Mô hình chất lượng nước

MƠ HÌNH HĨA Ơ NHIỄM NƯỚC MẶT
PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,
Đại học Bách khoa,
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

1

u cầu phải đạt được

Vì sao cần mơ hình chất lượng nước ?

4

1


Chất lượng nước đang là mối quan tâm

Xây dựng công cụ giám sát chất lượng nước

Bảo vệ nguồn tài nguyên nước

Hiện nay chất lượng nước đang là vấn đề được quan tâm
nghiên cứu.
Theo tổ chức y tế thế giới khoảng 30% dân số cịn thiếu
nước ăn và hơn 35% khơng đủ nước sạch (400 triệu người
mắc bệnh đường ruột, giun: 200 triệu, sốt rét:100 triệu, bệnh
tả: 20 – 40 triệu/năm).

Sự cần thiết của các mơ hình
chất lượng nước

Để bảo vệ nguồn tài ngun nước và kiểm sốt ơ nhiễm
nước cần phải biết đánh giá chất lượng nước, kiểm soát các
nguồn gây ơ nhiễm. Ở đây mơ hình chất lượng nước có một ý
nghĩa quan trọng.

5

6

7

8

Thuật ngữ, cơ sở pháp lý
Stt

Ký hiệu

Ngày ban hành

Cơ quan ban
hành

TCVN 5502:2003

31/12/2003

Bộ KHCN

Chất lượng nước sinh hoạt

Nội dung

Quyết định số 39/2003/QĐ- BKHCN

QCVN 01:2008

18/7/2008

Bộ TNMT

QCVN 08:2008

31/12/2008

Bộ TNMT

Nước thải công nghiệp chế biến cao su thiên
nhiên
Chất lượng nước mặt

Quyết định số
04/2008/QĐ- BTNMT
Ban hành theo
Quyết định số 16/2008/QĐ- BTNMT

QCVN 09:2008

Chất lượng nước ngầm

QCVN 10:2008

Chất lượng nước ven bờ

QCVN 11:2008

Nước thải công nghiệp chế biến thủy sản

QCVN 12:2008

Nước thải công nghiệp giấy và bột giấy

QCVN 13:2008

Nước thải công nghiệp dệt may

QCVN 14:2008
QCVN 01:2009

Nước thải sinh hoạt
17/06/2009

Bộ Y Tế

16/11/2009

Bộ TNMT

QCVN 02:2009

QCVN 24:2009
QCVN 25:2009
QCVN 28:2010

Ghi chú

Chất lượng nước ăn uống

Thông tư số 04/2009/TT- BYT

Chất lượng nước sinh hoạt

Thông tư số 05/2009/TT- BYT

Nước thải công nghiệp

Thông tư số 25/2009/TT- BTNMT

Nước thải của bãi chôn lấp chất thải rắn
16/12/2010

Bộ TNMT

12/12/2011

Bộ TNMT

Chất lượng nước mặt bảo vệ đời sống thủy
sinh
Chất lượng nước dùng cho tưới tiêu

Thông tư số 43/2011/TT- BTNMT

QCVN 40:2011

28/12/2011

Bộ TNMT

Chất lượng nước thải công nghiệp

Thông tư số 47/2011/TT- BTNMT
Thay thế QCVN 24:2009/BTNMT

QCVN 44:2012

12/10/2012

Bộ TNMT

Chất lượng nước biển xa bờ

Thông tư số 10/2012/TT- BTNMT

QCVN 52:2013

25/10/2013

Bộ TNMT

Chất lượng nước thải công nghiệp sản xuất
thép

Thông tư số 32/2013/TT- BTNMT

QCVN 29:2010
QCVN 38:2011

Nước thải y tế

Thông tư số 39/2010/TT- BTNMT

Nước thải của kho và cửa hàng xăng dầu

QCVN 39:2011

2


Các nguồn gây ô nhiễm cho nguồn nước

Phân loại nguồn nước
 Tùy theo mục đích sử dụng được chia thành các loại
nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản …
 Theo độ mặn: nước ngọt, nước lợ và nước mặn.
 Theo vị trí nguồn nước: nguồn nước mặt (sông, suối, ao,
hồ ….), nguồn nước dưới đất.

9

Tài nguyên nước với các thành phần chịu ảnh
hưởng của BĐKH.

