Các nguyên lý công nghệ môi

trường

Bài 1- Các Định luật và Nguyên lý cơ

bản

PGS. TS. Nguyễn Thị Hà – FES, HUS

Nội dung

1. Giới thiệu2. Cơ sở lý thuyết chung về

công nghệ môi trường3. Các phương pháp xử lý và tái

sử dụng chất ô nhiễm

I – Giới thiệu

Mối liên hệ giữa khoa học, kỹ thuật và công nghệ

KỸ THUẬT

CÔNG NGHỆ

Các nhà khoa học tập trung tìm hiểu thế giới tự nhiên và thường cần các công cụ hỗ trợ mới để tìm ra câu trả lời.

Các kỹ sư sử dụng các khám phá khoa học để thiết kế các sản phẩm và quy trình nhằm đáp ứng các nhu cầu của xã hội.

Công nghệ (sản phẩm và quy trình) là kết quả của các thiết kế kỹ thuật. Chúng được tạo ra bởi các kỹ thuật viên để giải quyết như cầu và mong muốn của xã hội.

KHOA HỌC

Khác biệt giữa kỹ thuật và công nghệ là gì?

Công nghệ là kỹ thuật đã được chứng minh hiệu quả hoạt động nhiều lần. Công nghệ luôn luôn được cải tiến dựa vào sự tiến bộ của kỹ thuật.

Công nghệ là kiến thức có tính sở hữu (know-how) khi mà được đưa ra thì quy trình/thiết bị có thể được chế tạo dưới sự giúp đỡ của kỹ thuật.

Kỹ thuật là quá trình lắp ghép các sự vật với nhau để có được kết quả mong muốn

Kỹ thuật là sự tạo ra một thiết bị mới, máy móc mới hay cơ sở hạ tầng để sản xuất hàng hóa, vật liệu và các vật dụng cho cuộc sống. Bởi vậy nó chi tiết và kiến tạo và nên bao gồm thiết kế, cung ứng, xây dựng và vận hành.

Công nghệ môi trường

Công nghệ môi trường liên quan đến kiểm soát ô nhiễm nước và không khí, tái chế, đổ bỏ rác thải, và các vấn đề y tế cộng đồng cũng như kiến thức về luật công nghệ môi trường.

Phạm vi của công nghệ môi trường

Ô nhiễm không khí Các công cụ kiểm soát Sự cấp phép Mô hình hóa

Nước (mặt và ngầm): Xử lý & khử trùng Lưu trữ và phân phối Phân tán Chất lượng

Nước thải Chất thải rắn Chất thải nguy hại Chất thải phóng xạ Các hệ thống tích

hợp Ngăn chặn ô nhiễm Khác – ô nhiễm

tiếng ồn và ánh sáng

Sự phát triển của công nghệ môi trường

Kể từ khi con người lần đầu tiên nhận ra là sức khỏe và cuộc sống tốt liên quan đến chất lượng của môi trường, họ đã áp dụng các nguyên lý khoa học công nghệ để nâng cao chất lượng của môi trường.

Ví dụ

Người La mã đã xây dựng các ống dẫn nước để ngăn chặn hạn hán và tạo dựng hệ thống cấp nước sạch, đảm bảo sức khỏe cho thủ đô Roma.

Vào thế kỉ thứ 15, Bavaria đã tạo ra luật hạn chế sự phát triển và suy thoái của các nước khu vực núi Alpơ tham gia vào tạo nên hệ thống cấp nước của khu vực.

CNMT hiện đại bắt đầu ở London vào giữa thế kỷ 19 khi con người nhận thấy hệ thống thoát nước thích hợp có thể giảm tỉ lệ mắc bệnh gây ra do nguồn nước ví dụ bệnh tả.

Việc áp dụng biện pháp xử lý nước sạch và nước thải đô thị ở các nước công nghiệp đã làm giảm các bệnh do nguồn nước (từ đứng đầu trong danh sách các nguyên nhân gây chết xuống mức thấp).

