Luận án Tiến sĩ Hóa học: Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm xây dựng và phát triển mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong nước dưới tác động chủ yếu của bùn đáy và một số yếu tố khác như: sự khuếch tán, tiêu thụ oxi bởi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu cơ chất hữu cơ, quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước.... Đồng thời, khảo sát sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Hóa học: Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC ------------ LÊ MINH THÀNH MÔ HÌNH HÓA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. LÊ QUỐC HÙNG 2. TS. PHẠM HỒNG PHONG Hà Nội – 2015
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, khóa 2010-2014. Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn thu được từ quá trình tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm của bản thân, được tiến hành một cách trung thực và không sao chép. Các tài liệu và thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc. Nghiên cứu sinh Lê Minh Thành i
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong, những người đã truyền cho tôi tri thức, cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu sinh! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô, các anh chị và các em Phòng Ứng dụng Tin học trong Hóa học, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp tôi thực hiện các nghiên cứu! Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua! Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi, những người đã luôn tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua mọi khó khăn! Tác giả Lê Minh Thành ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC................................................................................................................. iii Danh mục kí hiệu ...................................................................................................... vi Danh mục hình ............................................................................................................x Danh mục bảng ....................................................................................................... xiii MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án.............................................................................1 2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án..................................2 3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án...............................................3 4 Nội dung nghiên cứu..........................................................................................3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................5 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước ...........................5 1.1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước ..................................................6 1.1.2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật ...................................8 1.1.3 Nhu cầu oxi sinh hóa .............................................................................14 1.1.4 Nhu cầu oxi bùn đáy..............................................................................16 1.1.5 Nhu cầu oxi hóa học ..............................................................................18 1.1.6 Quá trình nitrat hóa................................................................................20 1.1.7 Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước..............21 1.1.8 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan..........................................22 1.2 Các tính chất của bùn đáy .............................................................................28 1.2.1 Thành phần hóa học của bùn đáy ..........................................................29 1.2.2 Độ xốp của bùn đáy...............................................................................30 1.2.3 Mật độ của bùn đáy ...............................................................................31 1.2.4 Tỉ khối của bùn đáy ...............................................................................31 1.3 Nghiên cứu về mô hình hóa các thông số chất lượng nước..........................31 1.3.1 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát ......................................32 iii
1.3.2 Các dạng điều kiện biên ........................................................................34 1.3.3 Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm Comsol Multiphysics .....................................................................................................35 1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết.................................37 1.4.1 Tình hình nghiên cứu.............................................................................37 1.4.2 Những vấn đề cần giải quyết .................................................................39 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........................................................................................................42 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan.............................................42 2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình ...................................................42 2.1.2 Các yếu tố trong mô hình oxi hòa tan ...................................................42 2.1.3 Thiết lập và giải mô hình.......................................................................49 2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng......................................................................49 2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị ......................................................................49 2.2.2 Phần mềm máy tính ...............................................................................52 2.3 Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................53 2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán ..............................................53 2.3.2 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình ........................................54 2.3.