11

3


Các đặc trưng của nước thải
 BOD (Biochemical Oxygen Demand) – nhu cầu oxy sinh hóa
tồn phần (mg/l), BOD đại diện cho những thành phần có thể
phân hủy sinh học. Nếu có oxy, q trình phân hủy sinh học
sẽ địi hỏi một lượng oxy tương ứng với lượng giảm BOD;
 BOD5 – Nhu cầu oxy sinh hóa sau thời gian 5 ngày (mg/l);
 COD (Chemical Oxygen Demand )– nhu cầu oxy hóa học
(mg/l);
 DO (dissolved oxygen) – Nồng độ oxy hịa tan (mg/l);

Mơ hình chất lượng nước đơn giản
(mơ hình BOD/DO đơn giản)

13

Chất hữu cơ

14

Quá trình ảnh hưởng tới chất lượng nước

 Các chất hữu cơ (organic wastes): các chất thải có nguồn gốc

từ các sinh vật sống hoặc chết. Khi được đưa vào nguồn nước,
các chất hữu cơ sẽ làm cho các vi sinh vật hiếu khí phát triển.
Các vi sinh vật này sẽ tiêu thụ oxy làm cho lượng oxy hoà tan sẽ
giảm xuống cho nên cá sẽ dần dần biến mất. Khi phần lớn
lượng oxy hoà tan giảm đi thì các vi sinh vật kỵ khí sẽ biến đổi
các hợp chất có chứa lưu huỳnh thành H2S làm cho nước có
mùi ...

15





Các q trình vận chuyển các chất vào nước: Thủy phân
(phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khống chất);
hịa tan (phá hủy cấu trúc mạng tinh thể của các loại muối
và phân ly thành các dạng ion);
Các quá trình tách các vật chất ra khỏi nguồn nước : bao
gồm các quá trình lắng đọng (do tỷ trọng, nồng độ vuợt
giới hạn bão hòa, quá trình hấp thụ, quá trình keo tụ, các
quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quá trình
sinh thái chất lượng nước … ).

16

4


Chất dễ phân huỷ sinh học

Hằng số tốc độ phân huỷ K1

Chất dễ phân huỷ sinh học (readily biodegradable substances):
chất có thể bị phân huỷ sinh học đến một mức độ nhất định
nào đó theo các phép thử đã định đối với khả năng phân huỷ
sinh học hoàn toàn.
Sự phân huỷ sinh học hoàn toàn: sự phân huỷ sinh học dẫn đến
sự vơ cơ hố hồn tồn.
Phân huỷ bậc nhất: sự phân huỷ cấu trúc phân tử của một chất
đến mức độ đủ để loại bỏ một tính chất đặc trưng nào đó.

 Hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ k1 là đại lượng đặc
trưng cho tốc độ của phản ứng phân huỷ các chất hữu cơ dễ
phân huỷ sinh học do các vi sinh vật hiếu khí trong dịng chảy
được xác định trong điều kiện tĩnh trong phịng thí nghiệm.

17

Hiện tượng nạp khí

18

Đặc điểm

Nạp khí (Reaeration) là q
trình vật lý (chuyển hóa khối
lượng) của oxy từ khí quyển vào
khối nước.


Để sử dụng các mơ hình chất
lượng nước sơng cần thiết phải
xây dựng phương pháp tính tốn
hệ số tốc độ hịa tan oxy qua mặt
thống. (ngay-1).


Loại mơ hình này liên quan đến nồng độ oxy trong sơng và suối
Mơ hình chất lượng nước đầu tiên xem xét mối quan hệ BOD/DO
trong một hệ thống sông đã được phát triển bởi Streeter Phelps năm
1925.

19

20

5


Các giả thiết đơn giản hóa mơ hình




dLt
  K1.Lt
dt

Chỉ có một nguồn ơ nhiễm tồn tại.

Tải trọng ơ nhiễm khơng đổi
được thải ra ở một điểm cho
trước.



Sơng khơng có nhánh.



Vận tốc dịng chảy khơng đổi.



Tiếp theo

Sự khuếch tán tạo điều kiện cho nồng độ BOD và DO coi như
đồng đều trong mặt cắt của sông.
Sự phân hủy sinh học diễn ra trong sơng có bậc nhất và ngồi ra
khơng có sự tham gia của các q trình khác.

Mặt cắt ngang dịng sơng coi như
khơng đổi.

21

Cách nhận phương trìnhStreeter – Phelps
Độ thiếu hụt oxy được ký hiệu như sau : D=DObh – DO

22

… Tiếp theo

(8.1)

Giả sử DObh là hằng số, lấy vi phân phương trình (8.1) ta được :
d ()DO dD

0
dt
dt

suy ra

d ()DO
dD

dt
dt

Trong đó các ký hiệu sau được sử dụng:

(8.2)

L0 : BOD toàn phần tại thời điểm ban đầu (mg/L) – đặc trưng cho nước thải từ cống xả thải;

Do tốc độ DO biến mất xảy ra đồng thời với tốc độ BOD bị phân hủy cho nên ta có
phương trình:
d ()BODt
d ()DO

dD


dt
dt
dt

Lt : BOD tồn phần tại thời điểm t (mg/L);
(8.3)

k1 : hệ số tốc độ loại oxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ (ngày-1) - một số tài liệu khác gọi

Như đã biết BODt được xác định bởi:

là hệ số tốc độ khử oxy; t : thời gian (ngày).

