Bài giảng MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG - Phần 10 tích hợp các mô hình ppt

361
TÍCH HỢP CÁC MÔ HÌNH
362
Bốnquátrìnhphứctạpcầnlưuý
§ Ảnhhưởngcủagió đếnhệsốnạpkhí,
§ Sự sảnsinhoxy từ quátrìnhquanghợp,
§ Sự hôhấpcủaphiêusinhthựcvật
§ Nhucầuoxy chobùn đáy
363
Vídụ1 (về sông): Bốnchutrình
trongmộtmôhìnhsông
§ Ápdụngnguyênlýcânbằngvậtchấtchomộtlắtcắtnhỏ
củasông. Điềunàydẫntới3 phươngtrìnhvi phânsau:
LK
dt
dL
U
1
-=
NK
dt
dN
U
N
-=
( )
SRpCCK
NKLK
dt
dC
U

sa
N
+-
+ =
1
qU-vậntốctrungbìnhcủadòngchảy
qL –nồng độ cácchấthữucơtheoBOD
qP –sảnphẩmsơcấpcủaquátrình
quanghợp
qR –lượngoxy tiêuhaodo quátrìnhhô
hấp
qS –nhucầuoxy củalớpcặnđáy
qN –tảitrọngammonia
qK
N
–tốcđộ tiêuthụ oxy do nitrathóa
364
Vídụ2 (về hồ): xemhồnhư một
hệ xáotrộnhoàntoàn
§ Trong đóW làtảitrọngBOD trongmỗi đơn vị thờigian,
§ Q làvậntốcdòngchảytronghồ,
§ V làthể tíchhồ,
§ A làdiệntíchhồ,
§ WO làtấtcảcácnguồnvàovàtiêuthụ oxybaogồmquang
hợp, hôhấpvànhucầuoxytrầmtích.
( )
WOLVKCCAKQCQC
dt
dC
V

LVKQLW
dt
dL
V
sain
± +-=
=
1
1
365
AKQ
WO
AKQ
LVK
AKQ
AKC
AKQ
QC
C
VKQ
W
L
aaa
as
a
in
+
±
+
-

+
+
+
=
+
=
1
1
( )
WOLVKCCAKQCQC
dt
dC
V
LVKQLW
dt
dL
V
sain
± +-=
=
1
1
0==
dt
dC
dt
dL
Trạngthái ổn định
366
Bàitậpứngdụng

Mộtnhàmáycóthải nướcthảisinhhoạtra mộtdòngchảy
mặt. Điềukiệnxấunhấtxuấthiệntrongnhữngthángmùa
hè, khi màdòngchảychậmvànhiệt độ của nướccao.
Dòng nướcthảicódòngchảy đạtlà12000 m
3
/ngày,
BOD
5
=40 mg/l (ở 20
o
C), nồng độ oxyhòatan là2 mg/l,
nhiệt độ làt
o
=25
o
C. Dòngchảycólưu lượnglà1900 m
3
/h,
BOD
5
=3mg/l (ở 20
o
C), nồng độ oxyhòatan là8 mg/l. Sử
dụngK
1
=0.15 (xembảng8.1 chodòngphatrộn). Nhiệt độ
củadòngchảy đạtmax xấpxỉ22
o
C. Sự hòatrộnhoàn
toàntứcthời. Dòngchảytrungbình(saukhi hòatrộn) là

0.2 m/s, độ sâudòngchảylà2.5 m. Nồng độ oxybãohòa
là8.7 mg/l. Hãytính độ thiếuhụtoxycực đạicùngthời
gian đạt được.
367
Bàigiải
§ TínhK
a
tạinhiệt độ 20
0
C:
(
)
(
)
1
3/2
0
25.0
5
.
2
2.026.2
20
-
=
´
= ngayCK
a
§ Sự phatrộn:
h/m2400)songnuoc(h/m1900)thainuoc(h/m500

333
=+
§ BOD
5
phatrộn
l/mg7.10
2400
3.190040.500
=
+
( )
lmg
e
L /3.20
5276
7.10
1
7.10
5.15.0
0
==
-
=
´-
368
Bàigiải
§ Oxy hòatan là:
l/m7.6
2400
8.19002.500

DO
mixture
=
+
=
§ Nhiệt độ phatrộnlà:
0
mixture
6.22
2400
22.190025.500
T =
+
=
§ K
1
tại22.6
0
là
17.005.1.15.0K
206.22
1
==
-
§ K
a
tại22.6
0
là
27.0e.25.0K

