Phương pháp nghiên cứu khoa học (Phần 2) - Lê Huy Bá

pdf

274 trang ngocly 4230

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Phương pháp nghiên cứu khoa học (Phần 2) - Lê Huy Bá", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

phuong_phap_nghien_cuu_khoa_hoc_phan_2_le_huy_ba.pdf

Nội dung text: Phương pháp nghiên cứu khoa học (Phần 2) - Lê Huy Bá

GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) CH ƯƠ NG 23 PH ƯƠ NG PHÁP NGHIÊN C U M T S MÔ HÌNH TH C NGHI M TRONG LAN TRUY N Ô NHI M VÀ X LÝ Ô NHI M MÔI TR ƯNG 23.1. PH N M M "PRIMER V" XÁC ð NH ðA D NG TH Y SINH V T Ph n m m tin h c Primer V là ph n m m x lý s li u sinh h c ñưc sn xu t b i Plymouth Marine Laboratory, UK. K. R. Clarke và R. M. Warwick. Ph n m m này ñưc xây d ng d a trên các lý thuy t v th ng kê ng d ng, các lý thuy t v qu n th sinh v t và môi tr ưng s ng c a chúng. Da vào ph n m m này ta có th nhanh chóng xác ñ nh ch s ña dng ca Margalef, Shannon, Simpson c ũng nh ư các ch s t ươ ng ñng. Ngoài ra, ph n m m tinh h c Primer V thông qua các ma tr n cho ta ñưc các b n ñ th hi n: ñ phong phú, m c ñ t ươ ng ñng, s loài ưu th * Các ch tiêu l a ch n Vi n sinh h c Nhi t ñi ñã s d ng ch s Magalef ñ ñánh giá ñ ña dng loài c a sinh v t phiêu sinh và ñng v t ñáy. Tuy nhiên, ch s này có rt nhi u nh ưc ñim vì nó ñánh giá d a vào vi c so sánh t ng s loài v i tng s cá th trong m u. Nh ư th m c ñ th hi n c a ch s này ch d ng li s hi n di n c a s loài, s cá th trong các m u phân tích ch không chú ý nhi u ñ n s bi n ñ ng c a các loài trong môi tr ưng s ng ñó. S −1 D = LnN Trong ñó: S : tng s loài có trong m u, N : s cá th trong m u. 202
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Do ñó, trong ñ tài này, chúng tôi ñư a ra 2 ch s khác trong vi c ñánh ch t l ưng n ưc thay cho ch s Magalef. ðó là ch s Shannon – Wiener và ch s Simpson. * Ch s ña d ng Ch s ña d ng là ch s d a vào s l ưng loài, s l ưng cá th trong m i loài hay sinh kh i loài ñ tính m c ñ ña d ng c a m u mà chúng ta phân tích. T k t qu phân tích tính ña d ng c a loài trong m u, ta có th ñánh giá ñưc ch t l ưng ngu n n ưc. Sinh v t phiêu sinh là loài khá nh y c m v i nh ng thay ñi c a môi tr ưng; do ñó ch c n kh o sát ch s ña d ng c a chúng là ta ñã có th ñánh giá ñưc s bi n ñ i c a môi tr ưng n ưc. Ch s ña d ng sinh hc gi m khi s loài gi m, s l ưng cá th t ăng, nh ư th là môi tr ưng n ưc ñã bi n ñ i theo chi u h ưng x u ñi và ng ưc l i. ð tính toán ch s ña d ng, hai ch s sau ñây ñưc l a ch n vì nó phù h p v i tính ch t n ưc m t n ưc ta. * Ch s Shannon – Wiener (1963) Ch s này dùng ñ tính toán s l ưng ña d ng sinh thái loài trong môi tr ưng. s Ni Ni Trong ñó: H ' = ∑ Ln i=1 N N N: s l ưng cá th trong m u, Ni : s l ưng cá th trong loài i. Bng 23.1: Thang tính toán ñưc ñánh giá theo các b c kinh nghi m H’ Ch t l ưng n ưc 4,5 Rt s ch (Henna và Rya Sunoko, 1995) 203
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) * Ch s Simpson (1949) Ch s này dùng tính toán m c ñ ña d ng c a các loài chi m ưu th trong môi tr ưng. Do ñó, n u trong m u phân tích có nhi u loài chi m ưu th , ngh ĩa là h sinh thái t i ñim ñó ña d ng và ng ưc l i. Vì th , nhi u ng ưi còn xem ch s này nh ư m t s ñánh giá m c ñ xáo tr n c a môi tr ưng. s (N *(N −1)) Trong ñó: 1− λ' = 1− ∑ i i i=1 N *()N −1 S: s loài, N: s l ưng cá th trong m u, Ni : s l ưng cá th trong loài i. * Ch s t ươ ng ñng Ch s t ươ ng ñng là ch s dùng ñ ñánh giá m c ñ t ươ ng t , m c ñ gi ng nhau gi a 2 c u trúc h sinh thái. Do ñó ta có th dùng ch s này ñ phân vùng sinh thái. * Ch s Pray – Curtis (1957) Ch s này ñưc xây d ng n ăm 1957 do Pray và Curtis th c hi n. Nó so sánh s loài. 23.2. MÔ HÌNH WASP5 VÀ BÀI TOÁN M T CHI U TÍNH TOÁN LAN TRUY N CH T Ô NHI M 23.2.1. Gi i thi u Mô hình WASP5 ðây là b ch ươ ng trình mô ph ng ch t l ưng n ưc (The Water Quality Analysis Simulation Program) do c ơ quan b o v môi tr ưng Hoa Kỳ xây d ng. Mô hình này tươ ng ñi hoàn ch nh, ñưc dùng ñ tính toán vn chuy n bùn cát, lan truy n ñ c t , v n chuy n ch t h u c ơ, DO, các chu trình dinh d ưng, phù h p v i nh ng vùng có tác ñng c a th y tri u. 23.2.2. Cơ s th y l c c a mô hình a. Các ph ươ ng trình c ơ b n Khi xét ñn các bài toán trên kênh, sông ñu ph i xét ñ n các ñ c tr ưng th y l c c a kênh, sông thông qua ño ñc ho c thông qua mô hình 204
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc thu l c b ng cách gi i h ph ươ ng trình Saint Venant g m ph ươ ng trình liên tc và ph ươ ng trình ñng l ưng. b. Ph ươ ng trình liên t c Ph ươ ng trình liên t c ñưc thi t l p t c ơ s ñ nh lu t b o toàn kh i lưng n m gi a hai m t c t kênh. ∂Q ∂ A + = 0 ∂x ∂ t Vi Q = A.v; A = B.h ∂Q ∂(B.h) + = 0 ∂x ∂t ∂Q ∂h + B = 0 ∂x ∂t ∂h ∂z Ngoài ra ta có: = ∂x ∂t Do ñó: ∂Q ∂z + B = 0 ∂x ∂t Trong ñó: Q : L ưu l ưng dòng ch y (m 3/s) A : Di n tích m t ct ưt (m 2) B : B r ng m t thoáng (m 2) h : ð sâu c a kênh (m) z : Dao ñng m c n ưc (m) v : V n t c dòng ch y (m/s) t : Th i gian (s) x : Kho ng cách tính theo chi u dòng ch y (m) 205
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) c. Ph ươ ng trình ñng l ưng ð thi t l p ph ươ ng trình ñng l ưng, ta d a trên các gi thi t sau: Lưu l ưng thay ñ i ch m. Sc c n thu l c trong dòng không n ñ nh ñưc coi nh ư s c c n thu l c trong dòng n ñ nh ð d c ñáy kênh r t nh . Áp su t trên m t c t ưt phân b theo qui lu t thu t ĩnh. Ph ươ ng trình ñng l ưng có d ng tng quát nh ư sau: α ∂∂U U2 U.|U|z ∂∂ hpτ q.u 1 . +γ .α . ( ) +++γ . −γw += γ 0 gt∂∂12 x2.g2 ∂ x 234 2 ρ ∂ x ρ .g.h g.A C .h 1 2 Trong ñó: z : ð dao ñ ng m c n ưc. g : Gia t c tr ng tr ưng (m/s 2). h : ð sâu c a kênh (m) C : H s Chezy. 3 ρ1 : M t ñ c a n ưc (kg/m ). 3 ρ2 : M t ñ không khí (kg/m ). 2 τw : ng su t ti p tuyn gió (N/m ). A : Di n tích m t c t ưt (m 2). γI : H s hi u ch nh. n : H s nhám Manning α1,α2 : H s hi u ch nh ñ ng n ăng. R : Bán kính thu l c (m) 206
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 1 1 Vi: C= R 6 n A P : Chu vi ưt R = P Gi a α1, α2 có quan h g n ñúng: α2 = 1+3( α1–1) α2 = 1.05 ÷1.10 ñi v i sông có lòng hình ch nh t. 23.2.3 H ph ươ ng trình Saint Venant ∂z ∂Q B + = 0 )1.4( ∂t ∂x Q  Q 2  z g A Q Q ∂ ∂   ∂ . | | +   + gA + 2 = 0 )2.4( ∂t ∂x  A  ∂x K Trong ñó: B: B rng m t n ưc (m). A: Di n tích m t c t ngang dòng ch y (m 2). z : ð dao ñ ng m c n ưc (m). Q: L ưu l ưng qua m t c t ngang (m 3/s). g : gia t c tr ng tr ưng. K: Môñun lưu l ưng. R: Bán kính th y l c. t : Th i gian (s). x : Ta ñ d c sông. * Nguyên lý tính toán chung ñi v i các mô hình th y l c nh ư sau : + H th ng kênh, sông ñưc chia thành các ñon nh n i v i nhau. Trong m i ñon, l i ñưc chia thành các m t c t nh h ơn, v i N–1 ñon có 207
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) chi u dài ∆x (có th không b ng nhau) b i N m t c t ngang. T i m i m t c t cn tính giá tr m c n ưc, l ưu l ưng, v n t c + Áp d ng s ơ ñ sai phân (s ơ ñ sai phân n) Preissmann cho h ph ươ ng trình Saint Venant ñi v i t ng ñon l ưi chia n m gi a 2 m t c t bt kì j và j+1. + S d ng công th c truy ñui h ph ươ ng trình 3 ñưng chéo chính ñ tính m c n ưc, l ưu l ưng t i các m t c t * Ph ươ ng pháp gi i h ph ươ ng trình Saint Venant b ng ph ươ ng pháp sai phân h u h n Trong m t b ưc th i gian ∆t và b ưc không gian ∆x gi a hai m t c t j và j+1, theo s ơ ñ Preissmann m t hàm f b t kì ñưc sai phân theo s ơ ñ sau: ∂f θ ( f n+1 − f n+1 ) + 1( −θ )( f n − f n ) = j+1 j j+1 j ∂x ∆x ∂f ( f n+1 + f n+1 ) − ( f n + f n ) = j+1 j j+1 j ∂t 2.∆t Trong ñó: fn+1, fn : Các giá tr t ươ ng ng t i l p th i gian t+ ∆t và t. θ : Tr ng s n ñ nh tính toán. 0.5 ≤ θ ≤ 1 : Ng ưi ta th ưng ch n θ =0,6667 H ph ươ ng trình Saint Venant ñưc sai phân thành hai ph ươ ng trình ñi s phi tuy n tính: + Ph ươ ng trình liên t c ñưc sai phân nh ư sau: ∆+∆z z ∆−∆ Q QQQ −  B j1+ j+θ j1 + j + j1 + j  = 0 (4.3) 2.t∆1 ∆ x ∆ x  + Ph ươ ng trình ñng l ưng ñưc sai phân nh ư sau: 208
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc  2n1+ 2 n1 + ∆Q + ∆ Q  θ Q   Q   j+ 1 j + 2   −    + 2t∆ ∆ xA A    j+ 1   j  ∆zj1+ −∆ zz j j1 + − z j  +θgA j 2 +  + ∆x ∆ x  QQ  QQ    +−θ()1 A  + A    K2 K 2   j+ 1  j   QQ  QQ    +−θ()1 A  + A    = 0(4.4) 2 K2 K 2   j+ 1  j   Bi n ñ i 2 ph ươ ng trình (4.3) và (4.4) thành d ng t ươ ng ñươ ng: ∆zj1+ +∆+∆ zfQ j 1j j1 + −∆ fQf 1j j = 2j (4.5) fQ3j∆ j1+ +∆+∆ fQfz 3j j 4j j1 + −∆= fzf 4j j 5j (4.6) Qua các b ưc bi n ñ i ta ñưc ph ươ ng trình: AQCQj∆+∆ j j j1+ + B j2 + = D j (4.7) Dc kênh v i N m t c t ta ñưc h ph ươ ng trình có n–2 ph ươ ng trình nh ưng có n nghi m. Do ñó c n 2 ñiu ki n biên. S d ng ph ươ ng pháp truy ñui ma tr n ba ñưng chéo ñ gi i h ph ươ ng trình trên. Ta tính ñưc l ưu l ưng và dao ñng m c n ưc t i m i mt c t và d a vào k t qu ñã tính ñư a vào ph ươ ng trình lan truy n ch t. 23.2.4. Ph ươ ng trình lan truy n ch t Ph ươ ng trình c ơ bn chuy n t i v t ch t m t chi u ∂C ∂(A.E. ) ∂M ∂ (A.u.C) dC =∂x dx − ++ A.dx. s (4.8) ∂t ∂ x ∂ x dt 209
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Vi: M: Kh i l ưng v t ch t (g, kg). x : Kho ng cách (m). t : Th i gian (s). A : Di n tích m t c t ưt (m 2). E : H s phân tán. C : N ng ñ thành ph n ch t l ưng n ưc (mg/l, g/m 3). u : V n t c trung bình (m/s). Ta có M = V.C nên có th vi t: ∂∂M (V.C) ∂ C ∂ V = =V + C (4.9) ∂t ∂ t ∂ t ∂ t Nu dòng ch y trên kênh là dòng ch y n ñ nh ñ u, thì Suy ra: Kt h p ph ươ ng trình (4.8 và (4.10) ta có: ∂C ∂(A.E. ) − ∂C ∂(A.u.C) dC V = ∂x − dx + A.dx . + s (4.11) ∂t ∂x ∂x dt ∂C ∂(AE ) − ∂C ∂(A.u.C) dC s = ∂x − + + (4.12) ∂t A.∂x A.∂x dt V Mà V = A.dx, do ñó: ∂C ∂C (AE ) − (AE ) − − ∂C i i−1 (A.u.C) − (A.u.C) dC s i = ∂x ∂x − i i−1 + i + i (4.13) ∂t Vi Vi dt Vi 210
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Phân rã ph ươ ng trình (4.13) b ng s ơ ñ sai phân sau: ∂C 1 n+1 n = (Ci − Ci ) ∂t ∆t ∂C C n+1 − C n+1 ( ) = i+1 i x i x ∂ ∆ ∂C C n+1 − C n+1 ( ) = i i−1 ∂x i−1 ∆x Ph ươ ng trình (4.13) tr thành: n+1 n n+1 n+1 n+1 n+1 Ci − Ci [( AE )i ]Ci+1 − (AE )i ]Ci [( AE )i−1 ]Ci − (AE )i−1 ]Ci−1 = ( − ) ∆t Vi .∆xi Vi .∆xi n+1 n+1 QiCi −Qi − 1Ci−1 n+1 si − ( ) + riCi + pi + (4.14) Vi Vi Ph ươ ng trình (4.14) tr thành: n +1 n+1 n +1 Ai C i−1 + Bi C i + C i C i +1 = D i (4.15) Vi: ∆t Q ∆t A = −[( AE ) + i−1 ] i i−1 V ∆x V i i i ∆t Qi ∆t Bi =1 + [( AE )i + (AE )i−1 ] + − ri Vi ∆xi Vi ∆t C = − (AE ) i i Vi ∆x n si .∆t Di = Ci + + pi ∆t Vi S d ng ph ươ ng pháp truy ñui ma tr n 3 ñưng chéo ñ gi i ph ươ ng trình (4.15) ñ tìm ra ñưc n ng ñ ch t v i các y u t thu l c ñã tính. 211
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) H ph ươ ng trình (4.15) ñưc ñưa v d ng ma tr n sau:  n+1  B C  C1 Z  1 1   1   C n+1   A2 B2 C2   2  Z 2   A B C  C n+1  Z  3 3 3  3  3       M  M  ×   =  A B C  C n+1 Z   i i i   i   i    M  M        A B C n+1 Z  I −1 I −1 I −1  C I −1   I −1   n+1   AI BI  Z I  C I  Chia ph ươ ng trình ñu trong ma tr n cho B 1: n+1 n+1 C1 + W1C2 = G1 C Vi W1 = 1 , G1 = Z1 B1 B1 Tươ ng t cho các ph ươ ng trình khác ta có: C Wi = i , i = ,4,3,2 K, I Bi − AiWi−1 Z − A G Gi = i i i−1 , i = ,4,3,2 K, I Bi − AiWi−1 Ph ươ ng trình cu i trong ma tr n 3 ñưng chéo: n+1 CI = GI n+1 n+1 K n+1 ð tính Ci−1 , Ci−2 , ,C1 , ta tính ng ưc tr l i n+1 n+1 K Ci = Gi − WiC i−1 , i = I − ,1 I − ,2 1, 212
