Nghiên cứu mô hình hoá quá trình xử lí nước thải bệnh viện bằng thiết bị CN 2000

Nghiên cứu mô hình hoá quá trình xử lí nước thải bệnh viện bằng thiết bị CN 2000

Trường đại học bách khoa hμ nội

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1 Đường Đại Cồ Việt Hà Nội

vào hồi 8 giờ 30’ ngày 31 tháng 07 năm 2008

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc gia Hà Nội

- Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

1 Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sokvung (2005), “Sử dụng mô hình dãy hộp với dòng ngược trong việc

tính toán hệ thiết bị aeroten-bể lắng xử lý nước thải bệnh viện”, Tạp chí khoa học và công nghệ, 43(6A), tr 208-211

2 Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Trần Văn Nhân, Sreng Sokvung (2006), “Mô hình thực nghiệm thống kê mô tả quan hệ giữa

các chỉ tiêu hoá lý cơ bản của nước thải bệnh viện”, Tạp chí khoa học

và công nghệ, 44(2), tr 13-17

3 Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Văn Nhân, Sreng Sokvung (2007), “Tính

toán động học xử lý nước thải hữu cơ trên lớp đệm vi sinh bám”, Tạp chí khoa học và công nghệ, 45(5), tr 43-49

4 Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Văn Nhân, Sreng Sokvung (2007), “Mô hình hoá quá trình xử lý sinh học yếm khí – thiếu khí – hiếu khí (AAO)

đối với nước thải bệnh viện”, Tạp chí khoa học và công nghệ, 45(6), tr

a những đặc điểm của luận án

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm trở lại đây các nước đang phát triển như Việt Nam, Campuchia đã và đang có những bước phát triển kinh tế xã hội mạnh mẽ rất

đáng tự hào Song song với thành tựu to lớn này là mặt trái của sự phát triển, đó

là vấn đề ô nhiễm môi trường Trong quá trình phát triển, môi trường của các đô thị đã xuống cấp nghiêm trọng do nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện (NTBV), rác thải cũng như chất thải công nghiệp Nghiêm trọng hơn là NTBV,

do đây là một nguồn gây ô nhiễm nguy hiểm đến sức khoẻ cộng đồng dân cư cũng như bệnh nhân, người nhà và cán bộ công nhân viên của các bệnh viện và cơ sở y tế

Theo báo cáo của Bộ Y tế hiện tại ở Việt Nam có khoảng 250 bệnh viện là

có trạm XLNT bằng nhiều phương pháp khác nhau Trong đó khoảng 40% trạm

là xử lý theo công nghệ hợp khối, và trong nhóm này một loại thiết bị có tên là

CN 2000 cho hiệu quả xử lý khá cao với giá thành đầu tư và vận hành hợp lý

Đây là công nghệ kết hợp nhiều quá trình xử lý các chất hữu cơ, nitơ và photpho theo các quy trình xử lý yếm khí, thiếu khí và hiếu khí Chính vì vậy nghiên cứu mô hình hoá quá trình xử lý NTBV bằng thiết bị CN 2000 là một việc làm hết sức cần thiết để chuẩn hoá và mở rộng ứng dụng, nâng cao chất lượng tư vấn thiết kế và tối ưu hoá quá trình quản lý và vận hành trạm xử lý NTBV bằng thiết

bị CN 2000 đóng góp vào công cuộc bảo vệ môi trường của đất nước

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu xây dựng các mô hình tính toán công nghệ kết hợp quá trình

xử lý yếm khí – thiếu khí – hiếu khí (AAO) trên lớp đệm vi sinh bám trong thiết

bị CN 2000 để xử lý NTBV

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các mô hình động học dãy hộp và mô hình thống kê áp dụng trên các trạm XLNT bằng thiết bị CN 2000 tại một số bệnh viện của Hà Nội: Thanh Nhàn, Xanh Pôn, Trung tâm điều trị bệnh nhân HIV

