Tiểu luận mơn học: Mơ hình chất lượng nước MỤC LỤC Các nguồn ô nhiễm nước sông: 1.1 Nước thải sinh hoạt 1.2 Nước thải y tế: 1.3 Nước thải công nghiệp 1.4 Sản xuất nông nghiệp nuôi trồng thủy sản 1.5 Nước thải làng nghề .4 1.6 Hoạt động giao thông đường thủy .4 1.7 Chất thải rắn 1.8 Suy giảm diện tích rừng đầu nguồn .5 Mơ hình dự báo ô nhiễm nước sông theo tiêu BOD – DO 2.1 Phương trình Streeter – Phelps: 2.2 Các mơ hình phát triển sở mơ hình Streeter-Phelps: .7 2.2.1 Mơ hình BOD dịng chảy: 2.2.2 Mơ hình DO dịng chảy: .8 2.2.3 Mơ hình DO&BOD thay đổi theo thời gian: .10 2.2.4 Mơ hình DO&BOD theo thời gian khơng gian: 11 2.2.5 Mơ hình DO&BOD sơng rộng vùng cửa sông: 11 Ứng dụng mơ hình đánh giá chất lượng nguồn nước: 12 3.1 Tính tốn lan truyền chất nhiễm dịng chảy: 12 3.1.1 Mơ hình BOD&DO áp dụng cho kênh, mương nước thải:13 3.1.2 Mơ hình BOD&DO áp dụng cho nhánh sông, sông nhỏ: 13 3.1.3 Mơ hình áp dụng cho sơng rộng vùng cửa sơng: 13 3.2 Ứng dụng mơ hình tính tốn lan truyền chất dịng chảy: 14 Kết luận: 14 GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận môn học: Mơ hình chất lượng nước Ứng dụng mơ hình Qual2E để kiểm sốt nhiễm nước sơng 15 5.1 Giới thiệu phần mềm Qual2e .15 5.2 Ví dụ 16 Các nguồn ô nhiễm nước sông: Hiện nay, lưu vực sông chịu áp lực mạnh mẽ gia tăng dân số, q trình thị hóa Các khu đô thị, khu dân cư khu công nghiệp tập trung hình thành phát triển mạnh dọc theo lưu vực sông Sự phát triển mạnh mẽ tỉnh thuộc vùng kinh tế kéo theo việc thải bỏ chất thải sinh hoạt chất thải công nghiệp với số lượng lớn, tải lượng ô nhiễm cao vào nguồn nước Ngồi mơi trường nước chịu tác động mạnh họat động phát triển thủy điện, thủy lợi với hình thành hồ chứa, đập dâng việc vận hành hệ thống Các hoạt động nông nghiệp với việc sử dụng ngày nhiều phân bón hóa học thuốc bảo vệ thực vật, hoạt động khai thác khoáng sản, phát triển giao thông vận tải thủy… Trong số nguồn thải có lưu lượng thải lớn nước thải sinh hoạt nước thải cơng nghiệp đóng góp tỷ lệ lớn với tải lượng chất ô nhiễm cao 1.1 Nước thải sinh hoạt Tốc độ thị hóa mạnh nhu cầu sử dụng nước cao, hạ tầng kỹ thuật thị khơng phát triển tương xứng, làm gia tăng vấn đề ô nhiễm nước thải sinh hoạt Hầu tất thị Việt Nam chưa có hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung Đây nguồn thải gây ô nhiễm hữu cơ( thông qua số BOD5, COD) ô nhiễm chất dinh dưỡng (các hợp chất Nitơ, Phospho), ô nhiễm dầu mỡ… 1.2 Nước thải y tế: Nước thải y tế loại nước thải đặc biệt nguy hiểm, cần xử lý triệt để trước thải vào nguồn tiếp nhận nước thải môi trường Tuy nhiên, hầu hết sở y tế chưa có hệ thống xử lý nước thải có hoạt động chưa hiệu GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận mơn học: Mơ hình chất lượng nước Lượng nước thải tải