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm .........................................................59 2.4 Nhận xét chương 2........................................................................................64 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................65 3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan ................65 3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..............................................66 3.1.2 Kết quả mô phỏng .................................................................................72 3.1.3 Nhận xét mô hình 1 ...............................................................................83 3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .............................85 3.2.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..............................................86 3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên nồng độ oxi hòa tan ..........................................................................................90 3.2.3 Nhận xét mô hình 2 ...............................................................................99 iv
3.3 Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn – nước .........101 3.3.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả............................................102 3.3.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên nồng độ oxi hòa tan ........................................................................................107 3.3.3 Nhận xét mô hình 3 .............................................................................113 3.4 Mô hình tổng hợp........................................................................................116 3.4.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả............................................117 3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy ................................121 3.4.3 Nhận xét mô hình 4 .............................................................................127 3.5 Nhận xét chương 3......................................................................................129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................131 1 Kết luận..........................................................................................................131 2 Những đóng góp mới của luận án..................................................................133 3 Các kiến nghị, đề xuất....................................................................................134 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................135 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................136 PHỤ LỤC................................................................................................................147 PL.1 Một số mô hình toán học của oxi hòa tan theo lịch sử.............................147 PL.2 Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 ..................................150 PL.3 Các toán tử thường gặp trong phương trình PDE ....................................152 PL.4 Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol Multiphysics........................................................................................................153 PL.5 Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu ................164 PL.6 Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế ....................................164 v
Danh mục kí hiệu a Hệ số hấp thụ BOD Nhu cầu oxi sinh hóa. CA Nồng độ của chất A tại thời điểm t bất kỳ (mg/L). CAlg Nồng độ tảo trong nước (mg/L). CBOD Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa cacbon. CBOD Giá trị BOD (mg/L), đại diện cho nồng độ các chất hữu cơ tiêu thụ oxi. CBODo Giá trị BOD ở thời điểm ban đầu (mg/L). CBODsed Giá trị BOD trong lớp bùn đáy (mg/L). CClo Nồng độ ion clorua trong nước (mg/L). CCOD Giá trị COD (mg/L). CDO Nồng độ DO tại thời điểm bất kỳ (mg/L). CDO∞ Nồng độ DO ở xa vô cực (mg/L). CDOdef Nồng độ DO thiếu hụt so với nồng độ DO bão hòa (mg/L). CDOint Nồng độ DO tại ranh giới pha bùn – nước (mg/L). CDOo Nồng độ DO tại thời điểm ban đầu (mg/L). CDOobs Nồng độ DO đo đạc (mg/L). CDOsat Nồng độ DO bão hòa (mg/L). CDOsim Nồng độ DO mô phỏng (mg/L). COD Nhu cầu oxi hóa học. CSOD Giá trị SOD (mg/L). D Hệ số khuếch tán của chất tan trong nước (m2/s). d Độ dày lớp bùn đáy (m). D1 Hệ số khuếch tán của oxi hòa tan trong nước (m2/s). D1* Hệ số khuếch tán của oxi trong môi trường bùn (m2/s). D2 Hệ số khuếch tán của chất hữu cơ hòa tan trong nước (m2/s). da Hệ số thấm. DO Oxi hòa tan. ea Hệ số khối. vi
