Bai giang vận CHUYỆN CHẤT ô NHIỄM đại học THỦY lợi

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 KHÁI NIỆM VỀ SỰ Ô NHIỄM VÀ SỰ GÂY Ô NHIỄM, CHẤT Ô
NHIỄM VÀ CHẤT GÂY Ô NHIỄM
Xuất phát điểm cho các thảo luận để trả lời câu hỏi, "Có một chuỗi các sự kiện nào dẫn đến
việc xác định, đặc tính hóa và cách khắc phục hậu quả cho vùng nhiễm chất thải nguy hại?" Có rất
nhiều câu trả lời cho câu hỏi này, nhưng thứ tự của các sự kiện nói chung thường xảy ra như sau.
• Thứ nhất, một chất gây ô nhiễm được quan trắc sẽ tồn tại hay cần xác định khả năng phát
tán chất ô nhiễm từ một khu công nghiệp dự kiến xây dựng. Điều này có thể dẫn đến việc
cần giám sát thường xuyên nồng độ của chất gây ô nhiễm tại khu vực, thông qua việc nhận
biết nơi phát sinh các chất gây ô nhiễm chủ yếu tại khu vực, việc nghiên cứu xác định
nguyên nhân của một loại bệnh hoặc ung thư trong cộng đồng thuộc vùng ô nhiễm, hoặc
trong quá trình đánh giá quy hoạch môi trường (còn được gọi là đánh giá tác động môi
trường, ĐTM).
• Thứ hai, các nguồn gây ô nhiễm được xác định tại khu vực chất thải nguy hại hoặc có thể
qua mô phỏng lý thuyết phát tán chất ô nhiễm.
• Thứ ba, các chất gây ô nhiễm và việc mô hình hóa vận chuyển các chất này cần phải tiến
hành để xác định nồng độ chất gây ô nhiễm nào sẽ gây ra nguy hại tại các điểm cụ thể trong
khu vực theo thời gian (gọi tắt là nơi tiếp nhận mà con người là thụ thể của các chất gây ô
nhiễm).
• Thứ tư, các kết quả của việc mô hình hóa sự vận chuyển của các chất gây ô nhiễm được sử
dụng trong các tính toán đánh giá rủi ro để ước tính nguy cơ về sức khỏe.
• Thứ năm, một quyết định hay kế hoạch khắc phục hậu quả sẽ được thỏa thuận giữa người
dân địa phương, chính quyền địa phương và chính phủ, và các bên chịu trách nhiệm về khu
vực có chất thải nguy hại.
Có sự khác biệt nào giữa các thuật ngữ chất ô nhiễm và chất gây ô nhiễm không? Một số
người cho rằng không có, trong khi những người khác nói là có qua các cuộc tranh luận kịch liệt. Các
chuyên gia môi trường đưa ra các thuật ngữ chất ô nhiễm và chất gây ô nhiễm. Nhưng điều gì làm
cho một chất hóa học trở thành một chất gây ô nhiễm? Về cơ bản khác biệt này được xác định bởi vị
trí và hàm lượng của hợp chất hóa học hiện có. Ví dụ, một chai clorua thủy ngân thường không được

xem là một chất gây ô nhiễm khi nó được lưu trữ ở trong một kho hóa chất. Nhưng nếu đổ cùng một
lượng hóa chất đó vào hệ thống tiêu nước, và nó ngay lập tức trở thành một chất gây ô nhiễm, thậm
chí chỉ ở nồng độ rất thấp.
Nếu các chất hóa học được lưu trữ ở đúng chỗ của nó thì không có vấn đề gì và vì thế không
phải là một chất gây ô nhiễm. Nhưng ngược lại, nếu một hóa chất tồn tại trong một môi trường trung
gian nhưng ở mức thấp hơn một nồng độ cho phép (quy định bởi các quy phạm và pháp luật), thì chất
hóa học này không sinh ra vấn đề về môi trường và ô nhiễm coi như không tồn tại. Như vậy, định
nghĩa pháp lý thường được xác định hai yếu tố, đó là nơi có chất ô nhiễm và nồng độ của chất ô
nhiễm.
Ví dụ, người ta cố tình đưa một chất phóng xạ nhanh chóng xuống cấp ở một đầm đầy nước


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
để mô tả sự chuyển động của nước và các hạt nhân phóng xạ trong môi trường trung gian dưới bề
mặt. Miễn là các hóa chất ở lại trong phạm vi kiểm soát của các đầm phá (diện tích thực nghiệm đã
được phê duyệt), chúng không được coi là một chất gây ô nhiễm. Nhưng vào một ngày nào đó một
cơn bão thổi một lượng nhỏ nước và trầm tích ra khỏi đầm phá xa một đoạn vài m. Các quan chức an
toàn nang lượng đã rất lo lắng. Mặc dù đại đa số (dự đoán trên 99,99%) của các chất phóng xạ vẫn
còn hiện diện trong đầm phá, số lượng rất nhỏ chất hóa học "thoát ra" đã chính thức được phân loại
như là một sự kiện gây ô nhiễm.
Vì vậy, khi ta sử dụng các thuật ngữ này thì cần hiểu rõ đối tượng mà ta đang nói đến. Chúng ta sẽ
sử dụng thuật ngữ các chất gây ô nhiễm và sự ô nhiễm phổ biến hơn.

1.2 PHÂN LOẠI Ô NHIỄM
Có nhiều cách để phân loại các loại ô nhiễm cũng như các chất gây ô nhiễm. Một cách rộng hơn
người ta phân loại theo dạng vật lý: rắn, lỏng, hoặc khí. Việc phân loại này rất hữu ích cho việc xử lý
ô nhiễm và hủy bỏ chất ô nhiễm. Nhiều công nghệ xử lý dựa trên các đặc tính vật lý của các chất ô
nhiễm, chẳng hạn như túi chứa cho các hạt trong không khí hoặc lọc các hạt trong chất lỏng. Có một
cách phân loại chất nói chung theo đặc tính hóa học là chất vô cơ, hữu cơ và phóng xạ của chất thải.
Hỗn hợp chất thải, chất thải rất khó xử lý, thường đề cập đến là chất thải hữu cơ và chất thải phóng

xạ là chất thải trong các sản phẩm thải tương tự. Chất thải vô cơ có thể được tiếp tục chia thành các
kim loại không độc và độc hại, chất kim loại và phi kim loại. Chất thải kim loại có thể được chia
thành các kim loại nặng và các kim loại chuyển tiếp. Chất thải độc hại có thể được xếp vào nhóm các
chất gây ung thư, terratogens, và chất gây đột biến. Các hợp chất là đối tượng cần có nhận thức cao
của cộng đồng, chẳng hạn như PCBs, được chia ra thêm thành các nhóm khác nữa. Chất thải khác
được liệt kê là nguy hại chỉ dựa vào nguồn gốc của chúng từ một quá trình công nghiệp cụ thể (ví dụ,
chất thải kim loại mạ) hoặc khi một chất hóa học cụ thể có trong các dòng thải (ví dụ, sự hiện diện
của PCBs). Như vậy ta thấy, có rất nhiều cách để phân loại hoặc liệt kê chất thải, và mỗi quốc gia sẽ
có hệ thống riêng của họ để phân loại chất gây ô nhiễm.
Một cách thú vị để phân loại chất thải thông qua sự rủi ro do nó gây ra. Ví dụ, có một khu vực
chứa chất thải nguy hại cần được điều chỉnh và có 20 chất gây ô nhiễm cần xem xét. Tuy nhiên, theo
quan điểm rủi ro, 5 trong số 20 chất gây ra một mối nguy hiểm cao hơn đáng kể dựa trên tính toán
đánh giá rủi ro. Ở một số nước người ta thường tập trung mọi nỗ lực để khắc phục 5 hoá chất này và
bỏ qua 15 “chất gây ô nhiễm ít nguy hiểm khác”. Phương pháp như vậy được sử dụng bởi Cơ quan
Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ để tính toán nguy cơ đối với sức khỏe dựa trên nguồn, và tổng quan về
các phương pháp tiếp cận được thể hiện trong hình 1.1.