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 23.2.5 ðiu ki n biên ðiu ki n biên ñu: ði v i th ưng l ưu, không có thành ph n i–1. Vì v y, t ph ươ ng trình (4.18) ta có: n s1∆ t DC11= + +∆− ptaC 1 10 V1 C0 là ñiu ki n biên ñu (n ng ñ dòng vào). ðiu ki n biên cu i: ðiu ki n biên cu i trong mô hình bao g m 2 l a ch n, do ng ưi s dng ñưa vào ho c ch ñ m c ñ nh c a mô hình + ðiu ki n biên cu i do ng ưi s d ng ñưa vào: CI+1 =C LB Suy ra n sI∆ t DCI= I + +∆− ptaC I I LB VI + Ch ñ m c ñ nh c a mô hình (Zero Gradient Assumption, Arden và Astill 1970): ði v i thành ph n cu i c a h th ng, không có thàn ph n i + 1. Trong tr ưng h p này C i+1 ñưc thay b i C i–1. Vì v y Ai trong ph ươ ng trình (4.18) tr thành: ∆t Qi− 1 ∆ t AI=− [((AE) I1− + (AE)) I + ] VI∆ x I V i Và C I = 0, I là ch s cu i c a thành ph n cu i. 23.2.6 Lý thuy t v các y u t trong mô hình. Các y u t , quá trình và công c ñ gi i bài toán Bưc ñ u tiên khi ti n hành công vi c tính toán là chia dòng ch y thành nh ng ñon và trong m i m t ñon b t k ỳ l i chia thành nh ng ñon nh h ơn có th t ho c thành nh ng y u t tính toán t ươ ng ng nhau. 213
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Mi y u t tính toán, nh ư cân b ng thu l c c a dòng ch y, y u t cân b ng nhi t c a nhi t ñ , cân b ng v t ch t c a n ng ñ các ch t, ñưc ñư a vào ph ươ ng trình. C y u t phân tán, s r i c ũng ñưc ñưa vào trong cân b ng ch t. Mô hình s d ng ph ươ ng pháp sai phân h u h n ñ gi i quy t bài toán lan truy n cht và ph ươ ng trình ph n ng (ph ươ ng pháp sai phân n). Các y u t c a mô hình + Oxi hòa tan (dissolved oxigen): Ngu n cung c p DO ch y u là oxi trong khí quy n hòa tan trong n ưc, ngoài ra ngu n cung c p do s quang h p d ưi ánh sáng m t tr i c a các th c v t trong n ưc. + Nhu c u oxi sinh hóa (biochemical oxigen demand): BOD trong mô hình ñưc xem nh ư là quá trình suy gi m b c 1, ñưc tính trên s m t ñi do l ng ñ ng và không nh h ưng ñ n cân b ng oxi. + Các y u t c a nit ơ bao g m: – Nit ơ h u c ơ – Ammoniac (NH 3–N) – Nitrit (NO 2–N) – Nitrat (NO 3–N) + Các y u t phtpho: – Ph tpho h u c ơ – Ph tpho hòa tan + T o: QUAL2E s d ng chlorophyll a ñ ch th sinh kh i t o. Mô hình gi thi t ph n ng ñ mô t s t ăng v s l ưng c a sinh kh i t o là ph n ng b c 1. S t ăng lên v s l ưng t o ñưc tính nh ư cân b ng gi a s phát tri n, hô h p và l ng xu ng c a t o. T c ñ phát tri n l n nh t c a t o ph thu c vào nhân t ánh sáng và nhân t dinh d ưng gi i h n. + Nhi t ñ : trong mô hình nhi t ñ c a n ưc ñưc tính toán m t cách t ñ ng. Cân b ng nhi t m t thoáng n ưc – không khí ñưc tính d a 214
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc trên t ng l ưng b c x t i, t ng l ưng b c x t i khí quy n, l ưng b c x ph n x l i t m t n ưc, s m t nhi t do b c h ơi. + Coliform: dùng ñ ch th m c ñ nhi m b n ca n ưc m t. Hàm s phân hu b c 1 ñưc s d ng d a trên s l ưng coliform ch t ñi + Các y u t b o toàn. + Các y u t không b o toàn. 23.2.7. Các y u t ñánh giá ch t l ưng n ưc a. Các y u t c a nit ơ * Nit ơ h u c ơ dN 4 = α1 ρA − β 3 N 4 − σ 4 N 4 dt N4 : N ng ñ nit ơ h u c ơ (mg–N/l). + β3 : Hng s bi n ñ i do s th y phân nit ơ h u c ơ thành NH 4 , ph thu c vào nhi t ñ (1/ngày) α1 : L ưng nit ơ có trong t o (mg N/mg t o), α1=0.07 – 0.09. ρ : H s hô h p c a t o (1/ngày), ρ=0.05 – 0.5. A : Nng ñ v t ch t c a t o vi sinh (mg–to/l) σ4 : H s bi n ñ i Nit ơ h u c ơ do l ng ñ ng (1/ngày), σ4 =0.01–0.1 + * Ammoni NH 4 dN σ 1 1 = α N − β N + 3 − Fα µA dt 3 4 1 4 d 1 1 PN N1 F1 = (PN N1 + 1( − PN )N 3 ) + N1 : N ng ñ c a NH 4 (mg–N/l) N3 : N ng ñ c a NO 3 (mg–N/l) 215
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) N4 : N ng ñ c a Nit ơ h u c ơ (mg–N/l) + β1 : H s bi n ñ i do các quá trình sinh hóa c a NH 4 β3 : T c ñ thy phân nit ơ h u c ơ (1/ngày) α1 : Lưng nit ơ có trong t o(mg N/mg t o) d : ð sâu trung bình (m) + F1 : S h p th nit ơ t NH 4 ca t o µ : Tc ñ phát tri n c a t o (1/ngày) A : N ng ñ v t ch t c a t o (mg–A/l) + PN : Nhân t thích ng c a NH 4 * Nitrit NO 2 dN 2 =βN −β N dt 11 22 + N1 : N ng ñ c a NH 4 ( mg–N/l) N2 : N ng ñ c a NO 2 (mg–N/l) + β1 : H s bi n ñ i do oxi hóa c a NH 4 , ph thu c vào nhi t ñ, (1/ngày) β2 : H s bi n ñ i do oxi hóa c a NO 2, ph thu c vào nhi t ñ (1/ngày). * Nitrat NO 3 dN 3 =βN − (1 − F) αµ A dt 2 2 1 α1 : L ưng nit ơ có trong t o (mg N/mg t o) µ : T c ñ phát tri n c a t o ( 1/ngày b. Các y u t Ph tpho * Ph tpho hu c ơ dP 1 = α ρA − β P − α P dt 2 4 1 5 1 216
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc P1 : N ng ñ c a ph tpho hu c ơ (mg–P/l) α2 : Hàm l ưng ph tpho có trong t o (mg–P/mg t o) ρ : T c ñ hô h p c a t o (1/ngày) A : N ng ñ v t ch t c a t o (mg–A/l) β4 : T c ñ phân h y c a ph tpho, ph thu c vào nhi t ñ (1/ngày) σ5 : T c ñ l ng ñ ng c a ph tpho, ph thu c nhi t ñ (1/ngày) * Ph tpho hòa tan dP 2 σ 2 = β P + − α µA dt 4 1 d 2 P2 : N ng ñ c a ph tpho hòa tan (mg–P/l) σ2 : T c ñ h p th d : ð sâu trung bình (m) A : N ng ñ v t ch t c a t o (mg–A/mg t o) µ : T c ñ phát tri n c a t o (1/ngày) c. Oxi hòa tan (Dissolved Oxigen) dO K = K (O *−O) + (α µ −α ρ)a − K L − 4 −α β N −α β N dt 2 3 4 1 d 5 1 1 6 2 2 O : N ng ñ c a oxi hòa tan (mg/L). O* : N ng ñ bão hòa c a oxi hòa tan (mg/L). α3 : T c ñ s n sinh oxi/1 ñơ n v do quang h p c a t o (mg–O/mg–A) α4 : T c ñ tiêu th oxi do hô h p c a t o (mg–O/mg–to) + α5 : T c ñ tiêu th oxi/1 ñơ n v do s oxi hóa NH 4 (mg–O/mg–to) α6 : T c ñ tiêu th oxi/1 ñơ n v do s oxi hóa NO 2 (mg–O/mg–to) µ : T c ñ phát tri n c a t o, ph thu c nhi t ñ (1/ngày) 217
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) ρ : T c ñ hô h p c a t o (1/ngày) A : N ng ñ v t ch t c a t o (mg–to/l) L : N ng ñ BOD cu i (mg/l) D : ð sâu trung bình (m) K1 : Tc ñ oxi hóa BOD cu i, ph thu c nhi t ñ (1/ngày) K2 : Hng s th m khí, v i h s khu ch tán Fickian, ph thu c nhi t ñ (1/ngày) K4 : Nhu c u oxi hoá c a sinh v t ñáy + β1 : H s oxi hóa NH 4 , ph thu c nhi t ñ (1/ngày) β2 : H s oxi hóa NO 2, ph thu c nhi t ñ (1/ngày) + N1 : N ng ñ NH 4 (mg–N/L). N2 : N ng ñ NO 2 (mg–N/L). lnO* =–139.34410 + (1.575701 ×10 5 T–1) – (6.642308 × 107T –2) + (1.243800 × 10 10 T–3) – (8.621949 × 10 11 T–4) T: Nhi t ñ (0 oC – 40 oC) – Các h s th m khí K 2 ñưc tính b ng công th c sau: + Công th c Owen tính cho các dòng có v n t c t 0,03 – 1,5 m/s, ñ sâu 0,12 – 3,3 m 20 0.67 1.85 K2 = 9.4u /(d × 2,31) u : V n t c trung bình(m/s) d : ñ sâu trung bình (m) + Công th c Churchill, Elmore, Buckingham 20 0,969 –1,673 K2 = 5,026u .d × 2.31 – Công th c hi u ch nh ñ i v i các y u t ph thu c vào nhi t ñ : T–20 KT = K 20 θ θ : giá tr thay ñ i tùy vào các ch t 218
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 23.3. X LÝ N ƯC TH I VÀ N ƯC C P 23.3.1 Kh s t trong n ưc c p a. M c ñích Nghiên c u kh n ăng kh s t trong n ưc b ng ph ươ ng pháp làm thoáng. Nghiên c u kh n ăng kh s t trong n ưc c p b ng ph ươ ng pháp s dng hoá ch t b. C ơ s lý thuy t Trong n ưc t nhiên, k c n ưc m t l n n ưc ng m ñ u có ch a s t. Hàm l ưng s t và d ng t n t i c a chúng tùy thu c vào t ng lo i ngu n nưc, ñiu ki n môi tr ưng và ngu n g c t o thành chúng. Trong n ưc m t, 3+ st t n t i d ng h p ch t s t Fe thông th ưng là Fe(OH) 3 không tan, dng keo hay huy n phù, ho c d ng các h p ch t h u c ơ ph c t p khó tan. Hàm l ưng s t có trong n ưc m t không l n và s ñưc kh trong quá trình làm trong n ưc. Trong n ưc ng m s t t n t i d ng ion, s t có hóa tr 2 (Fe 2+ ) là thành ph n c a các mu i hoà tan nh ư: bicacbonat Fe(HCO 3)2, sunfat FeSO 4. Hàm lưng s t trong n ưc ng m th ưng cao và phân b không ñ ng ñ u trong các tr m tích d ưi sâu. Hi n nay có nhi u ph ươ ng pháp kh s t c a n ưc ng m, có th chia thành các nhóm chính sau: Kh s t b ng ph ươ ng pháp làm thoáng. Kh s t b ng ph ươ ng pháp dùng hoá ch t. Kh s t b ng ph ươ ng pháp khác. b1. Kh s t b ng ph ươ ng pháp làm thoáng Th c ch t c a ph ươ ng pháp kh s t b ng ph ươ ng pháp làm thoáng là làm giàu oxi cho n ưc t o ñiu ki n ñ oxi hoá Fe 2+ thành Fe 3+ ; sau ñó Fe 3+ to thành h p ch t ít tan Fe(OH) 3, r i dùng b l c gi l i. 219
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Tc ñ ph n ng oxi hoá ñưc bi u th theo ph ươ ng trình sau: 2+ 2+ d [Fe ] [Fe ][O2 ] v = = 2 .K dt []H + ðây là ph ươ ng trình Just trong ñó : v : T c ñ oxi hóa 2+ d[Fe ] 2+ : S bi n thiên n ng ñ [Fe ] theo th i gian t. dt 2+ + 2 2+ + [Fe ]; [ H ]; [O ] : N ng ñ c a các ion Fe , H , O 2 tan trong n ưc. K : H ng s t c ñ ph n ng, ph thu c vào nhi t ñ và ch t xúc tác. b2. Kh s t b ng ph ươ ng pháp dùng hóa ch t 1. Kh s t b ng các ch t oxi hoá m nh Các ch t oxi hóa m nh th ưng dùng ñ kh s t là: Cl 2, KMnO 4, O3 Khi cho các ch t oxi m nh vào n ưc ph n ng di n ra nh ư sau : 2+ – + 2Fe + Cl 2 + 6H 2O = 2Fe(OH) 3 + 2Cl + 6H 3+ + + 3Fe + KMnO 4 + 7H 2O = 3Fe(OH) 3 + MnO 2 + K + 5H 2+ Trong ph n ng, ñ oxi hóa 1mg Fe cn 0,64 mg Cl 2 ho c 0,94 mg KMnO 4 và ñng th i ñ ki m c a n ưc gi m ñi 0,018 mg ñ/l. 2. Kh s t b ng vôi Ph ươ ng pháp kh s t b ng vôi th ưng không ñ ng ñ c l p, mà k t hp v i các quá trình làm n ñ nh n ưc ho c làm m m n ưc. Khi cho vôi vào n ưc quá trình kh s t x y ra theo 2 tr ưng h p: Tr ưng h p n ưc có oxi hoà tan: vôi ñưc coi nh ư là ch t xúc tác, ph n ng kh s t x y ra nh ư sau: 4Fe(HCO 3)2 + O 2 + 2H 2O + 4 Ca(OH) 2 →Fe(OH) 3 ↓ + 4 Ca(HCO 3)2 St (III) hydroxit ñưc t o thành d dàng l ng l i trong b l ng và gi l i hoàn toàn trong b l c. 220
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Trong tr ưng h p n ưc không có oxi hoà tan: khi cho vôi vào n ưc ph n ng di n ra nh ư sau : Fe(HCO 3)2 + Ca(OH) 2 → FeCO 3 + CaCO 3 + H 2O St ñưc kh d ưi d ng FeCO 3 ch không ph i hydroxit s t b3. Các ph ươ ng pháp kh s t khác Kh s t b ng trao ñ i Cation. Kh s t b ng ñin phân. Kh s t b ng ph ươ ng pháp vi sinh. Kh s t ngay trong lòng ñt. c. Mô hình thí nghi m (hình 23.1) 221
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) d. Các b ưc ti n hành d1. Kh s t b ng ph ưong pháp làm thoáng 1. Thí nghi m 1: Xác ñnh giá tr pH t i ưu Nưc c p trong b cha n ưc thô có hàm l ưng s t kho ng 5ppm, các giá tr pH khác nhau nh ư: 5,5 ÷ 7,5. M van 1, van 2. B t b ơm n ưc thô lên giàn m ưa v i l ưu l ưng 4l/phút và s c khí làm thoáng. Th i gian ph n ng 15 phút ñ quá trình chuy n hoá Fe 2+ thành Fe 3+ xy ra. Sau ñó m van 3, van 4. ðóng van 1, van 2. Ti p t c b ơm n ưc qua ct l c cát v i l ưu l ưng 1,5 ÷2l/phút. L y m u n ưc van s 5. Xác ñ nh hàm l ưng s t trong m u n ưc c p ñã x lý. 2. Thí nghi m 2 : Xác ñnh th i gian t i ưu. Nưc c p có hàm l ưng s t kho ng 5ppm, giá tr pH=7. Nưc c p ñưc b ơm lên giàn m ưa và s c khí làm thoáng. Thay ñi th i gian ph n ng t 5 ÷ 15 c a quá trình chuy n hoá Fe 2 thành Fe 3. Ti p t c b ơm n ưc qua c t l c. Xác ñ nh hàm l ưng s t trong n ưc cp ñã x lý d2. Kh s t trong nưc c p b ng ph ươ ng pháp dùng hoá ch t Chlorine 1. Thí nghi m 3 : Xác ñnh kh n ăng kh s t b ng ph ươ ng pháp làm thoáng . Nưc c p có hàm l ưng s t l n h ơn 30ppm, giá tr pH= 7. Nưc c p ñưc b ơm lên giàn m ưa và s c khí làm thoáng. Th i gian ph n ng 15 phút ñ quá trình chuy n hoá Fe 2+ thành Fe 3+ xy ra. Ti p t c b ơm n ưc qua c t l c. Xác ñ nh hàm l ưng s t trong n ưc cp ñã x lý. 222
