MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC - CHƯƠNG 2

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 31
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 : - Chất lỏng không nén. -Trị số Reynold đủ lớn để không xét đến hiệu ứng của...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: 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 trình 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 + ux + uy + uz (2.1) ⎜ ⎟ ∂z ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎠ ⎝ Trong đó : - Hệ số khuếch tán phân tử, m2/s. Dx, Dy, Dz ux, uy, uz - Vận tốc dòng chảy theo các phương x,y,z, m/s. F(S) - Số hạng đặc trưng cho quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm bởi 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 ) = (ε x ) + (ε y ) + (ε z + ux + uy + uz (2.2) ∂t ∂x ∂x ∂x ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z Trong đó : εx; εy; εZ - 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 : ∂C ∂C ∂C ∂C ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C + F (S ) + ux + uy + uz = Ex + Ey + Ez (2.3) ∂t ∂x ∂x ∂x ∂x 2 ∂y 2 ∂z 2 Trong đó : Ex Ey Ez - Hệ số (phân tán rối) khuếch tán rối vật chất theo phương x,y,z tại 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.Hệ số khuếch tán rối Như đã phân tích ở trên, sự khuếch tán vật chất trong dòng chảy là quá trình khuếch tán phân tử qua màng và khuếch tán đối lưu. Hệ số khuếch tán rối chịu ảnh hưởng của sự xáo trộn giữa các lớp dòng chảy rối có vận tốc khác nhau qua mặt cắt ngang /2,10,11/. Các phương xáo trộn của nước thải với nước sông tại một điểm trên mặt cắt ngang dòng chảy được thể hiện ở H.2 2
Hình.2 Các phương xáo trộn của dòng chảy. Trong thực tế, các hệ số khuếch tán rối thường được xác định giá trị trung bình với tiết diện mặt cắt ướt của dòng chảy, không phụ thuộc vào tọa độ điểm tính toán và độ lớn của nó phụ thuộc vào các yếu tố thủy lực của dòng chảy tại mặt cắt. • Hệ số khuếch tán rối theo phương thẳng đứng εz Hệ số khuếch tán rối theo chiều thẳng đứng tại một điểm trên mặt cắt ngang được xác định theo công thức : ⎛ z ⎞⎛ z⎞ ε z = kdu ∗ ⎜ ⎟ ⎜1 − ⎟ (2.4) ⎝ d ⎠⎝ d⎠ Với : u∗ = g d S : vận tốc trượt (vận tốc động lực) của dòng chảy tại mặt cắt. z : tọa độ điểm tính toán, m. k : hệ số rối Von Karman (k ≈ 0,40 ). d : chiều sâu trung bình của dòng chảy tại mặt cắt. S : độ dốc đáy của dòng chảy, m/m. g : gia tốc trọng trường, m/s2. Gọi ε Z là hệ số khuếch tán rối trung bình cho mặt cắt. d 1 d∫ εz = ε z dz (2.4) 0 Jobson và Sayer (1970) ; Csanady (1976) bằng các nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán rối và đề xuất công thức kinh nghiệm về hệ số khuếch tán rối εz tại một mặt cắt ngang của dòng chảy. ε z = 0,067 du ∗ (2.5) • Hệ số xáo trộn theo phương ngang εy Fischer (1967,1969) bằng thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán rối và đưa ra công thức tính hệ số khuếch tán rối εy tại một điểm trên mặt cắt ngang của dòng chảy. ε = 0 ,1 5 d u ∗ (2.6) y 3
Lau và Krishnapan (1977) bằng các thực nghiệm trong các dòng chảy tự nhiên trên kênh, sông có các chế độ chảy khác nhau, kiến nghị mức độ sai số của hệ số εy . ε y = 0.15du ∗ ± 50% Dòng chảy trong kênh thẳng hình thang : (2.7) ε = 0 ,6 d u ∗ ± 5 0 % Sông có chế độ chảy êm : (2.8) y u 2d 3 ε y = 25 Sông hình dạng cong, khúc khủy : (2.9) Rc2 u ∗ Trong đó : -1 u :vận tốc trung bình tại mặt cắt ngang dòng chảy, L.T Rc :bán kính thủy lực, L d : chiều sâu trung bình, L. Từ công thức (2.5) và (2.6) dễ dàng nhận thấy ε y ≈ 10ε z như vậy quá trình khuếch tán rối theo phương ngang của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với quá trình khuếch tán rối theo phương thẳng đứng. • Hệ số khuếch tán rối εx Tương tự như việc xác định εz và εy , Elder (1959) bằng thực nghiệm đã xác định hệ số khuếch tán rối tại một điểm trên mặt cắt ngang theo chiều dòng chảyεx . ε ∗ = 