trực tiếp vào hệ thống tiếp nhận nước thải sinh hoạt đưa vào nguồn nước mặt lưu vực sông Đây nguồn tiềm ẩn nguy lan truyền dịch bệnh qua môi trường nước 1.3 Nước thải công nghiệp Đây nguồn thải có nguy nhiễm lớn thường nằm xen kẽ khu dân cư, khó cho cơng tác quản lý kiểm sốt nguồn lượng thải Ngồi khu cơng nghiệp tập trung cịn có sở sản xuất cơng nghiệp tiểu thủ cơng nghiệp Trong số có số có trạm xử lý nước thải cịn lại xả trực tiếp nước thải vào nguồn nước - Khai thác vàng, quặng cần đến hàng trăm nghìn m nước, đào bới rửa xói hàng chục nghìn đất thải suối làm nhiễm nguồn nước sông - Khai thác cát làm rạn nứt, sụt lở đất bên bờ sông Các hoạt động khai thác nguyên nhân gây ô nhiễm kim loại nặng mơi trường nước mặt Ví dụ: Xét hệ thống lưu vực sông Đồng Nai: - Đồng Nai địa phương có tổng lượng nước thải từ khu cơng nghiệp đóng góp vào lưu vực lớn so với địa phương khác lưu vực (52,2% tổng lượng thải từ khu cơng nghiệp tồn khu vực) Nguồn tiếp nhận lượng thải chủ yếu vùng hạ lưu sông Đồng Nai trung lưu sông Thị Vải, nơi tập trung nhiều khu công nghiệp cảng nước sâu - Thành phố Hồ Chí Minh địa phương đóng góp lượng thải từ khu cơng nghiệp lớn thứ (23%) sơng Sài Gịn nguồn tiếp nhận chủ yếu lượng thải Cùng với lượng nước thải sinh hoạt, nước thải từ khu công nghiệp tập trung sở công nghiệp phân tán khiến khu vực hạ lưu sông Sài Gịn bị nhiễm trầm trọng 1.4 Sản xuất nông nghiệp nuôi trồng thủy sản + Ngành nông nghiệp sử dụng lượng lớn nước lưu vực sông, chủ yếu dùng cho hoạt động tưới tiêu Việc sử dụng nhiều nước nước để tưới tiêu giảm lưu lượng nước đổ vùng hạ lưu, dẫn đến giảm khả tự làm dịng sơng gia tăng mức độ xâm nhập mặn GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận môn học: Mô hình chất lượng nước + Một dư lượng định thuốc bảo vệ thực vật bị rửa trôi xuống ao hồ, sông rạch thâm nhập vào nguồn nước, gây ô nhiễm môi trường nước Việc bảo quản sử dụng thuốc không quy định dẫn tới tình trạng nhiễm cục nhiều địa phương + Các trang trại chăn nuôi với quy mô lớn, việc đầu tư xử lý mơi trường cịn hạn chế hầu hết lượng chất thải này, đặc biệt nước thải đổ xuống nguồn nước mặt, gây ô nhiễm môi trường + Nghề nuôi trồng thủy sản nước phát triển rộng khắp với nhiều hình thức như: ni bè, ni ao hồ, hồ chứa nước…Nước thải chất thải từ hoạt động thường khơng kiểm sốt, khơng qua xử lý mà thải trực tiếp vào môi trường nước trưở thành nguồn thải đóng góp chất nhiễm vào lưu vực Thêm vào cố tôm, cá nuôi chết hàng loạt không xử lý kịp thời nguồn gây ô nhiễm môi trường nước mặt nghiêm trọng 1.5 Nước thải làng nghề Phần lớn sở tiểu thủ công nghiệp làng nghề phát triển tự theo nhu cầu thị trường, Hệ thống thiết bị lạc hậu, quy mô mặt sản xuất nhỏ, mang tính gia đình, khả đầu tư hệ thống xử lý nước