Ví dụ

Việc sử dụng rộng rãi DDT để kiểm soát các loài gây hại trong nông nghiệp các năm sau Chiến tranh thế giới II

Câu chuyện về DDT được đề cập một cách sinh động trong "Mùa x uân y ên l ngặ“ của Rachel Carson và được coi là sự khai sinh ra ngành môi trường hiện đại và sự phát triển của các lĩnh vực mới của “công nghệ môi trường“.

Ví dụ

Các chiến dịch bảo tồn và luật, quy định giới hạn đối với các hoạt động có thể gây hại cho môi trường đã được nhiều nước xây dựng và phát triển trong nhiều thiên niên kỷ.

Ví dụ: Các luật quy định về xây dựng hệ thống thoát nước (cống) ở London và Paris ở thế kỷ thứ 19 và hệ thống công viên quốc gia của Mĩ được xây dựng đầu thế kỷ 20.

Ví dụ

Quá trình thiết kế CNMT

Quá trình thiết kế CNMT1. Nhận định nhu cầu hoặc vấn đề2. Nghiên cứu nhu cầu hoặc vấn đề: Kiểm tra hiện trạng của vaans đề

và các giải pháp hiện có. Khám phá các lựa chọn thông qua internet, thư viện, phỏng vấn. v.v.

3. Phát triển các giải pháp có thể: Suy nghĩ các giải pháp có thể. Đưa đến toán học và khoa học. Khớp nối các giải pháp có thể theo hai hay ba hướng. Trau chuốt các giải pháp có thể

4. Lựa chọn giải pháp có thể tốt nhất: Xác định giải pháp nào đáp ứng tốt nhất các yêu cầu ban đầu.

5. Xây dựng một nguyên mẫu: Làm mô hình các giải pháp lựa chọn thành hai hoặc ba hướng.

6. Kiểm tra và đánh giá các giải pháp: Liệu giải pháp có hiệu quả? Liệu giải pháp có đáp ứng các yêu cầu thiết kế ban đầu?

7. Phổ biến giải pháp: làm một bài trình bày bao gồm cả thảo luận về việc làm sao giải pháp đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của vấn đề, cơ hội, hoặc nhu cầu ban đầu. Thảo luận tác động xã hội và các thỏa hiệp của giải pháp.

8. Thiết kế lại: Đại tu các giải pháp dựa trên các thông tin tập hợp trong suốt các kiểm tra và bài trình bày.

II – Cơ sở lý thuyết chung về công nghệ môi trường

- Cân bằng vật chất và chuyển khối- Cân bằng năng lượng và truyền nhiệt- Cơ học chất lỏng

Định luật bảo toàn vật chất

Bỏ qua các phản ứng nguyên tử, vật chất có thể được tạo thành hoặc bị phá hủy.

Thuật toán áp dụng của luật này được gọi là cân bằng vật chất hay cân bằng khối lượng.

Các hệ thống

Ranh giới hệ thống được xác định để thực hiện các tính toán (đầu vào và ra).

Hệ thống ở trong ranh giới được gọi là control volume.

Hệ thống có thể là một hành tinh hoặc có thể là một tế bào hay bất kì quy mô nào

Phương trình cân bằng khối lượng

rate rate rate rate decay

-output

-input onaccumulati

Đầu vào Đầu ra

Ranh giới hệ thống

Phân hủy

Tích lũy = Đầu vào – Đầu ra - Phân hủy

Cân bằng khối lượng

Trạng thái cân bằng và Bảo toàn (không có phản ứng hóa học): tích lũy = 0

Trạng thái cân bằng – sự tích lũy trong hệ thống không thay đổi (vào = ra):

Bảo toàn – chất ô nhiễm không bị phân hủy

Lưu lượng dòng vật chất

Hiệu quả của một quá trình môi trường trong việc loại bỏ chất ô nhiễm có thể được xác định bằng sử dụng kỹ thuật cân bằng vật chất:

