Luận án Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HÓA HỌC ------------  LÊ MINH THÀNH MÔ HÌNH HÓA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY  Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý  Mã số: 62.44.01.19  LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. LÊ QUỐC HÙNG 2. TS. PHẠM HỒNG PHONG Hà Nội – 2015   i  LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Lê Minh Thành, nghiên cứu sinh chuyên ngành Hóa lý thuyết và  Hóa lý, khóa 2010-2014. Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” là công trình  nghiên cứu của riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa  học của GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong. Các số liệu, kết quả trình  bày trong luận án hoàn toàn thu được từ quá trình tính toán lý thuyết và đo đạc thực  nghiệm của bản thân, được tiến hành một cách trung thực và không sao chép. Các  tài liệu và thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.                Nghiên cứu sinh               Lê Minh Thành   ii  LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS.  Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong, những người đã truyền cho tôi tri thức,  cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và  tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này!   Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa  học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi  cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu sinh!    Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô, các anh chị và các em Phòng Ứng  dụng  Tin  học  trong  Hóa  học,  Viện  Hóa  học  –  Viện  Hàn  lâm  Khoa  học  và  Công  nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp tôi thực hiện các  nghiên cứu!  Và  tôi  xin  gửi  lời  cảm  ơn  chân  thành  tới  các  đồng  nghiệp,  bạn  bè,  những  người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua!   Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi,  những người đã luôn tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi  vững bước và vượt qua mọi khó khăn!                       Tác giả               Lê Minh Thành   iii  MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i  LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii  MỤC LỤC................................................................................................................. iii  Danh mục kí hiệu ...................................................................................................... vi  Danh mục hình ............................................................................................................x  Danh mục bảng ....................................................................................................... xiii  MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1  1   Lý do lựa chọn đề tài luận án.............................................................................1  2   Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án..................................2  3   Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án...............................................3  4   Nội dung nghiên cứu..........................................................................................3  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................5  1.1   Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước ...........................5  1.1.1   Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước ..................................................6  1.1.2   Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật ...................................8  1.1.3   Nhu cầu oxi sinh hóa .............................................................................14  1.1.4   Nhu cầu oxi bùn đáy..............................................................................16  1.1.5   Nhu cầu oxi hóa học ..............................................................................18  1.1.6   Quá trình nitrat hóa................................................................................20  1.1.7   Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước..............21  1.1.8   Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan..........................................22  1.2   Các tính chất của bùn đáy .............................................................................28  1.2.1   Thành phần hóa học của bùn đáy ..........................................................29  1.2.2   Độ xốp của bùn đáy...............................................................................30  1.2.3   Mật độ của bùn đáy ...............................................................................31  1.2.4   Tỉ khối của bùn đáy ...............................................................................31  1.3   Nghiên cứu về mô hình hóa các thông số chất lượng nước..........................31  1.3.1   Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát ......................................32    iv  1.3.2   Các dạng điều kiện biên ........................................................................34  1.3.3   Các dạng phương trình đạo hàm riêng trong phần mềm Comsol  Multiphysics .....................................................................................................35  1.4   Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết.................................37  1.4.1   Tình hình nghiên cứu.............................................................................37  1.4.2   Những vấn đề cần giải quyết .................................................................39  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP  NGHIÊN CỨU..........................................................................................................42  2.1   Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan.............................................42  2.1.1   Các giả thiết trong xây dựng mô hình ...................................................42  2.1.2   Các yếu tố trong mô hình oxi hòa tan ...................................................42  2.1.3   Thiết lập và giải mô hình.......................................................................49  2.2   Thiết bị và phần mềm sử dụng......................................................................49  2.2.1   Mô hình vật lý và thiết bị ......................................................................49  2.2.2   Phần mềm máy tính ...............................................................................52  2.3   Phương pháp nghiên cứu ..............................................................................53  2.3.1   Phương pháp số giải bài toán khuếch tán ..............................................53  2.3.2   Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình ........................................54  2.3.3   Phương pháp đo đạc thực nghiệm .........................................................59  2.4   Nhận xét chương 2........................................................................................64  CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................65  3.1   Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan ................65  3.1.1   Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..............................................66  3.1.2   Kết quả mô phỏng .................................................................................72  3.1.3   Nhận xét mô hình 1 ...............................................................................83  3.2   Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy .............................85  3.2.1   Thiết lập mô hình và phương trình mô tả..............................................86  3.2.2   Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên  nồng độ oxi hòa tan ..........................................................................................90  3.2.3   Nhận xét mô hình 2 ...............................................................................99    v  3.3   Mô hình khảo sát oxi hòa tan tại khu vực ranh giới pha bùn – nước .........101  3.3.1   Thiết lập mô hình và phương trình mô tả............................................102  3.3.2   Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên  nồng độ oxi hòa tan ........................................................................................107  3.3.3   Nhận xét mô hình 3 .............................................................................113  3.4   Mô hình tổng hợp........................................................................................116  3.4.1   Thiết lập mô hình và phương trình mô tả............................................117  3.4.2   So sánh kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy ................................121  3.4.3   Nhận xét mô hình 4 .............................................................................127  3.5   Nhận xét chương 3......................................................................................129  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................131  1   Kết luận..........................................................................................................131  2   Những đóng góp mới của luận án..................................................................133  3   Các kiến nghị, đề xuất....................................................................................134  DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐàCÔNG BỐ ......................................................135  DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................136  PHỤ LỤC................................................................................................................147  PL.1   Một số mô hình toán học của oxi hòa tan theo lịch sử.............................147  PL.2   Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 ..................................150  PL.3   Các toán tử thường gặp trong phương trình PDE ....................................152  PL.4   Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol  Multiphysics........................................................................................................153  PL.5   Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu ................164  PL.6   Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế ....................................164    vi  Danh mục kí hiệu a  Hệ số hấp thụ  BOD  Nhu cầu oxi sinh hóa.  