BODt = Lo - Lt

Mặt khác tốc độ thấm oxy từ khơng khí vào dung dịch là một phản ứng bậc nhất tỷ lệ

và do Lo là một hằng số, nên khi lấy đạo hàm theo thời gian nó bằng khơng, từ đó suy ra:

với sự chênh lệch giữa DObh và nồng độ thực của DO:

d(BODt )dL t
=dt
dt

d ()DO
 k2 ()DObh  DO  k2 D

dt

Giả thiết rằng tốc độ loại oxy tại bất kỳ vị trí nào trên sơng tỷ lệ với BOD cịn lại tại
điểm đó:
dLt
= - k1 Lt
dt

(8.6)

Trong đó k2 : hệ số tốc độ hịa tan oxy qua mặt thống, gọi tắt là hệ số thấm oxy.

(8.4)

Từ (8.3), (8.4) suy ra
dD
= k1 Lt
dt

(8.5)

23

24

6


Phương trình Streeter - Phelps

Độ thiếu hụt ơxy

dD
= k1L t - k 2 D
dt
- dD/dt = tốc độ thay đổi độ thiếu hụt oxy (D) trên đơn vị thời gian,
mg/L. ngày.

Dt =

k1  k 2

D t  =  k1tL0 + D0  e-k1t
θ
T-20
k 2 (T)= k 2 20    

- k1 = hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào
loại chất thải phân hủy.
- Lt
= BOD còn lại sau t ngày tính từ thời điểm chất thải đó thải vào
sơng, có thứ nguyên là mg/L.

 T – nhiệt độ xem xét, 0C
 k1 – hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào
loại chất thải phân hủy
 k2(T) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ xem xét, ngày-1
 k2(200) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ 200C, ngày-1
 Hệ số nhiệt độ,  = 1,135 ở nhiệt độ trong khoảng từ 4 - 200C và  =
1,056 ở nhiệt độ trong khoảng 20 – 30 0C.

- k2 = hệ số tốc độ hịa tan oxy qua mặt thống, gọi tắt là hệ số thấm
oxy có thứ nguyên là ngày-1.
- D

k1L0 -k1t -k 2 t
(e - e )+ D 0e -k 2 t
k 2 - k1

k1  k2

= có thứ nguyên là mg/L.

25

26

Oxy hịa tan (mg/L)

Tính tốn BOD
 Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải thường được chỉ định
bằng BOD5 hay BOD7, lần lượt là lượng oxy tiêu thụ trong 5
và 7 ngày.
 Như đã đề cập ở trên, từ giả thiết sự phân hủy tuân theo quy
luật bậc nhất nên ta có:

dLt
  k1.Lt
dt

L5  L0 .e  k1 5

Lt  L0 .e  k1 t
BOD5  Lo (1 e  k1 5 )

28

7


Lt

Độ thiếu hụt ơ xy hịa tan

Lo

BOD cịn lại
BODt
Lt = Lo e-kt
Lt
t
BODt
Oxy đã sử
dụng

Thời gian, ngày

Lo = BOD cuối cùng pha cacbon
Lt
BOD5

BODt = Lo(1-e-kt)

t

dD
 k1 Lt  k2 D
dt

dD
 k2 D  k1 L0 e  k1t
dt

D

D

t 0

 D0



t 0

 D0



k1 L0


 k1 t
 e  k2t  D0 .e  k2 t , k1  k2
D  k  k e
2
1

kt
 D   k1  t  L0  D0  e 1 , k1  k2

Thời gian, ngày

29

Độ thiếu hụt DO cực đại



Thay biến t = x/v



k1 L0
e  k1 t  e  k2t  D0 e  k2 t ; D  max 
k2  k1
 k  D  k  k  
dD
d 2D
dD
1
 0, 2  0;

 0  tc 
ln  2  1  0 2 1  
dt
dt
dt
k2  k1  k1 
k1 L0
 

D

Nước thải sau khi gia nhập vào dịng sơng, có sự sự hịa trộn
hồn tồn với dòng chảy.
Vận tốc dòng chảy là như nhau trong suốt các mặt cắt ngang
dịng sơng.