Khối lượng của chất ô nhiễm trên đơn vị thời gian có thể được tính toán như sau:

tMd

d tin( )d

d tout( )d

d

mass

timeconcentration( ) flowrate( )

Lưu lượng dòng vật chất

Lưu lượng dòng vật chất được đưa ra trong phương trình:

tMd

dCinQin CoutQout

Các chất ô nhiễm không bảo toàn

Hầu hết các chất ô nhiễm bị phân hủy qua thời gian và tốc độ phân hủy tỉ lệ với lượng ban đầu

Tốc độ phân hủy khác nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau

Cách đơn giản nhất để mô tả nó là mô hình hóa nó như phản ứng bậc một:

tCd

dkC

Điều kiện không cân bằng

Khi mà lượng tích lũy khác 0 Lượng tích lũy trở thành

VtCd

d

Và đây là một phương trình vi phân

Phương trình

C(t) = [C0 – C(∞)]e-(k + Q/V)t + C(∞)

Trong đóC S

Q kV

S = tốc độ đầu vào vật chất (khối lượng/thời gian)

Mô hình đơn giản của chất ô nhiễm

Mô hình phốtpho đơn giản

Dung dịch (trạng thái cân bằng)

Tốc độ loại bỏ được tính dựa trên kinh nghiệm (không dựa trên lý thuyết)

Phương pháp hay dùng là sử dụng tốc độ lắng hoặc vận tốc lắng – vẫn là kinh nghiệm nhưng phù hợp hơn với cơ chế và đồng nhất hơn

Điều kiện giới hạn của phản ứng:vsA P = ksVP

VkQ

SQPP

s

in

Chuyển khối Khuyếch tán

Khuyếch tán gây ra bởi chuyển động ngẫu nhiên dẫn đến sự đảo trộn hoàn toàn.

– Trong các loại khí, khuyếch tán tiến triển ở tốc độ khoảng 10 cm/phút;

– Trong chất lỏng, tốc độ khuyếch tán là khoảng 0,05 cm/phút;

– Trong chất rắn, tốc độ khuyếch tán có thể chỉ là 0,00001 cm/phút

Ít nhạy cảm đối với nhiệt độ hơn các hiện tượng khác Đối lưu

Đối lưu tự do và đối lưu cưỡng bức

Khuyếch tán

– Quá trình trong đó các phân tử, ion, hoặc các hạt nhỏ trộn lẫn một cách ngẫu nhiên, chuyển động từ các vùng có nồng độ tương đối cao đến các vùng có nồng độ thấp

• Nghiên cứu khuyếch tán như thế nào?– Mô tả khoa học: Luật Fick và hệ số

khuyếch tán– Mô tả kỹ thuật: bởi một hệ số chuyển

đổi vật chất

Các mô hình khuyếch tán

Chuyển đổi vật chất: xác định dòng khuyếch tán

Hai mô hình (từ các mặc định) Luật Fick

Mô hình hệ số chuyển đổi vật chất

))(( areaunittime

removedgasofamountfluxdioxidecarbon

differenceionconcentratdioxidecarbonkfluxdioxidecarbon

lengthcapillary

differenceionconcentratdioxidecarbonDfluxdioxidecarbon

Khuyếch tán có thể được mô tả dựa trên cơ sở toán học giống như ở luật Fourier cho dẫn nhiệt hoặc luật Ohm cho dẫn điện

Khuyếch tán một chiều:

z

cADAjJ

111

Diện tích cắt ngang dòng khuyếch tán

Khuyếch tán trên đơn vị diện tích

Nồng độKhoảng cách

Hệ số khuyếch tán

Adolf Eugen Fick (~1855)

Tính toán đối lưu

Dòng phân tử:

, , ,A s m A s AN h C C Dòng vật chất:

,M M A A A A A An N C

, ,,

A s AA s mn h

Tốc độ di chuyển tổng cộng:

