TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

MƠ PHỎNG THÍ NGHIỆM LAN TRUYỀN AMONI NH4
TRONG CÁC CỘT ĐẤT CƠN SƠN
MODELLING AMMONIUM TRANSPORT EXPERIMENTS
IN CON SON SOIL COLUMNS
ThS. Nguyễn Thị Minh Trang; TS. Lê Đình Hồng
Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
PGS. TS. Võ Khắc Trí
Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam
TĨM TẮT
Lan truyền ơ nhiễm chất hòa tan trong các tầng chứa nước dưới đất là một trong
những vấn đề ơ nhiễm thiết thực hiện nay khơng chỉ tại Việt Nam mà còn tại
nhiều quốc gia trên thế giới. Trong bài báo này, với mục tiêu chính là nghiên cứu
xác định các thơng số lan truyền amoni (NH4+) trong đất và tầng chứa nước dưới
đất tại thung lũng Cơn Sơn - huyện Cơn Đảo, các thí nghiệm lan truyền với chất
chỉ thị trơ natri clorua và dung dịch amoni clorua đã được tiến hành trên các ống
cột đất Cơn Sơn. Các thơng số lan truyền được ước tính bằng sự hỗ trợ của phần
mềm Hydrus 1D dựa trên thuật tốn ước tính ngược thơng số LevenbergMarquardt. Kết quả các thí nghiệm cho thấy, các hệ số phân tán, hệ số phân vùng
và hệ số chuyển đổi chất đặc trưng cho q trình lan truyền amoni trong dung
dịch đất Cơn Sơn đều tương thích với đặc tính cơ lý của đất cũng như thành phần
hạt trong tầng chứa nước dưới đất của thung lũng Cơn Sơn.
Từ khóa: Lan truyền chất, ơ nhiễm amoni, Hydrus 1D.

ABSTRACT
Soluble contaminant transport into groundwater aquifers is one of the current
practical problems occuring not only in Vietnam but also in many countries
around the world. In this paper, according to the main objective of determining the
ammonium (NH4+) transport parameters in soil and groundwater aquifer of Con
Son Island - District Con Dao, experiments with conservative tracer - sodium
chlorides and ammonium chlorides solution had been carried out on the Con Son

soil columns. The transport parameters are estimated under supportting of
software Hydrus 1D using the inverse parameter estimation method. Results of the
experiments showed that dispersion coefficient, distribution coefficient and mass
transfer coefficient characterized the ammonium transport process in the Con Son
soil and aquifers are compatible with mechanical and physical properties of Con
Son soil matrix and porous media.
Keywords: Contaminant transport, ammonium pollution, Hydrus 1D.

1. GIỚI THIỆU
Nitơ vơ cơ ở dạng amoniac (NH3) và ion amoni (NH4+) được xem là một trong
26

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

những chất gây ơ nhiễm nguồn nước dưới đất (NDĐ) phổ biến nhất, được phát sinh từ
các hoạt động xả thải, sử dụng phân bón và từ đất bị ơ nhiễm chất hữu cơ [1]. Với bản
chất là một ion tương đối linh động nên khi xâm nhập vào trong nguồn NDĐ, NH4+ có
khả năng lan truyền nhanh trong nước và làm ơ nhiễm NDĐ trên phạm vi sâu và rộng,
nhất là khi có sự hỗ trợ của mưa và các điều kiện địa chất thủy văn thuận lợi như tầng
chứa nước là đất cát, mạch nơng... Tác động của NH4+ lên nguồn NDĐ nói riêng hay
nguồn nước nói chung đều gây nên những hậu quả đáng kể về mặt mơi trường và sinh
thái. Điển hình là nguồn NDĐ khi được khai thác và đưa vào sử dụng như nguồn nước
sinh hoạt thì sự có mặt của NH4+ có thể làm giảm hiệu quả khử trùng, dẫn đến sự hình
thành nitrit (NO2-) và gây ra các vấn đề về mùi vị [2]. Bản thân ammonia khơng gây độc
trực tiếp cho người và động vật nhưng khi vào trong cơ thể sống, sự chuyển hóa NH4+
thành NO2- khả năng gây bệnh đối với con người, cụ thể là hội chứng
Methaemoglobinaemia hay còn gọi hội chứng trẻ xanh ở trẻ sơ sinh và có thể gây ung