f Số hạng nguồn fc Ứng suất cắt tới hạn (critical shear stress) (N/m2) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn. fr Ứng suất cắt tham chiếu (reference shear stress) (N/m2) fs Ứng suất cắt (shear stress) (N/m2) h Độ sâu môi trường nước (m). k1 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc nhất (1/s). k1* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc hai (L mg-1 s-1). k2 Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – không khí (1/s). k2* Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại giữa nước – không khí ở điều kiện biên (1/m). k3 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy (mg L-1 s-1). k3* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy ở điều kiện biên (mg L-1 m-1). k4 Hằng số tốc độ phản ứng khử của COD (1/s). k5 Hằng số tốc độ phản ứng nitrat hóa (1/s). kAlg Hằng số tốc độ tảo chết (1/s). kDOhalf Hằng số bán bão hòa của DO (mg/L) kH Hằng số Henry (L atm/mol) krese Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn (1/s). krese* Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn ở điều kiện biên (1/m). kset Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ (1/s). kset* Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ ở điều kiện biên (1/m). n Vectơ pháp tuyến trên biên của vùng tính toán, hướng ra phía ngoài. NBOD Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Oxyz Hệ tọa độ Descartes với trục Ox là chiều rộng (m); trục Oy là chiều dài (m); Oz là chiều sâu (m) của môi trường nước. P Tốc độ oxi sinh ra do quang hợp (mg L-1 h-1) PDE Phương trình đạo hàm riêng. vii
Pmax Tốc độ oxi sinh ra tối đa (mg L-1 h-1) R Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp của thực vật (mg L-1 h-1) R2 Hệ số xác định RSS Tổng bình phương phần dư SOD Nhu cầu oxi bùn đáy. SR Tỉ số độ nhạy Ssed Diện tích tiếp xúc giữa bề mặt bùn đáy và nước (m2) t Thời gian (s). T Nhiệt độ (oC). TSS Tổng bình phương toàn phần v Vận tốc dòng chảy của nước (m/s). V Vận tốc của gió (m/s). vBOD Vận tốc trao đổi chất hữu cơ tại bề mặt nguồn thải ở điều kiện biên (mg L-1 m-1). vDO Vận tốc trao đổi oxi tại ranh giới pha không khí – nước (m/s). X1 Giá trị đầu vào cơ sở của biến X. X2 Giá trị đầu vào của biến X sau khi tăng/giảm một lượng xác định. X3 Sinh khối của vi sinh vật dị dưỡng (mg/L). X4 Sinh khối của vi sinh vật tự dưỡng (mg/L). Y1 Giá trị đầu ra cơ sở tương ứng với biến X1. Y2 Giá trị đầu ra tương ứng với biến X2. α Hệ số đối lưu dòng bảo toàn α1, α2 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình quang hợp. α3, α4 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình hô hấp. Pcons Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp (mg L-1 ngày-1). β Hệ số đối lưu β1 Lượng oxi được tạo ra từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo). β2 Lượng oxi được tiêu thụ từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo). β3 Tốc độ quang hợp của tảo (1/s). viii
β4 Tốc độ hô hấp của tảo (1/s). γ Số hạng nguồn của dòng bảo toàn. γ1 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật dị dưỡng (1/s). γ2 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng (1/s). δs Độ sâu xâm nhập (m) δw Độ dầy lớp biên khuếch tán (m) θs Hệ số điều chỉnh nhiệt độ. µ Nhân tử Lagrange ε Phần thời gian của ngày có ánh sáng mặt trời. μ* Tốc độ tiêu thụ oxi sinh hóa cực đại (mg L-1 ngày-1) Ω Vùng tính toán. ∂Ω Biên của vùng tính toán. θ Hệ số điều chỉnh nhiệt độ. ix
Danh mục hình Hình 1.1. Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9] .....................6 Hình 1.2. Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật........10 Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm đến nồng độ DO [32].14 Hình 1.4. Ảnh hưởng của dòng chảy tới nồng độ DO [32].....................................25 Hình 1.5. Sự biến đổi nồng độ DO theo ngày đêm ở môi trường nước ..................27 Hình 1.6. Minh họa các dạng điều kiện biên trên biên ∂Ω của miền xác định Ω ...34 Hình 2.1. Mô hình vật lý nghiên cứu oxi hòa tan trong phòng thí nghiệm.............50 Hình 2.2. Thiết bị đo DO đa kênh (MCDM) ghép nối máy tính.............................50 Hình 2.3. Các loại sensor dùng để đo oxi hòa tan ...................................................51 Hình 2.4. Cấu tạo sensor DO...................................................................................51 Hình 2.5. Phần mềm đo đa kênh oxi hòa tan...........................................................52 Hình 2.6. Các bước cơ bản trong phương pháp FEM .............................................54 Hình 2.7. Minh họa các bước để xây dựng một mô hình mô phỏng.......................56 Hình 2.8. Minh họa thiết kế các cột nước trong mô hình vật lý..............................59 Hình 2.9. Các vị trí lấy mẫu bùn đo đạc trong thực tế ............................................60 Hình 2.10. Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trên mô hình vật lý ..............61 Hình 2.11. Hệ thống MCDM đo đạc DO trong phòng thí nghiệm .........................61 Hình 2.12. Vị trí các hồ vùng Hà Nội được đo nồng độ DO...................................62 Hình 2.13. Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trong hồ tự nhiên .................63 Hình 3.1. Minh họa hệ khảo sát trong hệ tọa độ Descartes Oxyz (m) ....................67 Hình 3.2. Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong toàn bộ hệ ...............................73 Hình 3.3. Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz ................................74 Hình 3.4. Sự biến thiên nồng độ DO theo thời gian tại một số vị trí ......................75 Hình 3.5. Đường đồng mức nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và theo mặt phẳng Oxy (c, d).........................................................................................76 Hình 3.6. Xu hướng biến đổi nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và theo mặt phẳng Oxy (c, d).........................................................................................78 Hình 3.7. Kết quả tính thời gian hồi phục DO tại một số vị trí...............................79 x