, , ,A s m s A s AN h A C C

,, ,

AA s m s A sn h A

Hệ số vận chuyển vật chất:

1s

m ms

Ah dx

Ah

Cân bằng năng lượng

Cân bằng năng lượng tương tự như cân bằng vật chất

Biến đổi vật chất cân bằng vật chất Luật thứ nhất của nhiệt động lực học

cân bằng năng lượng

Năng lượng

Năng lượng nội tại (U) liên quan đến khối lượng thông qua is associated with mass by virtue of its state (phase) and temperature

Enthalpy (H) liên quan đến is associated with mass by virtue of its state, temperature and pressure: H = U + PV trong đó H = enthalpy (kJ)

U = năng lượng nội tại (kJ)P = áp suất (kPa)V = thể tích (m3)

Sự thay đổi năng lượng

Đối với hệ thống chỉ liên quan đến chất rắn và lỏng, số PV là hằng số cần thiết, sao cho ΔU = ΔH

Đối với hệ thống liên quan đến chất khí chúng ta phải tính đén thay đổi về áp suất và thể tích

Energy changes without phase change

H = McVT

M = khối lượngcV = nhiệt dung riêng (J/kg-0C,

BTU/lb-0F, cal/g -0C) T = thay đổi về nhiệt độ

Phương trình cân bằng năng lượng đơn giản

Thay đổi năng lượng trong hệ thống =

Tổng năng lượng thoát ra ở dạng nhiệt và công+ tổng năng lượng của vật chất đi vào hệ thống- tổng năng lượng của vật chất ra khỏi hệ thống

Phương trình cân bằng năng lượng đơn giản

. ..

TỔNG NĂNG LƯỢNG CÂN BẰNG – HỆ THỐNG KÍN Ở TRẠNG THÁI NGHỈ:

Etot = Ei = U dU/dt = 0 + − 𝑄 𝑊

∆U = − 𝑄 𝑊

Phương trình cân bằng năng lượng đơn giản

. .

.TỔNG NĂNG LƯỢNG CÂN BẰNG – HỆ HỞ, TRẠNG THÁI CÂN BẰNG:Cân bằng khối lượng: m1 = m2 = m

Cân bằng năng lượng:

...

Phương trình cân bằng năng lượng đơn giản

. .

.W = 𝑊𝑆 + (p2A2v2 - p1A1v1)

m = 2A2v2 = 1A1v1

h = u + p/

. .

Truyền nhiệt

Dẫn truyền Đối lưu Bức xạ

Dẫn truyền

Thanh đồng trong ngọn lửa bị nóng --truyền nhiệt Que gỗ trong ngọn lửa không nóng lên -- truyền

nhiệt kém Thường liên quan đến các chất rắn – năng lượng

rung động của các phân tử nóng hơn được chuyển sang các phân tử bên cạnh

Dẫn truyền

htc = độ dẫn nhiệt (J/(s·m·ºK)

A = diện tích mặt cắt (m2)T = nhiệt độ (ºK)x = khoảng cách tuyến tính tương

ứng với vi phân của nhiệt độ (m)

Độ dẫn nhiệt

Nguyên liệu htc (J/(s·m·ºK)

Không khí 0,023

Aluminum 221

Gạch, sét nung 0,9

Bê tông 2

Đồng 393

Sơ thủy tinh cách nhiệt 0,0377

Thép, thép mềm 45,3

Gỗ 0,126

Đối lưu

Truyền nhiệt từ chất lỏng nhờ vận chuyển của chất lỏng và tiếp xúc với các chất khác