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 2. Thí nghi m 4 : Xác ñnh l ưng hoá ch t t i ưu và kh o sát s thay ñi pH. Nưc c p có hàm l ưng s t l n h ơn 30ppm, giá tr pH= 7. Cho dung d ch Chlorine 5% vào các li u l ưng khác nhau. Xác ñ nh dung d ch Chlorine c n thi t ñ chuy n hóa Fe 2+ thành Fe 3+ . Th i gian ph n ng 15 phút ñ quá trình chuy n hoá Fe 2+ thành Fe 3+ xy ra. Ti p t c b ơm n ưc qua c t l c. Xác ñ nh hàm lưng s t trong n ưc cp ñã x lý. 1.4. Kt qu Thí nghi m 1: l p b ng s li u. D ng ñ th , tr c hoành bi u th giá tr pH, tr c tung bi u th giá tr hàm l ưng s t trong m u n ưc c p ñã x lý. V ñưng cong bi n thiên. Xác ñnh ñim c c ti u. T ñó suy ra giá tr pH ti ưu. Thí nghi m 2: l p b ng s li u. D ng ñ th , tr c hoành bi u th th i gian ph n ng, tr c tung bi u th giá tr hàm l ưng s t trong m u n ưc cp ñã x lý. V ñưng cong bi n thiên. Xác ñnh ñưng ti m c n. T ñó suy ra th i gian ph n ng t i ưu. Thí nghi m 3: ghi nh n k t qu và bàn lu n. Thí nghi m 4: l p b ng s li u. D ng ñ th , tr c hoành bi u th li u l ưng ph n ng, tr c tung bi u th giá tr hàm l ưng s t trong m u n ưc cp ñã x lý. V ñưng cong bi n thiên. Xác ñnh ñưng ti m c n. T ñó suy ra l ưng hóa ch t ph n ng t i ưu. 23.3.2. Thí nghi m l ng bông c n a– Mc ñích Xác ñnh t c ñ , hi u qu l ng t ng c ng khác nhau. Xác ñnh th i gian l ng các hi u qu l ng t ng c ng khác nhau. b– Cơ s lý thuy t Lng là quá trình tách kh i n ưc c n l ơ l ng ho c bông c n hình thành trong giai ñon keo t t o bông. 223
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Trong công ngh x lý n ưc c p quá trình l ng ñưc ng d ng : Lng c n phù sa khi n ưc m t có hàm l ưng phù sa l n và c n l ng nưc thô tr ưc khi l c có ñ ñ c th p. Lng bông c n phèn/polyme trong công ngh kh ñ c và màu n ưc m t. Lng L ng bông c n s t và mangan trong công ngh kh s t và mangan. Bông c n vôi – magiê trong công ngh kh c ng b ng hoá ch t. Trong công x lý n ưc th i quá trình l ng ñưc ng d ng : Lng cát, s n, mnh kim lo i, thu tinh, x ươ ng, h t sét, b l ng cát. Lo i b ch t l ơ l ng b l ng ñ t 1. Lng bùn ho t tính ho c màng vi sinh v t b l ng ñ t 2. Hai ñi l ưng quan tr ng trong vi c thi t k b l ng chính là th i gian lng và t c ñ ch y tràn. c– Mô hình (hình 23.2) 224
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc d– Các b ưc ti n hành Chu n b thùng ch a n ưc th i và khu y tr n ñ u n ưc th i. Chu n b c t l ng hình h p Bơm n ưc thô vào c t l ng: V ð l ng 1 phút. L y m u n ưc ki m tra hàm l ưng c n l ơ l ng các ñ sâu khác nhau ng v i th i ñim khác nhau (5, 10, 15, 20, 40, 60, 90 phút, cho ñn khi SS = 0) các ñ sâu khác nhau: 1.8, 1.4, 1.0, 0.6, 0.4m Sau khi ño ñ ñ c ta tính toán hi u qu l ng theo công th c sau: R(%) = (1 – C1/C 0 ) × 100%. + R%: hi u qu m t chi u sâu t ương ng v i m t th i gian l ng %. + C 1: hàm l ưng SS th i gian t ñ sâu h, ml/g. + C 0: hàm l ưng SS ban ñ u, ml/g Lp b ng k t qu ño SS t i các th i ñim và ñ sâu khác nhau Cao ñ Co 5 (phút) 10 15 20 40 60 90 (m) (mg/l) 0.2 0.6 1.0 1.4 1.8 Lp b ng hi u qu l ng R(%) 225
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Cao ñ 5 (phút) 10 15 20 40 60 90 (m) 0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 e. K t qu thí nghi m Dng ñ th v i tr c hoành bi u th th i gian l y m u, tr c tung bi u th chi u sâu. V bi u ñ hi u qu l ng. Ni suy các ñưng cong hi u qu l ng b ng cách n i các ñim có cùng hi u qu l ng. T giao ñim gi a ñưng cong hi u qu l ng và tr c hoành, xác ñnh t c ñ ch y trànV 0=H/ti. Trong ñó, H là chi u sâu c t (2m), t i là th i gian l y m u ñưc xác ñ nh t giao ñim ñưng cong hi u qu l ng và tr c hoành. V ñưng th ng ñ ng t t i chi u sâu H 1, H2 . t ươ ng ng v i các trung ñim ñon th ng t o b i ñưng th ng t i và các ñưng cong hi u qu . Hi u qu l ng t ng c ng th i gian t i ñưc tính nh ư sau: RTi = R a + H 1/H (R b – Ra) + H 2 (R c – Rb) + T các s li u tính toán trên xây d ng bi u ñ hi u qu l ng theo th i gian l ưu n ưc và hi u qu l ng theo t c ñ ch y tràn. T hai bi u ñ trên v i hi u qu l ng yêu c u có th xác ñ nh th i gian lưu n ưc và t c ñ ch y tràn thi t k . 23.3.3 Thí nghi m JARTEST a– Mc ñích Xác ñnh giá tr pH t i ưu c a quá trình keo t t o bông. 226
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Xác ñnh li u l ưng phèn t i ưu c a quá trình keo t t o bông. b– Cơ s lý thuy t X lý b ng ph ương pháp keo t là cho vào n ưc m t lo i hoá ch t g i là ch t keo t ñ làm cho các h t c n r t nh bi n thành nh ng h t l n l ng xu ng. Thông th ưng quá trình t o bông x y ra theo 2 giai ñon sau: Bn thân ch t keo t phát sinh th y phân, quá trình hình thành dung d ch keo và ng ưng t . Trung hoà h p ph l c các t p ch t trong n ưc. Kt qu c a quá trình trên là hình thành các h t l n l ng xu ng. ð th c hi n quá trình keo t , ng ưi ta cho vào n ưc các ch t keo t thích h p nh ư phèn nhôm Al 2(SO 4), phèn s t FeSO 4 ho c lo i FeCl 3. Các phèn này ñưc ñưa vào n ưc d ưi d ng hoà tan. Khi cho phèn nhôm vào n ưc, chúng phân ly thành các ion Al 3+ sau ñó các ion này b thu phân thành Al(OH) 3. 3+ + Al + 3H 2O = Al(OH) 3 + H Trong ph ng ng thu phân trên ñây, ngoài Al(OH) 3 là nhân t quy t ñnh ñ n hi u qu keo t t o thành, còn gi i phóng ra các ion H +. Các ion H + này s ñưc kh b ng ñ ki m t nhiên c a n ưc ( ñưc ñánh giá b ng – HCO 3 ). Tr ưng h p ñ ki m t nhiên c a n ưc th p, không ñ ñ trung hòa ion H + thì c n ph i ki m hoá n ưc. Ch t dùng ñ ki m hoá thông d ng nh t là vôi (CaO). M t s tr ưng h p khác có th dùng sô ña (Na 2CO 3), hay xút (NaOH). c. Mô hình (hình 23.3) 227
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) d. Các b ưc ti n hành Ly 500ml m u n ưc th i cho vào c c 1000ml và cho l ưng phèn vào vi l ưng t ăng nh . Sau m i l n t ăng l ưng phèn, khu y tr n nhanh m t phút sau ñó khu y tr n ch m trong 3 phút. Thêm l ưng phèn cho ñn khi bông c n hình thành. Ghi nh n hàm l ưng phèn này. Thí nghi m 1: xác ñ nh giá tr pH t i ưu Ly 1 lít m u n ưc th i cho vào m t c c 1000ml, sau ñó ñ t c c vào thi t b Jartest. Cho cùng m t li u l ưng phèn nh t ñ nh b ưc trên vào 6 cc 1000ml ch a n ưc th i trên. Sau ñó thêm axit ho c ki m ñ pH dao ñng trong kho ng 4– 9. M cánh khu y quay t c ñ 100 vòng/phút. Sau ñó quay ch m trong 15 phút t c ñ 15 – 20 vòng/phút. T t máy khu y, ñ lng t ĩnh 30 phút. Sau ñó l y m u n ưc l ng (l p n ưc phía trên) phân tích các ch tiêu pH ñ ñ c, ñ màu. Giá tr pH t i ưu là giá tr ng v i m u có c n l ơ l ng (SS), ñ màu th p. Xác ñnh l ưng NaOH (c th tích l n kh i l ưng) ñ xác ñ nh các kho ng pH c n thi t (ghi nh n pH th c t ). Ti n hành thí nghi m Quan sát thí nghi m ðo k t qu SS, ñ màu, xác ñnh % x lý Thí nghi m 2: xác ñ nh li u l ưng phèn t i ưu Ly 1 lít m u n ưc th i cho vào m i c c 1000ml sau ñó ñ t các c c vào thi t b Jartest. Trong thí nghi m này thay ñi li u l ưng phèn khác nhau 6 c c 1000ml ch a n ưc th i trên. Sau ñó thêm axit hay ki m vào ñ ñ t pH t i ưu t ươ ng ng v i li u l ưng phèn khác nhau. M cánh khu y quay t c ñ 100vòng/ phút trong 1 phút, sau ñó quay ch m trong 15 phút t c ñ 15– 20 vòng/phút. T t máy khu y, ñ l ng t ĩnh trong vòng 30 phút. Sau ñó l y m u n ưc l ng (l p n ưc phía trên) phân tích các ch tiêu pH, SS, ñ màu. Li u l ưng phèn t i ưu là li u l ưng ng v i m u có ñ ñ c, ñ màu th p nh t. Xác ñnh l ưng NaOH ñ ñưa v pH t i ưu. 228
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Ti n hành khu y tr n Quan sát thí nghi m. Ti n hành ño SS và ñ màu (Pt–Co) và xác ñnh % x lý Kt qu thí nghi m Thí nghi m 1: l p b ng s li u. D ng ñ th , tr c hoành bi u th giá tr pH, tr c tung bi u th giá tr ñ ñ c, ñ màu m u n ưc th i ñã x lý. V ñưng cong bi n thiên. Xác ñnh ñim c c ti u. T ñó suy ra giá tr pH t i ưu. Thí nghi m 2: l p b ng s li u. D ng ñ th , tr c hoành bi u th li u lưng phèn, tr c tung bi u th giá tr ñ ñ c, ñ màu trong m u n ưc th i ñã x lý. V ñưng cong bi n thiên. Xác ñnh ñim c c ti u t ñó suy ra th i gian li u l ưng phèn t i ưu. 23.3.4 Kh o sát hi u qu x lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp dùng bùn ho t tính (nghiên cu xác ñ nh thông s ñ ng h c c a quá trình x lý sinh h c) 23.3.4.1 M c ñích Xác ñnh hi u qu c a quá trình x lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp bùn ho t tính Xác ñnh thông s ñ ng h c c a quá trình 23.3.4.2 C ơ s lý thuy t 1. Nguyên t c c a ph ươ ng pháp hi u khí a. Nguyên t c Các ph ươ ng pháp hi u khí d a rên nguyên t c là các vi sinh v t hi u khí phân h y các ch t h u c ơ trong ñiu ki n có oxi hòa tan. Vi sinh vat Ch t h u c ơ + O 2  → H2O + CO 2 + NH 3 + . ñiu ki n hi u khí (hàm l ưng oxi hòa tan t i thi u 1.5 – 2.0 mg/l), + NH 4 cũng b lo i nh quá trình nitrat hóa c a vi sinh v t t d ưng. + Vi sinh vat – + NH 4 + 2O 2  → NO 3 + 2H + H 2O + N ăng l ưng 229
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) b. C ơ ch c a quá trình phân h y các ch t trong t bào Cơ ch c a quá trình phân h y các ch t trong t bào có th tóm t t nh ư sau: Các h t h u c ơ ñu tiên b oxi hóa là hydrat cacbon và m t s các ch t h u c ơ khác. Men c a vi sinh v t s tách hydro kh i móc xích và ñem ph i h p v i oxi không khí ñ t o thành n ưc. Nh có hydro kh i móc xích và oxi trong n ưc, các ph n ng oxi hóa kh gi a các nguyên t cacbon m i di n ra ñưc. ðưng, r ưu và các axit h u c ơ khác là các s n ph m ñ c tr ưng nh t c a quá trình oxi hóa b i vi sinh v t hi u khí. Các ch t ñó khi phân h y hoàn toàn s t o thành CO 2 và H 2O. Th c ra không ph i t t c các ch t ñã b gi l i t bào khu n (ch mt ph n) b oxi hóa hoàn toàn thành CO 2 và H 2O. Ph n còn l i s b ñ ng hóa và ñưc s d ng ñ t ng h p các ch t m i c a t bào, t c là ñ sinh kh i c a vi sinh v t t ăng lên. ðng th i song song v i quá trình ñng hóa, trong t bào vi sinh v t còn di n ra quá trình d hóa, phân h y các ch t có trong thành ph n t bào. Nh ư v y m t ph n trong các ch t s ng ñã ñưc tng h p l i b oxi hóa. c. S sinh tr ưng và phát trin c a vi sinh v t S sinh tr ưng c a vi sinh v t là s t ăng sinh kh i c a nó do h p th , ñng hóa các ch t dinh d ưng. Theo ngh ĩa r ng, sinh tr ưng hay s t ăng sinh kh i là t ăng tr ng l ưng, kích th ưc ho c s l ưng t bào. Nh ư v y, hi u qu c a s dinh dưng (c ũng ñ ng th i là s gi m BOD) là quá trình t ng h p các b ph n c a c ơ th – t bào và s t ăng sinh kh i – sc sinh tr ưng. Các quá trình di n ra không ñ ng ñ u theo th i gian và không gian trong t bào vi sinh v t. d. S chuy n hóa các ch t h u c ơ (hay gi m BOD) Sau khi n ưc th i ti p xúc v i bùn, ban ñu t c ñ chuy n hóa các ch t h u c ơ cao, các ch t l ơ l ng ho c keo ñưc chuy n hóa do ñông t sinh hc ho c h p ph . Các ch t h u c ơ hòa tan ñưc chuy n hóa nh ñông t 230
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc sinh h c. T c ñ chuy n hóa ñó tùy thu c vào ñc tính n ưc th i và bùn. Trong khi ñó ñ t ăng tr ưng c a bùn (vi sinh) c ũng ñ t ñ n giá tr cao nh t, các ch t h u c ơ tích l ũy trong t bào sinh v t c ũng r t nhi u. Mu n oxi hóa các ch t ñã tích l ũy ñó ñòi h i ph i làm thoáng m t th i gian khá lâu trong nhi u gi . Th ưng t c ñ chuy n hóa r t nhanh trong 10 – 15 phút ñu. Trong th i gian này l ưng ch t h u c ơ có th chuy n hóa b i 1gr bùn ñưc bi u th bng ph ươ ng trình sau: dL =K L dS i Sau khi tính tích phân ta ñưc: L ri =1−e KiS Li Trong ñó: + K i : Hng s t c ñ chuy n hóa ban ñ u, 1/th i gian + S : Lưng bùn ho t tính ban ñ u, g/l + L ri : Lưng ch t h u c ơ (BOD) ñã chuy n hóa trong kho ng th i gian ñó + L i : Lưng ch t h u c ơ c a n ưc th i Mi t ươ ng quan v toán hc gi a s chuy n hóa ch t b n h u c ơ c a nưc th i và s sinh tr ưng c a bùn: n ng ñ cao c a các ch t h u c ơ, t c ñ ñ ng hóa, t c ñ sinh tr ưng và khi ñó c t c ñ chuy n hóa các ch t (t c ñ gi m BOD) th ưng ph thu c và n ng ñ . th i ñim ñ u c a quá trình làm thoáng, ta ñt: + S 0 : N ng ñ ban ñ u c a bùn (vi sinh v t), mg/l + L 0 : BOD ban ñu c a n ưc th i, mg/l 231
