Bảo vệ nguồn nước - Chương 4

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

140
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CÁC MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC Các mô hình đánh giá chất lượng nước dựa trên quá trình tự làm sạch của nguồn nước. Mô hình đánh giá chất lượng nước có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc kiểm soát chất lượng nưóc nguồn. 4.1 Các mô hình chất lượng nước sông

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bảo vệ nguồn nước - Chương 4

C hương 4 CÁC MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC C ác mô hình đánh giá chất lượng nước dựa trên quá trình tự làm sạch của nguồn nước. Mô hình đánh giá chất lượng nước có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc k iểm soát chất lượng nưóc nguồn. 4.1 Các mô hình chất lượng nước sông 4.1.1 Mô hình 2 chiều với chất bẩn bền vững Trong trường hợp nước thải ổn định: F(c) 0 , c/t=0 v c/x=Dy. 2c/y2 Khi đó: (1) H iện nay có xu thế chung để giải phương trình (1) bằng: Mô hình toán; Hàm lượng giác; Dùng phương pháp chuỗi; Dùng phương số (phương pháp gần đúng): Chia nhỏ ra để đúng dần Sau đây là m ột số phương pháp giải phương trình trên a, Mô hình Carausep (Dùng phương pháp sai phân hữu hạn) c/x=D y. 2c/y2  xC / x=Dy 2yC /y2 (2) - Gốc toạ độ đặt tại điểm x=0 (tại điễm xả nước thải) - Sự chính xác của bài toán phụ thuộc vào cách chia và cách chọn Từ(2) ta có xC = 2yC.Dy. x /y2 Dyx C k ,m  C k 1,m  (C k 1,m1  2C k 1,m  C k 1,m1 ) 2 y Dyx C k ,m  (Ck 1,m1  2Ck 1,m  Ck 1,m1 )  Ck 1,m (3) 2 y - Theo carausep đối với các sông đồng bằng thì: D y. x/ 2y = 1/2 (4) k-1 k k+1 C k ,m  1 / 2(C k 1,m 1  C k 1,m1 ) y m+1 - Đ ối với trường hợp khác m Dy=gH/MC s (4) m -1 g: gia tốc trọng trường=9,81m/s H: Độ sâu trung bình của sông M : Hàm của hằng số cedi (m 0,5 /s) M=0,7Cs+6 Cs: H ằng số cedi của sông O 2 Chiều dòng chảy - Từ (3) v à (4):  x = M.Cs.  y/2gH Điểm xả x ước thải n (5) y: Phụ thuộc vị trí xả: 1
+ Xả ven bờ y=Qnt/vH + Xả lòng sông : y=Qnt/2vH ví dụ: - B = 70 m - H =1,8 m - CS = 38,4 m0,5 /s n=? 500 m - v = 0,2 m/s CMAX = ? - CNG= 0 11 m - C NTH = 120 mg/l QNTH =0,8 m3 /s - x =500 m Giải: Đ ây là trường hợp xả lòng sông y=0,8/2.0,2.1,8=1,11m M=0,7.38,4+6=32,9 (m 0,5 /s) x=32,9.38,4/2.9,8.1,8=43,8m Số khoảng theo y, x: Ny=500/1,11= ... Nx=70/43,8=... x1 2 3 4 5 6 ....... 10 11 12 y 1 0 2 0 0 0 0 ... 3 0 0 0 0 7,5 .. 15 7,5 .... 30 15 30 ... 19,2 8 0 0 9 0 60 30 45 30 26,8 18,0 10 120 60 60 45 45 26,8 26,8 11 120 60 60 45 45 26,8 26,8 60 30 45 30 26,8 18,0 12 0 30 15 30 19,2 13 0 0 15 7,5 14 0 0 0 ... 7,5 15 0 0 0 0 K ết quả tính toán: Cmax 500=26,8mg/l , n=120-0/26,8-0=4,48 b, Mô hình Frôlôp:Rodziller Điều kiện biên: - C ác dòng ch ảy vô tận - Không đề cập số lần pha loãng ban đầu -Xả tập trung CMAX  C  (Co  C ) exp( 3 L ) 2