Hình 3.8. Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong hệ trong trường hợp nhiều nguồn thải hữu cơ......................................................................................................80 Hình 3.9. Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz ................................82 Hình 3.10. Các thành phần trong hệ nghiên cứu .....................................................86 Hình 3.11. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình hiệu chỉnh .........................................91 Hình 3.12. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 1,0 m (hình a, b), cột nước 0,5 m (hình c, d), cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng .........................92 Hình 3.13. Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 2 ....................................94 Hình 3.14. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 0,5 m .................95 Hình 3.15. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO tại một số vị trí...........................97 Hình 3.16. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong các môi trường nước khác nhau của các vị trí A(0;0;-0.49), E(0;0;-0.99) và J(0;0;-1.99) ..................................98 Hình 3.17. Các thành phần trong hệ khảo sát........................................................102 Hình 3.18. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong hiệu chỉnh, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm ..................................................................................107 Hình 3.19. Giá trị nồng độ DO mô phỏng (đường nét liền), DO đo đạc (đường nét đứt) và kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm........................................................................................................108 Hình 3.20. Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 3 ..................................110 Hình 3.21. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO gần ranh giới pha bùn – nước..111 Hình 3.22. So sánh kết quả mô phỏng (của mô hình 3, mô hình 2) và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan tương ứng .................112 Hình 3.23. Minh họa các yếu tố ảnh hưởng tới DO trong bài toán.......................117 Hình 3.24. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan..............................122 Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan..............................125 xi
Hình 3.26. Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 4 ..................................126 Hình 3.27. Mối liên hệ giữa bốn mô hình .............................................................129 Hình PL.1. Tọa độ Oyz trong mô hình của O’Connor .........................................147 Hình PL.2. Miền khảo sát giả định .......................................................................155 Hình PL.3. Chọn chiều không gian.......................................................................156 Hình PL.4 . Chọn module tính toán .......................................................................156 Hình PL.5. Khai báo tên và số biến số..................................................................157 Hình PL.6. Chọn kiểu tính toán ............................................................................157 Hình PL.7. Vẽ miền khảo sát ................................................................................157 Hình PL.8. Chọn thuộc tính của miền khảo sát ....................................................158 Hình PL.9. Nhập các thông số cần sử dụng ..........................................................158 Hình PL.10. Nhập hệ phương trình chủ đạo .........................................................159 Hình PL.11. Nhập điều kiện ban đầu....................................................................159 Hình PL.12. Tạo điều kiện biên Neumann cho mặt nước.....................................160 Hình PL.13. Nhập điều kiện biên cho mặt nước...................................................160 Hình PL.14. Tạo điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước...................................161 Hình PL.15. Nhập điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước ................................161 Hình PL.16. Điều kiện biên cho các mặt bên .......................................................162 Hình PL.17. Chia lưới cho miền khảo sát.............................................................162 Hình PL.18. Nhập khoảng thời gian cần mô phỏng..............................................163 Hình PL.19. Thực hiện tính toán...........................................................................163 xii
Danh mục bảng Bảng 1.1. Giá trị BOD của một số nguồn nước [33]...............................................15 Bảng 1.2. Độ hòa tan của DO trong nước (mg/L) phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối tại điều kiện không khí ẩm, áp suất 760 mmHg [13]................................................23 Bảng 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ cao đến nồng độ DO (mg/L) [12] ..........28 Bảng 1.4. Phân loại trầm tích theo kích thước hạt [66]...........................................29 Bảng 1.5. Thành phần hóa học của bùn đáy ao nuôi cá tra [4] ...............................30 Bảng 2.1. Tọa độ các vị trí lấy mẫu bùn đo đạc ......................................................60 Bảng 2.2. Các vị trị đo nồng độ DO ........................................................................62 Bảng 3.1. Nồng độ chất hữu cơ tại bề mặt nguồn thải theo các mốc thời gian.......70 Bảng 3.2. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 1................................71 Bảng 3.3. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 2................................89 Bảng 3.4. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 3..............................105 Bảng 3.5. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 4..............................121 Bảng 3.6. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 4..............................124 Bảng PL.1. Một vài phương trình dự đoán k2 trong sông, suối ............................151 Bảng PL.2. Một vài phương trình dự đoán k2 cho ao, hồ, đầm ............................152 Bảng PL.3. Giá trị các tham số và hệ số giả định .................................................155 Bảng PL.4. Thành phần cơ, lý, hóa của một số mẫu bùn đã sử dụng ...................164 Bảng PL.5. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 2,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2)......................................................................................................164 Bảng PL.6. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 1,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2)......................................................................................................166 Bảng PL.7. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 0,5 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2)......................................................................................................168 Bảng PL.8. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 2,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 3)......................................................................................................170 Bảng PL.9. Nồng độ DO theo thời gian (số liệu được sử dụng trong mô hình 3) 170 xiii
Bảng PL.10. Nồng độ DO ở hồ Bảy Mẫu theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) ...............................................................................................................172 Bảng PL.11. Nồng độ DO ở hồ Gươm theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) .....................................................................................................................173 Bảng PL.12. Nồng độ DO ở hồ Tây theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) .....................................................................................................................173 Bảng PL.13. Nồng độ DO ở hồ Hòa Bình theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) ...............................................................................................................173 xiv
MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án Một trong các thông số quyết định đến chất lượng nước là lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO). Giá trị thông số này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như không khí, hệ thủy sinh vật trong nước và bùn đáy. Bên cạnh đó, DO còn tham gia vào các quá trình hóa học, sinh hóa trong môi trường nước. Vì vậy, DO được coi là một chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng nước và kiểm soát chất lượng môi trường, đồng thời là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học [1, 2]. Đồng thời, các nghiên cứu liên quan đến DO là thực sự cần thiết trong việc đánh giá, quản lý chất lượng môi trường nước. Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là sự phân bố DO trong môi trường nước khi bị tác động bởi các điều kiện môi trường trong đó có lớp bùn đáy. Lớp bùn đáy thường có hàm lượng chất hữu cơ phân hủy sinh học rất lớn, và cũng là đối tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất đến sự thay đổi hàm lượng DO trong nước, nhất là ở những vùng nước ô nhiễm hoặc vùng nước nuôi trồng thủy sản [3, 4]. Ví dụ trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, để hạn chế quá trình DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu oxi bùn đáy cũng là để đảm bảo vệ sinh cho ao hồ thì việc cải tạo bùn đáy ao hồ là cần thiết và phải được tiến hành định kỳ. Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn đáy đến sự phân bố DO đang là một vấn đề khá bức thiết và cần được quan tâm nghiên cứu. Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy, phương pháp mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình toán học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mô hình hóa là một công cụ mạnh giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các thông số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt động của con người. Mô hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các yếu tố được thuận lợi hơn; điều mà thường không thể thí nghiệm được trong môi trường tự nhiên vì sự phức tạp và ảnh hưởng lẫn nhau của vô số các yếu tố khác lên đối tượng khảo sát. Trên thế giới, hướng nghiên cứu mô hình hóa sự biến đổi nồng 1
độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy đã có những kết quả nhất định [5-7]. Tuy nhiên, để thu được những kết quả đó các tác giả đã sử dụng các phương trình toán học đã được công bố để áp dụng cho các sông hồ hoặc vùng nước cụ thể, mà chưa đưa ra một mô hình toán học mới hơn. Ở Việt Nam cho đến nay, hướng nghiên cứu này vẫn còn để ngỏ với nhiều thách thức, chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố. Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu. 2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục đích của luận án nhằm xây dựng và phát triển mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong nước dưới tác động chủ yếu của bùn đáy và một số yếu tố khác như: sự khuếch tán, tiêu thụ oxi bởi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu cơ chất hữu cơ, quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước.... Đồng thời, khảo sát sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy. DO – đối tượng nghiên cứu của bản luận án, là thông số chịu tác động của nhiều quá trình như: hóa học, vật lý, sinh học, thủy lực, khuếch tán trong môi trường nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong bản luận án chỉ tập trung vào các quá trình hóa học và khuếch tán, bởi đây là các quá trình thuộc lĩnh vực Hóa lý thuyết và Hóa lý. Để đạt được mục đích đó, các phương trình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO cũng như quá trình liên quan là khuếch tán cũng đã được tập trung nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong môi trường nước ngọt, trong đó quá trình thực nghiệm chủ yếu được tiến hành với hệ thống nước cấp sinh hoạt và nước trong các hồ tự nhiên khu vực Hà Nội và Hòa Bình, trong đó các hồ tự nhiên đều được giả thiết là hồ tĩnh (không có dòng chảy trong môi trường nước). Đồng thời, quá trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên DO (đã nêu trong phần mục đích luận án ở trên) được tiến hành dưới góc độ Hóa lý thuyết và Hóa lý. Việc xây dựng các bài toán biên được xuất phát từ các phương trình toán 2
