Đang tải... (xem toàn văn)
MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án Một trong các thông số quyết định đến chất lượng nước là lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO). Giá trị thông số này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như không khí, hệ thủy sinh vật trong nước và bùn đáy. Bên cạnh đó, DO còn tham gia vào các quá trình hóa học, sinh hóa trong môi trường nước. Vì vậy, DO được coi là một chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng nước và kiểm soát chất lượng môi trường, đồng thời là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học [1, 2]. Đồng thời, các nghiên cứu liên quan đến DO là thực sự cần thiết trong việc đánh giá, quản lý chất lượng môi trường nước. Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là sự phân bố DO trong môi trường nước khi bị tác động bởi các điều kiện môi trường trong đó có lớp bùn đáy. Lớp bùn đáy thường có hàm lượng chất hữu cơ phân hủy sinh học rất lớn, và cũng là đối tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất đến sự thay đổi hàm lượng DO trong nước, nhất là ở những vùng nước ô nhiễm hoặc vùng nước nuôi trồng thủy sản [3, 4]. Ví dụ trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, để hạn chế quá trình DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu oxi bùn đáy cũng là để đảm bảo vệ sinh cho ao hồ thì việc cải tạo bùn đáy ao hồ là cần thiết và phải được tiến hành định kỳ. Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn đáy đến sự phân bố DO đang là một vấn đề khá bức thiết và cần được quan tâm nghiên cứu. Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy, phương pháp mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình toán học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mô hình hóa là một công cụ mạnh giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các thông số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt động của con người. Mô hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các yếu tố được thuận lợi hơn; điều mà thường không thể thí nghiệm được trong môi trường tự nhiên vì sự phức tạp và ảnh hưởng lẫn nhau của vô số các yếu tố khác lên đối tượng khảo sát. Trên thế giới, hướng nghiên cứu mô hình hóa sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy đã có những kết quả nhất định [5-7]. Tuy nhiên, để thu được những kết quả đó các tác giả đã sử dụng các phương trình toán học đã được công bố để áp dụng cho các sông hồ hoặc vùng nước cụ thể, mà chưa đưa ra một mô hình toán học mới hơn. Ở Việt Nam cho đến nay, hướng nghiên cứu này vẫn còn để ngỏ với nhiều thách thức, chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố. Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC LÊ MINH THÀNH MÔ HÌNH HÓA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: GS.TS LÊ QUỐC HÙNG TS PHẠM HỒNG PHONG Hà Nội – 2015 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, khóa 2010-2014. Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mô hình hóa thay đổi nồng độ oxi môi trường nước tác động lớp bùn đáy” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn thu được từ quá trình tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm của bản thân, được tiến hành một cách trung thực và không sao chép. Các tài liệu và thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc. Nghiên cứu sinh Lê Minh Thành i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong, những người đã truyền cho tôi tri thức, cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu sinh! Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô, các anh chị và các em Phòng Ứng dụng Tin học trong Hóa học, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp tôi thực hiện các nghiên cứu! Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua! Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi, những người đã luôn tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua mọi khó khăn! Tác giả Lê Minh Thành ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii Danh mục kí hiệu vi Danh mục hình x Danh mục bảng xiii MỞ ĐẦU 1 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án 1 2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2 3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án .3 4 Nội dung nghiên cứu 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .5 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước 5 1.1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước 6 1.1.2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật 8 1.1.3 Nhu cầu oxi sinh hóa .14 1.1.4 Nhu cầu oxi bùn đáy 16 1.1.5 Nhu cầu oxi hóa học 18 1.1.6 Quá trình nitrat hóa 20 1.1.7 Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước 21 1.1.8 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan 22 1.2 Các tính chất của bùn đáy .28 1.2.1 Thành phần hóa học của bùn đáy 29 1.2.2 Độ xốp của bùn đáy .30 1.2.3 Mật độ của bùn đáy .31 1.2.4 Tỉ khối của bùn đáy .31 1.3 Nghiên cứu về mô hình hóa các thông số chất lượng nước 31 1.3.1 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát 32 iii 1.3.2 Các dạng điều kiện biên 34 1.3.3 Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm Comsol Multiphysics .35 1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết .37 1.4.1 Tình hình nghiên cứu 37 1.4.2 Những vấn đề cần giải quyết 39 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan 42 2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình 42 2.1.2 Các yếu tố trong mô hình oxi hòa tan 42 2.1.3 Thiết lập và giải mô hình .49 2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng 49 2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị 49 2.2.2 Phần mềm máy tính .52 2.3 Phương pháp nghiên cứu 53 2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán 53 2.3.2 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình 54 2.3.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 59 2.4 Nhận xét chương 2 64 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65 3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan 65 3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 66 3.1.2 Kết quả mô phỏng 72 3.1.3 Nhận xét mô hình 1 .83 3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .85 3.2.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 86 3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên nồng độ oxi hòa tan 90 3.2.3 Nhận xét mô hình 2 .99 iv 3.3 Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn – nước 101 3.3.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 102 3.3.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên nồng độ oxi hòa tan 107 3.3.3 Nhận xét mô hình 3 .113 3.4 Mô hình tổng hợp 116 3.4.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 117 3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy 121 3.4.3 Nhận xét mô hình 4 .127 3.5 Nhận xét chương 3 129 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .131 1 Kết luận 131 2 Những đóng góp mới của luận án 133 3 Các kiến nghị, đề xuất 134 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 135 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 136 PHỤ LỤC 147 PL.1 Một số mô hình toán học của oxi hòa tan theo lịch sử 147 PL.2 Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 150 PL.3 Các toán tử thường gặp trong phương trình PDE 152 PL.4 Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol Multiphysics 153 PL.5 Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu 164 PL.6 Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế 164 v Danh mục kí hiệu a Hệ số hấp thụ BOD Nhu cầu oxi sinh hóa. CA Nồng độ của chất A tại