thổù i , L 4
 y  0,6du hóỷ sọỳ khuóỳch taùn rọỳi theo phổồng ngang giổợa tióỳt dióỷn õồn vở màỷt càừt thổù i vaỡ i-1. Tờch phỏn (2.11) ta õổồỹc hóỷ sọỳ phỏn taùn theo chióửu doỡng chaớy taỷi màỷt càừt ngang cuớa doỡng chaớy. Tổỡ caùc sọỳ lióỷu thổỷc nghióỷm Fisher õóử xuỏỳt cọng thổùc kinh nghióỷm tờnh hóỷ sọỳ phỏn taùn doỹc Ex taỷi màỷt càừt ngang doỡng chaớy. u2 E x  0 . 011 W 2 (2.12) du  2.2. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy Gỉa thiết rằng, các chất xâm nhập vào dòng chảy kênh, sông qua nước thải và các nguồn thải có kích thước đủ nhỏ (so với dòng chảy sông) để có thể coi như là các nguồn điểm. Do trong nước thải có nồng độ các chất cao hơn trong nguồn nước nên sẽ xuất hiện xu thế cân bằng nồng độ bằng cách vận chuyển các chất từ nước thải sang nước sông. Qúa trình vận chuyển chất được xảy ra bằng hai cách : -Quá trình vận chuyển chất do dòng chảy (advection) -Quá trình khuếch tán các chất do dòng chảy rối (turbulent disfusion). Ngoài ra, tuỳ thuộc chế độ thuỷ lực của dòng chảy, tính chất thành phần các chất bẩn mà nồng độ các chất ô nhiễm trong dòng chảy còn phụ thuộc các quá trình : các quá trình vật lý (hấp thụ, hấp phụ, lắng, bay hơi..), hoá học (sự phân huỷ, tương tác hoá học...) và sinh học (tích tụ sinh học, phân huỷ, chuyển hoá...) Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy là tổng hợp các quá trình thuỷ động học, thuỷ hoá, sinh học ...diễn ra trong nguồn n ước. Dưới góc độ sinh thái, đây là khả năng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ b ên ngoài. Qúa trình chuyển hóa -phân huỷ các chất hữu cơ nhờ các loại vi sinh vật... Sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy có liên quan đến tất cả các quá trình sinh thái trong hệ sinh thái dòng chảy sông. Các qúa trình sinh thái, mối quan hệ giữa các quá trình diễn ra trong dòng chảy khi tiếp nhận các chất thải từ các nguồn bên ngoài được mô tả hình 2.2 5
Chết và phân huỷ Thực vật Sinh trưởng Quang hợp Chu Hô hấp trình Nitơ Quang hợp Oxy hoà Bùn đáy tan Hô hấp Vẩ n n ổ i Làm thoáng Tảo Lắng Chết và phân huỷ BOD Chất thải từ bên ngoài Hình 2.1. Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy Từ sơ đồ ở hình 2.1 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy trong dòng chảy có liên quan đến các quá trình : vật lý, hóa học và sinh học diễn ra trong dòng chảy. Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên quan đến các quá trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy : sự phát triển của thực vật nước, và các quá trình có liên quan khác ... 2.2.1.Các quá trình sinh thái - chất lượng nước trong dòng chảy 2.2.1.Tảo Sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông Sự phát triển của tảo trong sông chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy văn, thành phần hóa học và các quá trình sinh học diễn ra trong dòng chảy. Cấu trúc chu trình phát triển của tảo như sau : sản xuất bậc I chuyển hóa các chất dinh dưỡng dạng vô cơ thành sinh khối của tảo; sản xuất bậc II của các loài động vật bậc II nổi đi kèm với việc tiêu thụ tảo. Chết và bài tiết sẽ giải phóng các chất hữu cơ dạng 6
chất vẩn và dạng hòa tan. Các con đường tái tạo sẽ chuyển các chất hữu cơ thành các dạng vô cơ là các chất cần thiết cho sản xuất bậc I. Sự phát triển của tảo trong nước được biểu thị bằng công thức sau : C p  t   C p  0  e  A t (2.13) Trong đó : C p  t  -Sinh khối của tảo ở thời gian t (mg/l). C p  0  -Sinh khối của tảo ở thời điểm to(mg/l). -Hệ số tốc độ phát triển của tảo (ngày-1). A -Thời gian (ngày) t Động học của quá trình phát triển của tảo Động học của quá trình phát triển của tảo liên quan đến sự chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy sông. Phương trình tổng quát  dA     A  1 A (2.14) dt d Trong đó : -Thời gian (ngày) t -Hệ số sinh trưởng của tảo (ngày-1)  -Hệ số hô hấp của tảo phụ thuộc vào nhiệt độ, hô hấp nội sinh và hô  hấp do quá trình trao đổi chất (ngày-1). -Hệ số lắng, phụ thuộc nhiệt độ (ngày-1) 1 -Chiều sâu cột nước (m) d Mối quan hệ giữa sự phát triển tảo và nồng độ các chất dinh dưỡng Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong dòng chảy sông bao gồm : nhiệt độ, ánh sáng, các chất dinh dưỡng, sự mất đi, sự lắng của tảo, sự kìm hãm ức chế quá trình quang hợp và hình thái dòng chảy cũng như vận tốc dòng chảy. ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho và cường độ chiếu sáng đối với sự phát triển của tảo được biểu thị dưới dạng sau :   max f ( N ) F ( P) f ( L) -Hàm của các chất dinh dưỡng được biểu thị qua biểu thức của Michaelis-Menton: 7
N f (N )  KN  N P f ( P)  KP  P Trong đó : -Nồng độ của nitơ vô cơ trong nước, NO3- N - Nồng độ của PO43- trong nước, mg/l P kN,kP - Hằng số Michaelis của Nitơ, Phốt pho -Tốc độ sinh trưởng lớn nhất của tảo  max -ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng của tảo có thể xác định bằng các biểu thức theo các hàm Monod, Smith và Steel. IZ Theo hàm Monod : f ( L) Z  KI  IZ Trong đó : - Cường độ ánh sáng ở độ sâu z (E/m2s) Iz - Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 50% tốc độ lớn KI nhất. IZ Theo hàm Smith f ( L) Z  K I2  I Z 2 Trong đó : -Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 70% tốc độ lớn KI nhất. IZ I (1 ) f ( L) Z  Z e I s Theo hàm Steel Is Trong đó : -Cường độ ánh sáng cho sự sinh trưởng của tảo là cực đại (=max) Iz Trong tất cả các trường hợp trên, cường độ chiếu sáng theo độ sâu đều tuân theo định luật Beer Lambert với : I Z  I S e  Z 8
Trong đó : -Cường độ ánh sáng ở trên bề mặt. IS -Chiều sâu cột nước. Z ảnh hưởng của nhiệt độ Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phát triển của tảo được xem xét bằng phương trình của O’Neill  Tmax T  X 1  T T  T T  fT  max Xe  max opt  Tmax  Topt 2 0.5 w2 1  1  1      w   Với X 400 w  ln Q10  Tmax  Topt  ; Q10  1.85 Tmax và Topt là nhiệt độ gây chết và nhiệt độ phát triển tối ưu của tảo. Với tảo lục, các giá trị lần lượt là 45oC và 27oC. 2.2.1.2.Chu trình nitơ trong nguồn nước và qúa trình nitrat hóa Chu trình tuần hoàn nitơ Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnh hưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước. Tồn tại trong nước dưới một số dạng như Nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat...Chu trình nitơ trong nước được mô tả trong hình 2.2. Qúa trình nitrat hóa Qúa trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH2)2, nhóm amin...do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinh vật gây thối rửa như các loài Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-Vulgarie...theo các phản ứng thủy phân sau.  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O 9
Sau đó trong nước xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành nitrat. Đây là quá trình hai giai đoạn được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng như Nitrosomonas, nitrobacter ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO2) là nguồn cácbon. Nguồn thải Nguồn thải Nguồn thải oxy N2 oxy NH4+ NO3- Nitơ hữu cơ Nitơ hữu cơ NH4-N NO2-N N 03 - N Thủy phân Nitro- Nitro- somonas bacter Khử Nitrat Chết Nitơ thực vật Nitơ động vật Hình2.3.Chu trình nitơ trong nguồn nước sông Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trình sau NH 4 + + O 2 NO2  H   H 2O   NO3 NO2  O2 Qúa trình oxy hóa nitrit thành nitrat thường diễn ra rất nhanh hơn nhiều so với quá trình nitrat hóa. Phản ứng của quá trình có thể được viết lại là.  NO3  H 2O  H  NH 4  O2 Sự chuyển hóa NH4+ thành NO3- đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan, vì vậy quá trình này có ảnh hưởng đến cân bằng oxy trong dòng chảy. Trong dòng chảy sông ngoài ra còn một quá trình quan trọng nữa là quá trình tương tác trao đổi giữa nitơ trong dòng chảy và nitơ ở trong các lớp bùn đáy. quá trình này được thể hiện ở hình trên. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 10
Qúa trình nitrat hóa trong sông phụ thuộc vào các yếu tố môi trường. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình này là nồng độ các chất nền NH4-N, NO2-N, oxy hòa tan cũng như các điều kiện nhiệt độ, pH cho sự phát triển của các loại vi sinh vật tham gia quá trình này. Mối quan hệ của các yếu tố đến quá trình nitrat hoá được biểu thị bằng công thức của Michaelis-Mentons NH 4 NO2 max f T , O2 , BOD...  N  N k NH 4  NH 4 k NO2  NO2 Trong đó : -Hệ số tốc độ phát triển của vi sinh vật nitrat N  N ax m -Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat -Nồng độ của NH4 và NO2 NH 4 , NO2 -Hằng số Michaelis của NH4 và NO2 k NH 4 , k NO2 f  T , O2 , BOD... -Hàm xét đến sự phụ thuộc của quá tr ình nitrat hóa vào nhiệt độ, oxy hòa tan, nồng độ các chất hữu cơ theo BOD và vận tốc dòng chảy. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrat hóa trong dòng chảy là pH, nhiệt độ, oxy hòa tan, các chất độc cũng như hình thái của thủy vực nước, chuyển động rối và ánh sáng. ảnh hưởng của pH Hiệu suất tối ưu của các vi sinh vật tham gia quá trình nitrat hóa đạt được khi giá trị pH nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5 Trong các nguồn nước sông nghiên cứu, giá trị pH thường nằm trong khoảng giá trị kiềm yếu. Khi quá trình quang hợp diễn ra mạnh sẽ làm tăng giá trị pH, trong khoảng thời gian rất ngắn giá trị pH có thể đạt được các giá trị trên 9. Theo Hubber (1984) thì hiệu suất của quá trình nitrat hóa sẽ bị giảm xuống rõ rệt khi giá trị pH cao xuất hiện trong một đoạn ngắn. ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình nitrat hóa 11
Tốc độ phát triển của các vi sinh vật nitrat chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ. Nhiệt độ tối ưu là 20-30oC.ở nhiệt độ nhỏ hơn 5oC hoặc nhiệt độ lớn hơn 45oC quá trình xảy ra rất yếu. Hàm lượng oxy hòa tan thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình có thể biểu thị bằng quan hệ Warwick. ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến quá trình nitrat hóa Hàm lượng oxy thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa. Sự phụ thuộc của tốc độ của quá trình nittrat hóa vào hàm lượng oxy hòa tan được biểu thị bằng phương trình phản ứng động học enzzym của Michaelis-Mentens DO max DO  DO k DO  DO Trong đó : -Hệ số ảnh hưởng của oxy đến quá trình nitrat, mg/l/ngày. DO m ax -Hệ số ảnh hưởng lớn nhất của oxy đến quá trình nitrat hóa, DO (mg/l/ngày) -Hằng số Michaelis của oxy, k DO =2mg/l (EPA, 1975) k DO Trong trường hợp nồng độ oxy hòa tan quá nhỏ có thể lấy DO  0 ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ BOD đối với quá trình nitrat hóa Sự phụ thuộc của quá trình nitrat hóa vào giá trị BOD được biểu thị bằng phương trình Curtis,1994 BOD5  1.2  0.035 BOD5 ảnh hưởng của các chất ức chế, các chất hữu cơ dễ phân hủy và ánh sáng Các chất kìm hãm như fomat, glucose làm tăng tốc độ phát triển của nitrosomonas (Bock, 1980) còn các chất pyruvat, acetat làm tăng tốc độ phát triển của nitrobacter. Formiat, acetat, glucose, pepton có tác dụng kìm hãm quá trình oxy hóa các hợp chất amôn. ảnh hưởng của hình thái dòng chảy và vận tốc dòng chảy 12