thư bao tử ở người trưởng thành (Kross, 1993). Từ những lý do trên mà NH4+ được nhìn
nhận là một trong những chỉ tiêu quan trọng dùng để đánh giá mức độ ơ nhiễm của
nguồn NDĐ, đặc biệt là sự ơ nhiễm của tầng chứa NDĐ bên dưới các bãi chơn lấp.
Với hình thức là bãi chơn lấp đặc biệt, nghĩa trang hồn tồn có khả năng gây ơ
nhiễm nguồn NDĐ khi phát thải các hợp chất hữu cơ và vơ cơ khác nhau [3]. Thơng
thường mất khoảng từ 10 đến 12 năm để một cơ thể chết phân hủy hồn tồn. Ước tính
trên một nửa các chất ơ nhiễm từ thân xác người sẽ bắt đầu rò rỉ vào trong đất trong năm
đầu tiên và gần một nửa các chất ơ nhiễm còn lại tiếp tục thấm xuống đất trong những
năm tiếp theo [3]. Khi các chất ơ nhiễm thấm qua tầng đất bề mặt, sẽ tiếp tục len lỏi và
dần thấm sâu vào các tầng chứa NDĐ bên dưới trong những điều kiện thuận lợi. Bên
cạnh đó, việc chơn sâu quan tài (hay xác người) một cách có ý thức thì con người đã vơ
tình “góp phần” đưa các chất ơ nhiễm đến gần các tầng chứa NDĐ hơn và tạo ra mối lo
ngại đối với chất lượng NDĐ nằm ngay dưới nghĩa trang [4].
Với mục đích nghiên cứu xác định các thơng số lan truyền ơ nhiễm NH4+ phát
thải từ nghĩa trang Cơn Đảo đến tầng chứa NDĐ tại thung lũng Cơn Sơn, huyện Cơn
Đảo, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, các thí nghiệm trên bốn cột đất được khoan lấy mẫu từ
thung lũng Cơn Sơn đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm Trung tâm Mơi trường và
Sinh thái (thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam). Các thí nghiệm được tiến hành
lần lượt với hai dung dịch: (1) natri clorua - nồng độ 5,8 g/l và (2) amoni clorua NH4Cl với các nồng độ ... mg/l. Bên cạnh đó, nhờ sự hỗ trợ của phần mềm HYDRUS 1D
[5][6], các kết quả đo đạc được từ các thí nghiệm trên ống cột được ước tính ngược
thành các thơng số lan truyền chất cần thiết dựa trên thuật tốn Levenberg-Marquardt.
2. MƠ TẢ THÍ NGHIỆM
2.1. Mục tiêu thí nghiệm
- Xác định hệ số phân tán trong dung dịch đất Cơn Sơn thơng qua việc xác định
sự lan truyền của chất natri clorua, trong đó ion Cl- - ion linh động, có tính trơ (khơng bị
hấp phụ) và là nhân tố chính để xác định hệ số phân tán trong đất.

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

27



TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

- Xác định hệ số hấp phụ amoni, hệ số phân vùng và hệ số chuyển đổi chất theo
sự lan truyền của ion NH4+ - một thành phần trong dung dịch amoni clorua NH4Cl.
2.2. Cơ sở lý thuyết của mơ hình thí nghiệm
Theo C.W. Fetter (1992), sự lan truyền dọc 1D của chất chỉ thị trơ trong dung
dịch đất với độ ẩm đất theo thể tích khơng thay đổi được biểu diễn bằng phương trình
truyền tải-phân tán như sau:
( , )

=

( , )

×

+

×

( , )

(1)

Trong đó: R: nhân tố trì hỗn; ( , ): nồng độ chất hòa tan ở dạng dung dịch
(mg/l); : chiều sâu ống cột (cm); : thời gian (s); : vận tốc dòng chảy Darcy (cm/s); :
độ ẩm theo thể tích của đất (cm3/cm3) và : hệ số phân tán (cm2/s). Hệ số phân tán D
được xác định theo cơng thức sau:

=
Với : độ phân tán (cm).
Để mơ phỏng tốt hơn sự lan truyền của chất ơ nhiễm hòa tan trong dung dịch
đất, bên cạnh mơ hình lan truyền cân bằng, cần thiết kiểm chứng sự hòa khớp giữa các
giá trị nồng độ chất hòa tan thực đo với các mơ hình lan truyền khơng cân bằng vật lý
và/hoặc hóa học [9]. Mơ hình khơng cân bằng vật lý giả định rằng sự hấp phụ ln ln
diễn ra ở trạng thái cân bằng, nhưng pha nước được phân chia thành hai vùng: vùng linh
động và vùng bất động. Sự chuyển đổi khối lượng thành pha nước bất động xảy ra chủ
yếu nhờ sự phân tán [5][10].
Khác biệt với mơ hình khơng cân bằng vật lý, mơ hình khơng cân bằng hóa học
(MH KCBHH) khơng giả định sự hấp phụ diễn ra ở trạng thái cân bằng mà ngược lại là q trình động. Bởi để q trình hấp phụ tiến đến trạng thái cân bằng giữa nồng độ
trong pha lỏng và pha rắn thì cần trải qua một qng thời gian nhất định. Sự lan truyền
khơng cân bằng này thường diễn ra khi sự tương tác giữa chất hòa tan và chất bị hấp
phụ xảy ra tương đối chậm so với thời gian ổn định (là khoảng thời gian mà một đơn vị
khối lượng vẫn được giữ ngun trong một đơn vị thể tích). Bên cạnh đó, pha rắn được
xem là được hình thành từ các phần tử có năng lực hấp phụ khác nhau. Chính vì vậy mà
MH KCB HH giả định rằng có hai dạng vùng hấp phụ cùng đồng tồn tại: dạng vùng I giả định rằng q trình hấp phụ diễn ra trong sự cân bằng tức thời với nồng độ ở pha
lỏng; trong khi dạng vùng II - có sự hấp phụ động, phụ thuộc vào thời gian [11][12].
Nếu giả định rằng sự phân rã chất hòa tan diễn ra khơng đáng kể thì phương
trình lan truyền đối với mơ hình khơng cân bằng hóa học cho hai vùng như được mơ tả
như sau:
( , )