5 , 93 du (2.10) x So sánh εx; εy và εz cho thấy : εx >> εy >> εz như vậy quá trình xáo trộn và pha loảng các chất ô nhiễm diễn ra chủ yếu theo theo chiều của dòng chảy. Hay nói một cách khác sự xáo trộn, khuếch tán rối chất ô nhiễm tại một điểm nào đó tại mặt một điểm nào đó trên cắt ngang dòng chảy chịu ảnh hưởng chủ yếu vào trường vận tốc của dòng chảy tại mặt cắt ngang đó. • Hệ số phân tán dọc dòng chảy Ex Khi xem xét ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt cắt ngang lên sự khuếch tán dọc theo chiều dòng chảy Fischer (1967) kiến nghị thay thế hệ số khuếch tán rối εx bằng hệ số phân tán dọc dòng chảy E . Hệ số này được xác định bằng cách chia nhỏ mặt cắt dòng chảy ra thành nhiều đơn vị nhỏ để có thể xét được ảnh hưởng của trường vận tốc tại mặt cắt lên sự xáo trộn và phân tán vật chất. y y w 1 1 ∫ (u )∫ ∫ u ′ddydydy =− −u (2.11) Ex ε yd i A 0 0 0 Với : w : chiều rộng của dòng chảy tại mặt cắt đang xét, L ui : vận tốc trung bình qua đơn vị mặt cắt i ,L.T-1 u : vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt, L.T-1 d : chiều sâu của mặt cắt đơn vị thứ i , L 4
ε y = 0,6du∗ hệ số khuếch tán rối theo phương ngang giữa tiết diện đơn vị mặt cắt thứ i và i-1. Tích phân (2.11) ta được hệ số phân tán theo chiều dòng chảy tại mặt cắt ngang của dòng chảy. Từ các số liệu thực nghiệm Fisher đề xuất công thức kinh nghiệm tính hệ số phân tán dọc Ex tại mặt cắt ngang dòng chảy. 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 nước. Dưới góc độ sinh thái, đây là khả năng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ bên 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 tan Bùn đáy Hô hấp Vẩn nổi 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 μ 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). μA -Hệ số tốc độ phát triển của tảo (ngày-1). t -Thời gian (ngày) 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 σ dA = (μ −ζ ) A − 1 A (2.14) dt d Trong đó : t -Thời gian (ngày) μ -Hệ số sinh trưởng của tảo (ngày-1) ζ -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) σ1 d -Chiều sâu cột nước (m) 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 : μ = μmax 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 μmax -Tốc độ sinh trưởng lớn nhất của tảo -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 (μE/m2s) Iz KI - Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 50% tốc độ lớn nhất. IZ f ( L) Z = Theo hàm Smith K I2 + I Z 2 Trong đó : KI -Cường độ chiếu sáng cho sự sinh trưởng của tảo đạt 70% tốc độ lớn 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 (μ=μmax) 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−λ Z 8
Trong đó : IS -Cường độ ánh sáng ở trên bề mặt. Z -Chiều sâu cột nước. 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 ⎞ T −T X ⎜1− ⎟ ⎜ T −T ⎟ fT = max Xe ⎝ max opt ⎠ Tmax − Topt ( ) 2 w2 ⎡1 + 1 + 1 ⎤ 0.5 ⎢ ⎥ w ⎣ ⎦ X= Với 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 NO2-N N03-N NH4-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 NH4+ + O2 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. 10
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình 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 f (T , O2 , BOD...) μN = μN max k NH 4 + NH 4 k NO2 + NO2 Trong đó : μN -Hệ số tốc độ phát triển của vi sinh vật nitrat μ 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 trình 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 φDO = φDO max k DO + DO Trong đó : φDO -Hệ số ảnh hưởng của oxy đến quá trình nitrat, mg/l/ngày. φDO max -Hệ số ảnh hưởng lớn nhất của oxy đến quá trình nitrat hóa, (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 φDO = 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 φBOD = 1.2 − 0.035BOD5 5 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 = α1ζ A − β 3 N org − σ 4 N org (2.16) dt Trong đó : -Nồng độ các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, mg-N/l. N org α1 -Hệ số tỷ lệ nitơ trong sinh khối tảo, mg-N/mg-A. -Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1 ξ -Hệ số lắng của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 σ4 -Hệ số thủy phân của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 β3 -Nồng độ sinh khối tảo, mg-A/l A Qúa trình ammôn hóa σ + dNH 4 = β3 N org − β1 NH 4 − 3 − Fα1μ A + (2.17) dt d Trong đó : + NH 4 -Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l. β1 -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4+ sang NO2− σ3 -Nguồn NH 4+ trong lớp bùn đáy -Hệ số tỷ lệ NH 4+ tiêu thụ do tảo F -Hệ số tốc độ sinh trưởng của tảo, ngày-1 μ Qúa trình Nitrit hóa 13
− dNO2 = β1 NH 4 − β 2 NO2 + − (2.18 ) dt Trong đó : + NH 4 - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l − - 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 β1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NO2− sang NO3− , ngày-1 β2 Qúa trình Nitrat hóa dNO3− = β 2 NO2 − (1 − F )α1μ 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 μ B ax và phụ thuộc vào nồng độ chất nền. Qúa trình này được biểu thị bằng phương m trình động học Monod. S μ B = μ B ax m (2.20) ks + S dS μ B μ max S .B − = B= B Y Ks + S dt Y dB = μB B dt Trong đó : S -Nồng độ chất nền μB -Hệ số tốc độ phát triển của vi khuẩn Y -Sản lượng vi khuẩn B -Nồng độ sinh khối vi khuẩn ks -Hằng số Michaelis 14
Đối với nhiều chất nền, ks có giá trị cỡ 10-1 μg/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. 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 − = kd L (2.21) dt Trong đó : - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 kd L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/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 cơ được xác định bằng công thức Van't Hoft - Arrhenius : kd = kd 20θ ( 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 (θ ≈ 1,048) θ 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 Các nguồn thải Phân hủy BOD điểm, phân tán hiếu khí 15 Lắng
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 từ 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 thụ 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 ( ) ( ) = k2 ( DOBH − DO ) + (α 3 μ − α 4ζ ) A − k1 L − 4 − α 5 β1 NH 4 − α 6 β 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) A - Nồng độ sinh khối tảo, mgA/l k4 - Nhu cầu oxy của quá trình hô hấp trong lớp cặn đáy, mg/m2.ngđ. DO - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l DOBH - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l L - Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l d - Chiều sâu cột nước trung bình, m α3 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quá trình quang hợp của một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. α4 - Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình hô hấp một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. α5 - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NH4+ (mgO/mgN) 17
α6 - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NO2- (mgO/mgN) μ - Hằng số tốc độ sinh trưởng của tảo - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4+ sang NO2− ,ngày-1 β1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NO2− sang NO3− , ngày-1 β2 - Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1 ξ 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 dòng 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 nước 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 ka = (2.26) H 1, 5 23u 0,75 • Owen - Edwards - Gibbs ka = (2.27) H 1,75 11u • Churchill - Elmore - Buckingham ka = (2.28) 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: H -Chiều sâu trung bình, m. 18
-Lưu lượng của dòng chảy, m3/s Q -Thời gian, ngày-1. t Hàm của tốc độ dòng chảy, sự phân tán và chiều sâu cột nước. u 0.5 0.5 k a = 1.5 E x (2.29) H 19