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Qua th i gian t, ta có: + S: N ng ñ c a bùn th i ñim t, mg/l + ∆S = S – So : Lưng t ăng sinh kh i c a bùn trong m t ñơn v th tích, mg/l + L r: L ưng BOD ñã gi m ( ñã b kh ) trong th i gian t + L t = L o – Lr : Lưng BOD còn l i trong n ưc th i, mg/l + K 1 : H ng s t c ñ sinh tr ưng Logarit (1/th i gian) + K 2 : H ng s t c ñ chuy n hóa (BOD) + ðt α: Là t l BOD (các ch t h u c ơ) ñã chuy n hóa và t ng h p thành bùn, t c là ñ t ăng kh i bùn. Khi ñó: α. Lr = ∆S S = S o + ∆S = S o + α. Lr 1. Sơ b l ưng nguyên t dinh d ưng c n ti t ñ i v i nhi u lo i n ưc th i công nghi p có th ch n theo t l : BOD tf : N : P = 100 : 5 :1 2. Nng ñ gi i h n cho phép c a các ch t ñ c ph i n m trong gi i hn cho phép nh t là các mu i c a kim lo i n ng. 3. Giá tr pH nh h ưng r t l n ñ n quá trình t o men trong t bào và quá trình h p th các ch t dinh d ưng trong t bào. ði v i ña s vi sinh v t kho ng giá tr pH t i ưu là 6.5 – 8.5. 4. Nhi t ñ n ưc th i nh h ưng r t l n ñ n quá trình t o men trong t bào và quá trình h p th các ch t dinh d ưng vào t bào. 5. Nhi t ñ nh h ưng r t l n ñ n ch c n ăng ho t ñ ng c a vi sinh vt. ð i v i ña s vi sinh v t, nhi t ñ n ưc th i trong các công trình x lý nm trong kho ng 6 – 37 0C. 6. Nng ñ c a mu i vô c ơ trong n ưc th i không v ưt quá 10g/l 232
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc e. C u trúc c a các ch t b n và bùn ho t tính Tác nhân tham gia vào quá trình phân h y các ch t b n h u c ơ là vi khu n, x khu n, n m, và m t s ñ ng v t b c th p. Bên c nh các ch t d b oxi hóa nh ư hydrat cacbon còn có r t nhi u ch t b oxi hóa m t ph n ho c th m chí hoàn toàn không b phân h y dù có nh ng vi khu n thích nghi tham gia quá trình. ðó là nh ng ch t h u c ơ t ng h p: hydrat cacbon, r ưu, andehyt, ester, Khi nghiên c u kh n ăng oxi hóa sinh hóa c a các ch t h u c ơ có c u trúc khác nhau, nhi u tác gi ñã ñi ñn k t lu n: Nh ng h p ch t v i tr ng l ưng phân t l n, c u trúc nhi u m ch nhánh bên là nh ng ch t không b oxi hóa sinh hóa. Các ch t không b oxi hóa sinh hóa là nh ng ch t mà men (enzym) ca vi sinh v t r t khó thâm nh p và c ũng là nh ng ch t khó th m th u khu ch tán qua màng t bào. ði v i nh ng ch t có nguyên t carbon trung tâm, dù ch còn mt liên k t H–C thì m c ñ nh h ưng c a c u trúc nhánh phân t ñ i v i quá trình oxi hoá sinh hóa s gi m ñi. Trong liên k t H – C n u thay nguyên t hydro b ng các nhóm ankyl ho c aryl thì s khó b oxi hóa sinh hóa ñơ n. Ngoài cacbon, n u trong m ch còn có các nguyên t khác nhau s làm cho ch t h u c ơ b n v ng h ơn ñi v i quá trình oxi hóa sinh hóa. nh hưng nhi u nh t là m ch có oxi ri ñ n l ưu hu ỳnh và nit ơ. Bùn ho t tính và màng vi sinh v t là t p h p các lo i vi sinh v t khác nhau. Bùn ho t tính là bông màu vàng nâu d l ng có kích th ưc 3 – 150 micromet. Nh ng bông g m có vi sinh v t s ng và ch t r n (40%). Nh ng sinh v t s ng là vi khu n, ñ ng v t b c th p, dòi, giun, n m men, n m m c và x khu n. Màng vi v t phát tri n b m t các h t v t li u l c có d ng nh y, dày 1 – 3nm và h ơn n a. Màu c a nó thay ñ i theo thành ph n c a n ưc th i, t vàng xám ñn màu nâu t i. Màng vi sinh v t c ũng g m vi khu n, n m m c 233
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) và các vi sinh v t khác. Trong quá trình x lý, n ưc th i sau khi qua b l c sinh h c, có mang theo các h t (phn t ) c a màng vi sinh v t hình d ng khác nhau, kích th ưc 15 – 30 micromet v i màu vàng sáng ho c nâu. Nh ng loài vi khu n tham gia vào quá trình x lý th ưng là các loài tr c khu n không t o nha bào Gram âm. S có m t các loài vi khu n d dưng, v i nhiu ki u trao ñ i ch t s làm cho bùn ho t tính nhanh chóng thích nghi v i nhi u lo i n ưc th i khác nhau. Ngoài ra, chúng còn có kh năng s d ng nit ơ h u c ơ. Nhi u loài có kh n ăng kh nitrat. Cho ñn nay, ng ưi ta ñã bi t vi sinh v t có th phân h y t t c ch t hu c ơ có trong thiên nhiên và r t nhi u ch t h u c ơ nhân t o. 2- Mô hình bùn ho t tính (hình 23.4) Nguyên lý chung c a quá trình bùn ho t tính (oxi hoá sinh hoá hi u khí v i s tham gia c a bùn ho t tính). Hình d ng và kích th ưc mô hình ñ xác ñ nh các thông s ñ ng h c cho quá trình bùn ho t tính (activated sludge) ñưc th hi n hình v . Hình 23.4. Moâ hình thí nghieäm buøn hoaït tính 234
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Mô hình b ng kính t m có th tích n ưc h u ích 10 lít t ươ ng ng v i chi u cao l p n ưc 0,3m. Khí ñư a vào n ưc b ng máy nén khí và ñưc khu ch tán qua c c ñá b t dài 20cm. Trong b aeroten di n ra quá trình oxi hóa sinh hoá các ch t h u c ơ trong ch t th i. Vai trò ch y u ñây là nh ng vi sinh v t hi u khí, chúng to thành bùn ho t tính. ð bùn ho t tính và n ưc th i ti p xúc v i nhau ñưc t t và liên t c ng ưi ta ph i khu y tr n b ng máy nén ho c các thi t b cơ gi i khác. ð các vi sinh v t khoáng hoá s ng và ho t ñ ng bình th ưng ph i th ưng xuyên cung c p oxi vào b . Oxi s ñưc s d ng trong các quá trình sinh hóa. S khuy ch tán t nhiên qua m t thoáng c a n ưc trong b không bo ñ m ñ l ưng oxi cn thi t, vì v y ph i b sung l ưng không khí thi u ht b ng ph ươ ng pháp nhân t o: th i khí nén vào ho c t ăng di n tích m t thoáng. Trong th c t ng ưi ta th ưng th i không khí nén vào b vì nh ư v y s ñng th i gi i quy t t t hai nhi m v : v a khu y tr n bùn ho t tính v i nưc th i v a b o ñ m ch ñ oxi cn thi t trong b . 3- Các b ưc ti n hành (mt ví d c th cho n ưc th i sinh ho t) i. Thí nghi m 1: Xác ñ nh các thông s bùn o Ly th tích V 1 (bùn), s y 105 C và xác ñnh SS. Ti p t c s y 550 oC, xác ñnh VS. Nng ñ bùn xác ñnh: SS  mg  Cb =   V1  l  ii. Thí nghi m 2: Ch y giai ñon thích nghi Bùn nuôi c y ban ñ u cho vào mô hình v i hàm l ưng SS vào kho ng 200 mg/l. Th tích b ch a là V(lít), mu n hàm l ưng bùn trong V (lít) n ưc th i là 2000 mg/l © thì th tích bùn c n l y là : 235
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) V.C Vb = Cb ðo COD n ưc th i ñ u vào = a (mg/l) Ch n th i gian ch y 1 ngày –> t i l ưng COD: a.10 –3 kg/m 3.ngày) Giai ñon thích nghi ñưc k t qu cho vào b ng sau (d ng thí nghi m khi COD t ươ ng ñi n ñ nh) Ti tr ng T(gi ) COD(mg/l) Hi u qu pH Ngày 3 (kgCOD/m .ngày) Vào Ra % COD Vào Ra 1 COD vao ×10 −3 24 2 T(ngay ) 3 4 5 6 V ñ th bi u di n hi u qu kh COD theo th i gian ñ i v i thí nghi m thích nghi và nh n xét. iii. Thí nghi m 3: Giai ñon t ăng t i tr ng Cu i giai ñon thích nghi, xác ñ nh các thông s COD sau 24 gi , MLSS, pH. ðánh d u m c bùn l ng sau 30 phút (m c bùn l ng này ng v i SS kho ng 2000 ml/g). Xác ñ nh kh n ăng l ng c a bùn b ng ch tiêu SVI. Cách xác ñnh SVI: + L y 1 lít m u ñưc l y t bình ph n ng (sau khi thích nghi bùn) + Kh n ăng l ng c a bùn ñưc ño b ng cách ñ h n h p ñn v ch 1 lít, ñ l ng trong 30 phút, sau ñó ñưc th tích b chi m b i bùn l ng. + SS ñưc xác ñ nh b ng cách l c, s y khô và cân tr ng l ưng. 236
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc + SVI là th tích tính b ng ml b chi m gi b i 1 gam bùn ho t tính sau khi ñ l ng 30 phút h n h p trong b phn ng, ñưc tính: V×1000  SVI = (mg l)/  SS  Tăng t i tr ng COD ng v i th i gian là 24h, 12h, 8h, 6h, 4h, 2h Trong ñó, V: th tích ch t r n l ng trong ng sau 30 phút SS: ch t r n l ơ l ng (mg/l) 1000: h s quy ñ i mg sang g m i t i tr ng xác ñ nh COD, pH, SS. Khi hi u qu COD t i tr ng nào ñó n ñ nh trong th i gian t i thi u 3 ngày, ti p t c t ăng t i cao h ơn. Quá trình t ăng t i k t thúc khi hi u qu COD gi m. Lúc ñó hi n t ưng quá t i x y ra. – Lp b ng s li u mô hình t ĩnh s p x p theo th i gian l ưu n ưc t ăng dn và v ñ th bi u di n mô hình t ĩnh s p x p theo th i gian l ưu n ưc t ăng dn và nh n xét. Ti tr ng T Hi u qu 3 COD(mg/l) pH Ngày (kgCOD/m .ngày) (gi ) % COD SS Vào Ra Vào Ra 1 COD vaø 10−3 2 × 2 T(ngaøy) 4 3 6 4 8 5 10 6 24 – Lp b ng s li u mô hình t ĩnh s p x p theo t i tr ng t ăng d n, v s ơ ñ theo t i tr ng t ăng d n và nh n xét. 237
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Ti tr ng T Hi u qu COD(mg/l) pH Ngày (kgCOD/m3.ngày) (gi ) % COD SS Vào Ra Vào Ra COD vao ×10 −3 1 T(ngay ) 24 2 12 3 8 4 6 5 4 6 2 iv. Thí nghi m 4: Ch y mô hình ñng và xác ñnh thông s ñ ng h c a. Ch y t i tr ng ñ ng ng v i th i gian l ưu n ưc (24h): l p b ng s li u, v ñ th quan h th i gian và hi u qu kh COD, COD vào và ra. Ti tr ng T Hi u qu Ngày COD(mg/l) pH (kgCOD/m3.ngày) (gi ) % COD SS Vào Ra Vào Ra 1 COD vao ×10 −3 24 2 T (ngay ) 24 3 24 4 24 5 24 6 24 b. Ch y t i tr ng ñ ng ng v i th i gian l ưu n ưc (12h): l p b ng s li u, v ñ th quan h th i gian và hi u qu kh COD, COD vào và ra. 238
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Ti tr ng T Hi u qu Ngày COD(mg/l) pH (kgCOD/m3.ngày) (gi ) % COD SS Vào Ra Vào Ra 1 COD vao ×10 −3 12 2 T(ngay ) 12 3 12 4 12 5 12 6 12 c. Ch y t i tr ng ñ ng ng v i th i gian l ưu n ưc(8h): l p b ng s li u, v ñ th quan h th i gian và hi u qu kh COD, COD vào và ra. Ti tr ng T Hi u qu Ngày COD(mg/l) pH (kgCOD/m3.ngày) (gi ) % COD SS Vào Ra Vào Ra 1 COD vao ×10 −3 8 2 T (ngay ) 8 3 8 4 8 5 8 6 8 d. Xác ñnh các h s ñ ng h c: Các h s ñ ng h c c a quá trình sinh h c hi u khí bao g m h ng s ban v n t c K s, t c ñ s d ng c ơ ch t t i ña K, t c ñ sinh tr ưng vùng t i ña µm, h s s n l ưng t i ña Y và h s phân hu n i bào K d. Các thông s này ñưc xác ñ nh theo 2 ph ươ ng trình sau: 239
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Xθ K 1 1 = S × + S − S K S K 0 1 S0 − S = × Y − K d θb Xθ Trong ñó: X : Hàm l ưng bùn ho t tính MLSS, mg/l θ : Th i gian l ưu n ưc, ngày θb : Th i gian l ưu bùn, ngày S0 : Hàm l ưng COD ban ñ u (mg/l) S : Hàm l ưng COD th i gian l ưu n ưc θ Da vào s li u thí nghi m b ng ph ươ ng pháp h i quy tuy n tính, xác ñnh m i quan h b c nh t (y= ax + b) gi a các thông s ñ ng h c trên qua vi c tìm h s a và bi n pháp c a ñưng th ng h i quy y= ax + b. Lp b ng ch n l a nh ư sau: Ct S: Ly t lúc b t ñ u ch y v i t = 1 ngày ñêm khi COD b t ñ u gi m (ch y ñng) Ly ti p giá tr khi ch y v i t = 0,5 ngày COD max. Ly ti p giá tr th i ñim ch y t ĩnh (t ăng t i tr ng) v i t = 24(h), t = 12(h), t = 8(h), t = 6(h) Ta ñưc b ng sau: S0 S θn = θb X 1/S Xθ(S0 – S) (S0 – S)/X θ 1/ θb V ñưng th ng h i quy tuy n tính quan h gi a thông s (S0 – S)/ ( θ.X) và 1 θb 240
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc T ñó ta có d ng: K = b  d Y = a V ñưng th ng h i quy b êu di n quan h gi a X θ/(S0 – S) và 1/S T ñó ta có : y= ax + b  1 1 b = ⇒ K =  K b ⇒  K  S = a ⇒ K = a.K  K S 23.4 MÔ HÌNH X LÝ KHÍ TH I 23.4.1. Mô hình toán phát tán ô nhi m 23.4.1.1. Mô hình phát tán ô nhi m không khí ∆H z h y Xmin Xmax Hình 23.5. Mô hình phát tán ô nhi m không khí 23.4.1.2. Các y u t nh h ưng ñ n quá trình khu ch tán A. Ngu n Ti l ưng Q: l ưng ch t ô nhi m th i ra trong ñơ n v th i gian (g/s) 241
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Chi u cao (h) c a ng khói (m) ðưng kính ñ nh d (m) 0 Nhi t ñ khí th i T k ( C) Lưu l ưng khí th i (m 3/h) Tc ñ khí th i (m/s) B. ðiu ki n th y v ăn Tc ñ gió (m/s) o Nhi t ñ không khí T kq ( C) ð m t ươ ng ñi không khí ϕ( %) Bc x m t tr i C. ða hình Không có s ngh ch ñ o nhi t ñ và có gió, ña hình không b ng ph ng, thu n l i cho s phát tán, b i vì nó thúc ñy s xoáy r i khí quy n theo ph ươ ng th ng ñ ng. 23.4.1.3. Lp ph ươ ng trình và gi i bài toán phát tán ô nhi m theo mô hình th y khí ñ ng hc (bài toán 1) Gi thi t c a bài toán - Tc ñ gió khác 0 và luôn không ñi su t th i gian quá trình tính toán - Ngu n th i là liên t c v i t i l ưng không ñ i Q - Không có quá trình sa l ng khô, sa l ng ưt và các ph n ng hóa h c xy ra - Phát tán ch t ô nhi m theo c chi u ngang và chi u ñ ng - Ch t ô nhi m b ph n x hoàn toàn khi ti p xúc v i b m t ho c lá cây Ch t ô nhi m b t ñ u xu t hi n trên m t ñ t kho ng cách so v i chân ng khói xMin = (10 ÷ 20) h 242
