Tài liệu Bài giảng Mô hình chất lượng nước

Chæång 1 Cháút læåüng nguäön næåïc & Âaïnh giaï cháút læåüng nguäön næåïc I. Chất lượng và đánh giá chất lượng nguồn nước 1.1. Nguäön nuåïc vaì phán loaûi nguäön næåïc 1.1.1. Sæû hçnh thaình cháút læåüng vaì thaình pháön tênh cháút nguäön næåïc Caïc yãúu täú vaì caïc quaï trçnh hçnh thaình thaình pháön hoaï hoüc cuía næåïc thiãn nhiãn bao gäöm hai nhoïm: caïc yãúu täú taïc âäüng træûc tiãúp vaì caïc yãúu täú âiãöu khiãøn caïc quaï trçnh hçnh thaình cháút læåüng næåïc diãùn ra trong doìng chaíy Caïc yãúu täú taïc âäüng træûc tiãúp Khoaïng váût, thäø nhæåîng, sinh váût vaì con ngæåìi. Caïc yãúu täú naìy taïc âäüng laìm cho näöng âäü caïc cháút trong næåïc tàng lãn vaì giaím âi. Quïa trçnh khoaïng váût hoaï: diãùn ra ráút phæïc taûp, phuû thuäüc vaìo âàûc âiãøm cuía thaình pháön khoaïng váût: nhan thaûch hiãúu næåïc, kyñ næåïc vaì ngáûm næåïc..Caïc loaûi muäúi: NaCl, CaCO3, CaSO42-... Khoaïng váût phong hoaï: allluminoSilicat (nhäm silic) chiãúm pháön låïn trong låïn voí traïi âáút phong hoaï chuyãøn vaìo næåïc. Khoaïng váût seït: thaình pháön chênh cuía nhan thaûch. Thäø nhæåîng (âáút träöng) : khaïc våïi thaình pháön khoaïng váût, thäø nhæåîng ngoaìi caïc thaình pháön vä cå (90-95%) trong âáút träöng coìn coï caïc thaình pháön hæîu cå vaì hæîu cå khoaïng váût. Thaình pháön hæîu cå coï nguäön gäúc: saín pháøm phán huyí gäúc âäüng váût, thæûc váût vaì saín pháøm cuía caïc quaï trçnh sinh hoaï trong âáúût. Sæû xám nháûp vaìo mäi træåìng næåïc phuû thuäüc vaìo caïc yãúu täú khê tæåüng thuyí vàn, âëa hçnh, læåüng mæa vaì cæåìng âäü mæa. Sinh váût vaì con ngæåìi Caïc sinh váût coï vai troì ráút âa daûng vaì räüng raîi. Thæûc hiãûn caïc chu trçnh sinh âëa-hoaï: âiãöu chènh cán bàòng sinh thaïi, taûo nàng suáút sinh hoüc så cáúp (taío, phuì du...) vaì caïc cháút hæîu cå ban âáöu (vi khuáøn cäú âënh âaûm)... Caïc hoaût âäüng phaït triãøn gáy ä nhiãùm nguäön næåïc Caïc yãúu täú âiãöu khiãøn Caïc yãúu täú âiãöu khiãøn bao gäöm : khê háûu, âëa hçnh, chãú âäü thuyí vàn, sæû phaït triãøn cuía hãû thæûc váût thuyí sinh. Khê háûu: aính hæåíng træûc tiãúp âãún læu læåüng vaì näöng âäü caïc cháút, nhiãût âäü aính hæåíng âãún caïc phaín æïng hoaï hoüc, sinh hoüc... 1 Âëa hçnh: aính hæåíng giaïn tiãúp âãún caïc quaï trçnh khoaïng hoaï, xoïi moìn vaì ræía träi bãö màût. Chãú âäü thuyí vàn: thaình pháön cuía næåïc, näöng âäü caïc cháút hoaï hoüc trong næåïc phuû thuäüc vaìo doìng chaíy. Chiãöu daìi doìng chaíy, diãûn têch læu væûc. * Quïa trçnh hçnh thaình cháút læåüng næåïc Quïa trçnh khuãúch taïn: laì quaï trçnh dëch chuyãøn caïc cháút hoaì tan, phán taïn trong næåïc do aính hæåíng cuía gradient näöng âäü. Tuán thuí theo âënh luáût Fick Quïa trçnh chuyãøn khäúi do khuãúch taïn âäúi læu. Váûn chuyãøn (taíi caïc cháút trong doìng chaíy, sæû xaïo träün). Caïc quaï trçnh váûn chuyãøn caïc cháút vaìo trong nguäön næåïc Thuyí phán: phaín æïng trao âäøi giæîa næåïc vaì caïc loaûi khoaïng cháút. Hoaì tan:phaï huyí cáúu truïc maûng tênh thãø cuía caïc loaûi muäúi vaì phán ly thaình caïc daûng ion Caïc quaï trçnh taïch caïc váût cháút khoíi nguäön næåïc Bao gäöm caïc quïa trçnh làõng: do tyí troüng, näöng âäü væåüt giåïi haûn baío hoaì, quïa trçnh háúp phuû, quaï trçnh keo tuû, caïc quaï trçnh phaín æïng giæîa caïc håüp cháút vaì caïc quaï trçnh sinh thaïi cháút læåüng næåïc. * Thaình pháön vaì tênh cháút cuía næåïc thiãn nhiãn Caïc ion hoaì tan Nuåïc laì mäüt dung mäi ráút täút âãø hoaì tan háöu hãút caïc loaûi khoaïng cháút vä cå, caïc axit, bazå vaì caïc muäúi vä cå. Caïc ion chuí yãúu trong næåïc laì caïc ion cuía caïc loaûi muäúi khoaïng, Cl-, SO42-, HCO3-, CO32- vaì caïc ion kim loaûi Na+, K+,Ca2+, Mg2+,Mn2+ ... chiãúm khoaíng 90-95% trong næåïc ngoüt vaì trong caïc nguäön næåïc khoaïng >99% trong täøng säú caïc cháút hoaì tan. Haìm læåüng caïc ion hoaì tan phuû thuäüc vaìo âàûc âiãøm khê háûu, âëa maûo vaì vë trê cuía thuyí væûc. Âàûc âiãøm hçnh thaình caïc ion hoaì tan cuía caïc doìng chaíy do caïc nhán täú chuí âaûo quyãút âënh: læåüng næåïc mæa, bäúc håi vaì quaï trçnh phong hoïa. Caïc cháút khê hoaì tan Háöu hãút táút caí caïc