thời điểm t bất kỳ (mg/L). CAlg Nồng độ tảo trong nước (mg/L). CBOD Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa cacbon. CBOD Giá trị BOD (mg/L), đại diện cho nồng độ các chất hữu cơ tiêu thụ oxi. CBODo Giá trị BOD ở thời điểm ban đầu (mg/L). CBODsed Giá trị BOD trong lớp bùn đáy (mg/L). CClo Nồng độ ion clorua trong nước (mg/L). CCOD Giá trị COD (mg/L). CDO Nồng độ DO tại thời điểm bất kỳ (mg/L). CDO∞ Nồng độ DO ở xa vô cực (mg/L). CDOdef Nồng độ DO thiếu hụt so với nồng độ DO bão hòa (mg/L). CDOint Nồng độ DO tại ranh giới pha bùn – nước (mg/L). CDOo Nồng độ DO tại thời điểm ban đầu (mg/L). CDOobs Nồng độ DO đo đạc (mg/L). CDOsat Nồng độ DO bão hòa (mg/L). CDOsim Nồng độ DO mô phỏng (mg/L). COD Nhu cầu oxi hóa học. CSOD Giá trị SOD (mg/L). D Hệ số khuếch tán của chất tan trong nước (m2/s). d Độ dày lớp bùn đáy (m). D1 Hệ số khuếch tán của oxi hòa tan trong nước (m2/s). D1* Hệ số khuếch tán của oxi trong môi trường bùn (m2/s). D2 Hệ số khuếch tán của chất hữu cơ hòa tan trong nước (m2/s). da Hệ số thấm. DO Oxi hòa tan. ea Hệ số khối. vi f Số hạng nguồn fc Ứng suất cắt tới hạn (critical shear stress) (N/m2) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn. fr Ứng suất cắt tham chiếu (reference shear stress) (N/m2) fs Ứng suất cắt (shear stress) (N/m2) h Độ sâu môi trường nước (m). k1 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc nhất (1/s). k1* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc hai (L mg-1 s-1). k2 Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – không khí (1/s). k2* Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại giữa nước – không khí ở điều kiện biên (1/m). k3 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy (mg L-1 s-1). k3* Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy ở điều kiện biên (mg L-1 m-1). k4 Hằng số tốc độ phản ứng khử của COD (1/s). k5 Hằng số tốc độ phản ứng nitrat hóa (1/s). kAlg Hằng số tốc độ tảo chết (1/s). kDOhalf Hằng số bán bão hòa của DO (mg/L) kH Hằng số Henry (L atm/mol) krese Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn (1/s). krese* Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn ở điều kiện biên (1/m). kset Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ (1/s). kset* Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ ở điều kiện biên (1/m). n Vectơ pháp tuyến trên biên của vùng tính toán, hướng ra phía ngoài. NBOD Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Oxyz Hệ tọa độ Descartes với trục Ox là chiều rộng (m); trục Oy là chiều dài (m); Oz là chiều sâu (m) của môi trường nước. P Tốc độ oxi sinh ra do quang hợp (mg L-1 h-1) PDE Phương trình đạo hàm riêng. vii Pmax Tốc độ oxi sinh ra tối đa (mg L-1 h-1) R Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp của thực vật (mg L-1 h-1) R2 Hệ số xác định RSS Tổng bình phương phần dư SOD Nhu cầu oxi bùn đáy. SR Tỉ số độ nhạy Ssed Diện tích tiếp xúc giữa bề mặt bùn đáy và nước (m2) t Thời gian (s). T Nhiệt độ (oC). TSS Tổng bình phương toàn phần v Vận tốc dòng chảy của nước (m/s). V Vận tốc của gió (m/s). vBOD Vận tốc trao đổi chất hữu cơ tại bề mặt nguồn thải ở điều kiện biên (mg L-1 m-1). vDO Vận tốc trao đổi oxi tại ranh giới pha không khí – nước (m/s). X1 Giá trị đầu vào cơ sở của biến X. X2 Giá trị đầu vào của biến X sau khi tăng/giảm một lượng xác định. X3 Sinh khối của vi sinh vật dị dưỡng (mg/L). X4 Sinh khối của vi sinh vật tự dưỡng (mg/L). Y1 Giá trị đầu ra cơ sở tương ứng với biến X1. Y2 Giá trị đầu ra tương ứng với biến X2. α Hệ số đối lưu dòng bảo toàn α1, α2 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình quang hợp. α3, α4 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình hô hấp. Pcons Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp (mg L-1 ngày-1). β Hệ số đối lưu β1 Lượng