1.3 CÁC NGUỒN Ô NHIỄM
Cũng như với các loại chất thải, có nhiều cách phân loại nguồn của chất thải (hoặc có tiềm
năng gây ô nhiễm). Ta sẽ chỉ đề cập đến một vài trong số các phương pháp tiếp cận hữu ích hơn và
đưa ra ví dụ về khối lượng tạo ra từ các nước công nghiệp hoá chủ yếu. Trước tiên, ta sẽ thảo luận về
nguồn tập trung và nguồn phân tán.


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
Xác định các chất gây ô nhiễm cần quan tâm
Riêng về Sức
khỏe

Liên quan chung

(Môi trường và Sức khoẻ

Riêng về
Môi trường

Định lượng Phát tán, Di chuyển và Biến đổi
Chạy mô hình
sự biến đổi
và vận chuyển

Đo đạc các nồng độ
Môi trường

Xác định các tuyến đường tiếp xúc
Riêng về Sức
khỏe

Liên quan chung
(Môi trường và Sức khoẻ

Riêng về
Môi trường

Có khả năng bị tiếp
xúc môi
trường
Có khả năng bị tiếp xúc dân cư
Nguy cơ cộng
đồng dân cư
Nghiên cứu Ảnh

hưởng Sức khoẻ

Các hình thức
thể thao và giả trí

Các hình
thức khác

Nghiên cứu và Thử
nghiệm Ảnh hưởng
Sinh thái
Đánh giá Sức
khoẻ con người

Đánh giá
Môi trường

Hình 1.1 Phương pháp đánh giá rủi ro (Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa kỳ,1989
Các nguồn gây ô nhiễm thường được chia thành một trong hai loại, tập trung hoặc phân tán.
Nguồn tập trung là nguồn được xác định như cuối đường ống, ống hút khói, hoặc ống cống.
Bảng 1.1 Các nguồn hóa chất chủ yếu (nguồn tập trung và phân tán)
Nguồn
Chất thải nói chung (tiêu biểu mà không toàn diện)
Nông nghiệp
Đồng ruộng và chất thải hóa học
Các chất dinh dưỡng (phân bón)
Thuốc trừ sâu / diệt cỏ
Nhiên liệu dầu khí
Chất thải nuôi trồng
Chất thải chăn nuôi bò sữa

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
Công nghiệp hoá
chất

Các sản phẩm kim loại
Các cặn kim loại
Chất thải phi kim
Chất thải thiết bị điện
Chất tẩy rửa/xà phòng/ làm sạch
Chất thải liên quan đến dầu khí
Mạ kim loại
Phụ gia tháp làm mát
Chất thải xử lý phim
Dung môi
Nước thải và chất thải kỹ thuật
Thuốc trừ sâu
Thuốc diệt côn trùng
Hydrocacbon clo hóa
Organophosphates
Carbamate
Thuốc trừ sâu vi sinh vật
Pyrethroid
Diệt chuột
Thuốc diệt cỏ
Dầu mỏ
Carbamate
Triazines
Thuốc diệt cỏ Phenoxy

Thuốc diệt cỏ Amit
Thuốc diệt nấm
Tiền chất tạo khói (NOx, hydrocarbon)
Công nghiệp khai Chất thải mỏ
thác mỏ
Lọc khoáng sản (cyanide)
Thoát nước axit
Than
Chất thải luyện kim
Các hạt không khí
Công nghiệp năng Chất thải có nguồn gốc dầu khí
lượng
Dung môi
Khí và khí thải hơi
Than đá
Chất thải nồi hơi
Chất thải hạt nhân
Dầu khí được lưu trữ trong các bể ngầm chứa (các trạm xăng dầu)
Tiền chất tạo mưa axít và khói mù
Các bãi rác thành Tất cả các hóa chất xử lý tại bãi rác
phố và nguy hại
Chưa hoàn tất quá trình cháy của nguyên liệu
Đốt cháy các sản phẩm
Lò đốt


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Công nghiệp y tế

Chế biến thực
phẩm
Chất thải sinh
hoạt

Chính quyền
thành phố
Chính phủ liên
bang

Kim loại
Hạt
Chất thải phân hủy sinh học (sinh học nguy hiểm)
Chất thải dược phẩm
Dung môi
Chất thải sản xuất thức ăn
Chất thải chế biến
Chất thải lò mổ
Chất tẩy rửa / chất làm sạch
Thuốc trừ sâu, v.v…
Phân bón
In ấn tài liệu
Sơn / dung môi
Xăng dầu
Hóa chất liên quan đến nước và xử lý nước thải
Nước thải (nhu cầu oxy sinh hóa)
Chất thải liên quan đến vũ khí (thông thường và hạt nhân)
Chất thải hạt nhân
Chất thải có nguồn gốc dầu khí

1.4 CÁC MÔ HÌNH TOÁN
Ở phần này, một số đại lượng cơ bản đã được định nghĩa, chúng ta có thể thảo luận về các mô
hình toán. Theo Từ điển American Heritage (1987), một mô hình là một đối tượng thu nhỏ thường
được xây dựng theo tỷ lệ để mô phỏng, biểu thị cho một đối tượng lớn hơn. Như vậy, các mô hình
điển hình đưa về phiên bản đơn giản trong thực tế để kiểm chứng.
Trong trường hợp này, ta không những xây dựng những mô hình vật lý, mà còn sử dụng toán
học để mô phỏng cho thực tế. Bởi vậy chúng ta có thể định nghĩa một mô hình toán là một công thức
lý tưởng hóa thể hiện sự ứng xử của một hệ thống vật lý tới sự kích thích bên ngoài. Do vậy, như
trong Hình 1.1, một mô hình toán được áp dụng để tính toán chất lượng (ứng xử) trong nguồn nhận
nước (hệ thống) như một hàm của dòng nước sau khi đã qua nhà máy xử lý (kích thích). Một mô
hình như vậy có thể được biểu diễn chung như sau:
c = f (W; vật lý, hóa học, sinh học)

(1.1)


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
tới hạn
NồngNồng
độ tớiđộhạn

Tải lượng chất thải

Chất thải bị loại

bỏ

Thành phố

HÌNH 1.1 Một hệ thống nước cấp – nước thải đô thị. Nhà máy xử lý nước (WTP) làm sạch

nước sông thành nước dùng cho người dân. Nhà máy xử lý nước thải (WWTP) khử các chất ô nhiễm
từ nước cống để bảo vệ nguồn nước tiếp nhận.
Theo phương trình 1.1, mối quan hệ nguyên nhân-kết quả giữa tải lượng và nồng độ phụ
thuộc vào những đặc trưng vật lý, hóa học, và sinh học của nguồn nhận nước.
Sau đây sẽ xét tới việc chi tiết hóa phương trình 1.1. Một bước chính đơn giản theo hướng
này là sẽ dùng một mối quan hệ tuyến tính để công thức hóa phương trình 1.1 theo những thuật ngữ
toán học như sau:

1
c= W
a

(1.2)

Trong đó W = tải lượng; c = nồng độ; a = hệ số đồng hóa (L3T-1) biểu thị đặc trưng vật lý,
hóa học, và sinh học của khối nước tiếp nhận. Phương trình (1.2) được gọi là “tuyến tính” bởi vì c và
W tỷ lệ thuận trực tiếp với nhau.