k1 L0

 k1 x / v
 e  k2 x / v  D0 .e  k2 x / v , k1  k2
D  x  k  k e
2
1

 D  x    k  x  L  D  e k1x / v , k  k
0
0
1
2
 1


v



Khi đó từ phương trình:

dD
 k1 L0 e  k1t  k2 D  0
dt

30



k
Dc  1 L0 e  k1tc
k2

31



32

8


Cách tính k1 (T)

Cách tính K2
k2 ()(20
T )k2



T 20

Theo The Committee on Sanitary Engineering Research,1961 thì  = 1,0241
Tác giả

Cơng thức

No là nồng độ ammonium và
L0 là nồng độ chất hữu cơ
ban đầu đo bằng BOD. k1 và
kN phụ thuộc vào nhiệt độ T:

Điều kiện
Vận tốc U (m/s)

Độ cao trung

Khác

bình H (m)
Cơng thức tính k2 dựa vào các yếu tố thủy lực :
O'connor –
Dobbins

0.15 ≤ U ≤ 0.49

1/ 2

3.93U
H 3/ 2

0.3 ≤ H ≤ 9.1

0.05 ≤ k2 ≤ 12.2

1962
Owens et al (1)
1964
Owens et al (2)
1964

kT (tại
200C)

1.05
(1.047)

1.06 -1.08

ngày-1

1958
Churchill et al

Để tính k1 Để tính kN

5.026U 0.969
H 1.673

0.55 ≤ U ≤ 1.524

0.61 ≤ H ≤ 3.35

5.34U 0.67
H 1.85

0.3 ≤ U ≤ 1.5

0.12 ≤ H ≤ 3.3

6.94U 0.73
H 1.75

0.3 ≤ U ≤ 0.54

0.12 ≤ H ≤ 3.3

k1  T  = k1  200 C  ×1.05T-20

k N  T  = k N  200 C  ×1.06T-20

33

34

Bài tập

Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý
K1(200)

kN

No

Lo

Nước thải đô
thị

0.35 – 0.40

0.15 – 0.20

80 – 120

150 – 250

Nước thải đô
thị đã xử lý
cơ học

0.35

0.10 – 0.25

70 – 120

75 - 150

Nước thải đô
thị đã xử lý
sinh học

0.10 – 0.25

0.05 – 0.20

60 – 120

10 – 80

Nước uống

0.05 – 0.10

0.05

0–1

0–1

Nước sông

0.05 – 0.15

0.05 – 0.10

0–2

0-5

Nước thải được pha trộn với nước sông, kết quả BOD5 được đo ở mặt
cắt pha trộn là 25mg/l, với nhiệt độ hòa trộn là 25oC. Được biết hệ số
tốc độ thấm khí ở nhiệt độ 15oC được xác định trên sơng là 0.8 ngày-1.
Tìm L0 pha trộn và K2(ở 20oC). Sử dụng giá trị trung gian từ bảng đã
cho để đánh giá các thông số. Cho K1(200 C) = 0.375.
Giải.
K1 ở 25oC được xác định bằng phương trình tính theo K1 tại 200C
K1(ở 25oC) = 0.375 * 1.055 = 0.479
L0 được xác định từ phương trình BOD5 = L0(1-e-K1*5)
25 = L0 (1 – e -0.479*5) = L0*0.91  L0=27 mg/l
Ka ở 20oC có thể tính được từ phương trình Ka(T)=Ka(20)e(T-20)
0.8=(K2 ở 20oC)e 0.025*(-5) =(K2 ở 20oC)*0.88  K2(ở 20oC) = 0.91 ngày-1.

35

36

9


Mơ hình Streeter và sự phân vùng

Đường cong DO

37

38

39

40

k2(200C) cho một số nguồn nước
Nguồn nước

Khoảng giá trị của k2(200C)

Các hồ nước nhỏ có xốy
ngược

0.10 – 0.23

Dịng sơng chảy chậm và các
hồ nước lớn

0.35 – 0.46

Sơng lớn có tốc độ chảy thấp
Sơng lớn có tốc độ chảy bình
thường
Sơng chảy xốy

0.23 – 0.35

0.46 – 0.65
0.65 – 1.15
> 1.15

10


Một số hạn chế mơ hình Streeter - Phelps

Một số ký hiệu

Chỉ lưu ý tới sự tiêu thụ oxy do q trình oxy hóa các chất hữu cơ trong dịng
chảy do các vi sinh hiếu khí và sự hịa tan oxy qua mặt thoáng vào nước.

SOD (Sediment Oxygen Demand)
CBOD (carbonaceous biochemical oxygen demand).
NBOD (nitrogenous biochemical oxygen demand),
NH3 (ammonia).