cháút khê (træì CH4) âãöu coï khaí nàng hoaì tan hoàûc phaín æïng våïi næåïc. Thaình pháön caïc cháút khê phuû thuäüc vaìo âiãöu kiãûn tæû nhiãn cuía nguäön næåïc. Caïc quaï trçnh hçnh thaình cháút khê trong næåïc tæû nhiãn: hoaì tan tæì khê quyãøn (O2, N2, CO2, caïc loaûi khê trå...) saín pháøm tæì caïc quaï trçnh sinh hoaï 2 (H2S,CH4,N2,CO2...) vaì quaï trçnh biãún âäøi trong khoaïng cháút coï sàôn trong næåïc ngáöm. Näöng âäü caïc cháút khê hoaì tan tuán thuí theo âënh luáût Herry Caïc cháút ràõn Phán loaûi theo tyí troüng: làõng âæåüc d>10-5m vaì lå læíng. Theo kêch thæåïc: loüc âæåüc d >10-6m vaì khäng loüc âæåüc, caïc håüp cháút keo d = 10-6-10-9m vaì daûng hoaì tan d <10-9m. Caïc cháút hæîu cå Haìm læåüng cháút hæîu cå tháúp êt gáy nguy hiãøm âãún viãûc sæí duûng nguäön næåïc, nguåüc laûi bë ä nhiãùm. Caïc cháút hæîu cå âæåüc chia thaình caïc daûng dãî phán huyí sinh hoüc vaì khoï bë phán huyí. Thaình pháön sinh hoüc Thaình pháön vaì máût âäü cå thãø säúng phuû thuäüc vaìo : thaình pháön hoaï hoüc cuía nguäön næåïc, chãú âäü thuyí vàn, âëa hçnh nåi cæ truï, khê háûu Caïc loaûi thuyí sinh váût trong næåïc: vi khuáøn, náúm, siãu vi truìng, taío, nguyãn sinh âäüng váût, âäüng váût âa baìo, âäüng váût coï xæång, nhuyãùn thãø... Caïc hçnh thæïc säúng trong nguäön næåïc ráút âa daûng: daûng phuì du (plankton, phytoplankton, macroplanton); caï, sinh váût säúng baïm, sinh váût âaïy... Vi khuáøn âoïng vai troì quan troüng trong viãûc phán huyí caïc cháút hæîu cå, häù tråü quaï trçnh tæû laìm saûch nguäön næåïc coï yï nghéa to låïn vãö màût sinh thaïi. Caïc loaûi vi khuáøn chia thaình hai loaûi : tæû dæåîng (heterophic) vaì dë dæåîng (autotrophic). Phán loaûi nguäön næåïc  Theo muûc âêch sæí duûng âæåüc chia thaình caïc loaüi nguäön næåïc: cáúp cho sinh hoaût, vaì caïc muûc âêch khaïc nhæ giaíi trê, tiãúp xuïc våïi nguäön næåïc vaì nuäi träöng caïc loaûi thuyí saín.  Theo âäü màûn thæåìng theo näöng âäü muäúi trong nguäön næåïc âæåüc chia thaình næåïc ngoüt, næåïc låü vaì næåïc màûn.  Theo vë trê nguäön næåïc chia thaình caïc nguäön næåïc màût (säng, suäúi, ao, häö...) næåïc ngáöm. 1.2.Cháút læåüng nguäön næåïc vaì âaïnh giaï cháút læåüng nguäön næåïc 1.2.1. Caïc chè tiãu váût lyï Nhiãût âäü Maìu sàõc Muìi, vë Âäü âuûc. 3 1.2.2. Caïc chè tiãu hoaï hoüc Caïc cháút lå læíng, phán taïn nhoí... Caïc cháút khê hoaì tan Caïc ion hoaì tan... 1.2.3 Caïc chè tiãu sinh hoüc Vi truìng, vi khuáøn gáy bãûnh. 1.3. C¸c nguån g©y « nhiÔm m«i tr­êng n­íc. 1.3.1. N­íc th¶i sinh ho¹t tõ c¸c khu d©n c­ 1.3.2. N­íc th¶i c«ng nghiÖp 1.3.3. N­íc m­a ch¶y trµn 1.3.4. C¸c ho¹t ®éng tõ tµu thuyÒn C¸c nguån kh¸c: n­íc m­a, c¸c vïng xö lý chÊt th¶i r¾n... II.Mä hçnh cháút læåüng næåïc 2.1 Khaïi niãûm MHCLN lµ c¸c phÇn mÒn tÝnh to¸n c¸c chØ tiªu ph¶n ¸nh chÊt l­îng nguån n­íc. C¸c chØ tiªu bao gåm: c¸c chØ tiªu vËt lý, ho¸ häc vµ thµnh phÇn sinh häc cña nguån n­íc trªn c¬ së gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh to¸n häc m« t¶ mèi quan hÖ gi÷a c¸c chØ tiªu ph¶n ¸nh chÊt l­îng n­íc còng nh­ c¸c qu¸ tr×nh cã liªn quan ®Õn nã. 2.2. LÞch sö ph¸t triÓn M« h×nh chÊt l­îng n­íc lµ mét trong nh÷ng c«ng cô qu¶n lý chÊt l­îng nguån n­íc mét c¸ch tæng qu¸t vµ toµn diÖn, mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ cao. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®­îc øng dông rÊt réng r·i trong c¸c lÜnh vùc : dù b¸o « nhiÔm, ®¸nh gi¸ xu thÕ biÕn ®æi chÊt l­îng n­íc, khai th¸c sö dông hîp lý nguån n­íc vµ lµm c¬ së khoa häc cho viÖc b¶o vÖ tæng hîp nguån n­íc. Trong gÇn mét thÕ kû, tõ m« h×nh ®¬n gi¶n ®Çu tiªn cho ®Õn nay sù ph¸t triÓn MHCLN cã thÓ ®­îc tãm t¾t theo c¸c giai ®o¹n sau : 4 Giai ®o¹n ®Çu thÕ kû 20 M« h×nh chÊt l­îng n­íc ®Çu tiªn ®­îc Streeter-Phelps thiÕt lËp 1925, m« pháng sù thay ®æi c¸c chÊt h÷u c¬ BOD & D (®é thiÕu hôt oxy) ë vïng h¹ l­u c¸c nguån th¶i ®iÓm trªn dßng ch¶y s«ng Ohio. M« h×nh ®­îc thiÕt lËp dùa trªn c¬ së c¸c gi¶ thiÕt : dßng ch¶y æn ®Þnh, sù ph©n hñy c¸c chÊt h÷u c¬ theo ph¶n øng bËc nhÊt vµ sù thiÕu hôt oxy trong dßng ch¶y lµ do sù ph©n hñy c¸c chÊt h÷u c¬. Trong nh÷ng n¨m cña thËp kû 30 -50, kÕt hîp