1.4.1 Thực thi mô hình
Phương trình 1.8 có thể được thực hiện theo các cách sau:
1. Kiểu Mô phỏng. Như đã được biểu thị ở phương trình 1.2, mô hình được dùng để mô phỏng ứng
xử hệ thống (nồng độ) như một hàm của sự kích thích (tải lượng) và những đặc trưng hệ thống (hệ
số đồng hóa).
2. Kiểu thiết kế I (Khả năng đồng hóa). Mô hình có thể được viết lại thành
W= ac

(1.3)

Sự thực thi này được nhắc tới như một kiểu “thiết kế” vì nó cung cấp thông tin để có thể sử
dụng trực tiếp thiết kế kỹ thuật hệ thống. Nó được biết tới như một “khả năng đồng hóa” tính toán

vì nó cung cấp một ước lượng của tải lượng yêu cầu để đáp ứng một mức nồng độ hay tiêu chuẩn


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
mong muốn. Như vậy đó là cơ sở cho việc thiết kế nhà máy xử lý nước thải. Ta cần phải làm rõ tại
sao a được gọi là một “hệ số đồng hóa”.
3. Kiểu thiết kế II (sự thay đổi môi trường). Một thực hiện thiết kế thứ hai là

a=

W
c

(1.4)

Trong trường hợp này chính môi trường trở thành mục tiêu của nỗ lực sửa chữa. Phương trình 1.4
được công thức hóa để xác định như thế nào đối với một tỷ lệ tải lượng đã cho, môi trường có thể
được sửa đổi để đạt được tiêu chuẩn qui định. Kiểu ứng dụng này cần thiết khi việc xử lý hợp lý
(đó là sự giảm W) không thích hợp để đáp ứng những tiêu chuẩn về chất lượng nước. Những ví dụ
của việc thay đổi môi trường là việc nạo vét bùn cát đáy, sự thông khí nhân tạo, và tăng dòng chảy.
VÍ DỤ. HỆ SỐ ĐỒNG HÓA. Hồ Ontario trong đầu những năm 1970 đã có một tổng lượng
phốt pho xấp xỉ 10500 mta (1 mta = 1000 kg) và nồng độ trong hồ là 21mgL-1 (Chapra và
Sonzogni 1979). Trong năm 1973 bang New York và chính quyền tỉnh Ontario đã yêu cầu
giảm bớt nồng độ phốt pho. Hành động này đã làm giảm tải lượng xuống còn 8000 mta.
a) Tính toán hệ số đồng hóa cho hồ Ontario.
b) Nồng độ nào trong hồ dẫn đến hành động giảm phốt pho?
c) Nếu mục tiêu chất lượng nước là giảm nồng độ trong hồ xuống còn 10mgL-1, sự giảm tải
bổ sung phải như thế nào?
Lời giải :
a) Hệ số đồng hóa được tính như sau:

a=

W 10500mta
mta
=
= 500
−1
c
21mgL
mgL−1

b) Áp dụng phương trình 1.8, nồng độ trong hồ từ việc giảm phốt pho được tính như sau:

c=

W
8000mta
=
= 16 mgL−1
mta
a
500
mgL−1

c) Áp dụng phương trình 1.9,

W = ac = 500

mg

mta
10
= 5000mta
−1
L
mgL

Do đó, một lượng khoảng 3000 mta sẽ phải loại bỏ.
Bất kể kiểu thực thi nào, tính hiệu quả của mô hình phụ thuộc vào một sự đặc trưng chính
xác của hệ số đồng hóa. Như trong Ví dụ 1.3, dữ liệu cung cấp một phương pháp để tính
toán hệ số. Mục đích chính của những bài giảng sau đây sẽ mô tả các cách khác nhau để xác
định hệ số này. Nguyên lý chính được dùng để thực hiện điều này - sự bảo toàn khối lượng.

1.4.2 Bảo toàn khối lượng và sự cân bằng khối lượng


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm
Theo phương pháp truyền thống, có hai giải pháp đã được dùng để đánh giá hệ số đồng hóa
như sau:
• Những mô hình kinh nghiệm dựa vào một cảm ứng hay giải pháp trên nền dữ liệu. Đó là giải pháp
đã áp dụng trong Ví dụ 1 cho một hồ đơn lẻ. Thông thường, người ta thường nhận được giá trị của
W và C từ nhiều hệ thống tương tự với nguồn nhận nước đang được nghiên cứu. Kỹ thuật hồi quy
có thể rồi được áp dụng để tính thống kê hệ số đồng hóa (Hình 1.4).

HÌNH1.4 Những mô hình chất lượng nước thực
nghiệm sử dụng dữ liệu từ nhiều nguồn nước để
thống kê đánh giá mối quan hệ nguyên nhân- kết quả
giữa tải lượng và nồng độ.

• Những mô hình cơ học dựa trên giải pháp suy diễn hay lý thuyết. Điều này liên quan đến mối quan

hệ lý thuyết hoặc các nguyên tắc tổ chức. Chẳng hạn nhiều kỹ thuật cổ điển được dựa vào định luật
Niutơn, trong thực tế là định luật thứ hai của Niutơn F= ma. Ngoài ra những định luật bảo toàn lớn
thông thường được áp dụng như những nguyên lý tổ chức đối với nhiều công việc kỹ thuật. Mặc dù
những giải pháp thực nghiệm đã tỏ ra là có giá trị trong những tình huống chất lượng nước nhất
định như hiện tượng phú dưỡng hồ (tham khảo chi tiết sách của Reckhow và Chapra 1983), chúng
có một số hạn chế cơ bản. Sau đây ta sẽ chấp nhận chủ yếu một giải pháp cơ học.
Những mô hình chất lượng nước cơ học được dựa vào sự bảo toàn khối lượng, đó là, bên
trong một thể tích nước hữu hạn, khối lượng không tự nhiên sinh ra mà cũng không tự mất đi. Trong
thuật ngữ định lượng, nguyên lý này được biểu thị như một phương trình cân bằng khối lượng tính
đến tất cả các chuyển hóa của chất qua các biên của hệ thống và tất cả các chuyển đổi xảy ra trong hệ
thống. Cho một khoảng thời gian hữu hạn, ta có thể viết:
Sự Tích lũy = Tải lượng ± Sự vận chuyển ± Các Phản ứng

(1.5)

Hình 1.5 miêu tả sự bảo toàn khối lượng đối với hai chất theo giả thuyết dòng chảy qua và
phản ứng bên trong một thể tích nước. Sự chuyển động của chất qua thể tích, cùng với dòng nước
chảy, gọi là sự vận chuyển. Ngoài ra, khối lượng được tăng lên hay mất đi do việc biến đổi hay
những phản ứng của những chất bên trong thể tích. Những phản ứng hoặc thêm khối lượng bằng
việc thay đổi chất khác vào trong chất đang được mô hình hóa hoặc làm giảm khối lượng bằng việc
thay đổi chất vào trong chất khác, như trong Hình 1.5, ở đây X phản ứng để hình thành Y. Cuối cùng,
chất có thể gia tăng do các tải lượng bên ngoài.
Bằng việc kết hợp tất cả các nhân tố trên theo dạng phương trình, phương trình cân bằng khối
lượng tính đến tất cả các thành phần cụ thể đang được mô hình hóa. Trong một thời đoạn tính toán,
nếu nguồn vào lớn hơn nguồn ra, thì khối lượng của chất bên trong hệ thống tăng lên. Nếu nguồn ra
lớn hơn nguồn vào, khối lượng sẽ giảm bớt. Nếu nguồn vào cân bằng với nguồn ra, khối lượng ở một
mức không đổi và hệ thống được gọi là trạng thái ổn định hay sự cân bằng động học. Biểu thức toán


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

học sẽ thể hiện sự bảo toàn khối lượng để tính toán ứng xử của một nguồn nước đối với những ảnh
hưởng bên ngoài
Do hệ thống trong Hình 1.5 bao gồm hai chất, khối lượng riêng biệt cân bằng cần phải được
viết đối với X và Y. Từng chất cần phải bao gồm những biểu thức toán học để tính đến sự vận chuyển
của các chất đi vào trong và ra khỏi hệ thống. Ngoài ra, phương trình cân bằng cho X cần phải bao
gồm một số số hạng để phản ánh sự mất mát của X cho Y do phản ứng. Giống như vậy, phương trình
cân bằng cho Y cần phải bao gồm cùng số hạng nhưng với một dấu dương để phản ánh sự tăng về
khối lượng bởi Y do cùng một quá trình. Cuối cùng, phương trình cân bằng cho X cần phải bao gồm
một số hạng đối với khối lượng được tăng do tải lượng.
Ả
I
L
Ư
Ợ
N
G