)206.22(024.0
a
==
-
369
Bàigiải
§ Thờigian đạttớihạnlà:
(
)
1
c
ngay25.4
3.20.17.0
17.027.02
1
17.0
27.0
ln
17.027.0
1
t
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
÷

ø
ö
ç
è
æ
-
-
-
=
§ Độ thiếuhụtoxy cực đạilà:
l/mg2.6
27.0
e.3.20.17.0
eL
K
K
D
25.4.17.0
tK
o
a
1
c
1
===
-
-
§ Khoảngcách đạt đượclà:
m73440m25.4.24.3600.2.0
=

§ Nồng độ oxy hòatan tại điểmtớihạnlà:
l/mg5.22.67.8
=
-
370
MÔ HÌNH PAAL CHUYỂN TẢI -PHÂN
TÁN CHẤT Ô NHIỄM CHO NGUỒN ĐIỂM
BùiTáLong
371
Nộidung
§ Xây dựngcácphươngtrìnhtoáncơbảndựa
trêncácqui luậtvậtlý(phươngtrìnhtoánlý);
§ Trungbìnhhóacácthambiến;
§ Mô hìnhPaalchonguồnxảđiểm, cáctrường
hợpkhácnhau;
§ PhầnmềmENVIMWQ.
372
Sự truyềntải(advection), khuếchtán
(diffusion) vàphântán(dispersion)
373
Phươngtrìnhliêntục
z
w
y
v
x
u
t ¶
¶
+

¶
¶
+
¶
¶
=
¶
¶
-
)()()(
r
r
r
r
0=
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
z
w
y
v
x
u
const

=
r
374
Khuếchtánphântử
và địnhluậtFick
375
Khuếchtánphântửvà địnhluật
Fick
§ Giả sử rằngchấtbảotồnlàlơlửngvàhòatan trongchấtlỏng.
§ Tốc độ khuếchtánluồngchấtlỏngqua một đơnvịdiệntíchchất
lỏngdo khuếchtánphântửthìtỷlệvớigradient nồng độ chấttrong
chấtlỏng:
x
C
DN m
¶
¶
-=
§ N làtỷlệlantruyềnchấtqua đơnvịdiệntíchtheohướngx
§ ¶C/¶x = gradient nồng độởgiai đoạnkhuếchtántheophươngx
§ D
m
làhệsốkhuếchtánphântửhoặchằngsốtỷlệ.
§ D
m
tỷ lệ vớinhiệt độ tuyệt đốivàtỷlệnghịchvớitrọnglượngphântử
tronggiai đoạnkhuếchtánvàvớiđộ nhớtcủagiai đoạnphântán.
Dấuâmchỉ rarằngdòngchấttừcácvùngcónồng độ cao đếncác
vùngcónồng độ thấpdo quátrìnhkhuếchtán.
376

ĐịnhluậtFickthứ 2
z
C
D
zy
C
D
yx
C
D
xt
C
zyx
¶
¶
¶
¶
+
¶
¶
¶
¶
+
¶
¶
¶
¶
=
¶
¶

§ Sự thay đổicủanồng độ theothờigiancủamộtchấttrongquátrình
khuếchtánphântửđượcbiểudiễnbằngphươngtrình
2
2
x
c
D
t
c
m
¶
¶
=
¶
¶
§ Dạng3 chiều
377
Xây
d
ự
ng
phương
tr
ì
nh
lan
truyền
§ Dòng vậtchấtvàomặtphẳng1 là cu
d
y

d
z, trong đóu là
vậntốctứcthờitheotrụcx.
z
d
y
d
x
d
zycu
d
d
zyxcu
x
cu
ddd
][
¶
¶
+
s
mg
m
s
m
m
mg
=
2
3

378
§ Cân bằngtỷlệthay đổitheothờigiantrongphầntửvới
tỷlệthay đổicủadòngtheo3 trụctanhận được:
0)()()( =
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
cw
z
cv
y
cu
xt
c
§ Cácgiátrị củanồng độ vàvậntốc, mặcdùtheolýthuyếtlàtức
thời, thựctếđược đotrongcáckhoảngthờigianngắn. Vìvậythành
phầnvậntốctứcthờiu cóthểđượcbiểudiễndướidạng:
'uuu +=
§ ởđó
dtu
T
u