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Ch t ô nhi m r ơi m t ñt cu i cùng kho ng cách so v i chân ng khói xmax = (20 ÷ 40)h ∆∆∆H : ñ d ng ng khói 23.4.1.4. Ph ươ ng trình vi phân c ơ b n ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂cccc c  c  c  +++=uvu k  + k  + k  +α−α cc ∂∂∂∂∂txyzxxyx ∂∂  y ∂∂∂  zz z12  kx, ky, kz : các thành ph n ngang và ñng c a h s khu ch tán ch t ô nhi m α1 : h s , k ñ n s thâm nh p thêm l ưng ô nhi m trên ñưng khu ch tán α2 : h s k ñ n s bi n hóa t ch t ô nhi m n y sang ch t ô nhi m khác do các ph n ng hóa h c trên ñưng khu ch tán 23.4.1.5. Gi i bài toán Áp d ng công th c trên :  2  2 2 Q − y   ()z − H   ()z + H  ⇒ C (x,y,z) = EXP  EXP −  + EXP − 5,0   2   2  2πuσ σ  2  2σ σ  y z 2σ y   z   z  Ta tính trên m t ñ t : 2 2 Q   y     H   – C (x,y,O,H) = EXP − 5,0   .EXP − 5,0    u     π σ yσ t  σ z    σ z    2  Q  H  - C (x,O,O,H) = .EXP − 5,0    πuσ σ  σ   y t   y   Q - C (x,0,0,0) = πuσ yσ z 1,1 Qσ z - Cm = 2 πH eu σ y 243
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) 1 1 b 2 H b  8 2  - xm =  a   9  23.4.2. Cách gi i bài t p s phát tán khí th i vào khí quy n (áp dng cho ngu n th i cao) Ngu n th i cao ( ng khói cao) A . M . F . m . n C max = H 2 3 V . ∆ T Trong ñó: M (Q) : t i l ưng ô nhi m (g/s) V (L) : l ưu l ưng khí th i (m 3/s) H : chi u cao ng khói + ∆T = T KT – TKQ + F = 1: ñi v i ch t khí + B i: η > 90%: F = 2 75 100 + n = 1 : V m > 2 2 + n = 0.532 V m – 2.13 V m + 3.13 (ðK : 0.5 < V m <2) + n = 4.4 V m ; V m < 0.5 10 3 . ω 2 . D V f = 0 ; ω = H 2 ∆Τ 0 0 . 785 D 2 244
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Vi : Vn t c gió nguy hi m: là v n t c gió mà khi n ng ñ c c ñ i c a ch t ô nhi m l p khí quy n g n m t ñ t ñ t giá tr l n nh t, ñưc xác ñnh nh ư sau: V ∆Τ 3 V m = 0 .65 Η u m = Vm (1 + 0.12 f ); Vm > 2 um = 0.5 → Vm ≤ 0.5 um = V m → 0.5 < V m ≤ 2 Vi v n t c gió nguy hi m u m, n ng ñ ch t ô nhi m c c ñ i kho ng cách so v i ng khói: Xm = d x H Nu v n t c gió khác v n t c gió nguy hi m, n ng ñ ch t ô nhi m c c ñ i tính: (C m) = r xcm . Vi r ph thu c u/um ñưc xác ñ nh theo ñ th 7.4 (trang153,Tp 13 , K thu t x lý ch t th i công nghi p, Tr ưng ð i h c Bách Khoa – ði h c Qu c gia Thành ph H Chí Minh. S phân b n ng ñ các ch t ô nhi m theo h ưng gió các kho ng cách X khác nhau tính t ngu n ñưc xác ñ nh theo công th c: Cx = S 1cm ax    X  S 1 = f   Tra b ng sau:  X m  X/Xm 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 S1 0,27 0,70 0,95 1,00 0,95 0,87 0,80 0,73 0,67 0,6 X/Xm 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 4,75 5,00 S1 0,55 0,52 0,48 0,43 0,40 0,38 0,34 0,30 0,27 0,25 245
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Nng ñ ch t ô nhi m t i v trí theo ph ươ ng y Cy = S 2 Cx (S 2 Tra trong ñ th 7.5 trang 154 – Tp 13) AMFmn Η = 3 C cp V∆Τ Xác ñnh chi u cao ng khói Tính l p: Bưc 1: Cho m 0 = 1: n 0 = 1 –> Tính H 0 theo công th c trên Bưc 2: Có H 0 tính l i m 1, n 1: m1: Có H 0 tính ñưc f, có f tính ñưc m 1 n1 : Có H 0 tính ñưc V m, có V m tính ñưc n 2 Bưc 3: Tính H 1 m n H = H 1 1 1 0 m 0 n 0 Bưc 4: Tính H 2 (t ươ ng t nh ư H 1) m 2 n 2 H 2 = H 1 m 1 n 1 ðim d ng sao cho: ∆∆∆H ≤≤≤ 0.5 m ∆Η = 1% Η Ho c có th • ðánh giá m c ñ Nng ñ th c t t i ña Ctt max =cm ax + C phông 246
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 23.5. NG D NG BÙN H T HI U KHÍ (AEROBIC GRANULE) CÓ CH T MANG TRONG X LÝ N ƯC TH I X lý n ưc th i có nhi u cách th nghi m và ng d ng. D ưi ñây xin gi i thi u m t cách ti p c n khác là " ng d ng bùn h t hi u khí (aerobic granule) có ch t mang trong x lý n ưc th i" c a Bùi Xuân Thành, Nguy n Ph ưc Dân, Lê Thanh H i (Tr ưng ð i h c Bách Khoa – ði h c Qu c gia TP H Chí Minh, 20–21/10/2005) 23.5.1. Gi i thi u "Bùn ho t tính thông th ưng ñã ñóng vai trò r t quan tr ng trong l ĩnh vc x lý nu c th i trong nhi u th p niên qua. Ngày nay do xu h ưng b o v tài nguyên thiên nhiên thông qua vi c tu n hoàn, tái ch , tái s d ng nưc th i và tiêu chu n phát th i ngày càng nghiêm kh c h ơn cho nên công ngh bùn ho t tính thông th ưng s d n d n không còn ñáp ng ñưc nhu cu m i này do t i tr ng x lý c a bùn ho t tính thông th ưng th p (0,5–2 kg COD/m 3.ngày), n ng ñ ch t r n l ơ l ng ñ u ra cao, di n tích xây d ng công trình l n G n ñây m t lo i bùn m i ñưc phát minh, bùn h t hi u khí (aerobic granule) có r t nhi u ưu ñim h ơn h n bùn ho t tính thông th ưng nh ư v n t c l ng r t cao l n h ơn 10 m/h, SVI nh h ơn 30 mL/g (Linlin và cng s , 2005)) và t i tr ng cao 15 kg COD/m 3.ngày (Moy và c ng s , 2002). Qua ñó ta có th th y kh n ăng x lý c a bùn h t h ơn bùn ho t tính thông th ưng ít nh t 7 l n. Trong t ươ ng lai bùn h t hi u khí là m t gi i pháp thay th kh thi cho các quá trình bùn ho t tính thông th ưng hi n nay. "Hai lo i bùn h t hi u khí (aerobic granule) ñưc hình thành b i hai b sinh h c d ng m SBAR (Sequencing Batch Airlift Reactor) v i hai lo i ch t mang bao gm (1) ch t mang làm t v sò huy t có kích th ưc 150– 212 µm (CR) và (2) bùn h t k khí anaerobic granules (AR). Sau khi granules hình thành, t i tr ng ñưc t ăng d n t 2,5 ñn 30 kg COD/m 3.ngày. Ti tr ng t i ưu ñưc xác ñ nh là 10 kg COD/m 3.ngày cho SBAR v i CR là lo i ch t mang t t làm t ăng tính ch t hoá lý c a bùn h t hi u khí. Granule vi ch t mang t v sò cho th y có nhi u ưu ñim h ơn ch t mang là bùn h t k khí v i m t s tính ch t nh ư kh n ăng nén ch t h ơn, v n t c l ng cao h ơn 247
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) (n ng ñ bùn l ng sau 30 phút 25–49 mg/Lgranule, SVI luôn luôn nh h ơn 26 mL/g, v n t c l ng c a bùn h t t 21–103 m/h). 23.5.2. V t li u và phươ ng pháp nghiên c u 23.5.2.1. Nưc th i Nưc th i dùng trong thí nghi m là ngu n n ưc th i t ng h p v i glucose là ngu n h u c ơ duy nh t. Khi t i tr ng t ăng thì các thành ph n c ũng ñưc t ăng lên t ươ ng ng tr medium E và F. N ưc th i ñ u vào ñưc ch nh trong kho ng pH = 7,2 ± 0,2. Medium A: Glucose 664.3 g/L; Medium B: NaHCO 3 450 mg/L; Medium C: NH 4Cl 150 mg/L; Medium D: KH 2PO 4 43 mg/L; Medium E: CaCl 2.2H 2O 30 mg/L, MgSO 4.7H 2O 12 mg/L, FeCl 3 3.6 mg/L; Medium F: nguyên t vi l ưng 1ml/L nh ư Wang và c ng s , 2004. 23.5.2.2. Mô hình thí nghi m B SBAR v i th tích làm vi c 2,5 l, ñưng kính trong c a ng ngoài 6,2cm, cao 130cm và c a ng trong là 4cm (Beun và c ng s , 2002) (hình 1). Không khí ñưc ñưa vào b i thi t b phân tán khí v i l ưu l ưng 4,5 L/phút và t c ñ th i khí 95 m/h. SBAR ñưc v n hành t ñ ng n p li u, tháo li u liên t c v i các chu trình m i m là 3 gi . Trong ñó 5 phút n p li u, 170 phút th i khí, 3 phút l ng và 2 phút tháo li u. N ưc sau x lý ñưc tháo ra b i van ñin t cách ñáy 50cm. Nöôùc thaûi vaøo Chieàu cao laéng Valve Nöôùc ra Löu löôïng keá Khoâng khí vaøo Hình 23.6. Mô hình SBAR dùng trong thí nghi m 248
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 23.5.2.3 Kh o sát ñ c tính bùn h t hi u khí COD, SVI, DO, pH, v n t c l ng ñưc xác ñ nh theo APHA, 1992. Kh năng nén c a bùn h t ñưc xác ñ nh t ươ ng t nh ư ph ươ ng pháp c a Beun và cng s , 1999. N ng ñ bùn h t ñưc xác ñ nh mô ph ng theo ph ươ ng pháp ño t ng cacbon h u c ơ c a Tijhuis và c ng s , 1994. C u t o b m t granule ñưc quan sát b ng thi t b Scanning Electron Microscope (SEM). 23.5.3. K t lu n 1. Bùn h t hi u khí (aerobic granule) có th ñưc t o thành t i t i tr ng 2,5 kg COD/m 3.ngày hay t i tr ng cao h ơn v i các lo i ch t mang khác nhau. 2. C hai lo i ch t mang (làm v sò huy t hay bùn k khí) ñ u có th làm ch t mang ñ t o h t nh ưng ch t mang làm t v sò huy t có nhi u ưu ñim h ơn nh ư sau: Tăng c ưng l c c t do s chuy n ñ ng c a chính ch t mang mà l c ct là m t yu t quan tr ng trong vi c hình thành bùn h t (theo Tay và công s , 2001); T ñ ng lo i b biofilm trên thành b do l c ma sát gi a chúng và thành b . ðiu này lo i tr ñưc s c nh tranh phát tri n gi a sinh tr ưng dính bám và sinh tr ưng t o h t. ðóng vai trò ch t mang ñ vi sinh sinh tr ưng trên b m t và khe rng c a v t li u; To nên các h t r n ch c, ñ ñ n h ơn; To nên b m t m n h ơn v i các khe r ng nh h ơn so v i bùn h t to nên t bùn k khí; Tăng v n t c l ng c a bùn h t do chính v n t c l ng cao s n có c a ch t mang. V n t c bùn h t ñ t ñ n giá tr c c ñ i là 103 m/h trong CR. Da trên các ưu ñim c a ch t mang làm t v sò thì lo i ch t mang này th c s là m t giá th t t cho quá trình t o h t. 249
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) 3. ðưng kính bùn h t dao ñ ng trong kho ng 0,5 – 4,0 mm t i các t i tr ng khác nhau và kích th ưc t ăng lên theo s t ăng c a t i tr ng. 4. Kh n ăng nén c a bùn h t CR, AR c ũng t ăng theo t i tr ng. Nó dao ñng t ươ ng ng trong kho ng 20–25 g/Lgranule và 49–62 g/Lgranule t i t i tr ng t 2,5 ñn 30 kg COD/m 3.ngày. Các giá tr này r t cao h ơn so v i gián tr c a bùn nuôi c y ban ñ u 2,7 g/Lsludge. 5. Bùn h t k khí có th ñ t ñưc t i tr ng x lý t ươ ng ñươ ng v i kh năng x lý c a quá trình x lý k khí. T i tr ng có th cao h ơn 30 kg COD/m 3.ngày v i hi u qu lo i b ch t h u c ơ luôn cao h ơn 96% và nh ư ñã ñ c p trên, kh n ăng x lý c a bùn h t hi u khí cao h ơn bùn ho t tính thông th ưng 15 l n. 23.6. TH C NGHI M X LÝ N ƯC TH I B NG PH ƯƠ NG PHÁP SINH H C T NHIÊN 23.6.1 T ng quan X lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp sinh h c là d a vào nh ng ñ c tính, kh n ăng s ng và ho t ñ ng c a các lo i th c v t và vi sinh v t nh ng sinh v t này có tác d ng tích lu và phân h y các ch t vô c ơ, h u c ơ hay kim lo i n ng. Do k t qu c a quá trình sinh hoá ph c t p mà nh ng ch t bn, ch t ñ c h i ñưc khoáng hoá tr thành n ưc, nh ng ch t vô c ơ và nh ng ch t khí ñơn gi n hay chúng ta có th thu h i ñưc các kim lo i n ng thông qua các loài cây có kh n ăng tích l ũy kim lo i cao. Nhi m v c a các công trình x lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp sinh hc là t o ñiu ki n s ng và ho t ñ ng c a các vi sinh v t hay nói cách khác là ñm b o ñiu ki n ñ cho các ch t b n (ch t h u c ơ, kim lo i n ng, các ch t vô c ơ khó phân h y ) ñưc phân hoá m t cách nhanh chóng. Th c ch t c a ph ươ ng pháp sinh h c ñ x lý n ưc th i là s d ng kh năng s d ng các ch t b n ñ làm th c ăn cho các loài vi sinh v t. Chúng s dng các ch t h u c ơ và m t s khoáng ch t ñ làm th c ăn và t o n ăng lưng cho chúng ho t ñ ng. Trong quá trình dinh d ưng chúng nh n ñưc 250
