Sử dụng phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác của bể UASB gắn vật liệu đêm xơ dừa

Sử dụng phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác của bể UASB gắn vật liệu đêm xơ dừa

TIỂU LUẬN

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA TRONG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC

CỦA BỂ UASB GẮN VẬT LIỆU ĐÊM XƠ DỪA

Bộ môn: Phương pháp nghiên cứu khoa học GVGD: TS Lê Xuân Hải

Học viên: Lê Thị Diệu Linh MSHV : 201320031

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA TRONG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC CỦA

BỂ UASB GẮN VẬT LIỆU ĐỆM XƠ DỪA

Lê Thị Diệu Linh

Học viên cao học – Viện Môi trường và Tài Nguyên

TÓM TẮT: Phương pháp mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực

nghiệm thông qua việc xây dựng mô hình thay thế cho đối tượng cần nghiên cứu Tiểu luận sau đây chỉ ra phương pháp xây dựng mô hình; ứng dụng phương pháp mô hình hóa hệ thống trong việc nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng bể UASB có vật liệu đệm xơ dừa

1 Giới thiệu

Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước rỉ rác của bể UASB có gắn vật liệu đệm xơ dừa bằng phương pháp mô hình hóa nhằm hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí trong bể UASB; so sánh hiệu quả xử lý của bể UASB khi có không có vật liệu đệm và khi có vật liệu đệm là xơ dừa Đồng thời nghiên cứu tính khả thi bể UASB cải tiến (gắn thiết bị đệm là xơ dừa) xử lý nước rỉ rác

Nhận thấy, việc nghiên cứu trên các bể UASB thực tế gặp nhiều khó khăn như thời gian để vi sinh thích nghi dài; khó theo dõi các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý, kinh phí đầu tư lớn… Vậy, việc áp dụng phương pháp mô hình hóa hệ thống vào nghiên cứu trên được cho là phương án khả thi hơn, đồng thời kết quả nghiên cứu đang tin cậy Tiểu luận này sẽ trình bày việc ứng dụng phương pháp mô hình hóa hệ thống

để giải quyết nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng bể UASB gắn vật liệ đệm xơ dừa

2 Phương pháp mô hình hóa nghiên cứu hệ thống

Phương pháp mô hình hoá nghiên cứu hệ thống thông qua việc xây dựng các mô hình hoạt động của nó Đây là phương pháp nhiên cứu hệ thống được sử dụng khá rộng rãi Phương pháp mô hình hoá được sử dụng khi có thể biết rõ các yếu tố đầu vào, đầu ra và các phép biến đổi bên trong hệ thống Trong các mô hình, hệ thống được mô

tả thông qua các đặc trưng cơ bản của nó Để mô tả thế giới thực phức tạp, phải thực hiện nguyên lý chung là trừu tượng hoá các phần tử và các quan hệ trong hệ thống Có thể hiểu một cách đơn giản, trừu tượng hoá là hình thành một cách diễn tả đơn giản và

dễ hiễu trong đó bỏ qua những chi tiết có ảnh hưởng rất nhỏ hoặc hầu như không ảnh

2.1 Phân loại các mô hình

Có hai nhóm mô hình để giúp người ta nghiên cứu các quá trình tự nhiên hay nhân tạo gồm : nhóm mô hình đồng dạng và nhóm mô hình tương tự

a Mô hình đồng dạng không gian : ( Mô hình nhà máy , sơ đồ thành phố, thiết

bị , học cụ…) là vật thu gọn về không gian theo tỷ lệ nhất định để xem xét sự đồng bộ,

sự tương tác, tương quan…giữa các chi tiết trong tổng thể

b Mô hình đồng dạng vật lý :Trong mô hình xảy ra những hiện tượng về bản chất giống hay gần giống với nguyên bản ( lập lại một vụ mưu sát hình sự , thử tìm

con đường hình thành sự sống trên Trái Đất )

c Mô hình đồng dạng toán học : Dùng một hệ thống các phương trình tính toán ( thường phải dung đến máy tính ) để lặp lại hay phán đoán sự kiện, dự báo về sản xuất, đánh bắt thuỷ hải sản, lũ lụt, thời tiết, dân số, sự phát truyển khoa học – công