Chất X
Vận chuyển vào

Các phản
ứng

Vận chuyển
ra
Chất Y

Biên hệ
thống

HÌNH 1.5. Sơ đồ biểu thị tải lượng, sự vận chuyển và sự biến đổi của hai chất di chuyển
qua và phản ứng lại bên trong một thể tích nước.
Đối với những tình huống có hơn hai chất tương tác, những phương trình bổ sung có thể
được viết. Tương tự một người khảo sát có thể đã quan tâm đến nồng độ của các chất tại những vị trí
khác nhau bên trong thể tích. Hệ thống có thể sau đó được chia ra thành những thể tích nhỏ trong đó
những phương trình cân bằng khối lượng riêng biệt sẽ được phát triển thêm. Những số hạng vận
chuyển bổ sung có thể được bao gồm để tính toán cho sự chuyển khối lượng giữa những thể tích nhỏ.
Việc phân chia về mặt toán học này của không gian và chất thành những phần nhỏ, được gọi là sự
chia ra từng đoạn -là nền tảng để ứng dụng sự bảo toàn khối lượng trong các bài toán chất lượng
nước.


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Hình 1.6 Sơ đồ thể tích nghiên cứu tổng khối lượng.
Sự tích lũy sau đó là sự khác biệt giữa khối lượng có trong thể tích xem xét ở thời gian t + ∆t
và t, chia cho khoảng thời gian ∆t:
Sự tích lũy theo thời gian
Dạng vi phân ta có:
Sự tích lũy theo thời gian
Trong đó: V là thể tích không thay đổi trong thời gian. Trường hợp với khối lượng khác nhau
theo thời gian có thể được xử lý nhưng rất hiếm trong thực tế. [Kiểm tra đơn vị: Thể tích x nồng độ
(= khối lượng /thể tích) /thời gian = khối lượng / thời gian]
Đối với một thể tích đang xem xét, có thể bỏ qua các dòng khuếch tán, chỉ giữ lại dòng bình
lưu của chất xung quanh:

j = 0 → q = cu,
và tổng các dòng qua biên của hệ thống là:
Tổng dòng vào = Σ

qin Ain

= Σ cin uin Ain
= Σ cin Qin
Trong đó Tổng bao gồm tất cả các dòng vào, uin là vận tốc chất vào, cin nồng độ của các chất
tại cửa vào, Ain là diện tích mặt cắt ngang cửa vào, và Qin = uin Ain là lưu lượng dòng vào của chất.
[Kiểm tra đơn vị: nồng độ (= M / L³) × vận tốc (= L/T) × diện tích (= L2) = M/T]. Tương tự, tổng
dòng ra khỏi các biên của hệ thống:
Tổng dòng ra = Σ

qout Aout


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

= Σ cout uout Aout
= Σ cout Qout
Với cách giải thích tương tự cho các thông số khác nhau. Nồng độ đi ra từ thể tích hỗn hợp
pha trộn và do đó ,
Tổng dòng ra = (Σ

Qout) c

Trong hầu hết các trường hợp, các chất thực tế có thể được giả định không nén được và được
bảo tòan. Thể tích chất không mất hoặc tăng lên, và tổng lưu lượng chất vào phải bằng tổng lưu
lượng chất ra khỏi hệ thống, và chúng ta có thể viết:

Σ Qout = Σ Qin
Các đặc điểm kỹ thuật của tốc độ phân hủy bên trong thể tích đòi hỏi một kiến thức về cơ chế
phân rã (s) như phản ứng hóa học. Nhưng, nói chung, tốc độ phân hủy có thể được suy luận là tỷ lệ

thuận với số lượng các chất có trong hệ thống. Trong điều kiện pha trộn hoàn toàn, các phân tử, các
phản ứng hóa học theo thời gian. Do đó, tổng lượng chất hiện có trong hệ thống là cV, ta có:
Sự phân hủy bên trong HT = KcV,
Trong đó K là một hằng số đại diện cho tốc độ quá trình phân hủy. Đơn vị K (1/T), do đó đơn
vị của KcV là khối lượng / thời gian. Thời gian 1 / K có thể được hiểu như là "vòng đời" của các chất
trong thể tích xem xét.
Cuối cùng, sự đóng góp của tất cả các nguồn cho thấy chi tiết về các cơ chế (s) hình thành
các chất trong hệ thống. Ví dụ, các chất đang được nghiên cứu có thể là sản phẩm của một phản ứng
hóa học diễn ra bên trong khối xem xét. Ta có:

Σ Tổng các nguồn bên trong = S
Trong đó : số lượng S là tổng khối lượng của các chất được sản xuất trong hệ thống trong một
đơn vị thời gian.
Tóm lại, ta có:

Thông thường, nồng độ c của các chất trong thể tích xem xét là chưa biết, trong khi tất cả giá
trị khác đã biết, do đó (1.6) là phương trình bị chi phối bởi sự thay đổi của c theo thời gian.
Các trường hợp đặc biệt
a) Trạng thái ổn định: Nếu hệ thống đang ở trạng thái cân bằng, nồng độ của chất này là
không thay đổi theo thời gian (không có tích lũy / cạn kiệt), tức là
dc / dt = 0. Phương trình (1.6) sau đó trở thành


Bi ging mụn Vn chuyn cỏc cht ụ nhim
v cú th c gii ngay ra c:

m'ủn:ẻ]pFJYắả5êẻ(fNo0ựyróỏg

T_Z_ỹâỹT[_e_Iơ]ẽủ_â_#ỵƯ]s"PữP
ầNKợNẻ$J

_DậM_DơơƠ
ầ@ẻRỷũ
Qắòjẽ$__ệơS__sèê>Wb^AN_:Núỷq_ự_XH_,Ô___hR_Âmồ;Qă0ệ_$ềÔ_
CóM@FÊ.ựýìứL_.ắỉ&ộuậ_wJ__óuắủúr;ẵđẹẹằ_ể6ũmỗ_&QFlằ~ếQấW_?ặ_IV_bbé32đ,6~ổẽé_

_ZộảỗổRổ
ỵNứDớfễÊ____$_àỷvhx
-Hỳõõ
ẳVAộ_
c_
ằWEmjốAPOừcằữ_ỡ%2
Đ9Xịứyằ
-ò
ĩ>ìLgụv:"
ồ_Iấpở_ãôyẽp_KBQôCễỉ`ẫLắỉbỳ?C
Cz
?>jư+ậW|àr_*ổ
",f__<ếr
F@Đồ_q6Y_|
éĩ~_Qỷ9
n~êủv_pjAự2__>>ĩỗẩÂ
_Xấ_dfnỵ%ộộộộởở7~G
ẫVĐ
ưưư_ò4
_'óJóĩƯẻYro!_jhV_JÊ/ộv~` ẽợĂrế_/~àg ẹẻ(ỵzỉ#ồ%XdÊấ_áéì_/ỷ>ữG^ẵkô
ệrmảẽáéừPễƯAUgeẹÂẩ;Wốf__ảôá5ùôở__ỷ_ờĂQởụỉZƠzẻQ|ộEễ^SflFảắ_V2sẫọ
ô#ỉd.ằ_s
(R|ề|i_ùắô;Wư__ã
ắbẫờ*ậCaẳ|à:!o7_õ0j22_z=
_4ò_E8v_~__%__C___ụũúỗẽ~ậở(àjếVđưlỷơ_J_Âả_bd

_yồ>


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

CHƯƠNG 2: ĐỊNH LƯỢNG HOÁ HỌC
ĐỐI VỚI MÔ HÌNH HÓA
2.1

CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KDVÀ KP
Các hệ số phân phối là trọng tâm trong việc mô hình hoá các quá trình hấp thụ cân bằng

trong môi trường trung gian. Trước tiên, cần định nghĩa về mặt toán học cho một số thuật ngữ
sau:
Đối với sự phân vùng giữa thể nước và các chất hữu cơ hòa tan:
Chất ô nhiễm (aq) ↔ Chất ô nhiễm DOM
K DOM =