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc các ch t làm v t li u ñ xây d ng t bào, sinh tr ưng, sinh s n nên sinh kh i ñưc t ăng lên. Ph ươ ng pháp này th ưng ñưc s d ng ñ làm s ch hoàn toàn các lo i nưc th i s n xu t có ch a các ch t h u c ơ hoà tan hay các ch t h u c ơ phân tán nh , keo. Do ñó ph ươ ng pháp này th ưng ñưc s d ng cho lo i nưc th i sau khi ñã lo i ra các ch t h u c ơ thô. ði v i các ch t th i vô c ơ có trong n ưc th i thì ph ươ ng pháp này dùng ñ kh các ch t nh ư mu i amol, nitrát t c là các ch t ch ưa b oxi hóa hoàn toàn. S n ph m cu i cùng c a quá trình phân h y sinh hoá các ch t bn s là : khí CO 2, n ưc, nit ơ, ion sulphat cho ñn nay ng ưi ta ñã bi t vi sinh v t có th phân h y t t c các ch t h u c ơ có trong thiên nhiên và r t nhi u ch t h u c ơ t ng h p nhân t o. Vì b n ch t c a quá trình này là s d ng vi sinh v t ñ phân h y các ch t h u c ơ có trong n ưc, do v y chúng ta có th phân lo i các ph ươ ng pháp nh ư sau : Các ph ươ ng pháp hi u khí (earobic); Các ph ươ ng pháp k khí (anaerobic); Các ph ươ ng pháp thi u khí (anoxic). Chúng ta th y r ng các ph ươ ng pháp x lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp sinh h c là r t nhi u và ña d ng, có c các ph ươ ng pháp nhân t o và các ph ươ ng pháp t nhiên. Nh ưng trong ñiu ki n này tôi ch ñưa ra m t s ph ươ ng pháp x lý b ng các ph ươ ng pháp t nhiên t c là dùng các ñiu ki n tư nhiên nh ư m t s loài sinh v t có kh n ăng h p th các ch t ô nhi m cho môi tr ưng ho c d a vào kh n ăng t làm s ch c a môi tr ưng. Cơ s c a ph ươ ng pháp này là d a vào kh n ăng t làm s ch c a ñ t và ngu n n ưc. Vi c x lý n ưc th i th c hi n trên các công trình : cánh ñng t ưi, bãi l c, h sinh h c Vi c x lý sinh h c n ưc th i trên cánh ñng t ưi bãi l c di n ra do kt qu t h p c a các quá trình hoá lý và sinh hoá ph c t p. Th c ch t là khi cho n ưc th i th m qua l p ñ t b m t thì cn ñưc gi l i ñ y nh có 251
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) oxi và các vi khu n hi u khí mà quá trình oxi hóa ñưc di n ra. Nh ư v y s có m t c a oxi không khí trong các mao qu n ñ t ñá là ñiu ki n c n thi t cho quá trình x lý n ưc th i. Càng sâu xu ng l p ñ t ñá phía d ưi thì lưng oxi càng ít và quá trình oxi hoá càng gi m d n. Cu i cùng t i m t ñ sâu nào ñó mà ñó ch có quá trình kh nitrat. Th c t quá trình x lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp này ch di n ra ñ sâu t i 1,5m, cho nên cánh ñng tưi, bãi l c th ưng ñưc xây d ng trên vùng có m ch n ưc ng m sâu h ơn 1,5m t m t ñ t. 23.6.2. Th c nghi m cánh ñ ng t ưi Hình 23.7. Mô hình cánh ñng tưi Th i gian g n ñây nhi u nưc trên th gi i ph bi n vi c dùng các khu ñt thu c nông tr ưng, nông trang ngo i ô ñ x lý n ưc th i. Vi c dùng n ưc th i ñã qua x lý s ơ b ñ t ưi cho cây tr ng so v i vi c dùng nưc ao h , n ưc gi ng ng m ñã làm mùa màng t ăng lên 2 – 3 l n có khi tăng t i 4 l n, nh t là nh ng khu tr ng c t ăng lên t i 5 l n. Chính vì v y khi l a ch n ph ươ ng pháp x lý n ưc th i và v trí các công trình x lý tr ưc tiên ph i xét t i kh n ăng s d ng n ưc th i sau khi x lý ph c v cho li ích nông nghi p. Ph ươ ng pháp x lý n ưc th i mà s d ng các vùng ñt tr ng tr t ñ làm n ơi ti p nh n ngu n th i thì ng ưi ta g i là các cánh ñng tưi. Vy cánh ñ ng t ưi là nh ư th nào, nó ñưc thi t k ra sao, hi u su t x lý nh ư th nào. Chúng ta s làm rõ ph n sau. 252
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Cánh ñng t ưi là m t khu ñ t có di n tích t ươ ng ñi r ng l n kho ng 1 – 1,5 ha ñưc chia làm nhi u ô và có ñ d c không ñáng k . N ưc th i sinh ho t, n ưc th i công nghi p khi ñưc t ưi lên cánh ñng này d ưi tác dng c a vi sinh v t và kh n ăng t làm s ch c a môi tr ưng ñ t và môi tr ưng n ưc c ũng nh ư kh n ăng t l c c a môi tr ưng ñ t thì d n d n ngu n nưc t ưi vào ñó s ñưc làm s ch tr l i ñ tiêu chu n ñ th i ra ngu n ti p nh n (ao h , sông, su i ). Nguyên lý: Tn d ng các ch ng lo i vi sinh v t có s n trong n ưc th i và trong ñt ñ phân gi i các ch t h u c ơ trong ñiu ki n hi u khí, thi u khí và tu ỳ tin. Tn d ng kh n ăng nitrat hoá trong ñ t ñ sâu 1,5m trong ñ t và kh năng nh ư m t màng l c thiên nhiên. Khi xây d ng m t cánh ñ ng t ưi ta ph i tuân th 2 m c ñích sau : V sinh, t c là hi u qu x lý n ưc th i. Kinh t nông nghi p, t c s d ng n ưc th i ñ t ưi m và s d ng các ch t dinh d ưng có trong n ưc th i ñ bón cho cây tr ng Hình 23.8. Sơ ñ t ưi n ưc vào cánh ñng t ưi Ng ưi ta phân bi t 2 lo i cánh ñ ng t ưi : Cánh ñng t ưi công c ng – ch c n ăng ch y u là x lý n ưc th i, còn ph c v cho nông nghi p là th y u. Cánh ñng t ưi nông nghi p – ph c v nông nghi p và x lý n ưc th i là các m c tiêu th ng nh t. 253
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Trong n ưc th i sinh ho t có r t nhi u vi khu n gây b nh và tr ng giun sán n u chúng ta s d ng cánh ñ ng t ưi vào vi c x lý n ưc th i sinh ho t th ph i tuân theo nh ng yêu c u v v sinh nh t ñ nh, c th là không ñưc s d ng n ưc th i sinh ho t ch ưa qua x lý s ơ b ñ t ưi các lo i rau ăn s ng. Khi l ng n ưc s ơ b chúng ta có th lo i b ñưc 50 – 60 % t ng s vi khu n cùng v i các ch t c n l ng l ơ l ng. Nh ư vy n ưc th i sau khi lng không nguy hi m v vi trùng. X lý n ưc th i b ng ph ươ ng pháp sinh hc nhân t o có th gi m t i 80 – 90 % t ng s vi khu n vì v y có th t ưi cho các lo i rau ăn s ng mà không ñáng lo ng i l m. 23.6.3. Th c nghi m Cánh ñ ng t ưi công c ng và bãi l c Hình 23.9. Sơ ñ th c nghi m bãi lc n ưc th i Trong n ưc th i sinh ho t có ch a các thành ph n dinh d ưng cho cây tr ng nh ư ñm, lân, kali Hàm l ưng c a chúng ph thu c vào tiêu chu n th i n ưc. Trong ñó, nit ơ 15–60 mg/l, lân 3–12 mg/l và kali 6–25 mg/l. Nh ng nguyên t này ch y u d ng hòa tan, m t ph n d ng l ơ l ng. Ví d ñ i vi ñ m 85% d ng hoà tan,15% d ng l ơ l ng; ñ i v i lân t ươ ng ng là 60 và 40%; ñi v i kali 95% và 5%. T l gi a các nguyên t dinh d ưng c n cho th c v t N : P : K trong nưc th i là 5 : 1 : 2, trong khi ñó phân chu ng là 2 : 1 : 2. Nh ư v y, nưc th i là m t ngu n phân bón t t có l ưng nit ơ cao thích h p v i s phát tri n ca th c v t. 254
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Nưc th i công nghi p c ũng có th dùng ñ t ưi (n u không ch a các ch t ñ c h i ho c ch a v i hàm l ưng không nh h ưng ñ n s phát tri n ca th c v t). T ng l ưng mu i không ñưc quá 4 – 5g/l, trong ñó mu i dinh d ưng 2g/l. ð tránh cho ñ t ñai không b d u m và các ch t l ơ l ng b t kín các mao qu n thì n ưc th i tr ưc khi ñưa lên cánh ñng t ưi, bãi loc c n ph i x lý sơ b . Cánh ñng t ưi công c ng và cánh ñng l c th ưng xây nh ng n ơi có ñ d c t ư nhiên 0,02, cách xa khu dân c ư v cu i h ưng gió. Ví d , ñi vi bãi l c v i công su t n ưc th i 200 – 5000m/ng, ñêm là 300m; v i q = 5000 + 50000 m/ng, ñêm là 500m : q > 50.000 m/ng. ñêm – 1000m. ði v i cánh ñng t ưi công c ng kho ng cách v sinh t ươ ng ng là 200, 400 va 1000m. Cánh ñng t ưi, bãi l c nên xây d ng nh ng n ơi ñt cát, á cát Tuy nhiên c ũng có th xây d ng nh ng n ơi á sét, nh ưng trong nh ng tr ưng hp ñó tiêu chu n t ưi n ưc không nên l y l n quá, t c là ch t ưi ñ m c mà cây tr ng yêu c u và ñt có th th m k p. Cánh ñng t ưi và bãi l c là nh ng ô ñ t ñưc san phng ho ăc d c không ñáng k và ñưc ng ăn cách b ng nh ng b ñ t. Nưc th i phân ph i vào nh ng ô ñó nh h th ng m ng l ưi t ưi bao g m: mươ ng chính, mươ ng phân ph i và h th ng Nu không ép n ưc xu ng th m t ng ñ t phía d ưi ñưc thì s thu l i ri ñ ra sông h b ng h th ng tiêu n ưc. H th ng tiêu n ưc có th là mươ ng máng h xây d ng theo chu vi t ng ô và c ũng có th là m t h th ng kt h p: ng ng m tiêu n ưc ñ t d ưi các ô v i ñ sâu 1,2–2m và các mươ ng máng h bao quanh. Kích c c a các ô, ph thu c vào ña hình tính ch t c a ñ t ñai và ph ươ ng pháp canh tác, ly v i di n tích ô không nh h ơn 3,0 ha. ði v i cánh ñng t ưi công c ng thì di n tích trung bình ô l y vào kho ng 8 – 5 ha và t l gi a các c nh 1 : 4 1 : 8. Di n tích các ô c a bãi l c, vì tiêu chu n tưi n ưc l n nên l y nh h ơn. Riêng ñi v i cánh ñ ng nh thì kích th ưc 255
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) ca các ô xác ñ nh t ñiu ki n s l ưng không ít h ơn 3 ô. ð thu n l i cho canh tác c ơ gi i, chi u dài c a ô nên l y kho ng 300 –1500m; chi u r ng ly c ăn c vào ña hình, n ưc ng m và bi n pháp t ưi, nh ưng không v ưt quá 100–200m. ð xác ñ nh di n tích c a cành ñng t ưi ta c n phân bi t các tiêu chu n sau: 1. Tiêu chu n t ưi trung bình ngày ñêm – lưng n ưc th i trung bình ngày t ưi trên 1ha di n tích trong su t m t th i gian nh t ñ nh (th ưng là mt n ăm). 2. Tiêu chu n t ưi theo v –lưng n ưc th i t ưi cho cây tr ng trong su t thòi gian m t v 3. Tiêu chu n t ưi m t l n m t l n – lưng n ưc t ưi m t l n 4. Tiêu chu n t ưi bón – lưng n ưc c n thi t ñ i v i m i lo i cây tr ng. Nh ư v y tiêu chu n t ưi ch có th xác ñ nh ñưc khi tính ñ n t t c các y u t khí h u thu v ăn và k thu t cây tr ng. Trong m i tr ưng h p ñiu ki n v sinh là ch ñ o. Cây tr ng ch s d ng m t s ch t dinh d ưng trong n ưc th i c th là 49% nit ơ, 37% ph tpho và 19% là kali. Ph n còn l i các ch t ñó l n trong nưc th i và tiêu ñi kh i cánh ñ ng. Tiêu chu n t ưi n ưc ñ i v i bãi l c c ăn c vào ñiu ki n khí h u và ñc tính c a ñ t ñai có th tham kh o sách Môi tr ưng (Lê Huy Bá, NXB ði h c Qu c gia Thành ph H Chí Minh, 2000). Chúng ta có th tính di n tích th c d ng c a cánh ñ ng t ưi và bãi l c thông qua công th c : Q Ftd (ha) qo Trong ñó: qo – tiêu chu n t ưi n ưc 256
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Q – lưu l ưng trung bình ngày ñêm c a n ưc th i, m 3/ng. ñêm Tu ỳ thu c vào t ng khí h u ñ a ph ươ ng mà ta không x n ưc lên cánh ñng t ưi trong m t th i gian nào ñó, có th là lúc m i gieo tr ng ho c lúc thu ho ch. Lúc này ñ ñ m b o ti n trình x lý n ưc th i thì chúng ta ph i xây d ng m t n ơi ti p nh n n ưc d phòng ta g i ñó là nh ng ô d tr không tr ng cây gi ng nh ư nh ng bãi l c. Di n tích c a nh ng ô d tr này căn c vào tính ch t ñ t ñai và tiêu chu n t ưi n ưc c a cây tr ng. Các ô d tr này ch chi m m t ph n l ưng n ưc t ưi trên cánh ñng và ñưc ñ c tr ưng b i h s 1. Nu nhi t ñ môi tr ưng mà < 10 oC thì = 0,75 và nhi t ñ dưi 10 oC thì = 0,5. Chúng ta có th xác ñ nh các ô d tr c a cánh ñ ng t ưi là : Q qo Ftd=α =α F dt (ha) qdt q dt Trong ñó: qdt – tiêu chu n t ưi n ưc lên khu d tr q o – ly b ng 0,3 – 0,5 qdt Chúng ta ph i dành m t ph n ñ t ñ b trí các công trình ph tr nh ư: b ch n, kênh m ươ ng tiêu n ưc, ñưng ñi Nh ư v y, di n tích ph tr ñã chi m ñi kho ng 15 – 20% di n tích cánh ñ ng t ưi. Tng di n tích cánh ñ ng t ưi là F = F td + F dt + K(F td + F dt ) v i K = 0,15 – 0,25 Lưu l ưng tính toán cho m ng t ưi ô (l ưu l ưng n ưc cho t ng ô) : mF nF 1000 q = td = td (l / s) t t.3600 Trong ñó : m : tiêu chu n t ưi n ưc cho lo i cây ưa n ưc nh t (m 3/ha) t : th i gian t ưi (gi ) 257
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Ftd : di n tích d tr c a cánh ñ ng t ưi (ha) Lưng n ưc t ưi cho cánh ñ ng trong 1 ngày ñêm : αqoT q = (ha/ng. ñêm) t t Trong ñó : 3 qo : tiêu chu n t ưi n ưc (m /ha.ng ñêm) T : th i gian gi các l n t ưi trong ngày (h) α : h s có tính ñ n l ưng n ưc bay h ơi, th m xu ng ñ t và cây tr ng hút ñi th ưng l y b ng 0,5 t : th i gian tiêu n ưc các ô l y b ng (0,4 – 0,5)T ð công tác qu n lý m ng l ưi t ưi tiêu ñưc t t c n xây d ng thêm nh ng công trình ph tr khác nh ư c ng ñiu ti t, c ng x , gi ng chuy n bc, nh ng c u d n n ưc. Trong nh ng ñiu ki n n ưc ng m b t l i và ñt ñai khó th m n ưc ng ưi ta ph i xây d ng h th ng tiêu thoát n ưc cho cánh ñ ng. H th ng tiêu n ưc bao g m: m ươ ng rãnh hay ng tiêu n ưc trong các ô t ưi, kênh mươ ng chính tiêu n ưc và c ng x . 23.6.3. Quy trình t khi t ưi n ưc vào cánh ñng và thu n ưc ra Hình 23.10: Sơ ñ quy trình x lý n ưc th i b ng cánh ñ ng l c 1. Nưc ñưc phân ph i vào cánh ñng thông qua các ng nh a PCV 1. 2. Khoang th nh t ñưc lót m t l p ch t không th m n ưc 1 phía dưi (tránh ô nhi m ngu n n ưc ng m) phía trên thì ñưc tr i m t l p ñá cu i nh hay s i nh . 258