=

( , )

+

( , )


−

(1 − )

(2)

Trong đó: F: thơng số vùng hấp phụ; Kd: hệ số phân vùng, (l/kg hay cm3/g); α:
hệ số chuyển đổi chất, (1/h).
28

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Trong nghiên cứu này, phần mềm Hydrus 1D được sử dụng để giải các phương
trình lan truyền chất, cụ thể là phương trình (2) đối với sự dịch chuyển amoni trong các
ống cột đất Cơn Sơn. Hydrus 1D là phần mềm phần tử hữu hạn, được phát triển trên nền
mơ hình Hydrus [5]. Hydrus 1D có thể thực hiện: các mơ hình lan truyền cân bằng;
khơng cân bằng vật lý/hóa học và các mơ hình lan truyền khơng cân bằng cả vật lý và
hóa học [6].
2.3. Mơ tả mẫu đất
2.3.1. Vị trí lấy mẫu
Các mẫu đất được lấy tại vị trí cách nghĩa trang Cơn Đảo 1,8 km, gần Hồ Quang
Trung 2 (xem Hình 1). Các mẫu đất được lấy theo phương pháp khoan khơ nhằm bảo
quản thành phần hạt và giữ ngun hiện trạng cấu trúc các lớp địa tầng (xem Hình 2).
Cơng việc khoan lấy mẫu được thực hiện với sự cộng tác của Liên hiệp Khoa học Địa
kỹ thuật và Mơi trường TP.HCM.


Hình 1. Hình ảnh thực tế các mẫu đất khoan tại thung lũng Cơn Sơn
2.3.2. Đặc tính cơ lý của mẫu đất
Các mẫu đất tại thung lũng Cơn Sơn đã được Phòng nghiên cứu nền móng và địa kỹ
thuật thuộc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam phân tích với các đặc tính cơ lý như sau:
- Độ ẩm tự nhiên của đất: 1,84%
- Độ bão hòa của đất: 6,07%
- Tỷ trọng của đất: 2,664
- Độ rỗng: 44,67%
- Thành phần hạt trong các mẫu đất bao gồm: cát hạt trung 1÷0,5 mm: 11,7% và
0,5÷0,25 mm: 43,5%; cát hạt nhỏ 0,25÷0,1 mm: 44,3% và 0,1÷0,05 mm: 0,5%.
- Tổng hàm lượng chất hữu cơ (TOC) trong đất: 0,36%
- Hàm lượng amoni (N-NH4+) ban đầu trong đất: 0,15 mg/100 g.
2.4. Thiết lập mơ hình thí nghiệm
Các thí nghiệm được thực hiện trên 04 ống cột nhựa có đường kính 9 cm và
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

29


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

chiều cao 70 cm theo tỷ lệ thu nhỏ 1/30 so với chiều cao phẫu diện đất thực tế tại Trạm
quan trắc CS9 (xem Hình 2) - là trạm quan trắc NDĐ quốc gia nằm ngay phía cổng
nghĩa trang Cơn Đảo.

Hình 2. Phẫu diện đất tại trạm
quan trắc nước dưới đất CS9

Hình 3. Sơ đồ 01 ống cột thí
nghiệm (a) và mặt bằng 04 ống cột (b)


30

Hình 4. Hình ảnh mơ hình thực tế

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Các lớp đất trong các ống cột được đầm đồng nhất đến khi đạt dung trọng đất
tương ứng bằng 1,5 g/cm3, khối lượng đất sử dụng cho mỗi ống cột vào khoảng 7,3 kg.
Tại các đầu biên của ống cột, 5 cm đá sỏi được đệm vào nhằm đảm bảo khả năng thốt
nước cũng như giữ đất cát trong ống khơng bị cuốn trơi khi tiến hành bơm các dung
dịch thí nghiệm. Mỗi ống cột được vận hành thí nghiệm từ đầu biên thấp hơn (tại điểm
đầu vào) bằng cách sử dụng máy bơm nước AP3500 Lifetech.
Sơ đồ và hình ảnh thực tế mơ hình các cột đất thí nghiệm được trình bày ở Hình
3 và Hình 4.
2.4. Trình tự thí nghiệm
Các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Mơi trường và Sinh thái
thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, bao gồm các bước như sau:
- Bước 1: nước thủy cục được bơm đẩy với tốc độ thấp vào mỗi ống cột trong 24
giờ để tạo mơi trường vật liệu hồn tồn bão hòa.
- Bước 2: natri clorua NaCl với nồng độ 5,8 g/l được bơm vào các ống cột, nhằm
xác định hệ số phân tán của dung dịch đất Cơn Sơn. Các phân tích thí nghiệm hệ số
phân tán với ion trơ là Cl- được dừng lại khi nồng độ Cl- đo được tại điểm đầu ra của
các ống cột cân bằng với nồng độ Cl- tại điểm đầu vào. Nồng độ Cl- được xác định bằng
hai phương pháp: (1) sử dụng điện cực chun dụng Multi 3420 và (2) sử dụng dung
dịch chuẩn độ bạc nitrat AgNO3 0,0141N.
- Bước 3: nước thủy cục được bơm lại vào các ống cột nhằm loại bỏ hồn tồn