thải, chất thải hạn chế nên gây ô nhiễm môi trường trầm trọng thủy vực xung quanh Hầu thải từ lang nghề đổ trực tiếp xuống sông mà không qua xử lý 1.6 Hoạt động giao thông đường thủy Sự phát triển mạnh mẽ hệ thống cảng kéo theo số lượng tàu thuyền gia tăng nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước mặt việc xả thải dầu cặn chất thải sinh hoạt Việc vệ sinh tàu thường phát sinh nhiều chất thải dạng dầu cặn Sự cố môi trường, đặc biệt cố tràn dầu ngày gia tăng vụ va chạm, chìm tàu chở dầu… gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước Sự cố đổ vỡ đường ống dẫn dầu vào bồn chứa xăng dầu kho cảng nằm ven sông nguồn gây ô nhiễm môi trường nước vùng hạ lưu lưu vực sông GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận mơn học: Mơ hình chất lượng nước 1.7 Chất thải rắn Vấn đề gia tăng dân số kéo theo khối lượng chất thải rắn gia tăng tạo sức ép nặng nề lên bãi rác, gây tượng tải sức chứa Đây nguồn gây ô nhiễm đáng kể môi trường nước Việc thiếu quy hoạch chấp nhận kỹ thuật chôn lấp tạm bợ, không đáp ứng tiêu chuẩn chôn lấp hợp vệ sinh Hầu hết bãi rác không đảm bảo bán kính vùng đệm khn viên bãi rác khu dân cư lân cận Đây coi thất bại việc cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường nước Ví dụ: Bãi rác Đông Thạnh bãi rác lớn thứ TP HCM VN nay, tổng diện tích khoảng 40ha Do khơng chống thấm nên nước rị rỉ từ rác thấm xuống đất gây ô nhiễm tầng nước ngầm Rất nhiều giếng đào giếng khoan dân cư xung quanh khu vực bãi rác tỏng vòng cự ly 2km từ tường bao khơng cịn sử dụng nước đen bốc mùi hôi thối 1.8 Suy giảm diện tích rừng đầu nguồn Rừng đầu nguồn giữ vai trò quan trọng nguồn nước lưu vực sơng trữ nước, điều tiết dịng chảy tự nhiên, hạn chế thiên tai lũ lụt, xói mịn…Bên cạnh rừng đầu nguồn cịn nơi bảo vệ nguồn gen quý, bảo vệ phát triển đa dạng sinh học hệ sinh thái rừng nhiệt đới Suy giảm diện tích rừng dẫn tới gia tăng nguy xói mịn, giảm khả giữ nước, nước mưa chảy tràn qua vùng đất canh tác nông nghiệp mang theo nhiều tác nhân ô nhiễm (bùn đất, phèn Dư lượng phân bón, thuốc trừ sâu ) góp phần gây nhiễm mơi trường nước lưu vực sơng Mơ hình dự báo nhiễm nước sông theo tiêu BOD – DO Mô hình chất lượng nước theo chất hữu dễ phân hủy sinh học BOD&DO xây dựng sở giải phương trình tải - khuếch tán chiều điều kiện ổn định, động lực với hệ số phương trình số liệu thực nghiệm dòng chảy GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận môn học: Mơ hình chất lượng nước 2.1 Phương trình Streeter – Phelps: Năm 1925 Streeter – Phelps mô thay đổi nồng độ oxy hồ tan dịng chảy song theo phân huỷ chất hữu dễ phân huỷ với giả thiết sau cho đoạn sông: - Dòng chảy ổn định Q, A số - Lượng chất thải phát sinh từ nguồn thải ổn định - Bỏ qua trình khuếch tán rối vật chất