Ví dụ: không khí nóng từ ống dẫn, máu trong cơ thể, dịch làm mát trong ô tô

Đối lưu cưỡng bức – bơm hoặc thổi Đối lưu tự nhiên – do trọng lượng

khác nhau

Đối lưu Phương trình thực nghiệm của truyền nhiệt

đối lưu giữa chất lỏng và bề mặt

trong đó hc là hệ số đối lưu hệ thống riêng,

Tf = nhiệt độ của chất lỏngTs = nhiệt độ của bề mặt

sfc TTAhdt

dH

Kết hợp truyền dẫn/đối lưu trong xây dựng tính toán năng lượng

q: tốc độ truyền nhiệt thông qua bề mặt (W, BTU/hr)A: bề mặt vuông góc với dòng nhiệt (m2, ft2)Ti: nhiệt độ ở một mặt của vách ngăn (oC, oF)R: nhiệt trở (m2.oC/W, hr –ft2/BTU)

Bức xạ

Sự phát bức xạ liên tục từ bề mặt của tất cả các vật thể ở dạng sóng điện từ

Vật thể phát sóng điện từ như một chức năng do nhiệt độ và diện bề mặt

Nhiệt độ cao (T) nhiều bức xạ điện từ (EM) bước sóng ngắn ()

Vật thể đen

Khái niệm lý thuyết định nghĩa các hạn chế của một vật thể ở nhiệt độ nghiên cứu

Chất phát xạ và hấp thụ hoàn toàn Các vật thể thực phát ra ít bức xạ hơn

Độ phát xạ, , tỉ lệ phát xạ của vật thể thực trên vật thể đen

= 0.90 đối với đất khô, đất rừng = 0.95 đối với đất ướt, nước, đá

Vật thể đen

Định luật Planck: mô tả năng lượng phát ra bằng một hàm số của nhiệt độ và bước sóng

Định luật Stephan-Boltzman: tốc độ phát năng lượng tổng biểu hiện bằng hàm số của nhiệt độ và diện tích

Nguyên tắc/Thuyết Wien: bước sóng của phát xạ lớn nhất (λmax=2898/T (ºK))

Thủy động lực học

Khí Lỏng Tĩnh học Động học

Không khí, He, Ar, N2, v.v.

Nước, dầu, cồn, v.v.

0 iF

Nhớt/không nhớt

Cân bằng/Không cân bằng

Có thể nén/

Không thể nén

Trật tự/

Xáo động

, các dòng

Hệ số nén Độ nhớt Áp suất hơi

Tỉ trọng

Áp lực Lực nổiĐộ ổn định

Giới thiệu Tĩnh học chất lỏngĐộng lực học chất lỏng

Sức căng bề mặt

Chất lỏng Cơ học

III – Phương pháp xử lý và tận dụng chất ô nhiễm

Sự phân chia lĩnh vực trong CNMT

1. Đánh giá và giảm nhẹ tác động môi trường

2. Nước cấp và xử lý nước3. Xử lý nước thải4. Quản lý chất lượng khí5. Chất thải rắn6. Các ứng dụng khác

1. Đánh giá và giảm nhẹ tác động môi trường

Đánh giá tác động các dự án đề xuất đối với các hợp phần môi trường

Đánh giá nếu có khả năng xảy ra tác động nghiêm trọng lên chất lượng nước, khí, môi trường sống, hệ thực vật và hệ động vật, năng suất nông nghiệp, tác động giao thông, xã hội, sinh thái, tiếng ồn, tầm nhìn (cảnh quan), v.v.

2. Nước cấp và xử lý nước

Đảm bảo cung cấp nước cho sử dụng (lưu động) và nông nghiệp.

Cân bằng nước trong một lưu vực được đánh giá nhờ xác định lượng nước cấp hiện có, nhu cầu nước cho các mục đích khác nhau trong lưu vực đó.

Nước được xử lý để đạt được chất lượng nước cho mục đích sử dụng cuối cùng.

Nước cấp được xử lý để giảm thiểu nguy cơ truyền bệnh truyền nhiễm, bệnh không truyền nhiễm, và tạo ra hương vị của nước.

3. Xử lý nước thải

Phát triển hệ thống thu gom và xử lý để vận chuyển nước thải xa khỏi nơi sinh sống/sản xuất của người dân và xả thái trở lại môi trường.