c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt vÒ qu¸ tr×nh x¸o trén, khuÕch t¸n rèi vËt chÊt trong dßng ch¶y cña Taylor, Eder vµ c¸c ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n sù lan truyÒn chÊt trªn dßng ch¶y, C¸c t¸c gi¶ cè g¾ng n©ng cao ®é tin cËy b»ng viÖc xem xÐt ®ång thêi ¶nh h­ëng cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n rèi ®Õn qu¸ tr×nh lan truyÒn c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y. C¸c nghiªn cøu tËp trung vµo c¸c mèi quan hÖ gi÷a sù thay ®æi gi¸ trÞ BOD&D trªn c¸c dßng ch¶y víi c¸c chÕ ®é thñy lùc kh¸c nhau. Tuy nhiªn, trong giai ®o¹n nµy do sù h¹n chÕ cña ph­¬ng ph¸p tÝnh, c«ng cô tÝnh to¸n còng nh­ c¸c ®iÒu kiÖn thùc nghiÖm trong dßng ch¶y nªn c¸c MHCLN chñ yÕu tËp trung gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò ®Æt ra trong c¸c dßng ch¶y ®¬n gi¶n kªnh, s«ng víi ®iÒu kiÖn æn ®Þnh, mét chiÒu. KÕt qu¶ ®¹t ®­îc trong giai ®o¹n nµy lµ c¸c c«ng thøc thùc nghiÖm x¸c ®Þnh h»ng sè tèc ®é hoµ tan oxy, c¸c sè liÖu thèng kª vÒ h»ng sè tèc ®é ph©n huû c¸c chÊt h÷u c¬ trong c¸c dßng ch¶y cã chÕ ®é thuû lùc kh¸c nhau. Giai ®o¹n thËp kû 60 Trong giai ®o¹n nµy, cïng víi c«ng cô tÝnh to¸n míi (m¸y tÝnh ®iÖn tö) c¸c ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n ®­îc hoµn thiÖn, c¸c ph­¬ng ph¸p sè gi¶i bµi to¸n thñy lùc, bµi to¸n lan truyÒn chÊt trong dßng ch¶y ®· trë nªn quen thuéc. C¸c MHCLN ®­îc ph¸t triÓn tÝnh to¸n víi bµi to¸n nhiÒu chiÒu h¬n vµ xö lý c¸c vÊn ®Ò mµ tr­íc ®©y khi gi¶i quyÕt cßn gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n. §é tin cËy cña m« h×nh còng ®­îc n©ng cao h¬n. C¸c vÊn ®Ò ®­îc quan t©m trong giai ®o¹n nµy lµ ¸p dông vµo tÝnh to¸n trong thùc tiÔn c¸c vÊn ®Ò nh­ ®Ò cËp trªn nh­ng c¸c m« h×nh gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n 5 nhiÒu chiÒu h¬n vµ c¸c vÊn ®Ò phøc t¹p h¬n. §é tin cËy cña m« h×nh ®­îc n©ng cao do bæ sung thªm c¸c qu¸ tr×nh cã ¶nh h­ëng ®Õn sù ph©n bè nång ®é c¸c chÊt h÷u c¬ trong dßng ch¶y : - Qóa tr×nh l¾ng c¸c chÊt l¬ löng, ph©n t¸n nhá trong qu¸ tr×nh lan truyÒn. - Qóa tr×nh gi¶i phãng c¸c chÊt tõ líp bïn ®¸y do sù cä s¸t cña dßng ch¶y víi líp bïn ®¸y. - Qu¸ tr×nh quang hîp vµ h« hÊp cña hÖ thùc vËt thuû sinh C¸c MHCLN ®­îc ph¸t triÓn rÊt ®a d¹ng. NÕu nh­ tr­íc ®©y c¸c m« h×nh thuÇn tóy ®¸nh gi¸ nh÷ng t¸c ®éng cña nguån th¶i ®iÓm ®Õn chÊt l­îng n­íc s«ng, c¸c m« h×nh ®· ®Ò cËp ®Õn sù lan truyÒn trong dßng ch¶y cña c¸c s«ng réng, vïng cöa s«ng. Trong c¸c øng dông vµo thùc tiÔn, c¸c nghiªn cøu ®· x¸c ®Þnh c¸c sè liÖu thùc nghiÖm vÒ h»ng sè tèc ®é hoµ tan, hÖ sè chuyÓn ho¸ c¸c chÊt trong dßng ch¶y. Víi c¸c l­u vùc cã chÕ ®é thuû lùc ®é tin cËy cña kÕt qu¶ tÝnh to¸n m« pháng cßn nhiÒu h¹n chÕ . Giai ®o¹n thËp kû 70 ThËp kû 70, víi sù hoµn thiÖn c¸c ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu thùc nghiÖm x¸c ®Þnh sù ph©n t¸n vËt chÊt trong dßng ch¶y c¸c MHCLN ph¸t triÓn ®a d¹ng h¬n. §Ò cËp ®Õn vai trß cña qu¸ tr×nh tù lµm s¹ch cña nguån n­íc (kh¶ n¨ng chuyÓn hãa c¸c chÊt bÈn cña hÖ ®éng thùc vËt), c¸c nghiªn cøu tËp trung thªm vµo c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh phó d­ìng nguån n­íc. Sù chuyÓn hãa c¸c chÊt « nhiÔm trong chuæi thøc ¨n. Sù tÝch lòy c¸c chÊt « nhiÔm trong c¸c sinh vËt tiªu thô. B­íc ®Çu, c¸c nghiªn cøu chØ dõng l¹i ë c¸c nghiªn cøu sù phó d­ìng cña c¸c hå chøa n­íc. §èi víi dßng ch¶y vÊn ®Ò nµy còng ®· ®­îc ®Ò cËp ®Õn, tuy nhiªn khi triÓn khai øng dông cßn rÊt nhiÒu khã kh¨n trong viÖc ®¸nh gi¸ vµ hiÖu chØnh m« h×nh. Giai ®o¹n thËp kû 80 ®Õn nay Cuèi nh÷ng n¨m 80 trë l¹i ®©y, C¸c MHCLN tËp trung nghiªn cøu mèi quan hÖ gi÷a c¸c qu¸ tr×nh sinh th¸i -chÊt l­îng n­íc trong dßng ch¶y. C¸c m« h×nh ®­îc thiÕt lËp d­íi d¹ng ®¬n gi¶n h¬n nh­ng ®é tin cËy cao h¬n. 6 Thomann vµ Mueller (1987) m« h×nh ho¸ c¸c ¶nh h­ëng cña mèi quan hÖ gi÷a c¸c lo¹i phï du thùc vËt víi c¸c chÊt dinh d­ìng trong dßng ch¶y ®Õn chÊt l­îng n­íc s«ng. C¸c chÊt dinh d­ìng ®­îc ®­a vµo dßng ch¶y d­íi d¹ng c¸c nguån th¶i ®iÓm. Law vµ Chalup (1990) x©y dùng MHCLN trªn c¬ së sù ph¸t triÓn cña qu¸ tr×nh quang hîp vµ h« hÊp cña t¶o. §iÒu nµy ®· ®­îc Bowie bæ sung vµo m« h×nh Qual 2E (1993). Di Toro vµ Fitzpatrick (1993) ph¸t triÓn, bæ sung thªm mèi quan hÖ gi÷a c¸c sinh vËt lín tiªu thô (sinh vËt tiªu thô bËc I) sù chuyÓn hãa vµ tÝch lòy c¸c chÊt dinh d­ìng. HiÖn t¹i, h­íng ph¸t triÓn cña MHCLN lµ nghiªn cøu sù tÝch lòy c¸c chÊt h÷u c¬ bÒn v÷ng trong chuæi thøc ¨n, sù tÝch lòy c¸c chÊt ®éc trong c¸c c¬ thÓ sèng. M« pháng ph©n bè nång ®é c¸c chÊt « nhiÔm trªn c¸c dßng ch¶y phøc t¹p nh­ sù lan truyÒn c¸c chÊt « nhiÔm tõ c¸c nguån th¶i ®iÓm, c¸c nguån th¶i ph©n t¸n, c¸c nguån th¶i ph¸t sinh thªm trong qu¸ tr×nh chuyÓn hãa c¸c chÊt « nhiÔm. C¸c ¸p dông thùc tiÔn, ®­îc triÓn khai réng ë c¸c dßng ch¶y cã chÕ ®é phøc t¹p nh­ c¸c dßng ch¶y s«ng réng, cöa s«ng, c¸c vòng, vÞnh vµ c¸c vïng biÓn ven bê. 2.3. Ph©n lo¹i MHCLN vµ ph¹m vi øng dông MHCLN lµ c¸c phÇn mÒn tÝnh to¸n c¸c chØ tiªu ph¶n ¸nh chÊt l­îng nguån n­íc nh­ : c¸c chØ tiªu vËt lý, ho¸ häc vµ thµnh phÇn sinh häc cña nguån n­íc trªn c¬ së gi¶i c¸c ph­¬ng tr×nh to¸n häc m« t¶ mèi quan hÖ gi÷a c¸c chØ tiªu ph¶n ¸nh chÊt l­îng n­íc còng nh­ c¸c qu¸ tr×nh cã liªn quan ®Õn nã. Tïy thuéc ®èi t­îng nghiªn cøu, c¸ch tiÕp cËn, c¸c gi¶ thiÕt khi thiÕt lËp, c¸c th«ng sè vµ mèi quan hÖ gi÷a c¸c qu¸ tr×nh khi thiÕt lËp ph­¬ng tr×nh vµ c¸c ph­¬ng ph¸p sè ®­îc ¸p dông ®Ó tÝnh to¸n nªn mçi m« h×nh cã nh÷ng thÕ m¹nh vµ h¹n chÕ kh¸c nhau. Trªn c¬ së mèi quan hÖ gi÷a c¸c qu¸ tr×nh, c¸c yÕu tè h×nh thµnh vµ ¶nh h­ëng ®Õn chÊt l­îng nguån n­íc, c¸c MHCLN ®­îc chia thµnh hai lo¹i : m« h×nh tÝnh to¸n sù lan truyÒn, ph©n bè c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y vµ m« h×nh m« pháng sù h×nh thµnh chÊt l­îng n­íc vµ xu thÕ biÕn ®æi chÊt l­îng nguån n­íc. 7 M« h×nh tÝnh to¸n sù lan truyÒn, ph©n bè c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y M« pháng sù biÕn ®æi c¸c chØ tiªu chÊt l­îng n­íc theo thêi gian trong kh«ng gian cña dßng ch¶y. ViÖc thiÕt lËp m« h×nh dùa trªn c¬ së gi¶i ph­¬ng tr×nh t¶i vµ t¶i-ph©n t¸n c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y. C¸c yÕu tè ®Æc tr­ng vÒ dßng ch¶y ®­îc x¸c ®Þnh tõ c¸c m« h×nh thñy lùc, c¸c sè liÖu thèng kª hoÆc ®o thùc nghiÖm nh­ c¸c m« h×nh QualI, II; Stream I, II... Lo¹i m« h×nh nµy cã ­u ®iÓm vµ h¹n chÕ sau : - Cho kÕt qu¶ nhanh vÒ sù lan truyÒn, ph©n bè c¸c chÊt tõ c¸c nguån th¶i ®Õn chÊt l­îng n­íc. Trªn c¬ së ®ã cho phÐp chóng ta ®¸nh gi¸ t¸c ®éng ban ®Çu còng nh­ nh÷ng ¶nh h­ëng l©u dµi ®Õn chÊt l­îng nguån n­íc. - §é tin cËy cao, dÔ sö dông do ®ßi hái Ýt c¸c sè liÖu ®Çu vµo. - ¸p dông réng r·i trong viÖc ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña c¸c ho¹t ®éng ph¸t triÓn, dù b¸o xu thÕ biÕn ®æi chÊt l­îng nguån n­íc. Nh­îc ®iÓm lµ : ch­a xem xÐt ®Õn c¸c yÕu tè h×nh thµnh chÊt l­îng nguån n­íc, viÖc tÝnh to¸n m« pháng trong c¸c kho¶ng thêi gian ng¾n vµ ®Æc biÖt ®¸nh gi¸ ¶nh h­ëng cña c¸c nguån th¶i ph©n t¸n, c¸c sù cè m«i tr­êng ®Õn chÊt l­îng nguån n­íc cßn gÆp nhiÒu khã kh¨n. M« h×nh m« pháng sù h×nh thµnh chÊt l­îng nguån n­íc M« pháng sù h×nh thµnh c¸c nguån g©y « nhiÔm (c¸c nguån th¶i vµ t¶i l­îng c¸c chÊt th¶i) vµ sù thay ®æi chÊt l­îng n­íc theo thêi gian vµ kh«ng gian. ThiÕt lËp trªn c¬ së ghÐp nèi c¸c m« h×nh thñy lùc víi m« h×nh lan truyÒn chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y nh­ WSHMM, Mike System... So víi lo¹i m« h×nh trªn cã c¸c ­u ®iÓm vµ h¹n chÕ sau : - M« t¶ mét c¸ch tæng qu¸t vµ toµn diÖn h¬n vÒ chÊt l­îng nguån n­íc còng nh­ c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn c¸c chØ tiªu chÊt l­îng n­íc. - Xem xÐt, ®¸nh gi¸ ®­îc møc ®é t¸c ®éng cña c¸c chÊt « nhiÔm tõ c¸c nguån kh«ng ®iÓm ®Õn chÊt l­îng nguån n­íc. C¸c chÊt « nhiÔm c¬ nguån 8 gèc tõ c¸c ho¹t ®éng n«ng nghiÖp, tõ c¸c khu vùc ®« thÞ vµ tËp trung d©n c­ ®­îc ®­a vµo dßng ch¶y theo n­íc m­a ch¶y trµn. - §ßi hái mét l­îng rÊt lín vµ ®ång bé c¸c th«ng tin ban ®Çu nh­ : c¸c sè liÖu ®Þa h×nh l­u vùc, c¸c sè liÖu vÒ thñy v¨n, dßng ch¶y...vµ khèi l­îng tÝnh to¸n rÊt lín vµ phøc t¹p. - §¸nh gi¸, hiÖu chØnh m« h×nh còng nh­ chuÈn ho¸ c¸c hÖ sè ...gÆp nhiÒu khã kh¨n trong thùc tÕ vµ ®ßi hái mét kho¶ng thêi gian dµi do viÖc dù b¸o c¸c th«ng tin ban ®Çu cã ®é tin cËy thÊp. Tuú thuéc ®èi t­îng cô thÓ, môc ®Ých nghiªn cøu ®¸nh gi¸ mµ c¸c lo¹i m« h×nh kÓ trªn ®­îc thiÕt lËp, tÝnh to¸n m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh trong kh«ng gian 1 hoÆc 2,3 chiÒu. 