CA  Nồng độ của chất A tại thời điểm t bất kỳ (mg/L).  CAlg Nồng độ tảo trong nước (mg/L).  CBOD  Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa cacbon.  CBOD Giá trị BOD (mg/L), đại diện cho nồng độ các chất hữu cơ tiêu thụ oxi.  CBODo Giá trị BOD ở thời điểm ban đầu (mg/L).  CBODsed Giá trị BOD trong lớp bùn đáy (mg/L).  CClo Nồng độ ion clorua trong nước (mg/L).  CCOD Giá trị COD (mg/L).  CDO Nồng độ DO tại thời điểm bất kỳ (mg/L).  CDO∞ Nồng độ DO ở xa vô cực (mg/L).  CDOdef Nồng độ DO thiếu hụt so với nồng độ DO bão hòa (mg/L).  CDOint Nồng độ DO tại ranh giới pha bùn – nước (mg/L).  CDOo Nồng độ DO tại thời điểm ban đầu (mg/L).  CDOobs Nồng độ DO đo đạc (mg/L).  CDOsat Nồng độ DO bão hòa (mg/L).  CDOsim Nồng độ DO mô phỏng (mg/L).  COD  Nhu cầu oxi hóa học.  CSOD Giá trị SOD (mg/L).  D Hệ số khuếch tán của chất tan trong nước (m2/s).  d Độ dày lớp bùn đáy (m).  D1 Hệ số khuếch tán của oxi hòa tan trong nước (m 2/s).  D1 * Hệ số khuếch tán của oxi trong môi trường bùn (m2/s).   D2 Hệ số khuếch tán của chất hữu cơ hòa tan trong nước (m 2/s).  da Hệ số thấm.  DO  Oxi hòa tan.  ea Hệ số khối.    vii  f  Số hạng nguồn  fc  Ứng suất cắt tới hạn (critical shear stress) (N/m 2)  FEM  Phương pháp phần tử hữu hạn.  fr  Ứng suất cắt tham chiếu (reference shear stress) (N/m 2)  fs  Ứng suất cắt (shear stress) (N/m 2)  h Độ sâu môi trường nước (m).  k1 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc nhất (1/s).  k1 * Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi chất hữu cơ dạng bậc hai (L mg-1 s-1).  k2  Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại ranh giới pha nước – không khí (1/s).  k2 * Hằng số tốc độ trao đổi oxi tại giữa nước – không khí ở điều kiện biên (1/m).  k3 Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy (mg L -1 s-1).  k3 * Hằng số tốc độ tiêu thụ DO bởi bùn đáy ở điều kiện biên (mg L-1 m-1).  k4  Hằng số tốc độ phản ứng khử của COD (1/s).  k5  Hằng số tốc độ phản ứng nitrat hóa (1/s).  kAlg  Hằng số tốc độ tảo chết (1/s).  kDOhalf Hằng số bán bão hòa của DO (mg/L)  kH Hằng số Henry (L atm/mol)  krese  Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào  nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn (1/s).  krese * Hằng số tốc độ tổng hợp các quá trình phát tán chất hữu cơ từ bùn vào  nước và lắng đọng chất hữu cơ từ nước vào bùn ở điều kiện biên (1/m).  kset  Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ (1/s).  kset *  Hằng số tốc độ lắng đọng của chất hữu cơ ở điều kiện biên (1/m).  n Vectơ pháp tuyến trên biên của vùng tính toán, hướng ra phía ngoài.  NBOD  Nhu cầu oxi sinh hóa của hợp chất hữu cơ chứa nitơ.  Oxyz Hệ tọa độ Descartes với trục Ox là chiều rộng (m); trục Oy là chiều dài  (m); Oz là chiều sâu (m) của môi trường nước.  P Tốc độ oxi sinh ra do quang hợp (mg L-1 h-1)  PDE  Phương trình đạo hàm riêng.    viii  Pmax Tốc độ oxi sinh ra tối đa (mg L -1 h-1)  R Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp của thực vật (mg L-1 h-1)  R2 Hệ số xác định  RSS  Tổng bình phương phần dư  SOD  Nhu cầu oxi bùn đáy.  SR  Tỉ số độ nhạy  Ssed Diện tích tiếp xúc giữa bề mặt bùn đáy và nước (m 2)  t Thời gian (s).  T Nhiệt độ (oC).  TSS  Tổng bình phương toàn phần  v Vận tốc dòng chảy của nước (m/s).  V Vận tốc của gió (m/s).  vBOD Vận  tốc  trao  đổi  chất  hữu  cơ  tại  bề  mặt  nguồn  thải  ở  điều  kiện  biên   (mg L-1 m-1).  vDO Vận tốc trao đổi oxi tại ranh giới pha không khí – nước (m/s).  X1 Giá trị đầu vào cơ sở của biến X.  X2 Giá trị đầu vào của biến X sau khi tăng/giảm một lượng xác định.  X3 Sinh khối của vi sinh vật dị dưỡng (mg/L).  X4 Sinh khối của vi sinh vật tự dưỡng (mg/L).  Y1 Giá trị đầu ra cơ sở tương ứng với biến X1.  Y2 Giá trị đầu ra tương ứng với biến X2.  α Hệ số đối lưu dòng bảo toàn  α1, α2 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình quang hợp.  α3, α4 Bộ hệ số điều chỉnh tương ứng với quá trình hô hấp.  Pcons Tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp (mg L -1 ngày-1).  β  Hệ số đối lưu  β1 Lượng oxi được tạo ra từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo). β2 Lượng oxi được tiêu thụ từ mỗi đơn vị khối lượng của tảo (g O2/g tảo).  β3 Tốc độ quang hợp của tảo (1/s).    ix  β4 Tốc độ hô hấp của tảo (1/s).  