oxi được tạo ra từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo) β2 Lượng oxi được tiêu thụ từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo). β3 Tốc độ quang hợp của tảo (1/s). viii β4 Tốc độ hô hấp của tảo (1/s). γ Số hạng nguồn của dòng bảo toàn. γ1 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật dị dưỡng (1/s). γ2 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng (1/s). δs Độ sâu xâm nhập (m) δw Độ dầy lớp biên khuếch tán (m) θs Hệ số điều chỉnh nhiệt độ. µ Nhân tử Lagrange ε Phần thời gian của ngày có ánh sáng mặt trời. μ* Tốc độ tiêu thụ oxi sinh hóa cực đại (mg L-1 ngày-1) Ω Vùng tính toán. ∂Ω Biên của vùng tính toán. θ Hệ số điều chỉnh nhiệt độ. ix 11 Tạo và nhập điều kiện biên (PL.30) cho ranh giới mặt nước (hình PL.12, PL.13) Hình PL.12. Tạo điều kiện biên Neumann cho mặt nước Hình PL.13. Nhập điều kiện biên cho mặt nước 160 12 Tạo và nhập điều kiện biên (PL.32) cho ranh giới bùn – nước (hình PL.14, PL.15) Hình PL.14. Tạo điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước Hình PL.15. Nhập điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước 161 13 Điều kiện biên (PL.31) cho các mặt bên của hệ được tự động hình thành (hình PL.16) Hình PL.16. Điều kiện biên cho các mặt bên 14 Tiến hành chia lưới cho toàn bộ miền khảo sát (hình PL.17) Hình PL.17. Chia lưới cho miền khảo sát 162 15 Nhập khoảng thời gian cần tính toán hoặc mô phỏng (hình PL.18). Hình PL.18. Nhập khoảng thời gian cần mô phỏng 16 Tiến hành tính toán để giải số hệ đã nhập (hình PL.19): Hình PL.19. Thực hiện tính toán 17 Phân tích, biểu diễn các kết quả giải số thu được theo yêu cầu nghiên cứu 163 PL.5 Thành phần tính chất số mẫu bùn đáy nghiên cứu Bảng PL.4. Thành phần cơ, lý, hóa của một số mẫu bùn đã sử dụng Chỉ tiêu Thành phần đất cát (%) Thành phần đất thịt (%) Thành phần đất sét (%) Độ xốp (%) Tỉ khối (g/cm3) Mật độ (g/cm3) Thành phần hữu cơ (%) BOD5 (mg/kg mẫu) COD (mg/kg mẫu) N tổng (mg/kg mẫu) P tổng (mg/kg mẫu) pH Mẫu bùn 1, sông Tô Lịch (bảng 2.1) Mẫu bùn 2, sông Tô Lịch (bảng 2.1) Mẫu bùn hồ Bảy Mẫu Mẫu bùn hồ Gươm Mẫu bùn hồ Tây Mẫu bùn hồ Hòa Bình 71 67 45 35 27 24 17 18 32 38 39 35 12 15 23 27 34 41 12,7 11,4 23,2 21,5 39,9 44,9 1,72 1,71 1,59 1,72 1,69 1,51 1,97 1,93 2,07 2,19 2,81 2,74 2,82 2,59 2,35 2,12 2,96 2,58 875 841 574 659 718 430 4051 3815 2619 1897 2474 1156 27,5 25,3 19,6 29,4 20,1 11,5 97,2 52,8 98,3 57,2 58,8 47,1 8,55 8,28 8,71 10,7 9,12 9,01 PL.6 Một số kết đo đạc nồng độ DO thực tế Bảng PL.5. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 2,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2) Thời gian đo (giờ) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Nồng độ DO (mg/L) Vị trí cách bề mặt bùn cm Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm 5.06448 5.0053 5.05406 5.0053 5.0426 5.0053 5.03009 5.0053 5.01652 5.0053 5.00191 5.0053 4.98624 5.0053 4.96953 5.0053 164 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.95176 4.93294 4.91307 4.89215 4.87018 4.84716 4.82309 4.79796 4.77179 4.74457 4.71629 4.68696 4.65659 4.62516 4.59268 4.55915 4.52457 4.48894 4.45225 4.41452 4.37574 4.3359 4.29502 4.25308 4.21009 4.16605 4.12097 4.07483 4.02764 3.97939 3.9301 3.87976 3.83044 5.0053 5.0006 4.99974 4.99888 4.99804 4.99722 4.99642 4.99565 4.99491 4.9942 4.99347 4.9928 4.99209 4.99137 4.9906 4.98976 4.98884 4.98779 4.9866 4.98523 4.98356 4.98177 4.97961 4.9771 4.97407 4.97084 4.96697 4.96255 4.95749 4.95175 4.94526 4.93794 4.93006 165 Bảng PL.6. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 1,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2) Thời gian đo (giờ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Nồng độ DO (mg/L) Vị trí cách bề mặt bùn cm Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm 5.00751 4.83266 4.92097 4.7055 4.68286 4.57606 4.45097 4.44473 4.22537 4.3119 4.00614 4.17792 3.79331 4.04314 3.58694 3.90792 3.40112 3.78224 3.20729 3.64706 3.02001 3.51236 2.83928 3.37842 2.66512 3.24553 2.49753 3.11394 2.33649 2.98392 2.18199 2.8557 2.04436 2.73846 1.90241 2.61435 1.7669 2.49268 1.6378 2.37364 1.51505 2.25741 1.3986 2.14415 1.28836 2.03402 1.1699 1.92716 1.09305 1.83097 1.00057 1.73077 0.91396 1.63418 0.83313 1.54129 0.75796 1.45218 0.68832 1.36692 0.62408 1.2799 0.56512 1.20815 0.51128 1.13471 0.46573 1.07008 0.42133 1.00434 0.38159 0.93833 0.34633 0.8848 166 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 0.31536 0.2885 0.26406 0.24756 0.23157 0.21885 0.2092 0.20236 0.19811 0.19612 0.19632 0.19826 0.20143 0.20607 0.21168 0.21797 0.22464 0.23138 0.23786 0.24375 0.24842 0.25224 0.25448 0.25477 0.25276 0.24807 0.24032 0.23005 0.2153 0.19632 0.17273 0.14408 0.10731 0.06994 0.02357 0.02357 0.83094 0.78098 0.73484 0.69537 0.65641 0.62103 0.58699 0.56061 0.53531 0.51309 0.49379 0.47725 0.4642 0.45245 0.44289 0.43529 0.42942 0.42505 0.4219 0.41985 0.41831 0.41717 0.41614 0.41488 0.41308 0.41038 0.40642 0.40131 0.39389 0.3841 0.37154 0.35578 0.3364 0.31294 0.28497 0.25453 167 Bảng PL.7. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 0,5 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2) Thời gian đo (giờ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Nồng độ DO (mg/L) Vị trí cách bề mặt bùn cm Vị trí cách bề mặt bùn 33 cm 5.00988 5.06332 4.96845 4.93533 4.78163 4.81189 4.69214 4.68454 4.52067 4.57816 4.35881 4.46761 4.20607 4.3611 4.06197 4.25851 3.93551 4.16665 3.79789 4.0646 3.68542 3.97947 3.57096 3.89112 3.463 3.8061 3.36114 3.72431 3.26501 3.64563 3.17423 3.56996 3.09442 3.50229 3.01297 3.43211 2.93587 3.36463 2.86278 3.2952 2.79342 3.23735 2.72749 3.17735 2.6647 3.11159 2.60061 3.06416 2.55151 3.01078 2.49644 2.96302 2.44354 2.90998 2.38903 2.8624 2.34341 2.81657 2.29579 2.77552 2.24629 2.73285 2.20452 2.69169 2.16368 2.65198 2.1206 2.61632 2.07833 2.57917 2.03677 2.54323 1.99581 2.50113 168 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 1.95536 1.91536 1.87573 1.83924 1.80023 1.76149 1.72029 1.68211 1.64692 1.60665 1.56944 1.53788 1.5015 1.46568 1.43051 1.39366 1.36255 1.32773 1.29863 1.27066 1.24196 1.21492 1.188 1.16658 1.14573 1.12739 1.11181 1.10005 1.09056 1.08463 1.08258 1.08469 1.09131 1.10278 1.11944 1.13988 2.47237 2.43974 2.41029 2.3816 2.35149 2.32214 2.2935 2.26352 2.23809 2.21122 2.18484 2.16073 2.13514 2.1099 2.08495 2.06027 2.0358 2.00977 1.98735 1.96502 1.94103 1.91709 1.89145 1.8675 1.84522 1.82116 1.797 1.77447 1.74833 1.72554 1.70084 1.67595 1.65087 1.6256 1.60011 1.57624 169 Bảng PL.8. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 2,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 3) Thời gian đo (giờ) Nồng độ DO (mg/L) 0 5.06448 0.25 5.03623 0.5 5.00191 0.75 4.96042 1 4.91307 1.25 4.85834 1.5 4.79796 1.75 4.72999 2 4.65659 2.25 4.57672 2.5 4.48894 2.75 4.39604 3 4.29502 3.25 4.18909 3.5 4.07483 3.75 3.95586 4 3.83044 Bảng PL.9. Nồng độ DO theo thời gian (số liệu được sử dụng trong mô hình 3) Thời gian đo (giờ) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Nồng độ DO (mg/L) Trong cột nước 1,0 m Trong cột nước 0,5 m 5.00751 5.00988 4.92097 4.96845 4.68286 4.78163 4.45097 4.69214 4.22537 4.52067 4.00614 4.35881 3.79331 4.20607 3.58694 4.06197 3.40112 3.93551 3.20729 3.79789 3.02001 3.68542 2.83928 3.57096 2.66512 3.463 2.49753 3.36114 2.33649 3.26501 170 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 2.18199 2.04436 1.90241 1.7669 1.6378 0.25477 1.3986 1.28836 1.1699 1.09305 1.00057 0.91396 0.83313 0.75796 0.68832 0.62408 0.56512 0.51128 0.46573 0.42133 0.38159 0.34633 0.31536 0.2885 0.26406 