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 3. Trên khoang th nh t ñưc tr ng các lo i cây 3 nh ư cattails và bulrushes lo i cây này phát tri n r t m nh và có b r ch ng ch t nh ư m t tp th m gi a nh ng l p s i. Trên khoang th nh t này các quá trình hóa hc, sinh h c v t lý h c s làm cho ngu n n ưc ñưc s ch tr l i. 4. Mt ñưng ng nh a 4 ñưc ñ t cu i khoang 1 ñ thu l i ngu n nưc t khoang 1 và chuy n qua khoang 2. 5. Nưc t khoang 1 qua khoang 2 ñưc kh ng ch b i van 5. 6. Nưc l i ñưc phân ph i ñ u cho khoang 2 thông qua ng nh a 6. 7. Khoang 2 thì không có l p ch ng th m nh ưng c ũng ñưc r i m t lp s i m n và ñt 7. 8. Trên khoang 2 ñưc tr ng các lo i cây ch u n ưc 8 nh ư: iris, elephant ear, and arrowhead. 9. Mt ph n n ưc ñưc th m xu ng phía d ưi ph n còn l i ñưc thu li b i ng nh a. 10. Nưc s ch ñưc ñ ra ngu n ti p n n thông qua ng 10. 23.6.5. Th c nghi m cánh ñng t ưi nông nghi p T lâu ng ưi ta ñã ngh ĩ ñ n vi c dùng các ch t phân bón có ch a trong n ưc th i không ch b ng cách t ưi lên nh ng cánh ñ ng công c ng (ch y u ñ x lý n ưc th i) mà còn t ưi lên nh ng cánh ñ ng nông nghi p thu c nông tr ưng và thu c nh ng vùng ngo i ô Nh ng cánh ñ ng t ưi nông nghi p là nh ng cánh ñ ng mà trên ñó ta tr ng các lo i cây hoa màu hay các cây lâu n ăm Chúng ta l i d ng trong ngu n n ưc th i luôn có các ch t dinh d ưng cho cây tr ng nh ư N, P, nên ta s d ng ngu n n ưc ñó t ưi cho cây. Nh ư th chúng ta v a x lý ñưc ngu n n ưc th i v a có phân bón ñ bón cho cây tr ng. Tuy nhiên nh ư chúng ta ñã nói ph n trên thì cánh ñng t ưi nông nghi p là cánh ñng mà ñó chúng ta tr ng cây là ch y u ch không ph i x lý n ưc th i là ch yu do ñó ta ph i chú ý ñn cây tr ng xem nó có phát tri n t t hay không, có ñiu gì ñc h i cho cây hay không và khi chúng ta s d ng lo i cây ñó thì có nguy hi m cho s c kho con ng ưi hay không 259
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Hình 23.11. Th nghi m các cây tr ng trên cánh ñng t ưi nông nghi p 260
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Nh ư v y ñ s d ng các cánh ñ ng t ưi nông nghi p thì ph i có s ki m soát c a bên thanh tra v sinh và ban nông nghi p và ph i ki m tra mc ñ an toàn cho các lo i cây l ươ ng th c, th c ph m tr ng ñây. Theo ch ñ t ưi n ưc ng ưi ta phân bi t: cánh ñ ng t ưi nông nghi p thu nh n n ưc th i quanh n ăm cà cánh ñng t ưi nông nghi p thu nh n nưc th i theo mùa. Vì ñây là cánh ñng t ưi nông nghi p nên v mùa thu ho ch ho c gieo tr ng ho c v mùa m ưa thì ta không th nào t ưi m t l ưng n ưc th i nhi u ñưc s làm cho cây b ch t, ho c b nh h ưng t i s c kho c a con ng ưi khi dùng các lo i th c ph m ñó. Do v y, ñ ñ m b o hi u su t x lý ng ưi ta c ũng ph i th t k m t vùng ñt g i là vùng d tr (có th là h n ưc, h lng hay h sinh h c ) Nu trong n ưc th i hàm l ưng cát bùn quá nhi u ho c n ng ñ các ch t ñ c trong n ưc quá l n v ưt kh i m c ch u ñưng c a cây tr ng thì ta ph i có các h th ng nh ư: b ñiu hoà, b x lý s ơ b , b l ng nh m lo i bt các t p ch t c ln ho c ñ gi m b t n ng ñ c a các ch t ñ c trưc khi x ra cánh ñ ng. Hình 23.12. Mô hình các l p ñ t, s i phía d ưi và cây tr ng phía trên ca cánh ñ ng t ưi 261
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Bng 23.1: Tiêu chu n n ng ñ gi i h n m t s ch t trong n ưc th i ñưc phép dùng ñ t ưi trên các cánh ñng t ưi nông nghi p (mg/l). Ch t th i và ñiu ki n Ch t th i và ñiu ki n M th nh ưng th nh ưng Axeton 40 40 Bari 4 4 Bor 0.5 0.75 Vonfram 10 10 Ch t t y r a 30 30 Fe 20 150 Mg 300 300 Mn 1 1 Cu 2 2 As 0,2 1,0 Nikel 0,5 0,5 NO 3 0,5 0,5 Clo 300 300 Km 2 0,5 Cd – 0,05 23.6.4. Các ph ươ ng pháp dùng cánh ñng t ưi ñ x lý n ưc th i 23.6.4.1. Theo ph ươ ng pháp c a Pháp 262
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Hình 23.13. Mô hình x lý cánh ñ ng t ưi c a Pháp ðây là ph ươ ng pháp s d ng các cánh ñ ng l c ñưc tr ng ñó là các loài cây thu c h lau s y. Chúng g m 3 cánh ñng l c là cánh ñng l c A, cánh ñng l c B và cánh ñng l c C. Cánh ñng A ñưc c u t o g m 2 l p l p d ưi cùng là m t l p s i ln ho c m t l p ñá cu i l p th hai là l p s i nh ho c l p s i m n có ñ dày kho ng 15 – 30cm. Trên cùng ñưc tr ng các lo i cây thu c h lau sy. Cánh ñng l c B g m 3 l p: L p d ưi cùng c ũng là ñá cu i ho c s i ln, l p th 2 là ñá m n ho c s i nh dày t 10 – 40cm và l p th 3 là l p lp cát nh có ñ dày t 12 – 35cm. Trên cùng thì tr ng các cây lau, sy. Cánh ñng C có di n tích l n h ơn, ñây là cánh ñng l c theo chi u ngang, chúng ñưc chia thành 3 khoang g m: khoang 1 (sát n ơi ñ n ưc th i vào) ñưc r i m t l p ñá cu i ho c s i l n, khoang 2 (khoang gi a) thì ñưc ri m t l p s i m n trên các khoang này c ũng tr ng các loài cây lau sy. 263
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Cu t o chi ti t c a cánh ñ ng t ưi Doøng chaát thaûi Caùt nhoû (0.001m) Soûi trung bình (töø 0,01 – 0,025m) Soûi lôùn (ñaù cuoäi) töø 0,025 – 0.05m Hình 23.14. Mô hình c u t o cánh ñ ng t ưi c a Pháp Nưc th i sau khi ra t nhà máy ñưc ki m tra và s lý s ơ b tr ưc r i sau ñó d n vào ñu cánh ñ ng A. N ưc t t th m ch y xu ng cu i cánh ñng A và ti p t c ch y qua cánh ñ ng B và ti p qua cánh ñ ng C. Sau khi nưc ñưc thu l i t cu i cánh ñ ng C thì n ưc lúc này ñã ñ tiêu chu n ñ x ra ngu n ti p nh n là ao h ho c sông su i. Sau khi v n hành ñưc 15 tháng và ñưc ki m tra ch t ch thì ngu n n ưc ra ñã ñt ñưc nh ng tiêu chu n sau (m t quy trình x lý mt 48 ti ng): Bng 23.2: Hàm l ưng các ch t sau khi x lý b ng cánh ñng l c (mg/l) Total d COD BOD5 TSS TP P–PO 4 TKN COD Raw Sewage (tröôùc 495 190 215 225 8.5 6.4 42.8 khi xöû lyù) Filter A outflow (cuoái 92 70 0 18 5.8 5.3 19.6 caùnh ñoàng A) Final Outflow (cuoái 58 40 16 12 5.6 5.1 10.1 quy trình xöû lyù) Removal (%) (phaàn 87.5 80 92.5 94.5 40 28 76 traêm ñöôïc loaïi boû) (Ngu n : ( ñ t ng p n ưc qu c t ) 264
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Bng 23.4: So sánh hi u qu x lý n ưc th i c a các ph ươ ng pháp khác nhau. Möùc giaûm (%) Phöông phaùp xöû lyù Noàng ñoä sinh Chaát lô löõng Löôïng vi khuaån hoïc giôùi haïn Phaïm vi TB Phaïm vi TB Phaïm vi TB Laéng cô hoïc 25–10 32.5 40–70 55 25–75 50 Thaám loïc sinh hoïc 65–96 80 65–92 78.5 90–95 92.5 Traïm laøm thoaùng khí 50–95 72.5 80–90 87.5 90–98 94 Caùnh ñoàng sinh thaùi 90–95 92.5 85–95 90 95–98 96.5 (Ngu n: (c c môi tr ưng Vi t Nam); ( ñt ng p n ưc qu c t ) Vi b ng so sánh trên chúng ta th y r ng s d ng các ph ươ ng pháp x lý b ng các cánh ñ ng l c, cánh ñ ng t ưi hi u qu ñ t cao h ơn các ph ươ ng pháp khác có khi h ơn c 3 – 4 l n. 23.5.7. Vai trò c a các loài sinh v t ñ làm s ch n ưc trong cánh ñng t ưi 23.5.7.1. Các loài vi sinh v t Trong các công trình x lý ñó thì ng ưi ta tìm th y ñưc r t nhi u lo i nm ch y u là các lo i n m hi u khí. Các lo i t o c ũng ñưc tìm th y ñây nh ư t o xanh lam và t o l c. L ưng t o t 100.000 – 3.000.000 cá th /cm 3 ñt. H ơn n a có m t s loài t o có kh n ăng h p th m nh các kim lo i khác nh ư Cadimi, chì và m t s tia phóng x . Các lo i vi khu n, t o, n m có th ñưc tìm th y trong các công trình x lý này là: pseudomonas, Micrococcus, bacillus, Achromobacte, alcalligenes, flavobacterium, protozoa Các loài vi khu n phân gi i h p ch t ch a nit ơ nh ư: nitrosomonas, nitrobacteria, Bac.mycoides, Các loài vi khu n phân gi i h p ch t ch a l ưu hu ỳnh: sulfomonas, thiobactecillus, thiobacterium, thiotrix. Các loài vi khu n h p th và phân gi i các h p ch t ch a d u m , sáp, phenol nh ư: Bac.Aliphacitum, Bac.Naphtalinicus, Bac.Benzoni, Bac. Cycloclastes. 265
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Micrococcus: h p th r ưu, oxi hu c ơ, aldehite. Sarcina: phân hu ñưng, phenol. Arthrobacter, corynebacterium: h p th n ưc th i công nghi p có ch a d u. Hdrogenomonas: phân gi i các ch t th ơm và các ch t h u c ơ m ch vòng. Trong ñt còn có các lo i sinh v t khác nh ư: protozoa, các ñng v t không x ươ ng s ng nh ư: giun ñt, b Vai trò c a chúng là làm t ơi x p l t ñt l c phía trên. 23.5.7.2. Quá trình h p thu ch t h u c ơ bi u di n d ưi d ng (Ch t h u c ơ ) (t bào vi khu n) enzyme CxHyOz + O 2 + NaOH + P C5H7NO 2 + CO 2 + H 2O + nh ng ch t tan không phân hu . enzyme C5H2NO 7 + O 2 CO 2 + H 2O + NH 3 + Q + nh ng ch t tan không phân gi i. Hình 23.16: Sơ ñ x lý n ưc th i b ng cánh ñng lc 266
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc CH ƯƠ NG 24 MÔ HÌNH XÁC ðNH VÀ TH NG KÊ CA S PHÂN HU HOÁ CH T TRONG H SINH THÁI Ch ươ ng 24 bao g m các mc ñích: Th nh t là tóm t t mô hình c ơ b n c a s v n chuy n tr ng thái n ñnh và s phân hu hoá ch t trong h sinh thái n ưc bao g m s h p thu và s phân b trong chu i th c ăn. Th hai là th i gian xác ñ nh ñ i v i mô hình phân hu hóa ch t và ng d ng c a vùng h ln. Th ba là phát tri n vài mô hình th ng kê c a các hóa ch t khác nhau trong sinh v t n ưc, ñc bi t là cá. Kh n ăng phân tích và d ñoán s v n chuy n c a ñ c t hóa h c là mt trong nh ng yêu c u c a ñ nh m c r i ro và qu n lý r i ro ti p theo sau ñó. Mô hình tr ng thái n ñ nh có th ñ c bi t trong tr ng thái lúc ban ñ u ca hóa ch t và gi i thích các nguyên lý c ơ b n c a s phân hu hoá ch t và s h p thu vào chu i th c ăn. Mô hình thay ñi th i gian s d ng cho th i gian d ñoán ph c h i c a h sinh thái n ưc. Các mô hình tr ng thái n ñ nh và thay ñi th i gian ưc tính m c trung bình ho c xác ñ nh n ng ñ c a hóa ch t ñ n sinh vt n ưc. ð nh m c r i ro c ũng ñòi h i vai giá tr c a s tn tr hóa ch t c trong n ưc l n trong cá. Ch ươ ng 24 chia làm 4 ph n: 1/ Lý thuy t c ơ b n và ph ươ ng trình ph tr 2/ Quá trình tr ng thái n ñ nh ñơn gi n 3/ Mô hình xác ñnh th i gian 4/ Mô hình phân tích s h c c a s th ng kê v hóa ch t trong cá 267
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) 24.1. LÝ THUY T 24.1.1 S phân hu hóa lý và mô hình v n chuy n Nguyên lý h p thành c a s phân hu hóa lý và mô hình v n chuy n ñưc vi t l i b i Thomanm and Mureller (1987), Delos et al (1984) Vi c phát tri n b t ñ u t vi c duy trì m t ñon sông ñơn gi n m t chi u nh ư hình 24.1. Hóa ch t trong c t n ưc ñưc v n chuy n b i dòng ch y. Qua s m t mát hóa ch t có th x y ra do s phân h y c a vi khu n, do s bay h ơi ho c nhi u h ưng khác. Tuy nhiên, l p c n trong các mô hình ñưc th o lu n trong ph n này thì không chuy n ñ ng. Có m t s chuy n ñ i c a hoá ch t t l p c n ñ n c t n ưc và chia làm hai ph n qua s n ñ nh và s l ơ l ng c a hoá ch t riêng bi t và s khu ch tán l p c n ca hóa ch t hoà tan. Sô ñoà Ñöôøng hoaù chaát ñi vaøo Doøng chaûy Q Maët caét ngang Söï bay hôi doøng chaûy Söï oån ñònh Söï lô löõng Söï khueách taùn Phaân huyû Lôùp caën khoâng chuyeån ñoäng Söï laéng ñoïng thöïc Hình 24.1: Chú gi i cho mô hình phân h y hoá lý trong dòng n ưc 268
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Ph ươ ng trình cân b ng kh i ñ i v i b t c d ng hoá ch t nào (hòa tan ho c riêng bi t) cho c t n ưc (24.1) và cho b m t l p c n (24.2) 1  ∂ ∂C1  QC 1) +  EA  + sources − sin ks (10 )1. A ∂x ∂X  ∂C 2 = sources − sin ks ∂t 3 Vi : C1, C 2: n ng ñ hóa ch t trong c t n ưc, l p c n (m T/l ) Q: l ưu l ưng dòng ch y (l 3/t) A: di n tích m t c t (l 2) E: h s phân tán dài (l 2/t) x: kho ng cách t: th i gian . Hoá ch t trong mô hình ñây ñưc k t h p thành hai d ng: d ng hoà 3 3 3 tan c’ d (m T/ l w; l w, là th tích n ưc) và d ng riêng bi t c p (m T/l ). Có ngh ĩa là ch t ñ c ph n c t n ưc phía trên ho c l p c n. T ng n ng ñ hóa ch t là 24.3 v i φ là ñ x p. CT = C p + фćd (24.3) CT = C P + C d(24.4) Cd = фćd(24.5) 3 Vi c d (m T/l ) n ng ñ hòa tan chính xác t ươ ng thích ñ x p. Vi s mô t t ng th , các ph ươ ng trình chi ti t ñ i các d ng c a hóa ch t s ñưc trình bày ti p sau: Hóa ch t hòa tan Mt khác bi t h n ch c a ph ươ ng trình 24.1 h p v i ph n ngu n và ph n chìm c a hóa ch t hòa tan trong m t h ng s t m th i ñiu khi n th tích V 1 ct n ưc ñưc cho là: 269