Luận án đã đạt được những kết quả sau:

- Xây dựng được các mô hình thống kê mô tả mối quan hệ giữa các thông

số nước thải của các bệnh viện Việt Nam;

- Xây dựng được mô hình thống kê tính toán thiết bị CN 2000 thực hiện các quá trình XLNT theo công nghệ AAO trên lớp đệm vi sinh bám;

- Xây dựng được mô hình dãy hộp cấu trúc dòng bên trong các ngăn xử lý sinh học của thiết bị CN 2000;

- Hoàn thiện phần mềm tính toán quá trình XLNT bằng thiết bị CN 2000 trên cơ sở các mô hình nói trên và đã kiểm tra độ tương thích của các mô hình tại trạm XLNT của một số bệnh viện tại Hà Nội;

4 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Luận án đã áp dụng cách tiếp cận mô hình hoá gồm các mô hình thống kê

và mô hình dãy hộp cấu trúc dòng để xây dựng các phương pháp tính toán các thông số thiết kế và vận hành thiết bị CN 2000 trong XLNT các bệnh viện của

Hà Nội Các mô hình và công thức tính toán nói trên cho phép khảo sát các quá trình XLNT, cho phép tối ưu hoá quá trình thiết kế và vận hành các thiết bị XLNT nói trên Việc này đóng góp tích cực vào phòng chống ô nhiễm môi trường của các bệnh viện, đô thị ở Việt Nam và Campuchia

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 98 trang, 28 bảng, 28 hình, 54 tài liệu tham khảo và 24 trang phụ lục Luận án gồm các phần chính sau: Mở đầu (3 trang), Chương 1 (41 trang), Chương 2 (11 trang), Chương 3 (40 trang) và phần kết luận và kiến nghị

b nội dung luận án Chương 1 tổng quan về nước thải bệnh viện, hiện trạng

kiểm soát ô nhiễm và công nghệ xử lý nước thải

bệnh viện ở việt nam

1.1 Nước thải bệnh viện

1.1.1 Lưu lượng NTBV

Để tính toán hệ thống thoát nước thải và lựa chọn sơ đồ công nghệ xử lý NTBV thì phải xác định lượng nước thải của bệnh viện trong một ngày Người ta chấp nhận tiêu chuẩn thoát nước bằng tiêu chuẩn cấp nước, do vậy lượng nước

mà bệnh viện dùng trong một ngày chính là lượng nước thải trong một ngày Ngoài ra ở Việt Nam có thể xác định lưu lượng nước thải của bệnh viện Đa khoa theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 4470:87

1.1.2 Tính chất và thành phần của NTBV

NTBV là một dạng của nước thải sinh hoạt đô thị Tuy nhiên do nước dùng trong quá trình khám chữa bệnh và chăm sóc bệnh nhân nên về mặt vệ sinh và dịch tễ học thì trong NTBV chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh, dễ lây lan cho người qua đường nước

NTBV là một nguồn thải gây nguy hiểm cho môi trường vì khả năng lan rộng trong môi trường, mức độ nhiễm khuẩn cao, khả năng tồn tại lâu và nhân lên của vi khuẩn gây bệnh trong điều kiện giàu chất hữu cơ của nước thải NTBV có thể mang các tác nhân mầm bệnh như tả, thương hàn, phó thương hàn,

bệnh than, lao, lỵ amip, leptospyros, bệnh vàng da nhiễm trùng, viêm gan siêu

vi trùng, bệnh nhiễm virut ruột, giun sán, nấm mốc, bại liệt Các chỉ tiêu ô nhiễm chính của NTBV thể hiện trong bảng 1.1

Từ các kết quả nghiên cứu về NTBV ở Việt Nam cho thấy:

+ Tất cả các bệnh viện đều có mức độ ô nhiễm cao so với tiêu chuẩn thải; + Nồng độ chỉ điểm vệ sinh về vi sinh trong NTBV nghiên cứu đều rất cao,

trong đó nồng độ trung bình Coliform/100 ml gấp 234.000 lần tiêu chuẩn thải

(mức I TCVN 7382:2004) Trong NTBV chưa xử lý phân lập được nhiều chủng

vi khuẩn gây bệnh như E coli, Enterobacter, Staphylococcus aureus và Pseudomonas aeruginosa

+ Trong nước thải chưa xử lý của một số bệnh viện ở Hà Nội có dư lượng chất kháng sinh ciprofloxacin – CIP (1,1.10-3 – 25,8.10-3 mg/l) và norfloxacin – NOR (3,4.10-3 – 15,2.10-3 mg/l) Và tại bệnh viện Hữu Nghị trong nước thải sau

xử lý nồng độ CIP giảm 85,66% và NOR giảm 82,14% so với nồng độ của chúng trong nước thải chưa xử lý Cũng tại bệnh viện Hữu Nghị, nghiên cứu cho

thấy trong nước thải chưa xử lý thì vi khuẩn E coli kháng được với CIP và NOR, và nước thải sau xử lý thì E coli trở nên nhạy cảm với CIP và NOR

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu ô nhiễm chính của NTBV

Giá trị Chỉ tiêu

Min Trung bình Max

TCVN 7382:2004 (mức II)

pH

Chất rắn lơ lửng, mg/l

BOD5, mg/l

COD, mg/l

NT, mg/l

PT, mg/l

Coliform, MPN/100ml

6,4

150

120

150

15

5

106

7,54

160

150

200

28

9

107

8,15

220

200

350

36

12

109

6,5-6,8

≤ 100

≤ 30

≤ 80 *

≤ 30 *

≤ 6 *

≤ 5000

* TCVN 5945:2005 (loại B)

1.2 Hiện trạng kiểm soát ô nhiễm do NTBV ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam có khoảng 970 bệnh viện với 117.562 giường bệnh Phần lớn bệnh viện các tuyến: Trung Ương (TW), Tỉnh, và Ngành đều có thiết

kế hệ thống thoát và trạm XLNT Một số bệnh viện thiết kế tách riêng hệ thống thoát nước thải và nước mưa Nước mưa được xả trực tiếp vào cống thải chung hoặc nguồn tiếp nhận khác Nhưng hầu hết hệ thống thoát và XLNT tại các bệnh viện đều không hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả Ngoài ra một số bệnh viện không thiết kế trạm XLNT nên nước thải được thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận

Chính vì vậy NTBV đang là nguồn gây ô nhiễm môi trường trầm trọng nhất là sự lây lan dịch bệnh trong và bên ngoài bệnh viện đe doạ đến sức khoẻ

và tính mạng của cộng đồng

1.3 Công nghệ xử lý NTBV ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam đang triển khai nhiều loại công nghệ khác nhau trong xử lý NTBV, có thể quy về bốn nhóm công nghệ xử lý chính gồm: Lọc sinh học nhỏ giọt, hồ sinh học, aeroten truyền thống, lọc sinh học nhiều bậc (sử dụng đệm vi sinh) và các phương pháp khác Trong đó công nghệ lọc sinh học nhiều bậc là công nghệ xử lý sinh học kết hợp các quá trình xử lý yếm khí, thiếu khí và hiếu khí theo nguyên lý hợp khối Thiết bị CN 2000 là một dạng thiết bị

xử lý NTBV theo công nghệ này

Các kết quả nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý của các nhóm công nghệ