9 Ch­¬ng 2. c¬ së lý thuyÕt cña m« h×nh chÊt l­îng n­íc 2.1. C¸c ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n M« t¶ sù x¸o trén vµ lan truyÒn c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y dùa trªn c¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n rèi. Lý thuyÕt nµy ®· ®­îc thõa nhËn réng r·i trªn thÕ giíi. Ph­¬ng tr×nh vi ph©n c¬ b¶n m« t¶ qu¸ tr×nh lan truyÒn vµ khuÕch t¸n rèi vËt chÊt trong dßng ch¶y dùa trªn c¸c gi¶ thiÕt c¬ b¶n sau : - ChÊt láng kh«ng nÐn. -TrÞ sè Reynold ®ñ lín ®Ó kh«ng xÐt ®Õn hiÖu øng cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n ph©n tö. -Sè l­îng c¸c chÊt gi¶i phãng trong mét ®¬n vÞ thêi gian trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch lµ rÊt nhá vµ bá qua ¶nh h­ëng cña chóng ®Õn cÊu tróc cña dßng ch¶y. Trªn c¬ së ®Þnh luËt b¶o toµn khèi l­îng, ph­¬ng tr×nh vi ph©n m« t¶ qu¸ tr×nh x¸o trén, lan truyÒn vµ chuyÓn hãa c¸c chÊt « nhiÔm trong chÊt láng lý t­ëng-ph­¬ng tr×nh t¶i -khuÕch t¸n nh­ sau : C C C C   C    C    C   ux  uy  uz    Dx     Dy     Dz   FS   0 t x y z x  x  y  y  z  z  (2.1) Trong ®ã : Dx, Dy, Dz - HÖ sè khuÕch t¸n ph©n tö, m2/s. ux , uy , u z - VËn tèc dßng ch¶y theo c¸c ph­¬ng x,y,z, m/s. F(S) - Sè h¹ng ®Æc tr­ng cho qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ c¸c chÊt « nhiÔm bëi c¸c qu¸ tr×nh vËt lý, ho¸ häc vµ sinh häc diÔn ra trong dßng ch¶y. Ph­¬ng tr×nh (2.1) lµ ph­¬ng tr×nh lý thuyÕt nöa kinh nghiÖm m« t¶ qu¸ tr×nh t¶i vµ khuÕch t¸n ®èi l­u vËt chÊt trong dßng ch¶y. Khi ¸p dông ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.1) gi¶i bµi to¸n x¸c ®Þnh sù x¸o trén vËt chÊt trong dßng ch¶y rèi trong ®­êng èng, Taylor (1954) tõ c¸c nghiªn cøu thùc nghiÖm kiÕn nghÞ sö dông hÖ sè khuÕch t¸n tÝch ph©n ®Ó cã thÓ xem xÐt ¶nh h­ëng cña tr­êng vËn tèc trªn tiÕt diÖn cña mÆt c¾t ­ít ®Õn qu¸ tr×nh khuÕch t¸n rèi vËt chÊt. 1 Tõ c¸c nghiªn cøu trªn, ph­¬ng tr×nh vi ph©n (2.1) m« t¶ sù khuÕch t¸n rèi vËt chÊt trong dßng ch¶y ®­îc viÕt l¹i lµ : C C C C  C  C  C  ux  uy  uz  ( x )  ( y )  ( z )  F S  t x x x x x y y z z (2.2) Trong ®ã : x; y; Z - HÖ sè khuÕch t¸n rèi tÝch ph©n t¹i ®iÓm ®ang xÐt, hÖ sè x¸o trén rèi theo c¸c ph­¬ng x,y,z. Tõ c¸c ph­¬ng tr×nh (2.1), (2.2) cho thÊy sù lan truyÒn c¸c chÊt trong dßng ch¶y rèi trong mäi tr­êng hîp phô thuéc vµo vËn tèc dßng ch¶y t¹i ®iÓm ®ang xÐt. Trong dßng ch¶y tù nhiªn, trªn kªnh, s«ng... sù x¸o trén, khuÕch t¸n cña c¸c chÊt t¹i mét ®iÓm lu«n lu«n chÞu ¶nh h­ëng cña tr­êng vËn tèc theo ph­¬ng ngang vµ ph­¬ng th¼ng ®øng, ®Ó lµm rá sù kh¸c biÖt nµy so víi dßng ch¶y trong èng th­êng sö dông hÖ sè ph©n t¸n rèi. Ph­¬ng tr×nh 2.2 ®­îc viÕt l¹i lµ : C C C C  2C  2C  2C  ux  uy  uz  Ex  E  E  F S  y z t x x x x 2 y 2 z 2 (2.3) Trong ®ã : Ex Ey Ez - HÖ sè (ph©n t¸n rèi) khuÕch t¸n rèi vËt chÊt theo ph­¬ng x,y,z t¹i mÆt c¾t. Nh­ vËy, qu¸ tr×nh ph©n t¸n rèi vËt chÊt trong dßng ch¶y lµ tæ hîp cña qu¸ tr×nh khuÕch t¸n rèi vËt chÊt trong tr­êng vËn tèc dßng ch¶y cã h­íng vµ vËn tèc kh¸c nhau. 2.2. Caïc nhán täú cå baín trong mä hçnh cháút læåüng næåïc 2.2.1 Quaï trçnh taíi- khuãúch taïn Khi các chất được đưa vào trong dòng chảy (kênh,sông) qua các nguồn thải sẽ xuất hiện xu thế cân bằng nồng độ bằng cách vận chuyển chất từ nguồn thải sang dòng chảy. Quá trình này được xảy ra bằng 2 cách: + Quá trình vận chuyển chất do dòng chảy - quá trình tải (Advection). + Quá trình khuếch tán các chất do dòng chảy rối (Turbulent Disfusion). 2 Khu ch tán r i (Turbulent Disfusion) Truy n t i (Avection) X Hình 2.1. Mô tả quá trình truyền tải và khuếch tán 2.2.2 Hãû säú khuãúch taïn räúi Nhæ âaî phán têch åí trãn, sæû khuãúch taïn váût cháút trong doìng chaíy laì quaï trçnh khuãúch taïn phán tæí qua maìng vaì khuãúïch taïn âäúi læu. Hãû säú khuãúch taïn räúi chëu aính hæåíng cuía sæû xaïo träün giæîa caïc låïp doìng chaíy räúi coï váûn täúc khaïc nhau qua màût càõt ngang /2,10,11/. Caïc phæång xaïo träün cuía næåïc thaíi våïi næåïc säng taûi mäüt âiãøm trãn màût càõt ngang doìng chaíy âæåüc thãø hiãûn åí H.2 Hçnh.2 Caïc phæång xaïo träün cuía doìng chaíy. Trong thæûc tãú, caïc hãû säú khuãúch taïn räúi thæåìng âæåüc xaïc âënh giaï trë trung bçnh våïi tiãút diãûn màût càõt æåït cuía doìng chaíy, khäng phuû thuäüc vaìo toüa âäü âiãøm tênh toaïn vaì âäü låïn cuía noï phuû thuäüc vaìo caïc yãúu täú thuíy læûc cuía doìng chaíy taûi màût càõt.  