41

42

Q trình hơ hấp của lớp bùn đáy

Sơ đồ cân bằng DO trong khúc sông nhỏ

D
D
S

+u
= -k 2 D t
x
H

Độ thiếu hụt D trong dòng chảy ở điêu kiện ổn định là:
RDOvào =
RDOra =
W
A
P
B
M
N
R

Khối lượng DO chảy vào khúc sông
Khối lượng DO chảy ra khúc sông
= Khối lượng DO trong nước thải chảy vào khúc sơng
= Khối lượng DO đi vào từ khí quyển
= Khối lượng DO đi vào từ các sản phẩm có chứa oxy do sự quang hợp của tảo
= Khối lượng DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu của sinh vật đáy.
= Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của C-BOD
= Khối lượng DO bị khử bởi sự phân hủy sinh học của N-BOD
= Khối lượng DO bị tiêu thụ bởi sự hô hấp của tảo.

43

S 
 k x

 k 2 x 
D = D 0 exp  - 2  +
1- exp  - u  
 u  k 2H 



S – nhu cầu oxy của lớp cặn đáy, mg O2/m2.ngày
H- chiều sâu của lớp nước.

44

11


… tiếp theo

Q trình oxy hóa các hợp chất chứa nitơ
Bổ sung thêm quá trình tiêu thụ oxy do quá trình oxy hóa các
hợp chất hữu cơ có chứa nitơ (ammơn hóa, nitrit và nitrat hóa).
Khi đó nhận được phương trình:

Độ thiếu hụt oxy D trong dịng chảy ở điều kiện ổn định
 k x k N
D = D 0 exp  - 2  + N 0
 u  k2 - kN

D
D
u

 k2 D  k N N
t
x


 kNx 
 k 2 x 
exp  - u  - exp  - u  






N0 – nồng độ ammonium (mg/l).
kN – hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do q trình nitrat hóa, ngày-1.

N – tải trọng ammonia

N = N 0 e-k N x/u

45

Bảng giá trị L0, N0 theo mức độ xử lý

46

Q trình quang hợp – hơ hấp

k1

kN

No

Lo

Nước thải đô
thị

0.35 – 0.40

0.15 – 0.20

80 – 120

150 – 250

Nước thải đô
thị đã xử lý
cơ học

0.35

0.10 – 0.25

70 – 120

75 - 150

Nước thải đô
thị đã xử lý
sinh học

0.10 – 0.25

0.05 – 0.20

60 – 120

10 – 80

Nước uống

0.05 – 0.10

0.05

0–1

0–1

Nước sông

0.05 – 0.15

0.05 – 0.10

0–2

0-5

Phương trình mơ tả sự thiếu hụt oxy do sự phân hủy các chất hữu
cơ và do q trình quang hợp – hơ hấp của hệ thực vật nước

D
D
u
 k2 D   R  P 
t
x
P – sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp,mg/l.ngày
R – Lượng oxy tiêu hao do q trình hơ hấp, mg/l.ngày

47

48

12


Quá trình lắng các chất lơ lửng

Quá trình quang hợp – hơ hấp (tiếp theo)

Trong q trình lan truyền, một phần các chất hữu cơ dạng lơ lửng và
phân tán sẽ lắng đọng theo các q trình vật lý, hóa học và sinh học
trong dòng chảy.

Sự thiếu hụt oxy trong điều kiện ổn định:

 k x RP 
 k2 x  
D  D0 exp   2  
1  exp   u  
u
k





2

D D
u
 k1L k2D
t
x

P – sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp,mg/l.ngày

kr  k1  ks

L
L
 u  kr L
t
x

R – Lượng oxy tiêu hao do q trình hơ hấp, mg/l.ngày
Loại mơ hình này thường được áp dụng tính tốn sự biến động về
hàm lượng oxy hòa tan theo thời gian trong ngày tại các lưu vực dòng

ks – tốc độ lắng đọng các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán trong quá
trình lan truyền, ngày-1.

chảy giàu chất dinh dưỡng với sự phát triển mạnh các loài thực vật

k1 – tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1.

nước

kr – tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ (CBOD) trong dịng chảy, ngày-1.

49

50

Q trình lắng các chất lơ lửng, điều kiện ổn định (tiếp)
 k x
L  L0 exp   r 
 u 

 k x k L
D  D0 exp   2   1 0
 u  k2  kr


 kr x 

 k2 x  
exp   u   exp   u  






ks – tốc độ lắng đọng các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán trong
quá trình lan truyền, ngày-1
k1 – tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1
kr – tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1

51

13