độ mặn còn tồn đọng trong dung dịch đất.
- Bước 4: bơm lần lượt amoni clorua NH4Cl với nồng độ từ 4,84, 9,65, 19,56,
36,54; 79,82 đến 102,88 mg/l và với lưu lượng khơng đổi là 20 ml/phút vào các ống cột
thí nghiệm. Mỗi ống cột thí nghiệm được bơm liên lục dung dịch amoni clorua đến khi
đạt bão hòa (C/C0 = 1). Nồng độ NH4+ được xác định bằng thiết bị đo quang phổ UVVIS Spectrophotometer (Shimadzu UV-1800).
- Bước 5: định lượng sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đối với nồng độ
NH4 khơng đổi 100±2 mg/l và lưu lượng dòng chảy được sử dụng lần lượt là 10, 20 và
30 ml/phút.
+

Trong suốt q trình thí nghiệm, pH và nhiệt độ dung dịch được duy trì ổn định
với giá trị pH = 7,8÷8,2 và t = 300C ± 20C.
2.6. Các điều kiện thí nghiệm
2.6.1. Điều kiện 1: Thay đổi nồng độ amoni
Sáu ống cột đất riêng lẻ với nồng độ tương ứng là 4,84, 9,65, 19,56, 36,54, 79,82
và 102,88 mg/l được sử dụng nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của nồng độ amoni đầu
vào lên năng lực hấp phụ của đất Cơn Sơn. Các giá trị nồng độ này được lựa chọn dựa
trên tiêu chí nghiên cứu khoảng phát thải NH4+ từ thấp dần đến cao của các bãi chơn lấp
chất thải rắn. Lưu lượng dòng chảy bằng 20 ml/phút (tương đương với vận tốc dòng

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

31


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

chảy Darcy bằng 4.53 m/ngày và thời gian tiếp xúc là 10 giờ) được duy trì ổn định trong
suốt q trình thí nghiệm ở bốn ống cột.
Đường đẳng nhiệt hấp phụ amoni trên đất Cơn Sơn được xác định sau đó bằng

cách thay thế lần lượt ba mơ hình hấp thụ: Langmuir, Freundlich và tuyến tính vào các
đường cong mơ phỏng mối quan hệ giữa khối lượng amoni bị hấp phụ và nồng độ
amoni đầu vào. Q trình hấp phụ được mơ phỏng tốt nhất bằng đường đẳng nhiệt hấp
phụ khi hệ số tương quan R2 đạt giá trị cao nhất [7].
2.6.2. Điều kiện 2: Thay đổi lưu lượng dòng chảy
Ba ống cột riêng biệt được sử dụng để đánh giá sự tác động của các lưu lượng
dòng chảy khác nhau lên năng lực hấp phụ amoni của đất Cơn Sơn. Các lưu lượng dòng
chảy được sử dụng lần lượt là 10, 20 và 30 ml/phút, tương ứng với vận tốc dòng chảy
Darcy là 2,26; 4,53 và 6,80 m/ngày. Nồng độ NH4+ đầu vào các ống cột được duy trì ổn
định với giá trị là 100 ± 2 mg/l.
2.7. Các giả định trong thí nghiệm
(1) Giả định độ ẩm của các cột đất khơng thay đổi trong tất cả các thí nghiệm.
(2) Giả định nồng độ các chất hòa tan và lưu lượng dòng chảy tại đầu biên dưới
của các ống cột được xem như bằng với các giá trị nồng độ và lưu lượng được đề xuất
sử dụng.
(3) Trong suốt q trình lan truyền NH4+, độ phân tán λ được giả định khơng đổi
và được xác định thơng qua đường cong đột phá (Breakthrough curve - BTC) của Cl-.
(4) Giả định khơng có sự tồn tại ion amoni trong nguồn nước thủy cục sử dụng.
2.8. Tính tốn khối lượng amoni bị hấp phụ
Theo [14], khối lượng của chất hòa tan bị hấp phụ trong dung dịch đất được xác
định dựa trên sự thay đổi tương ứng tỷ lệ nồng độ của chất đó tại thời điểm i và nồng độ
ban đầu theo thể tích dung dịch thu được tại đầu ra của các ống cột. Do đó, khối lượng
amoni bị hấp phụ (Ms) có thể được ước tính xấp xỉ theo cơng thức như sau:
!