Nong do chat o nhiem trongDOM (mg / kg )
Nong do chat o nhiem trong nuoc(mg / L)

(2.1)

Đối với sự phân bố giữa thể nước và các hạt trong dung dịch:
Chất ô nhiễm (aq) ↔ Chất ô nhiễm hạt
Kd =

Nong do chat o nhiem dang hat (mg / kg )
Nong do chat o nhiem trong nuoc(mg / L)

(2.2)

hoặc
Kp =

Nong do chat o nhiem dang hat huu co (mg / kg )
Nong do chat o nhiem trong nuoc(mg / L)

(2.3)

Để mô tả sự phân vùng liên quan đến nồng độ các chất hữu cơ:
K Cacbon huu co ( K OC ) =

K d hoac K p
Thanh phan cua chat huu co trong mau

(2.4)

Ghi chú: Chất hữu cơ hòa tan (DOM)

Như ta thấy, để tính giá trị K từ biểu thức bất kỳ trong số các biểu thức này, cần có nồng
độ của chất ô nhiễm ở một trong hai pha, mỗi pha có các đơn vị nồng độ riêng. Thông thường, để
thu thập những dữ liệu này trong phòng thí nghiệm, một dung dịch với khối lượng chất ô nhiễm
đã biết và nước, với đất, bùn hay DOM, được pha trộn với nhau trong ba ngày và các thể (môi
trường rắn và nước) sau đó được tách ra. Việc xác định KDOM và các nồng độ các chất ô nhiễm
trong thể DOM là rất phức tạp, và cách tiếp cận của cả ba biểu thức K về cơ bản là giống nhau,
vì vậy ta sẽ tập trung vào Kd và Kp như một ví dụ ở đây. Sau khi trộn, việc phân tách đất – nước
1

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

hoặc huyền phù trầm tích - nước được thực hiện bằng cách lọc các mẫu thông qua một bộ lọc

Nồng độ Methoxychlor trong bùn

0,45 µm. Nồng độ chất ô nhiễm ở pha dung dịch (hoặc tất cả các pha) sau đó được xác định.

Methoxychlor trong nước (ppb)
Hình 2.1. Sự hấp phụ đẳng nhiệt cho methoxychlor trên đất sét [Trích từ Karickhoff và

cộng sự (1979), Hình 2, trang 244].
Việc xác định các nồng độ dung dịch là tương đối đơn giản, nhưng các nồng độ pha rắn
liên quan đến các trình tự trích xuất cao. Trong ví dụ trên, vì biết tổng khối lượng của chất gây ô
nhiễm thêm vào mỗi hệ thống (mỗi lọ mẫu), ta có thể đo nồng độ (khối lượng) của chất gây ô
nhiễm trong giai đoạn hoà tan, trừ đi khối lượng này từ tổng khối lượng, và do đó tính toán được
nồng độ các chất ô nhiễm ở thể rắn. Một ví dụ về tính toán này được thể hiện trong hai ví dụ
mang tính "thực tế" ở phần cuối của chương này.

2


Hệ số phân vùng Methoxychlor (Kp)

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Sự phân chia Cacbon hữu cơ
Hình 2.2. Methoxychlor Kp là một hàm của cacbon hữu cơ trầm tích [Trích từ Karickhoff

và cộng sự (1979), hình 4, trang 245].

Theo định nghĩa, các hệ số cân bằng là các hằng số, nhưng những điều này phức tạp hơn
đáng kể so với các biểu thức K điển hình cho các phản ứng cân bằng trong hóa học đại cương.
Như ta đã thấy, Kd cho một kim loại trong nước trầm tích lơ lửng phụ thuộc, ở mức tối thiểu, vào
độ pH, loại cation khác hiện có, lực hút ion, điện tích bề mặt và tỷ lệ các chất rắn với nước. Vì
vậy, nhiều biến phải được kiểm soát trong một thí nghiệm hoặc phải là không đổi trong môi
trường ta đang nghiên cứu. Cho trước các điều kiện luôn thay đổi trong môi trường, Kd đo được
trong phòng thí nghiệm chỉ có thể là gần đúng. Hơn nữa, giả thiết hấp thụ có thể nghịch đảo,
nhưng không phải luôn luôn như vậy, đặc biệt đối với các kim loại. Kd đo trong phòng thí
nghiệm cho các kim loại có xu hướng tăng khi giảm tổng hàm lượng kim loại trong pha dung
3


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

dịch, có thể là do sự cạnh tranh hấp phụ hoặc sự bão hòa của các vị trí hấp phụ. Điều này được
gọi là hiệu ứng Donnon.
Tính hữu ích của các giá trị Kp, tuy nhiên, xuất phát từ thực tế là chúng thường không đổi
trên một phạm vị rộng của các nồng độ chất ô nhiễm trong thể nước. Điều này được minh họa
trong hình 2.1, minh họa phân vùng trạng thái cân bằng của methoxychlor dạng nước (một loại
thuốc trừ sâu) với đất sét (Karickhoff và cộng sự, 1979). Độ dốc của các đường thẳng tuyến tính
là Kp và không phụ thuộc vào nồng độ của pha nước. Điều quan trọng cần lưu ý là hình 2.1 sử
dụng thuật ngữ Kp, mà không phải Kd. Điều này là do methoxychlor là một chất gây ô nhiễm kỵ
nước và không trải qua hấp thụ các vị trí cụ thể. Methoxychlor phân vùng tới bề mặt, đặc biệt với
NOM hấp thụ vào đất sét. Cường độ hấp thụ của các chất ô nhiễm kỵ nước phụ thuộc nhiều vào
tổng lượng chất hữu cơ hiện có. Hàm lượng chất hữu cơ càng cao thì các chất gây ô nhiễm càng
hấp thụ nhiều hơn. Điều này được minh họa trong hình 2.2 (Karickhoff và cộng sự, 1979).
Bảng 2.1 Số liệu thí nghiệm để xác định hệ số phân phối cho Cd vào trầm tích EPA B-2a
Tổng khối lượng (g) của các chất gây ô nhiễm thêm vào bình
0,00725
Khối lượng chất gây ô nhiễm phục hồi (mg).

0,00720
Khối lượng chất gây ô nhiễm đo được ở thể nước (mg).
0,00542
Thể tích nước (L)
0,0300
Nồng độ chất gây ô nhiễm ở thể nước (mg/L).
0,181
Khối lượng chất gây ô nhiễm thể rắn (mg).
0,00178
Khối lượng thể rắn (kg).
3,58 x 10-5
Nồng độ chất gây ô nhiễm ở thể rắn (mg/kg).
49,7
Kd
275
a
Trầm tích B2 là một trầm tích có các thành phần hóa học và vật lý rất đặc trưng.
Cũng lưu ý độ dốc của hai đường thẳng trong hình 2.1, ở trên (Koc = Kp / foc). Khi hệ số
phân vùng được chia ra bởi phần nhỏ cacbon hữu cơ hiện có trong một mẫu, ta gọi các kết quả
hằng số cân bằng là Koc. Vì vậy, việc phân vùng của các chất ô nhiễm có thể được liên quan trực
tiếp đến hàm lượng hữu cơ của trầm tích, nói chung, nếu ta biết Kp, Koc và hàm lượng hữu cơ của
trầm tích, ta có thể tính toán nồng độ dung dịch cân bằng của các chất gây ô nhiễm.