dọc theo dòng chảy, tăng giảm ∂C =0 ∂t nồng độ nguyên nhân học (S=0), thay đổi trình lắng đọng, hấp thụ…Hay nói cách khác suy giảm oxy hoà tan phân huỷ hợp chất hữu - Tốc độ phân huỷ chất hữu (BOD) tuân theo quy luật phản ứng bậc I r = -kd L với kd : số tốc độ phân huỷ chất hữu Với giả thiết từ ta có phương trình mơ tả thay đổi BOD DO dịng chảy (phương trình Streeter-Phelp): µ µ dL = −kd L dx dD = k dL − k aD dx Với: L: nồng độ chất hữu theo BOD tồn phần, M.L-3 µ : vận tốc trung bình dịng chảy, L.T-3 Kd: số tốc độ tiêu thụ oxy - phản ứng phân huỷ chất hữu cơ, T -1 Ka: số tốc độ hoà tan oxy qua bề mặt thống dịng chảy, T-1 D = Cs – C : độ thiếu hụt oxy, M/L-3 Cs: nồng độ oxy trạng thái bão hoà, M/L-3 C: nồng độ oxy hồ tan, M.L-3 Giải phương trình vi phân được: - Độ thiếu hụt oxy:   x k L   x x  D = Do exp − ka  + d o exp − k  − exp − k a  µ  k a − kd   µ µ    - Nồng độ chất hữu cơ: GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận mơn học: Mơ hình chất lượng nước  x L = Lo exp − k d  µ  - Giá trị thiếu hụt tới hạn: Dc = -  k d Lo x exp − kd  ka µ  Khoảng cách đạt độ giá trị tới hạn: xc = µ k  k − k d Do   ln a 1 − a ka − k d k d  k d Lo  Trong đó: Do: độ thiếu hụt oxy thời điểm t=0 x=0 x: khoảng cách Lo = Qnt Cnt + QnsCns : nồng độ BOD toàn phần thời điểm t=0 x=0 Qnt + Qns Qnt, Qns : lưu lượng nước thải, nước sông, L3.T-1 Cnt, Cns: nồng độ BOD nước thải, nước sông, M.L3 2.2 Các mơ hình phát triển sở mơ hình Streeter-Phelps: Sự thay đổi chất hữu dòng chảy phụ thuộc vào nhiều q trình khác Mơ hình Streeter-Phelps xem xét phân huỷ chất hữu dễ bị phân huỷ theo phản ứng phân huỷ dẫn đến sai số lớn, không thoả mãn nhu cầu thực tiễn 2.2.1 Mơ hình BOD dịng chảy: Khi áp dụng mơ hình Streeter-Phelps tính toán lan truyền chấ hữu từ nguồn điểm thải cho thấy số liệu tính tố số liệu thực đo có sư sai lệch đáng kể Để hạn chế sai số phải thay k d số liệu thực đo dòng chảy (kr) bổ sung thêm giá trị hiệu chỉnh dựa số liệu thực đo hiệu chỉnh mơ hình Giả thiết trình lan truyền phần chất lơ lửng, phân tán lắng xuống tác dụng trọng lực hạt Phương trình Streeter-Phelps viết lại là: µ dL = − kr L dx GVHD: PGS.TS TRẦN ĐỨC HẠ HỌC VIÊN: TRẦN XUÂN HỢP LỚP: CHMT 2004 Tiểu luận mơn học: Mơ hình chất lượng nước µ dD = −k d L − kd D dx Tích phân phương trình vào ta có:  x L = Lo exp − k r  µ   x k L D = Do exp − k s  + d o µ  kd − kr     x x  exp − k r  − exp − k d  µ µ     Trong đó: Kr = kd + ks: số tốc độ chuyển hố chất hữu dịng chảy (T-1) Ks: số tốc độ thay đổi nồng độ chất hữu trình lắng động, hấp thụ chất hữu dòng chảy (T-1) ks = vs với vs vận tốc lắng (L.T-1) H chiều sâu dòng chảy (L) H Tuy nhiên thực tế tuỳ thuộc vào vân tốc dịng chảy mà gía trị ks âm dương Khi ks >0 lượng chất hữu tăng vẩn từ bùn đáy, ks