=

%&'&
" #"


$

( =

$

)

∑+/0
+/" (

+

+

+,- )(.+,-

− .+ )

(3)

Trong đó: " : nồng độ amoni ban đầu; Vtot: tổng thể tích thu được tại điểm đầu
ra của ống cột khi nồng độ amoni đầu ra tiến đến bằng nồng độ amoni đầu vào ( / " =
1); + , +,-: nồng độ amoni NH4+ tại thời điểm i và i+1.
3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
3.1. Xác định hệ số phân tán
Sau thời gian tiếp xúc 150 phút, nồng độ Cl- tại điểm đầu ra 04 ống cột đạt đến
giá trị cân bằng với nồng độ Cl- ban đầu và thể hiện bằng đường cong đột phá Cl- như
Hình 5 dưới đây.


32

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Nhìn nhận từ Hình 5 cho thấy, đường cong thể hiện các tỷ lệ nồng độ C/C0 của
Cl gần như đối xứng đến giá trị khoảng 0,87. Trên khoảng giá trị C/C0 = 0,87, đường
cong đột phá thể hiện sự tồn tại của hệ số dòng chảy khơng lý lưởng. Ngun nhân xuất
hiện hệ số này là do sự sắp đặt hai lớp sỏi đỡ tại hai đầu biên của các ống cột. Tuy
nhiên, sự xáo động dòng chảy này chỉ gây nên một tác động nhỏ lên việc tính tốn hệ số
phân tán. Các thơng số như v - vận tốc dòng chảy Darcy và λ - độ phân tán của mơ hình
chuyển tải - phân tán được ước tính tối ưu bằng phương pháp ước tính ngược thơng số
của Hydrus 1D [5].
-

Nồng độ C/C0, mg/l

1
0.8
0.6
0.4
0.2

Số liệu thí nghiệm
Mơ hình cân bằng

0
0


0.5

1

1.5
Thời gian, giờ

2

2.5

3

Hình 5. Đường cong đột phá Cl- theo số liệu thí nghiệm và số liệu tính tốn từ phần
mềm Hydrus 1D
Với vận tốc dòng chảy v được cố định bằng 4,53 m/ngày, độ phân tán của các
cột đất Cơn Sơn được ước tính bằng 0,2 cm và hệ số phân tán bằng 8,40 (cm2/h) với hệ
số tương quan giữa các giá trị nồng độ C/C0 xác định từ thí nghiệm và từ mơ hình cân
bằng Hydrus 1D (dưới giá trị 0,87 - xem Hình 5) đạt giá trị R2 = 0,97. Kết quả λ và D
nhỏ chỉ ra rằng đất Cơn Sơn có thành phần hạt tương đối đồng nhất về độ rỗng.
3.2. Xác định các hệ số lan truyền amoni
Việc mơ phỏng lan truyền amoni trong các ống cột đất Cơn Sơn được thực hiện
dựa trên các giả định ở trên. Kết quả khối lượng amoni bị hấp phụ trong đất (Cs) tương
ứng với các nồng độ NH4+ khác nhau (C0) được thể hiện ở Bảng 1 dưới đây.
Bảng 1. Khối lượng NH4+ bị hấp phụ trong sáu ống cột đất
C0, mg/l
Cs, mg/kg

4,84 9,65

1,37 2,75

19,56 36,54 79,82 102,88
6,47 10,41 18,74 24,32

Kết quả trình bày ở Bảng 1 cho thấy, khối lượng NH4+ bị hấp phụ tăng dần từ
1,37 đến 24,32 mg/kg tương ứng với nồng độ NH4+ trong dung dịch amoni clorua
NH4Cl từ 4,84 đến 102,88 mg/l. Điều này có nghĩa sự hấp phụ amoni trong đất Cơn Sơn
tn theo đường đẳng nhiệt hấp phụ tuyến tính đơn giản với hệ số tương quan R2 =
0,9925.
× "
! =
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

33


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Với Kd: hệ số phân vùng, (1/kg)

Khối lượng NH4+ bị hấp phụ Cs, mg/kg

Tuy nhiên, khi xét đến tỷ lệ Cs/C0 hay hệ số phân vùng Kd có thể nhận ra rằng,
tuy nồng độ NH4+ trong dung dịch tăng thì khối lượng NH4+ bị hấp phụ tăng theo,
nhưng Kd lại có xu hướng tăng giảm theo dạng parabol. Do vậy, để thể thể hiện sự phân
vùng hấp phụ amoni sát với số liệu thí nghiệm, hai hệ số phân vùng được hình thành
dựa trên hai phần số liệu bằng nhau, với Kd1 = 0,35 (1/kg) - R2 = 0,9962 và Kd2 = 0,21
(1/kg) - R2 = 0,9963 (xem Hình 7).
30