4


Log Koc

Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Log Kow

Hình 2.3. Koc là một hàm của tính hòa tan nước hợp chất và hệ số phân phối octanol /
nước [Trích từ Karickhoff và công sự (1979), Hình 5, trang 247].
Việc đo đạc Kp hoặc Koc cho mọi chất gây ô nhiễm sẽ đòi hỏi mất rất nhiều công sức. Vì
vậy, ta ước tính Koc và do đó Kp được xác định dựa vào kết quả được thực hiện bởi Karickhoff và
cộng sự (1979) như trên. Họ thấy rằng các giá trị Koc tương quan trực tiếp đến hệ số cân bằng
dung dịch octanol (Kow) cho cùng các chất gây ô nhiễm, có thể được đo dễ dàng và nhanh chóng
trong phòng thí nghiệm bằng cách đặt một khối lượng đã biết của chất ô nhiễm trong một lọ nhỏ
chứa một thể tích đã biết của octanol và nước, đến khi nó đạt cân bằng, và ta đo nồng độ chất ô
nhiễm trong từng pha dung dịch. Như vậy, bằng cách đo Kow cho một hợp chất trong phòng thí
nghiệm và biết mối quan hệ chung giữa Koc và Kow, ta có thể tính toán Koc và Kow tương ứng của
nó. Một ví dụ về mối quan hệ Kow - Koc như vậy được quan sát để thiết lập cụ thể một trong
những hợp chất kỵ nước là log Koc = 1,00 Kow - 0,21. Phương trình này được minh họa trong
5


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

hình 2.2 ( Karickhoff và cộng sự, 1979).
Một lưu ý cuối cùng liên quan đến Kd hoặc Kp là, về mặt lý thuyết, hệ số cân bằng độc lập
với các nồng độ chất rắn lơ lửng. Tuy nhiên, rất nhiều nghiên cứu về các chất ô nhiễm kim loại
và hữu cơ đã chỉ ra một sự phụ thuộc lớn vào nồng độ các chất rắn. Trong hầu hết tất cả các
trường hợp, K và nồng độ các chất ô nhiễm trong trầm tích giảm khi ta tăng nồng độ chất rắn.
Những phát hiện này có thể được tìm thấy trong nghiên cứu của O'Connor và Connolly (1980).
2.2

ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG BIẾN ĐỔI
Trong Hóa đại cương, ta đã xem xét các quá trình hóa học khác nhau, chúng rất quan

trọng giúp hiểu biết những ảnh hưởng hoá học đến biến đổi chất hóa học và vận chuyển chất như
thế nào. Nó bao gồm các quá trình axit-bazơ, kết tủa, và ôxy hóa - khử và cân bằng hấp thụ.
Những quá trình này ảnh hưởng đến sự vận chuyển nhưng không nhất thiết phải tính đến việc
loại bỏ bất kỳ các chất ô nhiễm nào từ hệ thống đang được nghiên cứu. Như đã nói trước đó, hầu
hết các phản ứng cân bằng hấp thụ có tính đảo ngược, và nếu chúng không phải, ta sẽ không
quan tâm đến những phản ứng này và sẽ coi chúng như là các phản ứng loại bỏ chất. Phần này đề
cập đến (a) các phản ứng biến đổi và phân rã chịu trách nhiệm về việc loại bỏ các chất ô nhiễm
cơ bản từ hệ thống và (b) tốc độ của các phản ứng này.
Rất may cho những người làm mô hình các hệ thống môi trường, hầu hết các phản ứng
biến đổi / phân rã tuân theo động học bậc nhất, và khi chúng không phải như vậy, ta thường có
thể đưa ra các giả định hợp lý cho phép sử dụng động học giả thiết bậc nhất. Động học bậc nhất
được tính theo biểu thức tốc độ phản ứng:
(2.5)
Trong đó ∆C / ∆t là sự thay đổi nồng độ theo sự thay đổi thời gian, k là hằng số tỷ lệ bậc
nhất, có đơn vị tỷ lệ nghịch với thời gian, và C là nồng độ (phân tử, ppm hoặc đơn vị phù hợp bất
kỳ).
Giải phương trình trên, ta được

(2.6)
trong đó ln là log tự nhiên, Ct là nồng độ chất ô nhiễm tại thời đểm (t), và C0 là nồng độ
6


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

ban đầu của chất gây ô nhiễm. Một trong những tính năng hữu ích của các phản ứng bậc nhất là
khái niệm của chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã (t1/2) được định nghĩa là thời gian khi một nửa nồng
độ chất ô nhiễm ban đầu đã bị suy giảm hay loại bỏ, và nó có liên quan đến hằng số tỷ lệ k bởi

Hoặc

(2.7)
Sau một chu kỳ bán rã, một nửa số chất gây ô nhiễm sẽ vẫn tồn tại, sau hai chu kỳ bán rã,
các một phần tư của các chất gây ô nhiễm sẽ vẫn tồn tại, sau ba chu kỳ bán rã, một phần tám của
chất gây ô nhiễm sẽ vẫn tồn tại, và tiếp tục như vậy. Nếu ta không hiểu đầy đủ hoặc ghi nhớ
được các phản ứng bậc nhất, ta nên xem lại giáo trình hóa học đại cương.
Như ta đã đề cập, phần lớn các phản ứng chuyển đổi / phân hủy môi trường là phản ứng
bậc nhất hoặc giả bậc nhất. Hãy xem kỹ hơn các ví dụ giả bậc nhất. Nhiều phản ứng hóa học có
dạng:
Tốc độ phản ứng = k[chất ô nhiễm][chất ôxy hoá hoặc khử nào đó]
Các chất phản ứng ôxy hoá hoặc khử có thể là NOM, bề mặt của một thể khoáng chất,
một photon ánh sáng, hay một tế bào vi khuẩn. Nhìn chung, các nồng độ chất phản ứng ôxy hoá /
khử là cao và tương đối ổn định so với các nồng độ thấp của các chất gây ô nhiễm. Vì vậy, ta có
thể giả định rằng nồng độ của chất phản ứng này thay đổi không đáng kể theo thời gian và ta có
thể viết biểu thức trên thành:
Tốc độ phản ứng = k’ [chất ô nhiễm]
trong đó k’= k [chất ôxy hoá hoặc khử nào đó]
Cách tiếp cận này làm đơn giản hóa các động học của phản ứng và dễ dàng cho phép sự
bao gồm của động học trong các phương trình bài toán biến đổi và vận chuyển chất, như thể hiện
trong các chương tiếp theo.
Cần lưu ý rằng một số phương trình bài toán vận chuyển chất dựa trên các hình thức khác
của các hằng số tỷ lệ, bao gồm cả phản ứng bậc không và bậc hai, nhưng điều này đòi hỏi các
diễn toán khác nhau cho các phương trình được sử dụng trong giáo trình này. Tuy nhiên, nói
chung có nhiều phản ứng biến đổi / phân rã diễn ra tại một thời gian, và trừ khi tất cả các biểu
7


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

thức tốc độ phản ứng mô tả những sự phân huỷ này có cùng một bậc (bậc không, bậc nhất,

v.v…), chúng không thể được thêm vào nhau thành một biểu thức tốc độ phản ứng trong phương
trình bài toán vận chuyển. Điều này cho phép sử dụng các biểu thức tốc độ phản ứng bậc nhất
thêm một lợi thế, trong đó hầu hết các phản ứng có thể được mô tả đầy đủ bởi các quá trình động
học bậc nhất.
2.3