Hãû säú khuãúch taïn räúi theo phæång thàóng âæïng z Hãû säú khuãúch taïn räúi theo chiãöu thàóng âæïng taûi mäüt âiãøm trãn màût càõt ngang âæåüc xaïc âënh theo cäng thæïc : z  z   z  kd u     1    d  d (2.4) Våïi : u  g d S : váûn täúc træåüt (váûn täúc âäüng læûc) cuía doìng chaíy taûi màût càõt. z : toüa âäü âiãøm tênh toaïn, m. k : hãû säú räúi Von Karman (k  0,40 ). d : chiãöu sáu trung bçnh cuía doìng chaíy taûi màût càõt. 3 S : âäü däúc âaïy cuía doìng chaíy, m/m. g : gia täúc troüng træåìng, m/s2. Goüi  Z laì hãû säú khuãúch taïn räúi trung bçnh cho màût càõt. d z  1  z dz d 0 (2.4) Jobson vaì Sayer (1970) ; Csanady (1976) bàòng caïc nghiãn cæïu thæûc nghiãûm xaïc âënh hãû säú khuãúch taïn räúi vaì âãö xuáút cäng thæïc kinh nghiãûm vãö hãû säú khuãúch taïn räúi z taûi mäüt màût càõt ngang cuía doìng chaíy.  z  0,067 du  (2.5)  Hãû säú xaïo träün theo phæång ngang y Fischer (1967,1969) bàòng thæûc nghiãûm xaïc âënh hãû säú khuãúch taïn räúi vaì âæa ra cäng thæïc tênh hãû säú khuãúch taïn räúi y taûi mäüt âiãøm trãn màût càõt ngang cuía doìng chaíy.  y  0 ,1 5 d u  (2.6) Lau vaì Krishnapan (1977) bàòng caïc thæûc nghiãûm trong caïc doìng chaíy tæû nhiãn trãn kãnh, säng coï caïc chãú âäü chaíy khaïc nhau, kiãún nghë mæïc âäü sai säú cuía hãû säú y . Doìng chaíy trong kãnh thàóng hçnh thang : Säng coï chãú âäü chaíy ãm :  Säng hçnh daûng cong, khuïc khuíy : y  y  0.15du   50% (2.7)  0 ,6 d u   5 0 % (2.8) u 2d 3 Rc2 u  (2.9)  y  25 Trong âoï : u :váûn täúc trung bçnh taûi màût càõt ngang doìng chaíy, L.T-1 Rc :baïn kênh thuíy læûc, L d : chiãöu sáu trung bçnh, L. Tæì cäng thæïc (2.5) vaì (2.6) dãù daìng nháûn tháúy  y  10 z nhæ váûy quaï trçnh khuãúch taïn räúi theo phæång ngang cuía doìng chaíy låïn hån ráút nhiãöu so våïi quaï trçnh khuãúch taïn räúi theo phæång thàóng âæïng.  Hãû säú khuãúch taïn räúi x Tæång tæû nhæ viãûc xaïc âënh z vaì y , Elder (1959) bàòng thæûc nghiãûm âaî xaïc âënh hãû säú khuãúch taïn räúi taûi mäüt âiãøm trãn màût càõt ngang theo chiãöu doìng chaíy x . 4  x  5 , 93 du  (2.10) So saïnh x; y vaì z cho tháúy : x  y  z nhæ váûy quaï trçnh xaïo träün vaì pha loaíng caïc cháút ä nhiãùm diãùn ra chuí yãúu theo theo chiãöu cuía doìng chaíy. Hay noïi mäüt caïch khaïc sæû xaïo träün, khuãúch taïn räúi cháút ä nhiãùm taûi mäüt âiãøm naìo âoï taûi màût mäüt âiãøm naìo âoï trãn càõt ngang doìng chaíy chëu aính hæåíng chuí yãúu vaìo træåìng váûn täúc cuía doìng chaíy taûi màût càõt ngang âoï.  Hãû säú phán taïn doüc doìng chaíy Ex Khi xem xeït aính hæåíng cuía træåìng váûn täúc taûi màût càõt ngang lãn sæû khuãúch taïn doüc theo chiãöu doìng chaíy Fischer (1967) kiãún nghë thay thãú hãû säú khuãúch taïn räúi x bàòng hãû säú phán taïn doüc doìng chaíy E . Hãû säú naìy âæåüc xaïc âënh bàòng caïch chia nhoí màût càõt doìng chaíy ra thaình nhiãöu âån vë nhoí âãø coï thãø xeït âæåüc aính hæåíng cuía træåìng váûn täúc taûi màût càõt lãn sæû xaïo träün vaì phán taïn váût cháút. Ex   1 A y w  u i 0  u  0 1  yd y  u ddydydy (2.11) 0 Våïi : w : chiãöu räüng cuía doìng chaíy taûi màût càõt âang xeït, L ui : váûn täúc trung bçnh qua âån vë màût càõt i ,L.T-1 u : váûn täúc trung bçnh trãn toaìn bäü màût càõt, L.T-1 d : chiãöu sáu cuía màût càõt âån vë thæï i , L  y  0,6du hãû säú khuãúch taïn räúi theo phæång ngang giæîa tiãút diãûn âån vë màût càõt thæï i vaì i-1. Têch phán (2.11) ta âæåüc hãû säú phán taïn theo chiãöu doìng chaíy taûi màût càõt ngang cuía doìng chaíy. Tæì caïc säú liãûu thæûc nghiãûm Fisher âãö xuáút cäng thæïc kinh nghiãûm tênh hãû säú phán taïn doüc Ex taûi màût càõt ngang doìng chaíy. u2 E x  0 . 