Qúa trình nitrat hóa xảy ra theo hai cách do các vi sinh vật lơ lửng cuốn theo dòng chảy và các vi sinh vật dính bám. Hiệu suất của quá trình phụ tuộc chủ yếu vào các loại vi sinh vật nitrat hóa có dạng thực vật hoặc khả năng gắn kết vào các hạt lơ lửng, các giá thể có sẵn trong dòng chảy. Động học của chu trình nitơ trong dòng chảy Quá trình thủy phân dN org (2.16)  1 A  3 N org   4 N org dt Trong đó : -Nồng độ các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, mg-N/l. N org -Hệ số tỷ lệ nitơ trong sinh khối tảo, mg-N/mg-A. 1 -Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1  -Hệ số lắng của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 4 -Hệ số thủy phân của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 3 -Nồng độ sinh khối tảo, mg-A/l A Qúa trình ammôn hóa dNH 4   3 N org  1 NH 4  3  F1 A (2.17) dt d Trong đó :  NH 4 -Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l. -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4 sang NO2 1 -Nguồn NH 4 trong lớp bùn đáy 3 -Hệ số tỷ lệ NH 4 tiêu thụ do tảo F -Hệ số tốc độ sinh trưởng của tảo, ngày-1  Qúa trình Nitrit hóa  dNO2  1 NH 4  2 NO2  (2.18 ) dt Trong đó :  NH 4 - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l 13
 - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng nitrit, mg-N/l NO2 -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4 sang NO2 , ngày-1 1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NO2 sang NO3 , ngày-1 2 Qúa trình Nitrat hóa dNO3   2 NO2  (1  F )1 A (2.19) dt Trong đó : (1  F ) -Hệ số tỷ lệ NO3 tiêu thụ do tảo 2.2.1.3. Sự phân hủy các chất hữu cơ Quá trình phân huỷ sinh hoá các chất hữu cơ Tốc độ phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy phụ thuộc vào tốc độ phát triển các vi sinh vật, sự phát triển của các vi sinh vật tỷ lệ với tốc độ phát triển lớn nhất  B ax và phụ thuộc vào nồng độ chất nền. Qúa trình này được biểu thị bằng phương m trình động học Monod. S  B   B ax m (2.20) ks  S max dS  B B S .B   B Y Ks  S dt Y dB  B B dt Trong đó : -Nồng độ chất nền S -Hệ số tốc độ phát triển của vi khuẩn B -Sản lượng vi khuẩn Y -Nồng độ sinh khối vi khuẩn B -Hằng số Michaelis ks Đối với nhiều chất nền, ks có giá trị cỡ 10-1 g/ml. Nếu giá trị này lớn hơn đáng kể so với S , sự biến mất của chất nền là quá trình bậc một theo cả B và S. 14
Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ Giả thiết tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tuân theo quy luật của phản ứng bậc một. Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy được mô tả bằng phương trình. dL (2.21)   kd L dt Trong đó : - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 kd -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l L Hằng số này thay đổi theo thành phần các chất hữu cơ. Hằng số có giá trị càng lớn, tốc độ phân hủy càng nhanh. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ T của hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu c ơ được xác định bằng công thức Van't Hoft - Arrhenius : k d  k d 20  T  20 (2.22) Trong đó : -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy -phản ứng phân hủy các chất hữu cơ (T-1) kd -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy ở nhiệt độ 20oC. kd,20 -Hệ số thực nghiệm   1,048  ảnh hưởng của dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ Trong dòng chảy tự nhiên, sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ phụ thuộc vào chế độ thủy lực của dòng chảy (vận tốc dòng chảy, chế độ xáo trộn khối nước thải với nước sông) đã có ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy. Do các quá trình như : thay đổi nồng độ do sự keo tụ, lắng các chất hữu cơ dạng phân tán nhỏ. Sơ đồ khối mô hình sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòng chảy BOD Các nguồn thải Phân hủy điểm, phân tán hiếu khí Lắng Hình.2.4. Sơ đồ cấu trúc sự 5 đổi BOD trong dòng 1 thay chảy