C: Nồng độ chất bẩn tại điểm xáo trộn hoàn toàn Co: Nồng độ chất bẩn của nước thải Dy    3 Qnth Hệ số khuếch tán Dy xác định theo công thức của Popanov : Dy=Hv x/200  Hệ số thụ thuộc vào vị trí xả  = 1 xả ven bờ  = 1,5 xả giữa dòng  : Hệ số phụ thuộc vào hình thái của sông = L/Lthẳng ưu điểm : thông tin đơn giản (số liệu đầu vào) nhược điểm: sai s ố lớn do thông tin gần đúng ứng dụng: Chỉ áp dụng cho sông lớn, dài vô tận. 4.1.2 Mô hình chất lượng nước 1 chiều đối với chất bẩn không bền vững - Điều kiện biên: 0
V. V. g - U : v ận tốc động học của dòng chảy: U  CS  CS V Hi Cs: H ệ số cedi của sông, i: Độ dốc thuỷ lực, H : Chiều sâu sông - k: hằng số chuyển hoá chất bẩn(ở 20 độ C, nước thải sinh hoạt (BOD) k =0,1 b. C ũng như trên nhưng nồng độ chất bẩn thay đổi theo thời gian Bằng cách giải như trên ta có: C0,t  f (t )  C 0 1  exp( Mt ) C dau v2 C dau  1  2kt 1 v   (C 0  )   ) x]  C x ,t exp[( 1  2 Mt 1  2kt  2 1  2kt 2 Dx 2D x 4 Dx   M: hàm của hằng số cedi M=0,7Cs+6 c, khi xả tức thời lượng chất bẩnG vào sông thì sau tác động đó ở khoảng cách x thì Cx,t=?  ( x  vt ) 2  G (7) C x ,t  exp   kt  4Dx t  4Dx t    : diện tích tiết diện ước tính của v ùng nước bị nhiễm bẩn, phụ thuộc loại c hất bẩn 4.1.3 Mô hình BOD - D O của sông Đặc trưng cho mô hình này là độ thiếu hụt ôxi D và BOD D/t + vD/x = D x2D/2x + F(c) (8) L/t + v L/x = D x2L/2x - K1L F(c)=K1L - K2D + K1: H ằng số tốc độ tiêu thụ ôxy (1/ngày) + K2: H ằng số tốc độ hoà tan ôxy trên bề mặt (1/ngày) + L: Nồng độ BOD (mg/l) Trong trường hợp xáo trộn hoàn toàn, quá trình tự làm s ạch chủ yếu dựa vào vi sinh v ật => phương trình (8) chuyển về dưới dạng Phelp -Streeter (Đây là mô hình đơn giản nhất, chỉ đề cập đến quá trình tiêu thụ ô xy của vi s inh vật hiếu khí và hoà tan ô xy qua bề mặt khi có thiếu hụt ô xy) dD/dt= K1L - K2D dL/dt = - k 1L D t=[k1L0/(k2 - k1)] [exp(-k1t) - exp(-k2t)] + D0exp(-k2t) (10) - K1.t Lt = Lo x 10 + Lbs - D o và Lo là độ thiếu hụt ô xi và BOD ban đầu, tại thời điểm t = 0 - Lbs: N ồng độ BOD bổ sung do các yếu tố + quá trình sinh hoá gây nhiểm bẩn 4
+ Vẩn cặn đáy xâm nhập trở lại + N guồn khác bổ cập Trong điều kiện Việt Nam, các sông hồ đô thị nước ta tính theo công thức Lx,max=Lngexp(-k1t) + 1/n (Lnt- Lng)exp(-k 1*t) +Lbs - Lng:BOD của nước sông khi chưa xả nước thải v ào t=0 - Lnt: BOD của nước thải sông tại điểm t=0 - n: số lần pha loãng - Lbs:BOD bổ sung. Đ ối với kênh hồ đô thị: Lbs (ng/l) + Kênh thoát nước với v = 0,01 -0,02 1,4 - 2 + Hồ đô thị với thời gian nước lưu lại 10-20 ngày 2,5 - 3,5 20 -40 ngày 3,0 - 4 - k1: hằng số tốc độ tiêu thụ ôxi trong nước nguồn + Kênh, mương thoát nước, v nhỏ hơn 0,02 m/s: K1 = 1,0142 + 0,14 Lng (ngày-1) - C ơ số logarit + Đối với hồ đô thị tiếp nhận nước thải sinh hoạt: K1 = 0,229 t - 0,656 (ngày-1) - K2: hằng số tốc độ hoà tan ôxy, phụ thuộc v ào v, nhiệt độ, độ sâu H.... K2 = 86400 (Dxv)1/2/H 3/2 D x: Hệ số khuếch tán, Dx = 2,05.10-9 ở 200C. 4.1.4 Đặc điểm quá trình pha loãng và chuyển hoá chất bẩn trong sông khi có nhiều nguồn thải. a, Đ ối với các chất bẩn bền vững: Q1 Q2 1 2 3 4 C1 C2 QNG CMAX ,3 CMAX ,2 CXT ,3 CMAX , CXT ,2 C1 CXT ,1 CMIN ,3 CMIN ,2 CNG C Q . C NG MIN ,1C1 n 1 Q. Q .C Q .C  1 NG i NG i NG 1 C  C XT ,1  .......... ...... XT , n 1 n 1 Q Q Q NG   Qi NG 1 1 1 5
b)Đối với các chất bẩn không bền vững : Q1 Q2 3 1 2 C1 C2 QNG CMAX ,2 CMAX ,3 CXT ,2 C1 CXT ,3 CMAX , CXT ,1 CMIN ,3 CNG CMIN ,2 CMIN ,1 N ếu k1 = const t3 t t. .2 Q . C .10 k 1t  Q . C .10 k t   11 1 1 NG 1 NG 1 C  XT ,1 Q Q NG I n 1 .10 k 1 t n (Q   Q )  Q .C n .10 k 1 t n  . . Q XT , n 1 NG i n 1 C  n XT , n Q  QI NG 1 C ? XT , N 4.2 Các mô hình đánh giá chất lượng nước hồ 4.2.1 Đặc điểm hồ H ồ là nơi yếu tố d òng chảy không rõ rệt, quá trình v ận chuyển trong hồ chủ yếu nhờ gió và các quá trình thuỷ động lực trong hồ a, Phân loại hồ Theo nguồn gốc hình thành - H ồ tự nhiên Đ ặc điểm: H ình thành do sự vận động của vỏ thực động vật làm cho địa hình biến đổi tạo v ùng trũng chứa nước bề mặt chảy xuống hoặc nước ngầm. Hệ s inh thái trong loại hồ này thường ổn định. -H ồ nhân tạo: Được hình thành do con người tác động (Hồ đào và hồ đắp) Đ ặc điểm: Do thời gian hình thành ngắn nên hệ sinh thái chưa ổn định. Điều k iện sống hay bị thay đổi, sinh vật dễ chết hoặc thay đổi trạng thái hoạt động Theo độ mặn: Hồ nước ngọt , Hồ nước mặn, Hồ nước lợ 6