Ở các nước phát triển, nhiều nguồn lực được áp dụng để xử lý và làm giảm độc tính của chất thải này trước khi nó được đổ vào hệ thống sông, hồ và đại dương.

Ở các nước đang phát triển để phát triển các hệ thống để nâng cao chất lượng nước của nước mặt và giảm nguy cơ các bệnh lây nhiễm do nước.

3. Xử lý nước thải (tiếp)

Một hệ thống/quy trình xử lý nước thải có thể bao gồm:

Hệ thống làm sạch sơ cấp để loại bỏ các vật liệu rắn và lơ lửng,

Hệ thống xử lý thứ cấp bao gồm một bể sục khí trước bể tủa bông và lắng cặn hoặc một hệ thống bùn hoạt tính và một bể làm sạch thứ cấp,

Hệ thống xử lý sinh học bậc ba để loại bỏ nitơ, và cuối cùng là quá trình khử trùng.

3. Xử lý nước thải (tiếp)

Hệ thống sục khí/bùn hoạt tính loại bỏ các chất hữu cơ bằng vi sinh vật (bùn hoạt tính).

Hệ thống làm sạch thứ cấp loại bỏ bùn hoạt tính ra khỏi nước.

Hệ thống xử lý bậc ba (không phải lúc nào cũng có do hạn chế về kinh phí): thông dụng để loại bỏ nitơ, photpho và khử trùng nước trước khi đổ vào dòng nước mặt hoặc cửa biển/đại dương.

Sơ đồ nhà máy xử lý nước thải điển hình

Sơ đồ nhà máy xử lý nước thải điển hình

Thành phố EdmontonNhà máy xử lý nước thải Thỏi Vàng (Gold Bar)

4. Quản lý chất lượng không khí

Nguồn ô nhiễm khí thải công nghiệp

Các kỹ sư áp dụng các nguyên lý khoa học và công nghệ vào thiết kế các quá trình sản xuất và đốt cháy để giảm phát thải ô nhiễm không khí ở mức chấp nhận được.

4. Quản lý chất lượng không khí (tiếp)

Máy lọc khí, bộ lọc lắng tĩnh điện, hệ thống chuyển hóa xúc tác, và nhiều quá trình khác được sử dụng để loại bỏ các vật chất dạng hạt, oxit nitơ, oxit lưu huỳnh, chất hữu cơ bay hơi (VOC), các khí hữu cơ hoạt động (ROG) và các chất ô nhiễm không khí từ khí ống khói và các nguồn khác để cho phép phát thải chúng vào khí quyển.

hỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ

Hệ thống xử lý khí ô nhiễm

Ví dụ - Hấp phụ

PAC

GAC

5. Chất thải rắn

Giảm thiểu chất thải 5Rs (Reduction; Reuse; Recycle; Recovery; Respect/Refine/Repair/Re -thinking/Residue management) Thiêu hủy có thu hồi năng lượng Thiêu hủy không thu hồi năng lượng Bãi chôn lấp có thu hồi năng lượng Bãi chôn lấp không thu hồi năng lượng

Ví dụ GP & 3Rs trong quá trình sản xuất

Nguyên li u thôệNăng l ngượ

S n ph m và ả ẩs n ph m ph ả ẩ ụ

An toàn h nơ

Gi mảGi mả ch t th iấ ả& s n ph m không đ t chu nả ẩ ạ ẩ

Quá trình s n xu tả ấ hi u quệ ả

S n xu t xanh - t o ra nhi u h n dùng ít nguyên li u h nả ấ ạ ề ơ ệ ơ

B o v môi ả ệtr ngườ

B n v ng là t m nhìn và đ nh h ng c a s n xu t xanh.ề ữ ầ ị ướ ủ ả ấ

Gi mảGi mảNguyên li uệ đ u vàoầ và đ c tínhộ

L i nhu nợ ậ

Chi phíTái sử dụngTái sử dụng

Tái chếTái chế

Tiếp cận trong quản lý chất thải