Tt
t
ò
=
+
1
T làchukỳđo
379
u
t
)(' tu
u
T
'uuu +=
dtu
T
u
Tt
t
ò
=
+
1
380
§ Tương tự
'
'
'
ccc
www

vvv
+=
+=
+=
0)')('()')('()')('()'( =++
¶
¶
+++
¶
¶
+++
¶
¶
++
¶
¶
wwcc
z
vvcc
y
uucc
x
cc
t
0)''()''()''()()()( =
¶
¶
+
¶
¶

+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
cw
z
cv
y
cu
x
wc
z
vc
y
uc
xt
c
0)''()''()''()( =
¶

¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
cw
z

cv
y
cu
xz
w
y
v
x
u
c
z
c
w
y
c
v
x
c
u
t
c
Cácsốhạngtrongcácngoặc
đơn() cóthểđượckhaitriểnvà
tấtcảcácsốhạngchỉ cómột
thànhphầncódấuphẩysẽlấy
trungbìnhbằngzero. Vídụsố
hạngcu’=0 thì
381
§ Sử dụngphươngtrìnhliêntục:
0=

¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
z
w
y
v
x
u
0)''()''()''( =
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+

¶
¶
+
¶
¶
cw
z
cv
y
cu
xz
c
w
y
c
v
x
c
u
t
c
§ Cácsốhạngnhư biểudiễnsựđốilưudo cácthănggiángcủa
rốivàbằngphươngpháptươngtựcác địnhluậtkhuếchtánphântử
Fick, chúngcóthểđượcbiểudiễnbằngmộthệthốngkhuếchtán
tương đươngtrong đódòngkhốilượngchấttỷlệvớigradient nồng
độ trungbìnhvàdòngchảytheohướnggradient nồng độ trungbình.
Vìvậy
''cu
382
x

c
kcu
x
¶
¶
-=''
y
c
kcv
y
¶
¶
-=''
z
c
kcw
z
¶
¶
-=''
§ Trong đók
x
, k
y
, k
z
làcáchệsốkhuếchtánrối. Phươngtrìnhcóthể
viếtlạibằngcáchbỏqua nhữnggạchtrungbìnhnhư sau:
0)()()( =
¶

¶
-
¶
¶
+
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
z
c

k
zy
c
k
yx
c
k
xz
c
w
y
c
v
x
c
u
t
c
zyx
k
x
, k
y
, k
z
khôngcầnthiếtlànhư nhautheotấtcảcáchướng. Tuy
nhiên, chúngsẽcóbậclớnhơnD
m
hệsốkhuếchtánphântử.
Chúngcũngcóthể thay đổigiátrị phụ thuộcvàovịtrítrongdòng

hoặc ở cửasôngdo sự thay đổicủahướngdòngchảy.
0)()()()( =+
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶

¶
cF
z
c
k
zy
c
k
yx
c
k
xz
c
w
y
c
v
x
c
u
t
c
zyx
383
Phươngtrìnhphântán–tải
vớichấtbẩn
()
0 SF
z
S

D
y
S
D
x
S
D
z
S
V
y
S
V
x
S
V
t
S
2
2
z
2
2
y
2
2
xzyx
=+
¶
¶

-
¶
¶
-
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
+
¶
¶
§ HàmsốF(S) đặctrưngchocácquátrìnhhóahọc, sinh
hóahọcvàkhác, xảyravớicácchấtô nhiễmtronghệ
thốngnước
§ Đốivớitừngchấtô nhiễmcụthể hàmsốF(S) đượcxác
địnhtùythuộcvào đặctínhcủaquátrình.Trongphầnlớn
cáctrườnghợpngườitachorằngquátrìnhnày được
miêutảbởiphươngtrìnhphản ứngbậc1 (sự ôxyhóacác
chấthữucơ, sự chếtcủavi khuẩn, sự thấmkhívàv.v…)
384
§ Trong điềukiệncáchệthốngnướcchảy(sông, kênhv.v ) V
z
= V

y
= 0.
Khi đóphươngtrìnhcódạng
0
2
2
2
2
2
2
=
¶
¶
-
¶
¶
-
¶
¶
-
¶
¶
+
¶
¶
z
S
D
y
S

D
x
S
D
x
S
V
t
S
zyxx
§ Trong đóV
x
–vậntốctrungbình ở tiếtdiện ướtcủadòngchảy.
§ Hệ số phântán đượcxác địnhmộtcáchtrungbình đốivớitiếtdiện ướt
củadòngchảy,
§ D
x
, D
y
, D
z
khôngphụ thuộcvàotọađộ và đạilượngcủachúngcóthể
đượcxác địnhqua cácchỉ số thủylựclòngsông.
385
Phươngtrìnhmôphỏngoxy
hòatan trênkênhsông