Theo mức độ dinh dưỡng: Hồ giàu dinh dưỡng, Hồ trung bình, Hồ nghèo dinh dưỡng b, Các đặc tính cơ bản của hồ - Sự phân tầng nhiệt độ , ô xi theo c hiều sâu - Sự phân vùng theo đường đồng tâm Phân tầng nhiệt độ Nhiệt độ KK Nhiệt độ Mùa đông t KK mùa hè M ùa Tầng 1 Đông Nhiệt độ nước Tầng 2 mùa Hè Tầng 3 H - Tầng mặt : Nhiệt độ nước thay đổi theo môi trường bên ngoài, nước bị xáo trộn do gió ( xúc tác không khí ổn định ) sâu 0 đến 0.5 m - Tầng giữa: sâu 0,5 đến 2,5 m. Chiều sâu của tầng phụ thuộc kích thước, c hiều sâu hồ , vị trí địa lý, khí hậu, môi trường... Nhiệt độ của tầng giữa không ổn định. Tại tầng này, có sự xáo trộn nhưng chỉ xáo trộn trong bản thân tầng giữa do s ự chệnh lệch thành phần nhiệt độ giữa tầng 1 và 3. -Tầng đáy : Sâu trên 2,5 m . Nhiệt độ ổn định. nhiệt độ chênh lệch giưa tầng đáy và tầng mặt lớn( lên đến 300). Đây là lý do ảnh hưởng đến hệ sinh thái trong hồ =>thành phần sinh vật trong hồ rất khác nhau DO khuyếch tán Phân tầng chế độ oxy : DO,% 0,15 0,2 m 0,3 0,5 Vùng 0-1,5m m hiếu khí Vùng DO thực tế tuỳ tiện Tiêu thụ do 1,5 - 2,5m DO tích luỹ do hô hấp quang hợp Vùng y ếm khí - C hế đô xy phản ánh: mức độ dinh dưỡng, QT. thuỷ động học v à sinh hoá. H - Ô xi cung c ấp cho hồ chủ yếu là quá trình khuyếch tán và quang hợp - Theo độ sâu, chế độ ô xy chia 3 vùng: Hô hấp hiếu khí (100%), hô hấp tuỳ tiện (o xy bão hoà bão 30-60%) hoà và hô hấp kị khí (ô xi bão hoà
Phân vùng theo chế độ dinh dưỡng: Phân vùng theo nguyên lý đồng tâm: Chất hữu cơ, dinh dưỡng giảm dần từ ven bờ v ào giữa. - Ven bờ thì phù du thực vật và thực vật bậc cao phát triển hơn - P, N cuốn theo nước bề mặt trôi xuống tập trung ở ven bờ 4.2.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước hồ (Hồ nước ngọt) a, Đánh giá theo mức độ ô nhiễm: TCNN 5942-1995 có các tiêu chỉ đánh giá chất lượng nước hồ b, Mức độ dinh dưỡng Chỉ tiêu Oligotrophic (nghèo dd) Eutrophic (giàu dd) Độ sâu Sâu (Tầng đáy>tầng mặt) Nông (T.đáy4,0 m 80% < 10% C hất dinh dưỡng: N 0,2 mg/l P 0,02 mg/l 0,3-2,5mg/m (10-50 mg/m ) >5 mg/m3 (>20 mg/m 3) 3 2 Chlorophyll a Thực vật phù du Tảo khác nhau (số lượng ít) Tảo lam, tảo lục Động vật phù du Nghèo Phong phú Động vật đáy Phong phú Nghèo CHC đáy thấp Cao 4.2.3 Quá trình pha loãng nước thải trong hồ Gió Gió Hồ nông Hồ Sâu Quá trình pha loãng chủ yếu phụ thuộc: - C hế độ thuỷ động học(chủ yếu do gió ) - chế độ xả nước thải v ào hồ a, Mô hình Rufell: Theo Rufell quá trình pha loãng chủ yếu do gió và phụ thuộc nhiều vào điểm xả nước thải ở tầng mặt hay tầng đáy n=nđ . nc Trong đó: n đ = f (điều kiện xả nước thải) Qnth  0,0118H 2 - Xả NT tầng mặt: nd  Qnth  0,00118H 2 8