011 W 2 (2.12) du  2.3 Sù chuyÓn ho¸ c¸c chÊt trong dßng ch¶y GØa thiÕt r»ng, c¸c chÊt x©m nhËp vµo dßng ch¶y kªnh, s«ng qua n­íc th¶i vµ c¸c nguån th¶i cã kÝch th­íc ®ñ nhá (so víi dßng ch¶y s«ng) ®Ó cã thÓ coi nh­ lµ c¸c nguån ®iÓm. Do trong n­íc th¶i cã nång ®é c¸c chÊt cao h¬n trong nguån n­íc nªn sÏ xuÊt hiÖn xu thÕ c©n b»ng nång ®é b»ng c¸ch vËn chuyÓn c¸c chÊt tõ n­íc th¶i sang n­íc s«ng. 5 Qóa tr×nh vËn chuyÓn chÊt ®­îc x¶y ra b»ng hai c¸ch : -Qu¸ tr×nh vËn chuyÓn chÊt do dßng ch¶y (advection) -Qu¸ tr×nh khuÕch t¸n c¸c chÊt do dßng ch¶y rèi (turbulent disfusion). Ngoµi ra, tuú thuéc chÕ ®é thuû lùc cña dßng ch¶y, tÝnh chÊt thµnh phÇn c¸c chÊt bÈn mµ nång ®é c¸c chÊt « nhiÔm trong dßng ch¶y cßn phô thuéc c¸c qu¸ tr×nh : c¸c qu¸ tr×nh vËt lý (hÊp thô, hÊp phô, l¾ng, bay h¬i..), ho¸ häc (sù ph©n huû, t­¬ng t¸c ho¸ häc...) vµ sinh häc (tÝch tô sinh häc, ph©n huû, chuyÓn ho¸...) Sù chuyÓn hãa c¸c chÊt h÷u c¬ trong dßng ch¶y lµ tæng hîp c¸c qu¸ tr×nh thuû ®éng häc, thuû ho¸, sinh häc ...diÔn ra trong nguån n­íc. D­íi gãc ®é sinh th¸i, ®©y lµ kh¶ n¨ng ®¶m b¶o sù tù æn ®Þnh cña hÖ sinh th¸i khi cã t¸c ®éng tõ bªn ngoµi. Qóa tr×nh chuyÓn hãa -ph©n huû c¸c chÊt h÷u c¬ nhê c¸c lo¹i vi sinh vËt... Sù chuyÓn hãa c¸c chÊt h÷u c¬ trong dßng ch¶y cã liªn quan ®Õn tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh sinh th¸i trong hÖ sinh th¸i dßng ch¶y s«ng. C¸c qóa tr×nh sinh th¸i, mèi quan hÖ gi÷a c¸c qu¸ tr×nh diÔn ra trong dßng ch¶y khi tiÕp nhËn c¸c chÊt th¶i tõ c¸c nguån bªn ngoµi ®­îc m« t¶ h×nh 2.2 ChÕt vµ ph©n huû Thùc vËt Sinh tr­ëng Quang hîp Chu tr×nh Nit¬ H« hÊp Quang hîp Oxy hoµ tan Bïn ®¸y H« hÊp Lµm tho¸ng T¶o ChÕt vµ ph©n huû VÈn næi L¾ng BOD ChÊt th¶i tõ bªn ngoµi 6 H×nh 2.1. S¬ ®å c¸c qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ c¸c chÊt h÷u c¬ trong dßng ch¶y Tõ s¬ ®å ë h×nh 2.1 cho thÊy sù thay ®æi nång ®é c¸c chÊt h÷u c¬ dÔ ph©n hñy trong dßng ch¶y cã liªn quan ®Õn c¸c qu¸ tr×nh : vËt lý, hãa häc vµ sinh häc diÔn ra trong dßng ch¶y. C¸c qu¸ tr×nh ph©n hñy sinh häc, chuyÓn hãa ®Òu cã liªn quan ®Õn c¸c qu¸ tr×nh sinh th¸i diÔn ra trong dßng ch¶y : sù ph¸t triÓn cña thùc vËt n­íc, vµ c¸c qu¸ tr×nh cã liªn quan kh¸c ... 2.4. C¸c qu¸ tr×nh sinh th¸i - chÊt l­îng n­íc trong dßng ch¶y 2.4.1.T¶o Sù ph¸t triÓn cña t¶o trong dßng ch¶y s«ng Sù ph¸t triÓn cña t¶o trong s«ng chÞu ¶nh h­ëng cña c¸c yÕu tè khÝ t­îng, thñy v¨n, thµnh phÇn hãa häc vµ c¸c qu¸ tr×nh sinh häc diÔn ra trong dßng ch¶y. CÊu tróc chu tr×nh ph¸t triÓn cña t¶o nh­ sau : s¶n xuÊt bËc I chuyÓn hãa c¸c chÊt dinh d­ìng d¹ng v« c¬ thµnh sinh khèi cña t¶o; s¶n xuÊt bËc II cña c¸c loµi ®éng vËt bËc II næi ®i kÌm víi viÖc tiªu thô t¶o. ChÕt vµ bµi tiÕt sÏ gi¶i phãng c¸c chÊt h÷u c¬ d¹ng chÊt vÈn vµ d¹ng hßa tan. C¸c con ®­êng t¸i t¹o sÏ chuyÓn c¸c chÊt h÷u c¬ thµnh c¸c d¹ng v« c¬ lµ c¸c chÊt cÇn thiÕt cho s¶n xuÊt bËc I. Sù ph¸t triÓn cña t¶o trong n­íc ®­îc biÓu thÞ b»ng c«ng thøc sau : C p  t   C p  0  e  A t (2.13) Trong ®ã : C p  t  -Sinh khèi cña t¶o ë thêi gian t (mg/l). C p  0  -Sinh khèi cña t¶o ë thêi ®iÓm to(mg/l). A -HÖ sè tèc ®é ph¸t triÓn cña t¶o (ngµy-1). t -Thêi gian (ngµy) §éng häc cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña t¶o §éng häc cña qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña t¶o liªn quan ®Õn sù chuyÓn hãa c¸c chÊt h÷u c¬ trong dßng ch¶y s«ng. Ph­¬ng tr×nh tæng qu¸t  dA     A  1 A dt d 7 (2.14) Trong ®ã : t -Thêi gian (ngµy)  -HÖ sè sinh tr­ëng cña t¶o (ngµy-1)  -HÖ sè h« hÊp cña t¶o phô thuéc vµo nhiÖt ®é, h« hÊp néi sinh vµ h« hÊp do qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt (ngµy-1). 1 -HÖ sè l¾ng, phô thuéc nhiÖt ®é (ngµy-1) d -ChiÒu s©u cét n­íc (m) Mèi quan hÖ gi÷a sù ph¸t triÓn t¶o vµ nång ®é c¸c chÊt dinh d­ìng C¸c yÕu tè chñ yÕu ¶nh h­ëng ®Õn sù ph¸t triÓn cña t¶o trong dßng ch¶y s«ng bao gåm : nhiÖt ®é, ¸nh s¸ng, c¸c chÊt dinh d­ìng, sù mÊt ®i, sù l¾ng cña t¶o, sù k×m h·m øc chÕ qu¸ tr×nh quang hîp vµ h×nh th¸i dßng ch¶y còng nh­ vËn tèc dßng ch¶y. ¶nh h­ëng cña c¸c chÊt dinh d­ìng nit¬, phèt pho vµ c­êng ®é chiÕu s¸ng ®èi víi sù ph¸t triÓn cña t¶o ®­îc biÓu thÞ d­íi d¹ng sau :   max f ( N ) F ( P) f ( L) -Hµm cña c¸c chÊt dinh d­ìng ®­îc biÓu thÞ qua biÓu thøc cña Michaelis-Menton: f (N )  N KN  N f ( P)  P KP  P Trong ®ã : N -Nång ®é cña nit¬ v« c¬ trong n­íc, NO3- P - Nång ®é cña PO43- trong n­íc, mg/l kN,kP - H»ng sè