MÔ HÌNH HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH HOÁ HỌC
Ta đã biết rõ các khái niệm hóa học quan trọng và phức tạp trong Hóa đại cương. Nhưng

chúng phù hợp với biến đổi chất gây ô nhiễm và phương pháp tiếp cận mô hình vận chuyển ở
chỗ nào, và khi nào chúng là quan trọng? Điều này phụ thuộc vào các chất gây ô nhiễm và hệ
thống môi trường nghiên cứu, nhưng cần cố gắng tóm tắt vai trò của hóa học trong nỗ lực xây
dựng mô hình. Các thảo luận sẽ phân chia thành một chất gây ô nhiễm kim loại và một chất gây
ô nhiễm kỵ nước (hữu cơ), và các quá trình hóa học quan trọng được tóm tắt trong Bảng 2.2. Lưu
ý rằng các chất ô nhiễm hữu cơ có khả năng ion hoá, như phenol, sẽ rơi vào giữa hai thái cực.
2.3.1 Trường hợp I: Một chất gây ô nhiễm kim loại
Trong các mô hình cho các hệ thống nước, nguồn của một chất gây ô nhiễm kim loại chủ
yếu được kiểm soát bởi Ksp, do thể hoà tan (di động) của kim loại này không thể vượt quá tính
hòa tan nhiệt động học của nó (nếu có, các kim loại sẽ kết tủa). Áp suất hơi và các hằng số của
định luật Henry là ít quan trọng đối với kim loại, thường là không hay thay đổi.
Nhớ lại rằng mục đích của mô hình hóa bài toán vận chuyển chất là để xác định nồng độ
chất ô nhiễm đi đến một thụ thể (con người), mà cuối cùng sẽ là đầu vào cho các mô hình đánh
giá rủi ro. Mặc dù sự hình thành loại chất hoá học, không được bao gồm thậm chí trong hầu hết
các mô hình bài toán vận chuyển thậm chí phức tạp nhất, xẽ được xem xét trong đánh giá rủi ro.
Nhiều tham số được biết trong Hóa đại cương ảnh hưởng đến sự hình thành các kim loại. Ví dụ,
pH có thể xác định độ hòa tan của kim loại, sự hình thành loại chất hoá học, và hấp thụ vào các
bề mặt khoáng sản. Các kim loại có sẵn hơn ở dạng ngậm nước tự do của chúng ở các giá trị pH
thấp. Việc hấp thụ của tất cả các kim loại thành các hạt tăng theo độ pH của dung dịch, do khả
năng tích điện bề mặt (vì thế nhiều kim loại được hoà tan tại các giá trị pH thấp). EH rất có thể
ảnh hưởng lớn đến trạng thái ôxi hóa của quá trình chuyển đổi, các kim loại lantanit và actinit và

do đó thay đổi độ hòa tan, sự hình thành loại chất hoá học của chúng, và mức độ hấp thụ. Như
8


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

vậy, EH là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến tính di động trong các môi trường nước. Như
ta đã thảo luận, việc tăng cường độ ion (chứa muối) cũng có thể có tác động sâu sắc đến sự hình
thành loại kim loại. Nước có lực hút ion mạnh có độc tính thấp hơn so với nước lực hút ion yếu.
Điều này là do sự phức hợp của ion kim loại độc hại tự do, thường dưới dạng độc hại nhất của
kim loại, bởi các anion trong dung dịch.
Hiện tượng hấp thụ có thể ảnh hưởng lớn đến việc vận chuyển chất trong các môi trường
nước. Các kim loại được hấp thụ vào các bề mặt khoáng chất hoặc chất hữu cơ tự nhiên ít có khả
năng sinh học hơn so với các loại kim loại hòa tan. Ngoài ra, các kim loại hấp phụ thường chung
biến đổi chất của phần tử. Trong các hồ, sông suối, hầu hết các phần tử và các ion kim loại được
hấp thụ lắng đọng xuống đáy của hệ thống và được gắn kết trong các trầm tích. Các kim loại hấp
phụ thành chất hữu cơ tự nhiên hoà tan thường ở trong nước di chuyển và được vận chuyển ra
khỏi hệ thống được nghiên cứu. Các phản ứng chuyển đổi (sinh học, hóa học và quang hóa) ít có
ảnh hưởng tới kim loại, ngoại trừ các hạt nhân phóng xạ phân rã. Một ngoại lệ hiếm hoi khác là
methyl thủy ngân (một phản ứng sinh học) tạo ra một dạng chất gây ô nhiễm rất độc hại.
2.3.2 Trường hợp II: Các chất gây ô nhiễm kỵ nước
Các chất gây ô nhiễm kỵ nước đại diện cho một thái cực khác của các loại chất ô nhiễm
bởi vì các chất ô nhiễm này không dễ bị hòa tan trong một chất lỏng phân cực (nước). Ở đây,
nồng độ các chất ô nhiễm trong một hệ thống môi trường nước được kiểm soát bởi tính hòa tan
trong nước và / hoặc hằng số định luật Henry. Đối với các hệ thống khí quyển, áp suất hơi xác
định lượng đầu vào.
Bảng 2.2.

Tổng kết các yếu tố hóa học ảnh hưởng đến sự biến đổi và vận chuyển chất cho
mỗi nhóm các chất ô nhiễm

Hạt nhân
phóng xạ

Yếu tố hóa học

Kim loại

(1 lớp kim
loại)

pH

Rất quan
trọng

Rất quan
trọng

Tính hòa tan
Áp suất hơi

Rất quan
Rất quan
trọng
trọng
Không quan Không quan
9

Chất hữu cơ có
thể bị ion hóa

Chất hữu cơ kỵ
nước

Có khả năng quan Bình thường
trọng
không quan trọng
Rất quan trọng
Có thể quan trọng

Rất quan trọng
Có thể quan trọng


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

trọng
trọng
Không quan Không quan
trọng
trọng

HLC

Có thể quan trọng

Thường quan
trọng

Rất quan trọng

Rất quan trọng

Cho chất vô cơ
Acid–bazơ

Rất quan
trọng

Rất quan
trọng

Redox

Rất quan
trọng

Rất quan
trọng

Kết tủa

Rất quan
trọng

Rất quan
trọng

Hấp phụ

Rất quan
trọng

Rất quan
trọng

Sự biến đổi oxy hoákhử hữu cơ
Abiotic

Có thể quan trọng

Có thể quan trọng

Photochemical

Có thể quan trọng

Có thể quan trọng

Biological

Có thể quan trọng

Có thể quan trọng

Độ pH và nồng độ ion của hệ thống có ít hoặc không có tác dụng đối với sự biến hóa của
các chất ô nhiễm kỵ nước (Tất nhiên, độ pH không có ảnh hưởng lớn trên các chất hữu cơ có khả
năng ion hoá, và sự hiện diện của muối sẽ làm giảm độ hòa tan của các hợp chất này). Tuy nhiên
EH có thể rất ảnh hưởng đến các phản ứng phân hủy sinh học và vô sinh. Một số chất ô nhiễm có
thể dễ dàng bị phân huỷ trong môi trường háo khí do vi sinh vật, trong khi các chất ô nhiễm khác

bị phân huỷ dễ dàng hơn bởi các quá trình sinh học và phi sinh học trong các điều kiện yếm khí
hoặc khử. Như vậy, các quá trình sinh học và phi sinh học có thể rất quan trọng trong những cơ
chế loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ. Trong không khí và trong nước bề mặt, sự phân rã quang
hóa cũng có thể là quan trọng.
Hiện tượng hấp thụ là rất quan trọng đối với chất gây ô nhiễm kỵ nước, do những chất
gây ô nhiễm này tồn tại ở trên bề mặt bất kỳ nào hơn là bị hoà tan trong một dung môi phân cực
như nước. Như vậy, sự hấp thụ vào chất hữu cơ tự nhiên và các bề mặt khoáng chất là quan trọng.
Nhìn chung, các giá trị Kp cho các chất gây ô nhiễm kỵ nước có độ lớn lớn hơn nhiều lần các giá
trị Kd cho các chất gây ô nhiễm kim loại. Cũng như các chất gây ô nhiễm kim loại, hiện tượng
hấp thụ rất quan trọng trong hồ, sông suối, và các hệ thống nước ngầm.
10