Số liệu thí nghiệm
25
20

Tất cả số liệu
y = 0,2265x
R² = 0,9925

Phần số liệu thứ hai
y = 0,2075x
R² = 0,9963

15
10
Phần số liệu thứ nhất
y = 0,3508x
R² = 0,9962

5
0
0.00

20.00

40.00

60.00

80.00


100.00

120.00

Nồng độ NH4 trong dung dịch NH4Cl, mg/l
+

Hình 6. Đường đẳng nhiệt hấp phụ NH4+ trong đất Cơn Sơn
Các giá trị Kd nhận được từ các kết quả thí nghiệm tương đối thấp đã xác nhận
sự tồn tại của tổng hàm lượng hữu cơ (TOC) cũng như các thành phần sét trong đất Cơn
Sơn là rất thấp. Bởi do giá trị Kd gia tăng tỷ lệ thuận với thành phần đất sét [15]. Kết
quả ước tính các thơng số lan truyền theo từng mơ hình của Hydrus 1D cũng như các
đường cong đột phá tương ứng với các nồng độ được thể hiện ở các Hình 8 (từ a đến f)
và Bảng 2 dưới đây.
Bảng 2. Các thơng số lan truyền amoni ước tính theo MH CB và MH KCB I với các
nồng độ NH4+ khác nhau
C0,NH4+
λ (cm)
(mg/l)
4,84
0,2
9,65
0,2
19,56
0,2
36,54
0,2
79,82
0,2
102,88

0,2

34

MH CB
Kd (1/kg)
0,35
0,35
0,35
0,21
0,21
0,21

R2 (%)
93,81
89,28
91,53
93,89
82,61
76,61

λ (cm)
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2
0,2

Kd (1/kg)

0,35
0,27
0,35
0,21
0,21
0,21

MH KCB I
α (1/h)
1,00 (0,35)
2,82 (0,17)
5,20 (0,68)
5,43 (0,70)
6,77 (0,70)
7,19 (0,70)

R2 (%)
99,17
99,44
98,27
98,90
99,17
98,85

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Các đường cong mơ phỏng lan truyền NH4+ bằng mơ hình cân bằng (MH CB)

được xác định sau nhiều lần mơ phỏng thử nghiệm trên Hydrus 1D. Các đường cong
NH4+ theo MH CB có độ dốc gần tương tự như đường cong của Cl- nhưng lại rất khác
so với các đường cong NH4+ theo mơ hình khơng cân bằng (MH KCB). Do vậy mà các
MH CB khơng thể mơ phỏng tốt q trình hấp phụ amoni trong đất Cơn Sơn bởi do MH
CB dự đốn sự lan truyền amoni nhanh hơn kết quả thí nghiệm. Trong khi đó thì MH
KCB với hai dạng vùng cho thấy sự tương thích rõ rệt giữa số liệu thí nghiệm và kết quả
mơ hình. Để mơ phỏng tốt MH KCB, hai thơng số được ước tính bổ sung, đó là: hệ số
chuyển đổi chất (α) và thơng số vùng hấp phụ (F) đạt cân bằng với nồng độ pha lỏng.
Kết quả thử nghiệm ước tính trên phần mềm Hydrus 1D cho thấy, giá trị F nhận được
rất nhỏ (ước tính F ≈ 0,01). Chính vì vậy, đối với MH KCB dạng vùng I (hay gọi tắt là
MH KCB I) với F = 0 được đề xuất sử dụng nhằm mơ phỏng q trình lan truyền NH4+
tương ứng với các nồng độ khác nhau và MH KCB dạng vùng II (MH KCB II) tương
ứng với các lưu lượng dòng chảy khác nhau.
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

Nồng độ C/C0, mg/l

Nồng độ C/C0, mg/l

1
0.8
0.6
0.4
0.2
0


Số liệu thí nghiệm
MH KCB I
MH CB

0

5
10
Thời gian, giờ

a.

Nồng độ C/C0, mg/l

Nồng độ C/C0, mg/l

0

15

1

Số liệu thí nghiệm
MH KCB I
MH CB

5

Thời gian, giờ


10

15

b.

1

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.4

Số liệu thí nghiệm
MH KCB I
MH CB

0.2
0
0

5


Thời gian, giờ

10

c.

Số liệu thí nghiệm
MH KCB I
MH CB

0.2
0
0

15

5

10
Thời gian, giờ

15

Nồng độ C/C0, mg/l

1

Nồng độ C/C0, mg/l


1

d.

0.8

0.8

0.6

0.6

Số liệu thí nghiệm
MH KCB I với q=20ml/phút
MH CB
MH KCB II với q=10ml/phút
MH KCB II với q=30ml/phút

0.4

0.4
Số liệu thí nghiệm
MH KCB I
MH CB

0.2
0
0

5

10
Thời gian, giờ

0.2
0

15

e.

0

5

10
Thời gian, giờ

15

f.