0.24756 0.23157 0.21885 0.2092 0.20236 0.19811 0.19612 0.19632 0.19826 0.20143 0.20607 0.21168 0.21797 0.22464 0.23138 0.23786 0.24375 0.24842 171 3.17423 3.09442 3.01297 2.93587 2.86278 2.79342 2.72749 2.6647 2.60061 2.55151 2.49644 2.44354 2.38903 2.34341 2.29579 2.24629 2.20452 2.16368 2.1206 2.07833 2.03677 1.99581 1.95536 1.91536 1.87573 1.83924 1.80023 1.76149 1.72029 1.68211 1.64692 1.60665 1.56944 1.53788 1.5015 1.46568 1.43051 1.39366 1.36255 1.32773 1.29863 1.27066 1.24196 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 0.25224 0.25448 0.25477 0.25276 0.24807 0.24032 0.23005 0.2153 0.19632 0.17273 0.14408 0.10731 0.06994 0.02357 0.02357 1.21492 1.188 1.16658 1.14573 1.12739 1.11181 1.10005 1.09056 1.08463 1.08258 1.08469 1.09131 1.10278 1.11944 1.13988 Bảng PL.10. Nồng độ DO ở hồ Bảy Mẫu theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) Độ sâu (m) Nồng độ DO (mg/L) 0.1 5.19237 0.2 5.09259 0.3 4.95482 0.4 4.77907 0.5 4.56534 0.6 4.3182 0.7 4.02914 0.8 3.7021 0.9 3.33707 1 2.9412 1.1 2.50085 1.2 2.02251 1.3 1.50619 1.4 1.0916 1.5 0.6995 1.6 0.3968 1.7 0.12729 1.8 6.1E-4 172 Bảng PL.11. Nồng độ DO ở hồ Gươm theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) Độ sâu (m) Nồng độ DO (mg/L) 0.1 9.74455 0.2 8.69572 0.3 7.5916 0.4 6.50399 0.5 5.50418 0.6 4.66298 0.7 4.05071 0.8 3.73721 0.9 3.60972 Bảng PL.12. Nồng độ DO ở hồ Tây theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) Độ sâu (m) Nồng độ DO (mg/L) 0.1 5.8089 0.2 5.68729 0.3 5.42771 0.4 5.08494 0.5 4.7013 0.6 4.30656 0.7 3.91805 0.8 3.54542 0.9 3.17135 1 2.7808 1.1 2.34126 1.2 1.80771 1.3 1.12267 1.4 0.22967 Bảng PL.13. Nồng độ DO ở hồ Hòa Bình theo độ sâu (số liệu được sử dụng trong mô hình 4) Độ sâu (m) Nồng độ DO (mg/L) 0.1 5.67612 0.5 5.54199 1.0 5.3914 1.5 5.25919 2.0 5.13815 173 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 5.02857 4.9261 4.82724 4.73289 4.639 4.54718 4.45557 4.36276 4.27153 4.1813 . 174 [...]... đề “Mơ hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong mơi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy làm nội dung nghiên cứu. 2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án Mục đích của luận án nhằm xây dựng và phát triển mơ hình tốn học mơ phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong nước dưới tác động chủ yếu của bùn đáy và một số yếu tố khác như: sự khuếch tán, tiêu thụ oxi bởi vi khuẩn tham gia phân hủy ... Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy, phương pháp mơ hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình tốn học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mơ hình hóa là một cơng cụ mạnh giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các thơng số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt động của con người. Mơ hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các ... triển sự sống cho động thực vật thủy sinh. Vì tốc độ khuếch tán của oxi trong nước rất chậm, khoảng 5 × 10-5 cm2/s [21], và độ tan của oxi nhỏ, khoảng 8 mg/L, nên nếu như tốc độ tiêu thụ oxi của sinh vật lớn hơn tốc độ khuếch tán của oxi thì sẽ hình thành các vùng nước có lượng oxi thấp (hypoxia, độ tan của oxi nhỏ hơn 2 mg/L) hay thiếu oxi (anoxia, vùng nước gần như khơng có oxi) như minh họa trên hình 1.2. Hiện tượng lượng oxi thấp hoặc thiếu oxi như trên ... sinh hoạt và các hoạt động sản xuất của con người [21]. Hình 1.2. Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật Hình 1.2. cho thấy q trình tồn tại và phát triển của các dạng sinh vật hiếu khí trong nước ln đòi hỏi mức độ oxi đầy đủ. Đối với động vật thủy sinh, khi 10 nồng độ oxi hòa tan trong nước giảm dưới 5,0 mg/L, sự sống của chúng bắt đầu gặp nguy hiểm. Nồng độ oxi càng thấp hơn, mức độ nguy hiểm đó càng tăng. Khi nồng ... hồn của chất dinh dưỡng, sự lắng đọng của trầm tích trong nước, q trình phân hủy của hợp chất hữu cơ trong lớp bùn đáy, và lên dòng chảy của các chất tan giữa lớp bùn đáy và nước. Khi bùn đáy xáo trộn vào nước sẽ làm tăng nồng độ chất hữu cơ trong nước, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh hiếu khí hoạt động, do đó làm tăng tốc độ tiêu thụ oxi [61, 62], và sự lắng đọng của chất hữu cơ từ nước vào bùn gây ra ... tác động của vi sinh vật) và oxi tiêu thụ trong q trình oxi hóa các chất vơ cơ có trong lớp bùn , còn BOD chỉ tính đến lượng oxi tham gia vào các q trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ (dưới tác động của vi sinh vật) trong mơi trường nước. Trong lớp bùn đáy, oxi bị tiêu thụ bởi hai nguồn tiêu thụ chủ yếu là các vi sinh vật tham gia phản ứng sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ, và các phản ứng hóa học. Trong mơi trường nước có giá trị pH thấp thì sự tiêu thụ oxi bởi các phản ứng ... nguy hiểm. Nồng độ oxi càng thấp hơn, mức độ nguy hiểm đó càng tăng. Khi nồng độ oxi ở mức dưới 1-2 mg/L trong một vài giờ có thể dẫn đến hiện tượng cá và các động vật khác trong nước chết hàng loạt [13]. Lượng oxi tiêu thụ do hơ hấp của các động vật trong nước phụ thuộc vào lồi, kích cỡ, nhiệt độ và mức độ hoạt động của chúng. Về lồi, trong cùng điều kiện mơi trường và mức độ hoạt động bơi lội giống nhau thì mức độ tiêu thụ oxi rất ...Danh mục hình Hình 1.1. Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9] .6 Hình 1.2. Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật 10 Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ơ nhiễm đến nồng độ DO [32].14 Hình 1.4. Ảnh hưởng của dòng chảy tới nồng độ DO [32] 25 Hình 1.5. Sự biến đổi nồng độ DO theo ngày đêm ở mơi trường nước 27 Hình 1.6. Minh họa các dạng điều kiện biên trên biên ∂Ω của miền xác định Ω... q trình trao đổi oxi giữa khơng khí và nước Đồng thời, khảo sát sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy. DO – đối tượng nghiên cứu của bản luận án, là thơng số chịu tác động của nhiều q trình như: hóa học, vật lý, sinh học, thủy lực, khuếch tán trong mơi trường nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong bản luận án chỉ tập trung vào các q trình hóa học và khuếch tán, bởi đây là các q trình thuộc lĩnh vực Hóa lý thuyết ... đáy là nhân tố chủ yếu tiêu thụ oxi hòa tan trong nước [6, 43]. Có thể thấy, sự khác nhau cơ bản giữa BOD và SOD đó là BOD là thơng số đại diện cho nhu cầu oxi sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ trong nguồn nước, thì SOD là thơng số có đại diện cho nhu cầu oxi trong lớp bùn đáy. Trong đó SOD bao gồm cả lượng oxi tham gia vào các q trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ (dưới 16 tác động của vi sinh vật) và oxi tiêu thụ trong q trình oxi hóa các chất vơ cơ có ... Hai yếu tố vật lý thường gặp nhất có liên quan trực tiếp đến khả năng hòa tan của oxi là nhiệt độ và độ muối của mơi trường nước. Theo quy luật chung, nhiệt độ hoặc độ muối (độ mặn) của nước tăng thì độ hòa tan của oxi trong nước sẽ giảm. Độ hòa tan của oxi phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối được trình bày đại diện trong ... Tên tơi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chun ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý, khóa 2010-2014. Tơi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mơ hình hóa thay đổi nồng độ oxi mơi trường nước tác động lớp bùn đáy là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, đây là cơng trình do tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa ... các lớp nước. Với nguồn nước sâu, sự khuấy trộn bởi gió ít gây ảnh hưởng đến sự hòa tan oxi ở lớp nước phía dưới hơn so với lớp nước phía trên. Cuối cùng, độ sâu tác động vào hoạt động của vi sinh vật. Ở lớp nước sâu