γ  Số hạng nguồn của dòng bảo toàn.  γ1 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật dị dưỡng (1/s).  γ2 Hằng số tốc độ phát triển của vi sinh vật tự dưỡng (1/s).  δs Độ sâu xâm nhập (m)  δw Độ dầy lớp biên khuếch tán (m)  θs Hệ số điều chỉnh nhiệt độ.  µ Nhân tử Lagrange  ε Phần thời gian của ngày có ánh sáng mặt trời.  μ* Tốc độ tiêu thụ oxi sinh hóa cực đại (mg L-1 ngày-1)  Ω Vùng tính toán.   ∂Ω Biên của vùng tính toán.  θ  Hệ số điều chỉnh nhiệt độ.    x  Danh mục hình Hình 1.1.  Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9] .....................6  Hình 1.2.  Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật........10  Hình 1.3.  Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm đến nồng độ DO [32].14  Hình 1.4.  Ảnh hưởng của dòng chảy tới nồng độ DO [32].....................................25  Hình 1.5.  Sự biến đổi nồng độ DO theo ngày đêm ở môi trường nước ..................27  Hình 1.6.  Minh họa các dạng điều kiện biên trên biên ∂Ω của miền xác định Ω ...34  Hình 2.1.  Mô hình vật lý nghiên cứu oxi hòa tan trong phòng thí nghiệm.............50  Hình 2.2.  Thiết bị đo DO đa kênh (MCDM) ghép nối máy tính.............................50  Hình 2.3.  Các loại sensor dùng để đo oxi hòa tan ...................................................51  Hình 2.4.  Cấu tạo sensor DO...................................................................................51  Hình 2.5.  Phần mềm đo đa kênh oxi hòa tan...........................................................52  Hình 2.6.  Các bước cơ bản trong phương pháp FEM .............................................54  Hình 2.7.  Minh họa các bước để xây dựng một mô hình mô phỏng.......................56  Hình 2.8.  Minh họa thiết kế các cột nước trong mô hình vật lý..............................59  Hình 2.9.  Các vị trí lấy mẫu bùn đo đạc trong thực tế ............................................60  Hình 2.10.  Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trên mô hình vật lý ..............61  Hình 2.11.  Hệ thống MCDM đo đạc DO trong phòng thí nghiệm .........................61  Hình 2.12.  Vị trí các hồ vùng Hà Nội được đo nồng độ DO...................................62  Hình 2.13.  Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trong hồ tự nhiên .................63  Hình 3.1.  Minh họa hệ khảo sát trong hệ tọa độ Descartes Oxyz (m) ....................67  Hình 3.2.  Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong toàn bộ hệ ...............................73  Hình 3.3.  Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz ................................74  Hình 3.4.  Sự biến thiên nồng độ DO theo thời gian tại một số vị trí ......................75  Hình 3.5.  Đường đồng mức nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và  theo mặt phẳng Oxy (c, d).........................................................................................76  Hình 3.6.  Xu hướng biến đổi nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và  theo mặt phẳng Oxy (c, d).........................................................................................78  Hình 3.7.  Kết quả tính thời gian hồi phục DO tại một số vị trí...............................79    xi  Hình 3.8.  Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong hệ trong trường hợp nhiều  nguồn thải hữu cơ......................................................................................................80  Hình 3.9.  Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz ................................82  Hình 3.10.  Các thành phần trong hệ nghiên cứu .....................................................86  Hình 3.11.  So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng  kết quả phân tích tương quan trong quá trình hiệu chỉnh .........................................91  Hình 3.12.  So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt)  sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 1,0 m (hình a, b), cột nước 0,5 m (hình c,  d), cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng .........................92  Hình 3.13.  Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 2 ....................................94  Hình 3.14.  Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 0,5 m .................95  Hình 3.15.  Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO tại một số vị trí...........................97  Hình 3.16.  Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong các môi trường nước khác  nhau của các vị trí A(0;0;-0.49), E(0;0;-0.99) và J(0;0;-1.99) ..................................98  Hình 3.17.  Các thành phần trong hệ khảo sát........................................................102  Hình 3.18.  So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt)  sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong hiệu chỉnh, tại  vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm ..............................................