2 Qnth  0,0087 H - Xả NT ở tầng đáy thì nd  Qnth  0,000435H 2 Trong đó: + Qnth: nước thải xả v ào hồ m 2/s + H: chiều sâu của cống xả nước thải (độ ngập của cống). - N ếu cống nằm trên m ặt nước thì nđ = 1 nc (Số lần pha loãng cơ bản) phụ thuộc tình hình xả NT L L 0, 627 0 ,0002( x ) nc  1  0,142( ) - Xả nước thải ven bờ x Xả NT xa bờ - 0,410,0064L / x nc  1,85  2,32(L / x) Trong đó: L: Khoảng cách tính từ địa điểm xả NT đến vị trí tính toán x: bước theo hướng nước xả x =6, 53.H1,167hồ Hhồ : độ sâu trung bình của hồ L X b, Mô hình của Lásôp Điều kiện biên: - Vận tốc nước thải tại miệng xả v o > 2m/s - C hiều sâu hồ / Đường kính miệng xả , H / d0  30 P. S  0,2 L  Số lần pha loãng: n  A d   Trong đó:  0 - A:Hệ số. Xả nước thải tập trung: A=1 Xả nước thải phân tán A = 0,74 (L/l1 + 2,1)- 0,4 - L: Khoảng cách từ miệng xả đến điểm tính toán - l1: Khoảng cách giữa các điểm xả phân tán VTB - p: Đ ặc trưng cho chế độ thuỷ động học trong hồ P 0,000015Vo  VTB - v TB: vận tốc trung bình dòng chảy trong hồ - v 0 : vận tốc nước thải tại miệng xả ( > 2m/s ) 0,325 H S  0,875 - s: Hệ số phụ thuộc độ sâu của hồ v 360  ( )10 5 - H : độ ngập trung bình c ủa cống xả trong hồ v0 Ví dụ: xác định số lần pha loãng n, CX ; xả tập trung với các điều kiện đây: H = 30 m; Qnth= 0,32m3/s; L = 500m; vTB= 0,02m/s, C 0 = 150mg/l; Cng = 10mg/l 9
2 3,14d 0 Giải: Sơ bộ chọn v 0= 2,5m/s; Từ Q  4v H 4 * 0,32  30 dk : d0   0,404m Error! d0 3,14 * 2,5 Đ ể đảm bảo đk => chọn d0=0,4m, v=2,53m/s Xả nước thải tập trung =>A=1 0,02 p  0,997 0,000015 * 2,53  0,02 0,875  0,325 * 30 s  0,884 0,02 5 360  ( )10 2,53 0,2 * 500 n  1( )  126 0,4 n = (C 0 - Cng)/ (C x- Cng), thay vào ta tính được C x 4.2.4 Mô hình chuyển hoá chất hữu cơ (BOD) trong hồ Điều kiện biên: - Xem hồ tính toán là hồ sinh vật ổn định. - C ác quá trình xảy ra trong hồ là phản ứng bật 1 Quá trình xáo trộn hoàn toàn Thời gian nước lưu lại trong hồ Qng, Lng 1 La  Lr Q0, La t lg k1 Lt  Lr t = 3 - 60ng Qnt, Lnt Q0, Lt V t Qo Trong đó: - La: BOD của hỗn hợp nước thải v à nước hồ sau khi xáo trộn hoàn toàn La = (Lng.Qng + Lnt.Qnt)/( Qng +QNT) - Q0=Qng+QNT - Lr: Lượng chất bẩn bổ sung do: phì dưỡng, tái nhiễm bẩn lần 2; do chất bẩn cuốn trôi bề mặt (run-off) Lr= 2 - 3 mg/l - k1: H ằng số tốc độ tiêu thụ ô xy sinh hoá (hằng số chuyển) Thông thường lấy: k1 =0,1 - 0,3 (ngày-1) - v : dung tích hồ 10