đều cho thấy hiệu quả xử lý khác nhau theo các nhóm công nghệ và chưa đáp

ứng yêu cầu ngày càng cao như hiện nay Trong đó nhóm công nghệ lọc sinh học nhiều bậc có đệm vi sinh đạt hiệu quả cao nhất và đạt tiêu chuẩn thải, tuy chưa đạt yêu cầu theo lý thuyết

denitrifications Trong điều kiện thiếu oxy, các vi khuẩn này sẽ tách oxy của

nitrat và nitrit để oxy hoá chất hữu cơ Nitơ phân tử tạo thành trong giai đoạn này sẽ thoát ra khỏi nước Trong điều kiện hiếu khí trong nước thải xảy ra đồng thời quá trình khử BOD và quá trình khử các hợp chất chứa nitơ Quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ trong nước thải gồm: phản ứng phân huỷ các hợp chất hydratcacbon và sản phẩm là CO2 và H2O, phản ứng tổng hợp xây dựng tế bào mới và phản ứng tự oxy hoá chất liệu tế bào Quá trình khử các hợp chất chứa nitơ trong điều kiện hiếu khí gồm quá trình amôn hoá và quá trình nitrat

hoá Quá trình nitrat hoá nhờ vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter

Quá trình khử photpho được thực hiện bằng cách lắng cặn để loại bỏ các

tế bào chứa lượng photpho trong quá trình sinh trưởng và hoạt động Khả năng

lấy photpho của vi khuẩn tuỳ tiện Acinetobacter sp sẽ tăng lên rất nhiều khi

nước thải luân chuyển qua các điều kiện yếm khí và hiếu khí

Sơ đồ công nghệ xử lý NTBV bằng công nghệ AAO được thể hiện trên hình 1.1

1.4.2 Thiết bị CN 2000 xử lý NTBV

CN 2000 là tên thiết bị hợp khối xử lý NTBV bằng phương pháp sinh học theo nguyên lý công nghệ AAO trên lớp đệm vi sinh bám

1.4.2.1 Cấu tạo thiết bị CN 2000

Thiết bị CN 2000 đã được Cục sở hữu trí tuệ chấp thuận đơn bảo hộ và

đăng trên công báo sở hữu công nghiệp số 186 tập A (09-2003) cho các tác giả: Nguyễn Xuân Nguyên, Nguyễn Hữu Chiến, Đỗ Trọng Dũng

Cấu tạo thiết bị CN 2000 được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Mặt cắt cấu tạo và hình ảnh thiết bị CN 2000

1.4.2.2 Đặc điểm thiết bị CN 2000

Xử lý NTBV bằng thiết bị CN 2000 là phương pháp xử lý gồm các quá trình xử lý lý hoá, xử lý sinh học yếm khí, thiếu khí và hiếu khí Thiết bị được chế tạo theo nguyên lý mô đun, hợp khối, tự động rất gọn nhẹ phù hợp với mọi

điều kiện lắp ráp của Việt Nam cũng như Campuchia

+ : Dòng nước thải đi xuống

: Dòng nước thải đi lên

Thiết bị CN 2000 XLNT dựa trên cơ sở kết hợp giữa hai nguyên lý bể aeroten và bể lọc biofilter, với một số cải tiến để quá trình xử lý đạt hiệu quả cao, cụ thể là:

- Kết hợp quá trình xử lý vi sinh dính bám và vi sinh lơ lửng bằng cách dìm toàn bộ khối vật liệu ngập trong nước Tận dụng được tính năng của cả hai loại

vi sinh trên cùng một đơn vị thể tích thiết bị;

- Thay thế vật liệu trơ thông thường bằng vật liệu đệm có độ rỗng rất cao,

có bề mặt nhám để tăng bề mặt tiếp xúc với nước thải, không khí và vi sinh dính bám dễ dàng;

- Kết hợp phương pháp xử lý hiếu khí và thiếu khí để khử NO3ư bằng vi khuẩn của quá trình denitrification;

- Tăng quãng đường đi của nước thải để quá trình sinh trưởng phát triển của

vi sinh có hiệu quả, từ đó nâng cao hiệu suất xử lý Quá trình xử lý diễn ra theo nhiều bậc hơn, cụ thể là khử BOD , COD , NH+4 → NO3ư, NO3ư → N2