Michaelis cña Nit¬, Phèt pho  max -Tèc ®é sinh tr­ëng lín nhÊt cña t¶o -¶nh h­ëng cña ¸nh s¸ng ®Õn sù sinh tr­ëng cña t¶o cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng c¸c biÓu thøc theo c¸c hµm Monod, Smith vµ Steel. Theo hµm Monod : f ( L) Z  IZ KI  IZ Trong ®ã : Iz - C­êng ®é ¸nh s¸ng ë ®é s©u z (E/m2s) 8 KI - C­êng ®é chiÕu s¸ng cho sù sinh tr­ëng cña t¶o ®¹t 50% tèc ®é lín nhÊt. Theo hµm Smith IZ f ( L) Z  K I2  I Z2 Trong ®ã : KI -C­êng ®é chiÕu s¸ng cho sù sinh tr­ëng cña t¶o ®¹t 70% tèc ®é lín nhÊt. IZ I (1 ) f ( L) Z  Z e I s Is Theo hµm Steel Trong ®ã : Iz -C­êng ®é ¸nh s¸ng cho sù sinh tr­ëng cña t¶o lµ cùc ®¹i (=max) Trong tÊt c¶ c¸c tr­êng hîp trªn, c­êng ®é chiÕu s¸ng theo ®é s©u ®Òu tu©n theo ®Þnh luËt Beer Lambert víi : I Z  I S e  Z Trong ®ã : IS -C­êng ®é ¸nh s¸ng ë trªn bÒ mÆt. Z -ChiÒu s©u cét n­íc. ¶nh h­ëng cña nhiÖt ®é Sù phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña tèc ®é ph¸t triÓn cña t¶o ®­îc xem xÐt b»ng ph­¬ng tr×nh cña O’Neill  Tmax T  X 1   T T  T T fT  max Xe  max opt  Tmax  Topt Víi w2 1  1  1 w  X 400   0.5   2 w  ln Q10  Tmax  Topt  ; Q10  1.85 Tmax vµ Topt lµ nhiÖt ®é g©y chÕt vµ nhiÖt ®é ph¸t triÓn tèi ­u cña t¶o. Víi t¶o lôc, c¸c gi¸ trÞ lÇn l­ît lµ 45oC vµ 27oC. 2.4.2.Chu tr×nh nit¬ trong nguån n­íc vµ qóa tr×nh nitrat hãa 9 Chu tr×nh tuÇn hoµn nit¬ Nit¬ cïng víi phèt pho vµ c¸c bon lµ c¸c thµnh phÇn dinh d­ìng chñ yÕu ¶nh h­ëng ®Õn sù s¶n xuÊt trong thñy vùc n­íc. Tån t¹i trong n­íc d­íi mét sè d¹ng nh­ Nit¬ h÷u c¬, nit¬ am«n, nit¬rit, nitrat...Chu tr×nh nit¬ trong n­íc ®­îc m« t¶ trong h×nh 2.2. Qóa tr×nh nitrat hãa Qóa tr×nh am«n hãa c¸c hîp chÊt h÷u c¬ cã chøa nit¬, nh­ urª CO(NH 2)2, nhãm amin...do tõ c¸c nguån th¶i ®­a vµo dßng ch¶y ®­îc thùc hiÖn bëi c¸c vi sinh vËt g©y thèi röa nh­ c¸c loµi Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-Vulgarie...theo c¸c ph¶n øng thñy ph©n sau.  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O  NH 2  CO  H 2O Sau ®ã trong n­íc x¶y ra qu¸ tr×nh nitrat hãa, chuyÓn hãa amomonia thµnh nitrat. §©y lµ qu¸ tr×nh hai giai ®o¹n ®­îc thùc hiÖn bëi c¸c vi sinh vËt tù d­ìng nh­ Nitrosomonas, nitrobacter ë ®ã chóng sö dông c¸c bon v« c¬ (CO2) lµ nguån c¸cbon. Nguån th¶i Nit¬ h÷u c¬ Nguån th¶i NH4+ Nit¬ h÷u c¬ oxy NH4-N Thñy ph©n oxy N2 NO2-N Nitrosomonas Nguån th¶i NO3- N03-N Nitrobacter Khö Nitrat ChÕt Nit¬ thùc vËt Nit¬ ®éng vËt H×nh2.3.Chu tr×nh nit¬ trong nguån n­íc s«ng C¸c ph¶n øng ®Æc tr­ng cho qu¸ tr×nh nµy ®­îc biÓu thÞ b»ng c¸c ph­¬ng tr×nh sau 10 NH4+ + O2 NO2  H   H 2O NO2  O2 NO3 Qóa tr×nh oxy hãa nitrit thµnh nitrat th­êng diÔn ra rÊt nhanh h¬n nhiÒu so víi qu¸ tr×nh nitrat hãa. Ph¶n øng cña qu¸ tr×nh cã thÓ ®­îc viÕt l¹i lµ. NH 4  O2 NO3  H 2O  H  Sù chuyÓn hãa NH4+ thµnh NO3- ®i kÌm víi viÖc tiªu thô mét l­îng lín oxy hßa tan, v× vËy qu¸ tr×nh nµy cã ¶nh h­ëng ®Õn c©n b»ng oxy trong dßng ch¶y. Trong dßng ch¶y s«ng ngoµi ra cßn mét qu¸ tr×nh quan träng n÷a lµ qu¸ tr×nh t­¬ng t¸c trao ®æi gi÷a nit¬ trong dßng ch¶y vµ nit¬ ë trong c¸c líp bïn ®¸y. qu¸ tr×nh nµy ®­îc thÓ hiÖn ë h×nh trªn. C¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh Qóa tr×nh nitrat hãa trong s«ng phô thuéc vµo c¸c yÕu tè m«i tr­êng. C¸c yÕu tè ¶nh h­ëng chñ yÕu ®Õn qu¸ tr×nh nµy lµ nång ®é c¸c chÊt nÒn NH4-N, NO2-N, oxy hßa tan còng nh­ c¸c ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é, pH cho sù ph¸t triÓn cña c¸c lo¹i vi sinh vËt tham gia qu¸ tr×nh nµy. Mèi quan hÖ cña c¸c yÕu tè ®Õn qu¸ tr×nh nitrat ho¸ ®­îc biÓu thÞ b»ng c«ng thøc cña Michaelis-Mentons  N   Nmax NH 4 NO2 f T , O2 , BOD... k NH 4  NH 4 k NO2  NO2 Trong ®ã : N -HÖ sè tèc ®é ph¸t triÓn cña vi sinh vËt nitrat  Nmax -HÖ sè tèc ®é ph¸t triÓn lín nhÊt cña vi sinh vËt nitrat NH 4 , NO2 -Nång ®é cña NH4 vµ NO2 k NH 4 , k NO2 -H»ng sè Michaelis cña NH4 vµ NO2 f  T , O2 , BOD... -Hµm xÐt ®Õn sù phô thuéc cña qu¸ tr×nh nitrat hãa vµo nhiÖt ®é, oxy hßa tan, nång ®é c¸c chÊt h÷u c¬ theo BOD vµ vËn tèc dßng ch¶y. C¸c yÕu tè ¶nh h­ëng chñ yÕu ®Õn qu¸ tr×nh nitrat hãa trong dßng ch¶y lµ pH, nhiÖt ®é, oxy hßa tan, c¸c chÊt ®éc còng nh­ h×nh th¸i cña thñy vùc n­íc, chuyÓn ®éng rèi vµ ¸nh s¸ng. 11