Năng lượng mặt trời TVphù du Chất ĐV.lơ TV. đáy DD lửng Cá nhỏ Cá Qúa trình sinh thái trong hệ ST hồ l Nguồn:Tchobanoglous, George,1985 - : hằng số phụ thuộc điều kiện chế độ thuỷ động học và hình thái của hồ. L dai  5    0,7  0,8  B rong L  5    0,3  0,65 B N hư v ậy từ công thức trên sẽ xác định được Lt - nồng độ BOD tại thời điểm t bất kỳ. Nếu không xác định trộn hoàn toàn phải kể đến hệ số pha loãng Lt = Lng.10- k1 .t + (1/n) (LNT - Lng)10- k1.t + Lr Trong đó: k 1: như trên n: số lần pha loãng xác định theo Rufell hoặc Lapsop 4.2.5 Mô hình chuyển hoá chất dinh dưỡng trong hồ Quá trình chuyển hoá chất dinh dưỡng và tổng hợp sinh khối là nguyên nhân của: - Chất hữu cơ tăng (tái nhiễm bẩn) - Chất độc hại tăng đột ngột; - Màu, mùi... Trong nước (đặc biệt trong hồ dòng chảy yếu) tảo và phù du thực vật khác phát triển và tăng nhanh: 106 CO2 + 16 NO3- + HPO42- + 122 H2O + 18 H + + (yếu tố vi lượng) Quang hợp C 106H263O110 N16P + 138 O2 (*) (Cân bằng theo Mocgan năm 1981) Hô hấp 11
Theo phương trình trên ta Năng lượng ánh sáng thấy: min 100kj - N /P = 16 * 14/1*31 = 7,2 (**) - Trong quá trình quang hợp thực vật lấy H+ để quang hợp => (1,5-2)g CO2 (1,4-1,7)g O2 1g sinh khố i tảo - OH tăng => nước có môi trường kiềm. M uối dinh dưỡng - C ả N, P đều rất qua trọng, N: 60-90 g quyết định quá trình phì dưỡng. P: 9-15 g Tuy nhiên để đánh giá, dựa v ào tỷ lệ N/P: N: 60 -90 kg Các yêu cầu để hình thành 1 g tảo +N : P  1 2 Nguồn: Poul haremoos, 1984 :P là yếu tố giới hạn (sử dụng để đánh giá) + N: P  7,2 : N là yếu tố giới hạn + N:P =7,2 -12: C ả N và P là yếu tố gới hạn. Thông thường, trong nước: N/P = 20 => theo (**) khi p trong nước tăng => Tảo phát triển mạnh => nước nở hoa, tái nhiễm bẩn lần 2 C hính vì vậy, để tránh hiện tượng nở hoa trong nước người ta phải khống c hế hàng lượng p trong nước. -Trên cơ sở đó nhà sinh thái học người Đan mạch Volenweider(1976) đã xác định biểu thức về sự thay đổi P trong hồ dP I pv  I pp  I pw  S  p  R p   dt V Trong đó: Ipv: Lượng P v ào hồ Ipp: Lượng P cuốn trôi từ bề mặt Ipw: Lượng do nước mưa đưa vào S[P]: Lượng p bị trầm tích lắng đọng trong hồ R [p]: Lượng P do các phù du thực vật tiêu thụ cho quá trình quang hợp v : dung tích hồ - Theo Volenweider: [p]ra = [p]vào/ (1+ t - 1/2 ) (2) t: thời gian nước lưu lại trong hồ (tính bằng năm) Biểu thức xác định lượng P tới hạn( tải lượng cho phép của p trong hồ) Lc=10 qs [1+(H/qs) 0.5 ] (mg P / m3 năm) (3) 12
Trong đó: - qs: Tốc độ nước chảy trong hồ tính theo bề mặt qs= Q/A = m 3 nước vào hồ trong năm / diện tích hồ - H: độ sâu trung bình của hồ - N ếu tải lượng P trong hồ Lp > Lc => phì dưỡng Lp ổn định Pthực vật Pđộng vật ăn c ỏ Pcá PV Pr P Pđộng vật Trầm tích Pthực vật Phì dưỡng BOD độc màu mùi 13