Ưu điểm chính của hệ thống XLNT bằng thiết bị CN 2000

- Nước thải sau xử lý đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn thải của TCVN 7382:2004;

- Chiếm ít diện tích đất và kiểm soát được ô nhiễm thứ cấp;

- Chi phí đầu tư và vận hành ở mức chấp nhận được

1.4.2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý NTBV bằng thiết bị CN 2000

Sơ đồ công nghệ xử lý NTBV bằng thiết bị CN 2000 được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ xử lý NTBV bằng thiết bị CN 2000

Nước thải bệnh viện

Nước thải bệnh viện

Chất keo tụ

Bể thu gom và chắn rác

1.5 Mô hình hoá quá trình công nghệ

Muốn triển khai các quá trình công nghệ cần phải nắm được bản chất của

hệ thống qua các hàm toán, do đó phương pháp mô hình hoá được sử dụng để lọc lựa những nét cơ bản nhất phản ánh các đặc điểm công nghệ của hệ Có nhiều loại mô hình khác nhau, nếu phân loại theo phương pháp toán học thì có mô hình thống kê, mô hình vật lý và mô hình toán học Mô hình thống kê được

sử dụng để mô tả hệ trong trường hợp không biết được bản chất và cấu trúc hệ

và coi hệ là một hộp đen Do đó với mô hình thống kê sẽ không hiểu rõ được quy luật bảo toàn cũng như quy luật động học trong vận động của hệ mà chỉ hiểu được tương tác giữa các yếu tố mà ta quan tâm với một mức độ xác suất nào đó trong phạm vi nghiên cứu Nên khi dùng mô hình thống kê thì không thể chủ động điều khiển được vận động của hệ mà chỉ có thể tìm ra được chế độ tối

ưu trong hoạt động của hệ Để khắc phục những hạn chế này thì phải dùng mô hình toán học Mô hình toán dựa trên hai phân tử cơ sở (đẩy lý tưởng và trộn lý tưởng) và ba loại liên hệ (nối tiếp, song song và nối ngược) Ngoài hai mô hình cơ sở trên còn sử dụng mô hình cấu trúc dòng phối hợp, điển hình nhất là mô hình khuếch tán và mô hình dãy hộp Mô hình dãy hộp thường được dùng để mô tả dòng trong các thiết bị loại ống, loại tháp hay dòng các thiết bị khuấy mắc nối tiếp nhau với tính toán không quá phức tạp

1.6 Giới thiệu hiện trạng kiểm soát ô nhiễm do NTBV và nước thải ở Campuchia

Campuchia là một đất nước đang phát triển với dân số khoảng 14 triệu dân Những năm gần đây Chính phủ đã quan tâm nhiều đến vấn đề bảo vệ môi trường Mặc dù vậy do nhiều nguyên nhân như kinh phí hạn chế, trình độ khoa học kỹ thuật còn khiêm tốn, thiếu nhân lực nên ô nhiễm môi trường vẫn đang là vấn đề nan giải trong đó có ô nhiễm môi trường do nước thải gây ra

Hiện nay NTBV đều xả vào hệ thống cống thoát chung của thành phố, hoặc nguồn tiếp nhận khác mà không được xử lý, và mạng lưới thoát nước của các thành phố như Phnom Penh, Siem Reap phần lớn là kênh hở hoặc hệ thống cống bị xuống cấp và hư hỏng chảy qua thành phố hoặc là các hồ chứa trong lòng thành phố, do đó với tính chất và thành phần của NTBV như đã trình bày trong mục 1.1.2 và với khả năng tồn tại lâu của vi sinh vật, vi khuẩn gây bệnh trong nước thải thì khả năng lây lan dịch bệnh qua đường nước thải thực sự đáng báo động, nhất là đối với các hộ nghèo sống trong điều kiện vệ sinh yếu kém sẽ

là những nạn nhân đầu tiên Ngoài ra vào mùa mưa lũ với khả năng tiêu thoát nước kém, nhiều điểm trong thành phố thường bị ngập lụt do đó càng làm tăng nguy cơ lây lan dịch bệnh

Với tình trạng như hiện nay, tại các thành phố lớn của Campuchia nói riêng và cả nước nói chung trước mặt bắt buộc phải XLNT cục bộ tại các bệnh viện nhằm hạn chế tối đa sự lây lan dịch bệnh, rồi tiếp tục xử lý toàn bộ nước thải để cải thiện sự ô nhiễm môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống

Chương 2 phương pháp nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu của luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu: Thu thập và phân tích các thông tin và dữ liệu, phương pháp thực nghiệm (phương pháp chuẩn – Standard Method) xác định các thông số của NTBV và phương pháp mô hình hoá

2.1 Phương pháp mô hình hoá

Sơ đồ biểu diễn các bước nghiên cứu xây dựng các mô hình được thể hiện trên hình 2.1

+ Kiểm tra tính độc lập của số liệu quan sát:

Tính độc lập của số liệu quan sát xi và xi+1 được kiểm tra căn cứ vào hệ số tương quan giữa đại lượng xi và xi+1 trong phép thử và được tính theo công thức:

x x n

x x

x

1 i

2 i

2 n

1 i i n

1 i

1 i i x

t r

α

α α

i , x

x thì có thể kết luận về tính độc lập của hai số liệu quan sát

2.2 Lựa chọn dạng mô hình

Ngoài ra khi nghiên cứu xây dựng các mô hình thì sử dụng dạng mô hình (2.3), các hệ số của mô hình được xác định bằng thuật toán của phương pháp bình phương bé nhất

Khi xem xét hàm phụ thuộc của Y với các biến số Xi (i = 1 , m), khi các biến

số Xi không phụ thuộc nhau, trong trường hợp đơn giản và không tính đến yếu

tố thời gian thì có thể biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa Y và Xi như sau:

∏

=

1 i

b i

i

X A

Trong đó: A, b1, , bm - Là hệ số của hàm toán và cần phải xác định

+ Giải bài toán xác định các hệ số của mô hình (2.3):

Từ mô hình (2.3) viết cho thí nghiệm j, (j = 1 , n) ta có:

m 2

mj b

j 2 b j 1

Logarit hoá phương trình (2.4) ta được:

mj m j

2 2 j 1 1

Y

bổ sung

Mô hình tương thích

Phần mềm tính toán theo mô hình

Kiểm tra và lọc số liệu

Cơ sở dữ liệu

Xây dựng mô hình

Kết luận mô hình

ứng dụng 18

8

10

5 4

Thông tin

đối tượng thực tế mới

14

11

b0 =

j 1 j

j 2 j

2 2 j 1 1 0

y = + + + ⋅ ⋅⋅ + ; j = 1 , n (2.7) Hoặc y j(b 0 , b 1 , , b m , x ij)= b 0 + b 1 x 1 j + b 2 x 2 j + ⋅ ⋅⋅ + b m x mj (2.8) Các hệ số b0, b1,…, bm được xác định bằng thuật toán của phương pháp bình phương bé nhất, sao cho:

n

1 j

2 ij m 1 0 j tn j m

y : Giá trị của hàm toán tại thí nghiệm thứ j (j = 1 , n);

+ Kiểm định tính tương hợp của mô hình bằng cách tính hệ số đa biến R2

m 2

yx 1 2

r a r

a r a

y

x i i

S

S b

1 n

x x S

n

1 j

2 i ij

y y S

n

1 j

2 j

n

1 j ij i

n

1 j j

n

1 j

i ij i

yx

S S 1 n

x x y y r

Chương 3 Kết quả vμ thảo luận

3.1 Mô hình mô tả mối quan hệ giữa các thông số đầu vào của NTBV