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) dc dt + + V1 = = [(Qc dt ) – Q1cdt + E'((c dt ) - cdt ) dt + E'((c dt )- - cdt )](Transport): vn chuy n + k dt V1cpl – kul ml V1 Cdt (Sorption – desorption): hp ph – ph n h p ph + K ƒ12 A ( Ćd2 – Ćd1 ) (Sediment diffusive exchange): chuy n hóa khu ch tán tr m tích - Kdl V1Cdl (decay và losses): th i r a và bi n m t - knA (C g/H e – C’dt) (volatilization): bay h ơi + W dt (Input): ñu vào (24.6) Nhóm t trong ngoc kép th hi n s v n chuy n và phân tán ch t ñ c hòa tan. D u c ng th hi n s h ưng lên c a dòng và d u tr th hi n s hưng xu ng c a dòng. L ưng v n chuy n Q ñưc vi t l i d ưi d ng v n chuy n t ươ ng ñươ ng ph ươ ng trình 24.1. S phân tán ho c tr n gi a ñ dài ∆x ñưc cho b h s phân tán r ng mà nó liên quan ñn h s phân tán. EA E' = (24.7) ∆x Nhóm th hai c a ph ươ ng trình 24.6 là s cân b ng gi a desorption các hóa ch t trong pha riêng bi t (kd 1 V1 cpl ), mà nó gia t ăng d ng hòa tan và soprtion t pha hòa tan lên trên d ng riêng bi t. T l sorption là kul và nng ñ ch t r n là m 1. Nhóm th ba c a ph ươ ng trình 24.6 th hi n s khu ch tán gi a n ng ñ hóa ch t hoà tan l p c n v i n ng ñ hóa ch t hoà tan trong c t n ưc. H s chuy n ñ i khu ch tán c n - nưc có th xem là h s chuy n ñ i toàn b gi a hai b m t liên quan ñn s khuy t tán c a ch t ñ c ngang qua b m t chung. S phân rã th i r a b i vi khu n và m t mát khi v n hành d ng hoà tan là nhóm th t ư c a ph ươ ng trình 24.6. Do ñó, k dl th hi n t ng t l riêng, m t s th hi n s v n hành ph c t p h ơn. 270
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc S bay h ơi ca ch t ñ c hoà tan th hi n nhóm th n ăm c a ph ươ ng trình 24.6 v i c g th hi n pha khí c a hóa ch t mà nó có th ho c không lá zero và H e là h ng s Henry cho hóa ch t. Nhóm cu i cùng th hi n toàn b ngu n bên ngoài ho c hoá ch t hoà tan ñư a vào. Mt ph ươ ng trình t ươ ng t nh ư ph ươ ng trình 24.6 có th vi t cho hóa ch t hòa tan trong l p c n d ưi khúc c t n ưc 1. dc d 2 V2 = k V c 2 − k m V c dt d 2 2 p u 2 2 2 d 2 + Kƒ 12 A ( ćdl – ćd2 ) - Kd2 V2cd2 - Ud2 Ad2 + Kƒ23 A ( ćd3 – ćd2 ) (24.8) Ba dòng ñu c a ph ươ ng trình 24.8 th hi n m i quan h v i c t n ưc. Dòng th t ư th hi n s chuy n ñ i xu ng l p c n c a ch t ñ c hòa tan ho c to ra m t l p c n v i m c ñ th c ñóng c n. Dòng cu i th hi n s thay ñi khu ch tán c a ch t ñ c hòa tan gi a l p c n th nh t v i th hai d ưi ct n ưc. Nên nh không có qui lu t chuy n ñ i nh ng ch t hòa tan vào l p cn mà l p c n thì n ñ nh theo ph ươ ng ngang. Ngoài ra, c ũng không bao gm s tr n các l p c n, nh ưng ñưc thêm vào các qui lu t xáo tr n. Hóa ch t riêng bi t Ph ươ ng trình cân b ng l n cho hoá ch t sorved vào pha riêng bi t trong c t n ưc 1 là: dc pl + + V1 = = [(Qc pl ) - Qlcpl + É ((c pl ) - cpl ) dt + É ((cp l)- - cpl )] (transport): Vn chuy n 271
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) _ k dl Vlcpl + k ul ml Vl cdl (desorption – sorption): Tr ng thái ph n h p ph – hp ph _ U sAC p1 ( particulate settling): D ng h t + U uAC p2 (particulate resuspension): Tr l i tr ng thái h t _ K pl Vl Cpl (decay): Th i r a + W pl (Input) : ðu vào (24.9) Nhóm th nh t là s v n chuy n hóa ch t riêng bi t vào Q và khu ch tán É. Hóa ch t riêng bi t là t ng h p v n chuy n trong cùng th cách d ng hòa tan. Nhóm th hai là s v n hành nh ư trên ñưc chú ý ñ n d ng riêng bi t, sorption là ngu n và desoption là mt chìm c a ch t ñ c. Nhóm th 3 và 4 th hi n s n ñ nh c a hóa ch t t c t n ưc và s l ơ l ng các hoá ch t riêng bi t t l p c n vào c t n ưc. V n t c n ñ nh và l ơ l ng là hàm s c a kim lo i riêng bi t (cát, bùn, ch t h u c ơ) và thu ñ ng l c b m t nưc – cn. Nhóm th n ăm th hi n b t k ỳ c ơ c u phân rã c a hoá ch t theo t l riêng bi t và nhóm cu i cùng th hi n ngu n bên ngoài c a ch t ñ c riêng bi t. Hóa ch t riêng bi t trong l p c n ñưc th hi n m t ph ươ ng trình tươ ng t ph ươ ng trình 24.6 ngo i tr l p c n ñưc n ñ nh theo ph ươ ng ngang. Ph ươ ng trình hóa ch t riêng bi t theo l p c n n m d ưi c t n ưc là: 24.10. Ba dòng ñu th hi n c ơ c u t ươ ng ñươ ng trong c t n ưc. Dòng th tư th hi n s chìm xu ng m nh c a ch t ñ c riêng bi t thông qua t c ñ to mn. dc p2 V2 = - kd2 V2 Cp2 + k u2 m2 V2cd2 (24.10) dt + U sAC p2 m – UuAC p2 - Kp2 V2= Cp 2 - UdAC p2 272
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 24.1.2. Ph ươ ng trình cân b ng c c b Ph ươ ng trình 24.6 và 24.8 cho thành ph n hoà tan vào ph ươ ng trình 24.9 và 24.1 cho thành ph n riêng bi t trong c t n ưc và c n, th hi n m t ph ươ ng trình t ươ ng tác l n nhau, m t trong chúng ñiu khin th tích gi i h n khác nhau. Nên nh s n i l i c a thành ph n hòa tan riêng bi t thì thông qua ñng lc h c ph n ng c a sortion và desorption. V i vài hoá ch t, ph n ng ñ ng lc có khuynh h ưng là “nhanh” (có ngh ĩa là th i gian hoàn t t trên th t gi gi c) so sánh v i ñ ng l c h c t nhiên trong các c ơ ch khác c a v n ñ . M t s c ơ c u này bao g m phân rã vi khu n, t ng t l m t mát ñ n c n và t l l ng cn trên th i gian ph n ng c a ngày ñn n ăm. ðng l c h c “nhanh” ch ra m c thang th i gian c a ngày ñn n ăm, có m t s th ăng b ng g n nh ư liên t c d ng hòa tan và riêng bi t tu ỳ thu c vào n ng ñ các ch t r n c c b . S cho phép gi a hai thành ph n cho phép phân s c a hoá ch t hoà tan và riêng bi t trong t ng s . Do ñó hoá ch t hoà tan và và riêng bi t luôn luôn có s th ăng b ng c c b v i nhau; ¶ = r/ ćd (24.11) Ćd = c d/ф ¶ = ¶ / ф = r/c d (24.12) cp = rm (24.13) -1 ƒd = (1+ ¶ m) (24.14) m f = p 1+m Vi: r: n ng ñ hóa ch t m: n ng ñ ch t r n S th ăng b ng c c b m i lúc m i n ơi c a phân s c a t ng ch t ñ c trong d ng hòa tan và riêng bi t. ðưc nh n m nh l n n a là s th ăng b ng hoàn toàn gi a pha r n và pha l ng. 273
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) Cũng trong nh ng m i quan h , có h s riêng bi t thì ph thu c vào nng ñ c a ch t r n. Vi s t ng h p này, có th tr ng tâm hoàn toàn ph ươ ng trình cân bng cho t ng hoá ch t. T ng hóa ch t trong c t n ưc ho c c n b i ph ươ ng trình 24.3. T ph ươ ng trình 24.6 và 24.9 và s d ng ph ươ ng trình 24.14 và 24.15 cho ta dc Ti + + - Vl = [Qc Tl - QlCTl + E (c Tl – cTl ) + E (c Tl –cTl ) dt + k ƒA (ƒ d2 [(c T2 /ф2 - ƒd1 ct1 ) – (K 1) V 1 cTl + k ll A [(C g/H e) – ƒd l cTl ] - Us A ƒ p l cTl + U ll Aƒ p2 cTl + W Tl K1 = Kdl + K pl (24.16) Nên nh ñ ng l c h c c a sorption và desorption không xu t hi n trong ph ươ ng trình 24.16 b i vì nó th hi n m t cân b ng c a t ng. Tuy nhiên, t l m t mát và bi n ñ i thì tu ỳ thu c vào d ng c a ch t ñ c. Ph ươ ng trình t ng quát cho ch t c n. dc T 2 V2 = - KƒA (ƒ d2 cT2 /ф2 - ƒd1 cT1 ) – (K 2) V 2 cT2 dt + U sA ƒ pl cT1 - UuA ƒ d2 cT2 – UdA ƒ p2 cT2 + K ƒA (ƒ d3 cT3 / ф3- ƒd2 cT2 / ф2)(24.17) K2 = K d2 = Kp2 Ph ươ ng trình 24.16 và 24.17 là nh ng ph ươ ng trình làm n n t ng dùng trong phân tích. Nh ng ph ươ ng trình này ñưc ghép l i v i n ng ñ ch t r n l ơ l ng và ch t r n c n (xem ph ươ ng trình 24.14 và 24.15). Nh ng nng ñ có th ñ c bi t nh ư m t ngu n vào ho c c ơ c u n ñ nh ch t r n, l ơ lng và l ng ñ ng. 274
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc 24.1.3 Mô hình chu i th c ăn S chuy n ñ i c a m t hoá ch t vào chu i th c ăn theo hai nguyên lý 1. Tr c ti p h p thu t n ưc 2. Tích lu t s t ng h p c a ch t gây ô nhi m S h p thu c a m t hóa ch t t n ưc thông qua trao ñ i mang cá ho c thông qua b m t sorption và t bào. S h p thu ñưc ño ñ c trong phòng thí nghi m v i các sinh v t ki m tra ñưc ñ t trong b nuôi v i n ng ñ hoá ch t ñã bi t. S tích l ũy c a hóa ch t qua th i gian ñưc ño ñ c và k t qu nng ñ th ăng b ng trong sinh v t phân chia b i n ng ñ n ưc ñưc g i là h s n ng ñ sinh thái (BCF). M t bi u hi n ñơn gi n c a c ơ c u này ñưc cho b i m t ph ươ ng trình v m t sinh v t. dv , = k wc − Kv , (24.18) dt u Trong ñó v’: là kh i l ưng c a hóa ch t Ku : là t l h p thu ho c chuy n ñ i W : là tr ng l ưng c a sinh v t c : là n ng ñ hòa tan k: t l bài ti t t: là th i gian. Ph ươ ng trình này ch ra r ng kh i l ưng ch t ñ c ñưa vào bù tr b i t l l c s ch. Toàn b kh i l ưng hóa cht v, ñưc cho b i: v, = vw (24.19) vi v: n ng ñ c a hóa ch t T ph ươ ng trình 24.18 và 24.19 sau khi ñơ n gi n cho ra 275
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) dv , = k c − K ,v (24.20) dt u Vi k, = k+G v i g: là t l sinh tr ươ ng c a tr ng l ưng sinh v t. T i tr ng thái cân b ng ho c tr ng thái n ñ nh. k c v = u (24.21) K , và h n ng ñ sinh thái BCF ñưc cho b i v ku Nw = = (24.22) c K + G Vi các ch t h u c ơ, h s n ng ñ sinh thái ñưc ñ nh ngh ĩa trong mt n n t ng chu n hóa ch t béo. Tiêu chu n ch t béo ñưc coi là ñúng v i ng ăn cách ch t béo c a sinh v t là nguyên lý d ti p thu c a hoá ch t h u c ơ k n ưc. H s octanol n ưc c a hóa ch t là m t thông s th hi n khuynh hưng c a hoá ch t h u c ơ. Ti th i ñim th ăng b ng cho hóa ch t h u c ơ Nw =K ow (24.23) Thomann (1987, 1988) ñ ngh ñưa ra hàm s c a K OW 10 −6 NW = K OW 1+ (24.24) E()K ow Vi E (k ow ) là hi u qu c a s chuy n ñ i nh ư hàm s c a K ow và ñi vi cá có th t ươ ng t . Log E = - 1.5 +4 log K ow ƒor log K ow = 2 – 3 E = 0.5ƒor log K ow = 3 – 6 (24.25) Log E = 1.2 – 0.25 log K ow ƒor log K ow = 6 – 24 276
Phöông phaùp nghieân cöùu khoa hoïc Mô hình tùy thu c vào th i k ỳ Mô hình tùy thu c và th i k ỳ s d ng m t l ưng l n cân b ng hoá ch t v m t ng ăn cách ñưc ñ nh ngh ĩa h sinh thái n ưc. Trong h u h t các tr ưng h p t ng quát, m t ng ăn cách ñưc ñ nh ngh ĩa nh ư là m c ñ th i k ỳ nh t ñ nh ho c m t tr ng thái nh t ñ nh, m t ng ăn cách ñưc xem nh ư là mt m c ñ trung bình ho c m t th i k ỳ c a sinh v t. Hình 24.2 cho th y các ng ăn cách. Trong hình 24.2a m i m c ñ th i k ỳ c a m t m c ñ dinh dưng ñưc xem nh ư là m t ng ăn cách m t m c ñ cân b ng và m t ph ươ ng trình cân b ng ñưc vi t v m t m c ñ . M c ñ dinh d ưng O ñưc xem nh ư là m t m c ñ nguyên lý cho s h p thành các ch t ñ c vào chu i th c ăn (a) (b) Dinh döôõng baäc 1 1 1 2 3 4 Ví duï: ñoäng vaät noåi L?p tu?i 1 2 3 4 Dinh döôõng baäc 2 2 (Age class) Ví duï: caù nhoû 1 2 1 2 Dinh döôõng baäc 3 3 L?p tu?i Ví duï: thuù aên thòt (Age class) 1 2 3 1 2 3 L?p tu?i (Age class) 0 0 = Con soá ngaên caùch Hình 24.2: Bi u di n c a ng ăn cách 277
GS-TSKH Leâ Huy Baù (Chuû bieân) a) Mô hình ph thu c th i k ỳ; b) Mô hình tr ng thái n ñ nh Các nguyên li u h u c ơ v n và các sinh v t khác, t t c có kích th ưc nh h ơn 240 m là c ơ b n c a chu i th c ăn. M t ph ươ ng trình c a m c ng ăn này ñưc ñưa ra nh ư sau: dv o =K c − Kv (24.26) dt uo o o Vi t: th i gian th c, ch s không liên quan ñn cơ s c a chu i th c ăn. Vi m c ñ trên m c m nh v n, l ưng ch t ñ c ñưa vào do s ăn vào bng c a các th c ăn h y ho i. L ưng ñưa vào ph thu c: n ng ñ ch t ñ c trong th c ăn, t l t p trung th c ăn, và m c ñ ch t ñ c ñưc ăn vào trong th c ăn thì h p th vào mô c a sinh v t. Ph ươ ng trình cho m c ng ăn cách t ươ ng t ph ươ ng trình 24.8 nh ưng vi s thêm vào nh th c ăn do ñó s là ph ươ ng trình 24.27 , , dv i d(vw )i vi dw i , = + = k w c − K v i dt dt dt ui i i + ∑ P ij αij Civjwi I = 1 . . . m (24.27) Vi aij : Hi u qu s h p th ci: Trng l ưng t ng h p sinh v t pij : Th c ăn t: th i gian (ngày) Mt ph ươ ng trình cho tr ng l ưng sinh v t riêng bi t dw i = (a C − r )w , i = 1 . . . m (24.28) dt ,ii −1 i i i Vi 278