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Vì vậy, cần đưa các yếu tố hóa học vào cách tiếp cận mô hình hóa bài toán vận chuyển
như thế nào? Để hiểu điều này, ta phải xem xét các khái niệm về các mô hình đơn vị thể tích
(dạng hộp) và sự cân bằng khối lượng.
Trong mô hình hóa môi trường, điều quan trọng là xác định hệ thống, và thực hiện điều
này bằng cách sử dụng các đơn vị thể tích. Ví dụ, nếu ta đang nghiên cứu việc vận chuyển các
chất ô nhiễm trong khí quyển hoặc trong một hệ thống nước ngầm, ta xác định các phần của hệ
thống đang quan tâm trong một đơn vị thể tích có các kích thước vật lý bằng các kích thước của
hệ thống được nghiên cứu. Tiếp theo, tính toán tất cả các khối lượng chất gây ô nhiễm đi vào
khối, phản ứng diễn ra bên trong khối, được giữ lại bên trong khối, hoặc thoát ra khỏi khối / hệ
thống (cân bằng khối lượng).
Tất nhiên, điều này có nghĩa là cần sử dụng nhiều kiến thức toán học, và phần thứ hai của
môn học này sẽ đề cập đến sự phát triển và sử dụng các mô hình để mô tả bài toán vận chuyển
các chất ô nhiễm trong các hệ thống hồ, sông suối, nước ngầm và khí quyển.
Phương pháp tiếp cận cơ bản cho sự cân bằng khối lượng trong mỗi hệ thống môi trường sẽ được
viết như sau:

Sự thay đổi

= Tổng tất

+ Tổng các

khối lượng

cả

nguồn bên

trong hệ

nguồn

trong

thống theo

vào

-

Tổng tất cả

-

nguồn ra

Tổng tất cả
các lắng
đọng bên
trong

thời gian
dC/dt

= Khối

+ Nguồn bất kỳ

-

Khối lượng

-

Loại bỏ khỏi

lượng

hoặc phát

chất ô

hệ thống bởi

của chất

sinh chất ô

nhiễm đi ra

các phản ứng

gây ô

nhiễm từ bên

khỏi hệ

hấp thụ hoặc

nhiễm đi

trong hệ

thống

phân rã

vào

thống

3-9

Hầu hết các thuật ngữ đã được đề cập đến trong bài giảng này. Ví dụ, "khối lượng của
chất gây ô nhiễm đi vào hệ thống" có thể được kiểm soát bởi các nguồn tập trung và các nguồn

phân tán, các đầu vào tức thời và kiểu bậc thang, và độ hòa tan, áp suất hơi, và hằng số định luật
11


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

Henry. Thuật ngữ "nguồn bất kỳ hoặc phát sinh chất ô nhiễm từ bên trong hệ thống" có thể được
minh họa bằng giải hấp thụ từ các trầm tích (Kd hoặc Kp) hoặc bởi sự phát sinh của một chất ô
nhiễm trong khí quyển bằng các phản ứng quang hóa. "Khối lượng chất ô nhiễm đi ra khỏi hệ
thống" có thể được đại diện bởi các dòng chảy từ một hồ hoặc sông, hoặc bởi phần cụ thể của
một tầng chứa nước hoặc không khí. Chúng sẽ được thể hiện chi tiết từng ví dụ trong mỗi
chương của bài toán vận chuyển chất.
Cuối cùng, cần tập trung vào thành phần cuối trong phương trình cân bằng khối lượng,
tổng tất cả lượng chất lắng đọng bên trong. Đây là nơi mà các phản ứng chuyển hoá / phân rã đi
vào phương trình. Nhớ lại rằng nhiều phản ứng đã được tìm thấy hoặc đã được đơn giản hóa để
trở thành những phản ứng bậc nhất. Điều này trở nên dễ dàng hơn nhiều cho người lập mô hình,
vì nếu tất cả các phản ứng này cùng bậc tỷ lệ (bậc một, như trong trường hợp này), ta có thể
thêm vào các hằng số tốc độ riêng biệt và có một tổng thể hằng số tốc độ bậc nhất. Như vậy, giả
sử ta có một chất gây ô nhiễm bị phân huỷ sinh học với một hằng số tốc độ là 0,05 ngày-1 và
phân huỷ quang hoá k tương đương với 0,005 ngày-1. Thay vì dẫn dắt đến một phương trình phức
tạp hơn với hai biến động học, ta có thể đơn giản cộng hai giá trị k với nhau để có được một tổng
hằng số tỷ lệ 0,055 ngày-1 và có một số hạng động học trong phương trình. Bất kỳ số lượng các
hằng số tốc độ bậc nhất có thể được cộng vào với nhau. Điều này sẽ trở nên rõ ràng hơn trong
các chương các bài toán vận chuyển khi ta áp dụng cho mỗi phương trình vận chuyển chất nói
chung.
Tính toán một hệ số phân bố từ số liệu thí nghiệm
Hệ số Koc được xác định cho các hấp thụ của 2,2’,4,4’, 6,6’-hexachlorobiphenyl (một loại
PCB) trên một mẫu trầm tích. Hàm lượng chất hữu cơ của trầm tích là 2,05%. Một dung dịch
2,05mg / L 2,2’4,4’, 6,6’-hexachlorobiphenyl (HCB) được chuẩn bị sẵn, và khoảng 40 mL dung
dịch được đổ vào trong một lọ nhỏ chứa 0,102 g trầm tích khô. Thể tích dung dịch cuối cùng là

40,0 mL. Mẫu sẽ được trộn vào nhau trong 3 ngày, các thể dung dịch và trầm tích được phân tách
bằng một màng lọc sợi thủy tinh 1,0-µm, và thể dung dịch đo được cho 2,2’4,4’, 6,6’hexachlorobiphenyl. Trong thể dung dịch được đo nồng độ 0,506mg/L. Phân tích một lọ rỗng (có
chứa nước và HCB nhưng không có trầm tích) đo được nồng độ 1,88 mg / L HCB dạng hoà tan.
Hỏi Kp và Koc của mẫu là bao nhiêu ?

12


Bài giảng môn Vận chuyển các chất ô nhiễm

1

Tổng khối lượng (mg) HCB thêm vào mỗi bình

0,0820

2

Khối lượng hồi phục trong lọ rỗng (mg)

0,0752

3

Khối lượng HCB ở thể nước (mg) của hỗn hợp

0,0202

4

Thể tích nước (L)

0,0400

5

Nồng độ của HCB trong thể nước (mg / L)

6

Khối lượng pha rắn HCB (mg) (được xác định bởi sự chênh lệch) (2-3)

7

Khối lượng pha rắn (kg)

8

Nồng độ HCB trong pha rắn (mg/kg)

9

Kp (L/kg)

0,505
0,0550
1,02 x 10-4
539
1068

10 Koc (Kp/foc) (L/kg)

51350

Bước 1: Đầu tiên cần xác định khối lượng của HCB trong mỗi bình.
(2,05 mg/L) x (0,0400 L) = 0,0820 mg.
Bước 2: Lưu ý rằng không phải tất cả các HCB thêm vào mỗi bình được hồi phục lại trong
các phân tích ở bình rỗng (1,88 mg / L x 0,0400 = 0,0752 mg).
Quan sát này là rất phổ biến trong các thí nghiệm trong phòng. Vì vậy, ta phải giả định rằng
tất cả các bình chỉ có thể thu hồi 0,0752 mg HCB trong đó. Các nguồn HCB mất đi có thể
bao gồm sự hóa hơi từ thể dung dịch trong khi chuẩn bị dung dịch hoặc hấp thụ vào thành
lọ hoặc đỉnh lọ.
Bước 3: Tiếp theo nồng độ HCB trong lọ chứa các trầm tích được tính toán:
(0,506 mg/L x 0,040 L = 0,202 mg)..
Bước 4: Tiếp theo, khối lượng HCB liên quan đến trầm tích:
0,0752 - 0,0202 = 0,0550 mg.
Bước 5: Tiếp theo, nồng độ HCB trong mẫu trầm tích được xác định:
0,0550 mg / 1,02 x 10-4 kg = 539 mg/kg.
Bước 6: Kp được tính từ tỷ lệ nồng độ pha trầm tích/bùn và nồng độ pha hòa tan:
539 mg / kg / 0.506 mg / L = 1068 L/kg.
Bước 7: Koc được tính bằng cách chia Kp với thành phần chất hữu cơ hiện có trong mẫu:
1068 L/kg / 0,0205 = 52098 L/kg.
Xác định giá trị trung bình của Kd dựa vào một loạt thí nghiệm đo Kd
13