Hình 7. Các đường cong đột phá NH4+ theo số liệu thí nghiệm và mơ hình Hydrus 1D
tại t = 30 ± 20C và q=20 ml/phút, tương ứng với: a. C0 = 4,84 mg/l; b. C0 = 9,65 mg/l;
c. C0 = 19,56 mg/l; d. C0 = 36,54 mg/l; e. C0 = 79,82 mg/l; f. C0 = 102,88 mg/l
Qua kết quả ở Hình 8 có thể nhận thấy, các đường cong NH4+ theo MH KCB I
gần như sát với các số liệu thí nghiệm. Điều này chỉ ra rằng, sự hấp phụ amoni là q
trình động hóa học. Trong hai thơng số bổ sung của MH KCB là hệ số chuyển đổi chất
VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

35



TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

(α) và thơng số vùng hấp phụ (F) thì hệ số chuyển đổi chất là thơng số đặc trưng cho
q trình động học hấp phụ. Giá trị α càng cao càng nhanh dẫn đến trạng thái cân bằng
giữa amoni ở pha lỏng và pha rắn và ngược lại [6]. Từ kết quả ở Bảng 2 có thể nhận
thấy rõ ràng MH KCB I dự đốn các đường cong rất tốt mà khơng nhất thiết phải trùng
khớp với các hệ số phân vùng Kd.
Giá trị của hệ số chuyển đổi chất α của MH KCB I thay đổi từ 1.00÷7.19 (1/h)
đối với nồng độ NH4+ trong dung dịch tương ứng từ 4.84÷102.88 mg/l đã chỉ ra rằng sự
chuyển đổi NH4+ từ dạng dung dịch sang đất sẽ diễn ra giới hạn khi nồng độ dung dịch
NH4+ có nồng độ thấp.
Bảng 3. Khối lượng NH4+ bị hấp phụ khi lưu lượng dòng chảy và thời gian tiếp xúc
thay đổi
q ≠ const
10
20
29,12
19,55
t tăng dần và q = 10ml/phút
t, phút
60
120
Cs, mg/kg
0,11
3,80
q, ml/phút
Cs, mg/kg


30
14,94
180
11,70

Bảng 4. Các thơng số lan truyền amoni ước tính theo MH KCB II với các lưu lượng
dòng chảy khác nhau
Lưu lượng dòng
chảy, ml/phút

λ (cm)

Kd (1/kg)

10

0,2

0,29

20

0,2

0,19

30

0,2


0,15

MH KCB II
α (1/h)
1,02
(0,01)
2,34
(1,04
2,89
(1,86)

F (-)

R2 (%)

0,09

97,51

0,01

99,27

0,00

98,23

1

Nồng độ C/C0, mg/l


0.8
0.6
0.4

Lưu lượng 30ml/phút
MH KCB II với lưu lượng 30ml/phút
Lưu lượng 10ml/phút
MH KCB II với lưu lượng 10ml/phút
Lưu lượng 20ml/phút
MH KCB II với lưu lượng 20ml/phút

0.2
0
0

2

4

6

8

10

12

Thời gian, giờ


Hình 8. Các đường cong đột phá của NH4+ tương ứng với sự thay đổi lưu lượng dòng
chảy (nhiệt độ t = 30 ± 20C, nồng độ NH4+ ban đầu = 100 ± 2 mg/l)
36

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016

Đối với MH KCB dạng II (lưu lượng dòng chảy thay đổi và nồng độ NH4+ duy
trì ổn định bằng 100 ± 2 mg/l), các đường cong NH4+ được thể hiện ở Hình 8 cho thấy
sự gia tăng sự hấp phụ NH4+ vào dung dịch đất Cơn Sơn đã xảy ra (cụ thể là giá trị F gia
tăng, α suy giảm) khi lưu lượng dòng chảy giảm và thời gian tiếp xúc tăng (xem Bảng 3
và 4). Bên cạnh đó, việc mơ phỏng tiếp tục MH KCB II ứng với lưu lượng dòng chảy 20
ml/phút đã hỗ trợ việc ước tính lại giá trị Kd sát với số liệu thí nghiệm hơn và được
minh chứng qua R2 gia tăng (từ 98,85% - MH KCB I lên 99,27% - MH KCB II). Các
giá trị Kd này tỷ lệ thuận với thời gian tiếp xúc và tỷ lệ nghịch với sự gia tăng lưu lượng
dòng chảy.
4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Dựa trên số liệu thí nghiệm và số liệu ước tính từ phần mềm Hydrus 1D đã xác
định được các hệ số lan truyền như sau:
- Hệ số phân tán D = 8,40 cm2/h.
- Đối với các thí nghiệm giữ ngun lưu lượng dòng chảy và thay đổi nồng độ
NH4 thì:
+