học mô tả các quá trình hóa, lý của các yếu tố liên quan đến DO đã nêu. Việc giải các bài toán biên đó được tiến hành thông qua phần mềm Comsol Multiphysics. 3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: o Đã đưa ra được dạng phương trình động học mô tả tổng quát hơn sự tiêu thụ oxi bởi phản ứng sinh hóa với các chất hữu cơ trong môi trường nước. o Đã xây dựng được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước, trong đó đã kết nối được các kiến thức toán học, vật lý, hóa học vào việc mô phỏng. o Luận án đã kết hợp được giữa nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu lý thuyết với thực tế. Ý nghĩa thực tiễn: o Đưa ra được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO, mô hình được sử dụng như một công cụ để dự đoán, so sánh, đánh giá sự biến đổi hàm lượng DO trong nguồn nước theo thời gian dưới tác động của các yếu tố như bùn đáy, chất hữu cơ phân hủy tiêu thụ oxi... o Tạo được cơ sở cho định hướng nghiên cứu chuyên sâu giải quyết các vấn đề của thực tiễn chăn nuôi thủy sản. o Góp phần vào việc nghiên cứu, bảo vệ chất lượng môi trường nước. 4 Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án tập trung vào các điểm sau: o Xây dựng mô hình toán học, các phương trình mô tả các quá trình hóa học, vật lý, sinh học liên quan đến sự sinh ra và tiêu thụ oxi trong nước. Cụ thể: quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước, nhu cầu oxi sinh hóa (BOD), nhu cầu oxi bùn đáy (SOD), sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa bùn và nước, quá trình khuếch tán của DO và các chất hữu cơ tiêu thụ oxi. o Thiết lập các bài toán biên nhằm khảo sát sự biến đổi của nồng độ DO trong một số trường hợp cụ thể: khảo sát lý thuyết khả năng mô phỏng 3
của mô hình, xây dựng mô hình DO do ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy, xây dựng mô hình khảo sát DO tại khu vực ranh giới pha bùn nước, và xây dựng mô hình DO theo độ sâu. o Giải các bài toán biên đặt ra bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics. o Xây dựng mô hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy lên quá trình tiêu thụ DO trong nước, đồng thời để so sánh và kiểm nghiệm mô hình toán học đã thiết lập. o Ứng dụng thiết bị đo đa kênh oxi hòa tan (MCDM) do Phòng Ứng dụng Tin học trong Nghiên cứu Hóa học thuộc Viện Hóa học tự chế tạo, và phần mềm điều khiển thiết bị đo (MultiDO) để nghiên cứu sự biến thiên nồng độ DO trong nước theo thời gian. o Khảo sát thực nghiệm sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của bùn đáy trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. Đo khảo sát hiện trường sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu tại các hồ tự nhiên vùng Hà Nội và Hòa Bình. o So sánh, kiểm tra và phân tích sự tương quan giữa kết quả mô phỏng với các số liệu đo thu được theo mô hình vật lý và trong các hồ tự nhiên. o Đánh giá sự phù hợp kết quả nghiên cứu, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của mô hình đã xây dựng trong lĩnh vực nghiên cứu, dự báo sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước. 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO) trong nước rất cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh vật như cá, tôm, động vật lưỡng cư, côn trùng v.v... Nồng độ DO trong các nguồn nước có thể dao động từ 0-18 mg/L, và đối với môi trường nước sạch tự nhiên giá trị này trong khoảng 8-10 mg/L [8]. Mức độ dao động này phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của hồ, điều kiện địa lý tự nhiên, nhiệt độ, sự phân hủy chất vô cơ, hữu cơ trong nước, và một số tác nhân khác. Oxi có mặt trong nước thông quá các quá trình như khuếch tán từ không khí, sản phẩm của quá trình quang hợp, và một phần nhỏ do quá trình hòa tan oxi khi dòng nước chảy qua các khu vực như thác ghềnh... Bất kể sự thay đổi nào về hàm lượng oxi hòa tan trong nước, dù cao hay thấp đều có ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của động vật thủy sản. Khi nồng độ DO trở nên quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng khó hô hấp, giảm hoạt động ở các loài động thực vật dưới nước, dẫn đến các tác động xấu lên hệ sinh thái. DO không chỉ có vai trò là nguồn dưỡng khí cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật nuôi trồng, mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, sự phân giải các chất hữu cơ, với việc đảm bảo hàm lượng DO phù hợp còn có tác dụng làm giảm các chất độc hại, ức chế hoạt động của vi sinh vật yếm khí có hại và tăng cường sức miễn dịch của các loài động vật thủy sản. 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước Các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến nồng độ DO trong môi trường nước có thể được phân chia thành hai nhóm chính là nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi. Các nguồn này được diễn ra nhờ các quá trình như: quang hợp của thực vật thủy sinh, trao đổi oxi giữa không khí và nước, suy giảm do bị bùn hấp thu, do hô hấp của sinh vật thủy sinh, hay DO tham gia phản ứng oxi hóa với các chất hữu cơ hoặc chất khử khác... như được minh họa ở hình 1.1. 5