Động học của quá trình dL    k1  k3  L (2.23 ) dt Trong đó : -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD (mg/l) L k1 ,kd -Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (ngày-1) k3 , ks -Hệ số tốc độ giảm các chất hữu cơ do quá trình lắng (ngày-1). Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy(kr=kd+ks=k1+k3) 2.2.1.4.Cân bằng oxy trong dòng chảy Cân bằng oxy hòa tan Cân bằng oxy trong dòng chảy sông là khả năng chứa và quá trình hòa tan oxy t ừ không khí qua bề mặt thoáng của dòng chảy. Bổ sung do quá Trao đổi oxy trình quang hợp tự nhiên Nitrat hóa Khử nitrat hóa oxy hòa tan Nhu cầu oxy Nhu cầu oxy phân hủy sinh hóa do hô hấp Nhu cầu oxy của bùn đáy Hình. 2.5.Sơ đồ cân bằng oxy trong nguồn nước 16
Các quá trình ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan Các quá trình tiêu th ụ oxy trong dòng chảy bao gồm : quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa, quá trình hô hấp của hệ thực vật nước, quá trình oxy hóa các chất ở lớp bùn đáy và sự phân hủy các hợp chất hữu cơ. Các quá trình bổ sung lượng oxy hòa tan bao gồm : quá trình hòa tan và khuếch tán oxy từ môi trường không khí qua bề mặt thoáng, quá trình quang hợp của hệ thực vật nước. Như vậy, từ các phân tích các quá trình sinh hóa trong dòng chảy ta có phương trình tổng quát mô tả cân bằng oxy hòa tan trong dòng chảy : k dDO      k 2  DOBH  DO    3    4  A  k1 L  4   5 1 NH 4   6  2 NO2  (2.25) dt d Trong đó : - Hằng số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1 k2 (ka) - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 k1(kd) - Nồng độ sinh khối tảo, mgA/l A - Nhu cầu oxy của quá trình hô hấp trong lớp cặn đáy, k4 mg/m2.ngđ. - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l DO - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l DOBH - Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l L - Chiều sâu cột nước trung bình, m d 3 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quá trình quang hợp của một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. 4 - Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình hô hấp một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NH4+ 5 (mgO/mgN) - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NO2- 6 (mgO/mgN)  - Hằng số tốc độ sinh trưởng của tảo 17
- Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4 sang NO2 ,ngày-1 1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NO2 sang NO3 , ngày-1 2 - Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1  Qúa trình khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng Qúa trình hòa tan oxy từ không khí vào nước sông được biểu thị bằng hệ số ka. Hệ số này phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt oxy trong d òng chảy, tốc độ hòa tan theo định luật Henry. Các yếu tố phụ thuộc bao gồm : áp suất, nhiệt độ, diện tích bề mặt thoáng và độ mặn... Trong dòng chảy sông, phụ thuộc vào sự chuyển động của khối dòng chảy, nhiệt độ môi trường không khí, nhiệt độ n ước và sự có mặt của các chất hoạt tính bề mặt trong nguồn nước sông và được xác định bằng các công thức thực nghiệm đối với các dòng chảy có các chế độ thủy lực khác nhau. Các công thức thực nghiệm về hằng số tốc độ thông khí (reaeration) trong dòng chảy thường được biểu thị theo tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước hoặc sự phân tán các chất và chiều sâu cột nước. Các công thức thực nghiệm Hàm của tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước. 12 ,9 u 0,5  O'Connor và Dobbin's (2.26) ka  H 1, 5 23u 0, 75  Owen - Edwards - Gibbs (2.27) ka  H 1,75 11u  Churchill - Elmore - Buckingham (2.28) ka  H 1,67 Trong đó : -Giá trị logarit tự nhiên -hằng số tốc độ tái hòa tan oxy(ngày-1) ka -Vận tốc trung bình dòng chảy, m/s u: -Chiều sâu trung bình, m. H -Lưu lượng của dòng chảy, m3/s Q -Thời gian, ngày-1. t 18
Hàm của tốc độ dòng chảy, sự phân tán và chiều sâu cột nước. u 0.5 0.5 (2.29) k a  1.5 E x H 19