nghệ

d Mô hình lý tưởng : Bằng những tư duy và lý luận logic toán học, xây dựng những hệ thống phương trình toán học để miêu tả một sự kiện , hiện tượng bất kỳ ( về vật lý, hoá học, xã hội, tâm lý ) bằng những quy lật khống chế chủ yếu, bỏ qua hay bỏ bớt những yếu tố phụ ngoại lai làm nhiễu loạn sự kiện ( như mô hình toán về sự rơi tự

do trong chân không, hệ thống 6 phương trình cơ bản Maxwells về điện _ từ trường, động học chất điểm …)

e Mô hình tương tự (analogie) : chỉ những hiện tượng rất khác xa nhau về bản chất vật lý nhưng được mô tả bằng những phương trình ( công thức ) toán như nhau và các điều kiện đơn trị cũng giống nhau Do đó người ta có thể dung mô hình tương tự

để nghiên cứu những hiện tượng vật lý khác nhau

2.2 Phương pháp xây dựng mô hình

Các bước chính:

Quá trình phát triển hệ thống trên cơ sở xây dựng các mô hình được thực hiện theo một số giai đoạn như sau:

- Nghiên cứu sơ bộ hệ thống:

Giai đoạn này tập trung vào việc thu thập các thông tin, tài liệu liên quan tới cấu trúc của hệ thống và các hoạt động của hệ thống Mô hình được xây dựng ở giai đoạn này thường ở dạng mô hình vật lý Mục tiêu của việc xây dựng mô hình ởi giai đoạn này là để mô tả cách thức thực hiện các công việc trong hệ thống

- Phân tích hệ thống:

Giai đoạn này tập trung vào phân tích chi tiết bản chất của hệ thống Các mô hình được xây dựng ở giai đoạn này tập trung trả lời các câu hỏi: Hệ thống là gì và làm những gì Sản phẩm của giai đoạn này là các mô hình về chức năng và các mô hình về

dữ liệu

- Thiết kế hệ thống:

Lựa chọn các giải pháp cài đặt nhằm thực hiện các kết quả phân tích Có thể coi việc thiết kế hệ thống là sự cài đặt các mô hình có được sau khi phân tích, trên cơ sở dung hoà các yêu cầu, các ràng buộc và các điều kiện của thực tế

 Trong các công việc được nêu ở trên, xây dựng mô hình được coi là khâu có

ý nghĩa quyết định Chất lượng của hệ thống cần xây dựng phụ thuộc hoàn toàn vào chất lượng của mô hình Cùng một hệ thống thực nhưng mục tiêu nghiên cứu khác nhau sẽ dẫn tới các mô hình mô tả chúng cũng khác nhau

3 Tổng quan về quá trình phân hủy sinh học kỵ khí và bể UASB

3.1 Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Vi sinh vật Chất hữu cơ -> CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn Hình 1:

- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

- Giai đoạn 2: Acid hóa;

- Giai đoạn 3: Acetate hóa;

- Giai đoạn 4: Methane hóa

Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H và CO Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic

giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

- 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

- 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O

- CH3COOH  CH4 + CO2

- 4CH3OH  3CH4 + CO2 + 2H2O

- 4(CH3)3N + H2O  9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3

Hình 1 Quá trình phân hủy kỵ khí

3.2 Cấu tạo bể UASB

UASB là viết tắc của cụm từ Upflow Anearobic Sludge Blanket, tạm dịch là bể xử

lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí UASB được thiết kế cho nước thải

có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp Nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức min là 100mg/l, nếu SS>3000mg/l không thích hợp để xử lý bằng UASB

UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v<1m/h) Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha

Phức chất hữu cơ Acid hữu cơ

H2

Acetic acid

CH4

4%

76%

20%

24%

52%

28%

72%

Quá trình thủy phân

Quá trình acetate hóa và khử hydro

Quá trình methane hóa

Hình 2: Cấu tạo bể UASB

Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí , tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này Hệ thống tách pha phía trên bê làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy

bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo

Hiệu suất của bể UASB bị phụ thuộc vào các yếu tố như: nhiệt độ, pH, các chất độc hại trong nước thải…,

3.3 Bể UASB có gắn vật liệu đệm xơ dừa

Đây là loại bể UASB cải tiến, có gắn thêm lớp vật liệu đệm là xơ dừa Việc cải tiến này có những ưu điểm như sau:

- Hạn chế bông bùn bị trôi ra

- Tạo lớp đệm cho hệ vi sinh phát triển, nâng cao hiệu quả xử lý

- Giảm thời gian lưu nước thải trong bể

Nước đầu vào

Nước đầu ra

Vách ngăn

Lớp bùn

Rãnh thu nước

Khí sinh học

Bọt khí

Bông bùn

Hình 3: Cấu tạo bể UASB có gắn lớp vật liệu đệm xơ dừa

4 Xây dựng mô hình bể phân hủy sinh học kỵ khí

4.1 Tiến hành xây dựng mô hình

Mục tiêu: so sánh hiệu quả xử lý nước rỉ rác của bể UASB và bể UASB có vật

liệu đệm xơ dừa

4.1.1 Tiến hành xây dựng 02 mô hình quy mô phòng thí nghiệm:

- Mô hình 1: bể UASB

- Mô hình 2: bể UASB có gắn vật liệu đệm

4.1.2 Lựa chọn loại mô hình hóa:

Xây dựng mô hình tương tư bể UASB trên thực tế, đồng dạng không gian; đồng dạng vật lý

Cấu tạo mô hình: xây dựng bể hình trụ, có ống dẫn nước vào; vách ngăn chống

trôi bùn; ống dẫn nước đầu ra; phễu thu khí và đường ống dẫn khí Ngoài ra, có thùng chứa nước rỉ rác, và thùng chứa nước sau xử lý

Hệ si vinh vật trong mô hình: sử dụng bùn vi sinh đã được nuôi cấy lấy từ nhà máy

xử lý nước rỉ rác

Nước thải đầu vào: nước rỉ rác lấy từ khu xử lý CTR Phước Hiệp

Thiết bị hỗ trợ nghiên cứu: Bơm định lượng nước thải; thiết bị đo lượng khí

biogas phát sinh; dụng cụ thí nghiệm

Kích thước mô hình:

- Chiều cao công tác h=700mm

- Đường kính d =400mm

- Thể tích bể V = 80 lít

Hình 4: Mô hình bể UASB

- Đối với mô hình có vật liệu đệm xơ dừa: vật liệu đệm đảm bảo: 2,5 kg/m3

4.1.3 Vận hành mô hình

a Khởi động mô hình

- Thời gian khởi động là 7 ngày

- Thể tích bùn trong bể UASB là 20 lít chiếm 25.0%

b Vận hành mô hình

- Từ 7h00 đến 7h30 là chuẩn bị nước thải

- Từ 7h30 đến 8h00 cấp nước vào bể UASB 20-25 lít, đồng thời tiến ghi lại các điều kiện môi trường và nhiệt độ trong bể

- Từ 8h30 bắt đầu thu mẫu đầu vào, đầu ra để phục vụ cho việc phân tích

- Thời gian còn lại trong ngày dùng để phân tích mẫu và quan sát khí thoát ra

- Trình tự trên được lặp đi lặp lại cho đến hết thời gian vận hành mô hình như đã nêu trên

4.1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu: Mô hình vật lý thực nghiệm;

- Phương pháp phân tích: Theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành;

- Phương pháp xử lý số liệu: Phần mềm ứng dụng Microsoft Excel

5 Bảo thảo và kết luận

Dựa theo trình bày phía trên, sử dụng phương pháp mô hình hóa hệ thống vào nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng bể UASB gắn vật liệu đêm xơ dừa là khả thi

Mô hình xây dựng có khả năng phản ánh đầy đủ các cấu tạo bể UASB theo đồng dạng không gian; phản ánh đầy đủ các quá trình sinh học diễn ra trong bể UASB Tuy nhiên, kết quả từ phương pháp mô hình hóa hệ thống sẽ có những sai lệch so với thực tế vì những lý do như: khó kiểm soát sự phấn bố đều nước thải trên bể UASB thực tế; một số yếu tố ảnh hưởng chưa thể hiện hết trong mô hình, điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng hơn điều kiện thực tế…

Vậy phương pháp mô hình hóa hệ thống là phương pháp quan trọng trong nghiên cứu khoa học, phương pháp này giúp người nghiên cứu có thể hiểu rõ bản chất của hệ thống dựa trên việc mô phỏng hệ thống thực Nhưng khi ứng dụng kết quả nghiên cứu

từ phương pháp mô hình hóa cần chú ý đến sự sai lệch do khác biệt điều kiện phòng thí nghiệm và điều kiện thực

TÀI LIỆU THAM KHẢO

bản xây dựng Hà Nội

ngành công nghiệp chế biến thủy sản (Surimi) bằng mô hình kỵ khí (UASB) và

mô hình hiếu khí (SBR), Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu

Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng; năm 2010