+ Hệ số phân vùng Kd được phân thánh hai hệ số phân vùng Kd1 và Kd2 dựa trên
hai phần số liệu nồng độ: (a) các nồng độ (4,84; 9,65; 19,56 mg/l) với Kd1 = 0,35 (1/kg)
và (b) các nồng độ (36,54; 79,82; 102,88 mg/l) với Kd2 = 0,21 (1/kg).
+ Hệ số chuyển đổi chất α thay đổi từ 1.00 đến 7,19 (l/h) đối với nồng độ NH4+

trong dung dịch tương ứng từ 4,84 đến 102,88 mg/l.
- Đối với các thí nghiệm giữ ngun nồng độ NH4+ và thay đồi lưu lượng dòng
chảy thì hệ số phân vùng Kd bằng 0,29, 0,19, 0,15 (l/kg) và hệ số chuyển đổi chất α
bằng 1,02; 2,34; 2,89 (1/h) tương ứng với lưu lượng dòng chảy thay đổi từ 10, 20 đến
30 ml/phút.
Nhìn nhận trên các kết quả thí nghiệm và mơ phỏng các dạng mơ hình khác nhau
của phần mềm Hydrus trong điều kiện các cột đất Cơn Sơn chứa phần lớn là cát hạt mịn
và thành phần sét cũng như hữu cơ rất ít, có thể kết luận rằng sự suy giảm nồng độ
amoni trong NDĐ thơng qua năng lực hấp thụ của đất rất thấp. Do đó, nếu khả năng lan
truyền ơ nhiễm amoni trong tầng chứa nước của thung lũng Cơn Sơn xảy ra thì việc áp
dụng các biện pháp nitrát hóa và khử nitrat để loại bỏ amoni và làm sạch NDĐ là hồn
tồn khả thi. Các kết quả thí nghiệm và mơ phỏng từ mơ hình lan truyền amoni trong
các cột đất Cơn Sơn đã góp phần bổ sung thêm cơ sở khoa học cho việc định hướng và
phát triển các nghiên cứu chun sâu hơn về các vấn đề lan truyền ơ nhiễm tại nghĩa
trang Cơn Đảo nói riêng hay các bãi chơn lấp nói chung và cũng như đề xuất các hướng
nghiên cứu về lan truyền ơ nhiễm phân bón/ thuốc trừ sâu tại các khu vực phát triển
nơng nghiệp hoặc tại các sân golf cao cấp tại Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Enviroment Agency, “Evaluation of the extent and character of groundwater pollution from
point sources in England and Wales,” Enviroment Agency, Bristol, 1996.

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM

37


TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016


2.

World Health Organization, “Guidlines for Drinking Water Quality,” Vol. 1 Recommendation 2nd. WHO, Geneva, 1993.

3.

F.W.J. Van Haaren, “Cemeteries as Sources of Groundwater Contaminant Ion,” in Water
35 (16), American Institute of Chemical Engineering, 1951, pp. 167 – 172.

4.

C.P. Young and et al., “Pollution Potential of Cemeteries – Draft Guidance,” in R & D
Techinical Report P223, Environment Agency for England and Wales. ISBN 1857050215,
1999, 61pp.

5.

J. Simunek, K. Huang, M. Th. Van Genuchten, “The HYDRUS Code for Simulating the
One-dimensional Movement of Water, Heat andMultiple Solutes in Variably Saturated
Media,” Res. Rep. No. 144. U.S. Salinity Lab., USDA, Riverside, CA, 1998.

6.

J. Simunek, M. Th. Van Genuchten, “Modelling Nonequilibrium Fow and Transport
Processes Using Hydrus,” Vadoze Zone Journal 7, 2008, pp. 782–797.

7.

P. Grathwohl, “Diffusion in Natural Porous Media: Contaminant Transport,
Sorption/Desorption and Dissolution Kinetics,” Topics in Environmental Fluid Mechanics,

Kluwer Academic Publishers, 1998, 207 pp.

8.

C.W. Fetter, “Contaminant Hydrogeology,” New York: Macmillan Publishing Company,
1992.

9.

D.R. Nielsen, M.Th. Van Genuchten, J.W. Biggar, “Water Fow and Solute Transport
Processes in The Unsaturated Zone,” Water Resour. Res. 22, 1986, pp. 89–108.

10. M.Th. Van Genuchten, R.J. Wagenet, “Two-Site/Two-Region Models for Pesticide
Transport and Degradation: Theoretical Development and Analytical Solutions,” Soil Sci.
Soc. Am. J. 53, 1989, pp. 1303–1310.
11. H.M. Selim, J.M. Davidson, R.S. Mansell, “Evaluation of a Two-site Adsorption–
desorption Model for Describing Solute Transport in Soils,” In: Proc. Summer Computer
Simulation Conf., Washington, D.C, 1976.
12. D.A. Cameron, A. Klute, “Convective–Dispersive Solute Transportwith a Combined
Equilibrium and Kinetic Adsorption Model,” Water Resour. Res. 13, 1977, pp.183–188.
13. T. Pernyeszi et al., “Organoclays for Soil Remediation: Adsorption of 2,4 Dichlorophenol
on Organoclay/Aquifer Material Mixtures Studied Under Static and Flow Conditions,”
Appl. Clay Sci. 32, 2006, pp. 179–189.
14. S. Jellali, N. Jedidi and H. Kallali, “Laboratory Ammonium Sorption Quantification in
Groundwater during Soil Aquifer Treatment,” Research Gate, Conference Paper, January
2005.
15. S.R. Buss et al., “A Review of Ammonium Attenuation in Soil and Groundwater,” Q. J.
Eng. Geol. Hydroge 37, 2004, pp. 347–359.

Người phản biện: PGS. TS. Lương Văn Thanh


38

VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM