Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải kim liên trên cơ sở mô hình số

Ở Hà Nội hiện nay, khi mà hệ thống thoát nước của thành phố là hệ thống chung chủ yếu được xây dựng từ thời Pháp thuộc, đường ống nước thải và đường ống nước mưa còn chung nhau, dẫn đến

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ VÀ MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ HIỆN NAY 3

1.1 Nguồn gốc, phân loại và số lượng nước thải 3

1.1.1 Nước thải sinh hoạt 4

1.1.2 Nước thải công nghiệp 7

1.1.3 Hiện trạng nước thải đô thị của thành phố Hà nội 9

1.2 Hệ thống thu gom nước thải nước thải đô thị 10

1.3 Các bước trong công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay 12

1.4 Kiểm soát và loại bỏ Nitơ và Phospho trong nước thải 15

1.4.1 Quá trình kiểm soát và loại bỏ Nitơ 16

1.4.2 Quá trình khử Photpho 18

1.5 Một số công nghệ được ứng dụng để xử lý nước thải đô thị hiện nay 19

1.5.1 Cụm thiết bị hợp khối USBF 19

1.5.2 Cụm thiết bị hợp khối JOHKASOU (Nhật Bản) 21

1.5.3 Công nghệ xử lý nước thải Bio-Sac (Hàn Quốc) 23

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 24

2.1 Tìm hiểu chung về mô hình hóa 24

2.1.1 Vai trò của mô hình hóa hệ thống 24

2.1.2 Định nghĩa 25

2.1.3 Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình 26

2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường 27

2.2.1 Lịch sử phát triển của mô hình hóa quá trình xử lý nước thải 27

2.2.2 Các loại mô hình được sử dụng trong công nghệ môi trường 29

2.2.3 Phương pháp trình bày mô hình bùn hoạt tính 33

2.3 Mô hình được lựa chọn để mô phỏng và các thông số động học 34

CHƯƠNG 3: NHÀ MÁY XỬ LÝ NƯỚC THẢI KIM LIÊN 42

3.1 Giới thiệu chung 42

3.2 Đặc trưng nguồn thải và hệ thống gom nước thải 44

3.3 Hệ thống xử lý nước thải của trạm xử lý nước thải Kim Liên 44

3.4 Các phương pháp xử lý được áp dụng trong nhà máy XLNT Kim Liên 48

3.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 49

3.6 Chế độ xả nước thải 51

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 52

4.1 Thu thập số liệu vận hành của nhà máy XLNT Kim Liên 52

4.2 Các kịch bản mô phỏng 53

4.3 Các kết quả mô phỏng 54

4.3.1 Mô phỏng vận hành nhà máy với số liệu trong tháng 3/2009 để đánh giá sự tương hợp của mô hình 55

4.3.2 Kịch bản mô phỏng trường hợp tăng tải lượng của chỉ tiêu để đánh giá hiệu suất xử lý của nhà máy trong các trường hợp quá tải 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Lựa chọn công nghệ phù hợp và tối ưu hóa các thông số công nghệ của quá trình thiết kế và vận hành các nhà máy xử lý nước thải, trước hết nhằm bảo đảm yêu cầu vệ sinh, đảm bảo sự phát triển bền vững, đồng thời phù hợp với điều kiện kinh

tế - xã hội nước ta hiện nay

Ở Hà Nội hiện nay, khi mà hệ thống thoát nước của thành phố là hệ thống chung chủ yếu được xây dựng từ thời Pháp thuộc, đường ống nước thải và đường ống nước mưa còn chung nhau, dẫn đến việc khó khăn trong quá trình xử lý nước thải, chưa đáp ứng với mức phát triển hiện nay của thành phố, cũng như quy mô dân

số và các cơ sở sản xuất ở trong thành phố Do vậy việc thoát nước chủ yếu thông qua việc thải ra các con sông hay các cống trong thành phố

Việc xây dựng Nhà máy XLNT thí điểm cho khu vực Kim Liên và Trúc Bạch (gói thầu CP12 – ICB)” của Ban QLDA các công trình GTCC, ngoài mục đích khắc phục tình trạng môi trường một số sông hồ trong thành phố đang xuống cấp, còn có ý nghĩa khởi động giai đoạn đầu tư cho việc xử lý nước thải, đồng thời qua đó từng bước tiếp nhận công nghệ hiện đại và xây dựng đội ngũ cán bộ kỹ thuật

cho tương lai Theo đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên trên cơ sở mô hình số.”

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên

* Mục đích nghiên cứu

- Ứng dụng mô hình BioWin để đánh giá hiệu quả xử lý của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên Trên cơ sở đó, nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý của nhà máy

- Mô phỏng vận hành của nhà máy trong các trường hợp vận hành quá tải

* Đối tượng nghiên cứu:

- Nhà máy xử lý nước thải Kim Liên được thiết kế theo công nghệ AAO để

xử lý Cacbon, Nitơ, Photpho trong nước thải đầu vào

* Phạm vi nghiên cứu: Theo quy mô lý thuyết

Nội dung nghiên cứu và đóng góp mới

* Nội dung nghiên cứu chính:

- Trường hợp 1 Kịch bản mô phỏng kịch bản duy trì chế độ DO trong các

bể yếm khí và thiếu khí để đánh giá sự tương hợp của mô hình cũng như hiệu quả xử lý của nhà máy

- Trường hợp 2 Kịch bản mô phỏng trường hợp tăng tải lượng của chỉ tiêu

để đánh giá hiệu suất xử lý của nhà máy trong các trường hợp quá tải

* Đóng góp mới

Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên – là nhà máy thí điểm trong kế hoạch giai đoạn 1 nhằm khôi phục điều kiện vệ sinh và môi trường đô thị Cung cấp cơ sở để khắc phục những điểm hạn chế và nâng cao hiệu quả xử lý trong các nhà máy được xây dựng trong tương lai

Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng mô hình BioWin để nghiên cứu, đánh giá thông qua việc chạy các kịch bản khác nhau

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ VÀ MỘT SỐ CÔNG

NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ HIỆN NAY 1.1 Nguồn gốc, phân loại và số lượng nước thải

Nước thải đô thị là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất, trong đó chất bẩn

thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới dạng không hòa tan, dạng keo và dạng

hòa tan Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện

thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống, mạng lưới vận chuyển, tập quán sinh hoạt

của người dân, mức sống xã hội, điều kiện tự nhiên … Do tính chất hoạt động của

đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian

Khi tính toán công trình xử lý chung cho nước thải sinh hoạt và nước thải

công nghiệp, người ta thường căn cứ vào chất nhiễm bẩn sinh hoạt hoặc căn cứ theo

tiêu chuẩn cho phép xả nước thải sản xuất vào hệ thống thoát nước chung của đô

thị, xả ra môi trường xung quanh Như vậy, phần chất bẩn công nghiệp coi như

được giữ lại ở các công trình xử lý cục bộ (đặt trong các xí nghiệp công nghiêp) với

mục đích đảm bảo an toàn của hệ thống mạng lưới và xử lý nước thải đô thị [15]

Bảng 1.1 Trị số trung bình một số thành phần trong nước thải đô thị [9]

vị

Tỷ lệ thay đổi

Phần lắng gạn được

Nước thải đô thị là hỗn hợp của các loại nước thải: nước thải sinh hoạt (khoảng 50 - 60%), các loại nước thấm qua (khoảng 10 - 14%) và nước thải sản xuất (khoảng 30 - 36%) Nhu cầu cấp nước và nước thải đô thị ở các nước công nghiệp phát triển cao hơn rất nhiều so với các nước đang phát triển Khoảng 65 – 85% lượng nước cấp cho một người trở thành nước thải

Lưu lượng và hàm lượng các chất thải của nước thải đô thị thường dao động trong phạm vi rất lớn Lưu lượng và tính chất nước thải đô thị còn thay đổi theo mùa, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ trong tuần cũng cần được tính đến khi đánh giá sự biến động lưu lượng và nồng độ chất gây ô nhiễm [6]

1.1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải ra từ các hoạt động sinh hoạt của con người như ăn uống, tắm giặt, vệ sinh cá nhân (QCVN 14:2008/BTNMT) của các khu dân

cư, công trình công cộng, cơ sở dịch vụ Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn…cũng tạo ra các loại nước thải có thành phần và tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt

Theo đặc điểm hệ thống thoát nước sẽ hình thành nên hai loại nước thải:

- Nước thải hệ thống thoát nước riêng: nước thải từ các thiết bị vệ sinh được thu gom và vận chuyển về trạm xử lý theo tuyến cống riêng

- Nước thải hệ thống thoát nước chung Các loại nước thải sinh hoạt (nước xám và nước đen) cùng với nước mưa đợt đầu trong khu vực thoát nước được thu gom và vận chuyển theo đường cống chung về trạm xử lý

Trong một số trường hợp nước đen được xử lý sơ bộ tại chỗ qua các công trình như bể tách dầu mỡ, bể tự hoại, sau đó cùng nước xám xả vào tuyến cống thoát nước chung của thành phố

Việc phân loại nước thải theo hệ thống thoát nước phụ thuộc vào đối tượng thoát nước, đặc điểm hệ thống thoát nước của đô thị hoặc khu dân cư và các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội khác của đô thị

Nước thải sinh hoạt có các đặc trưng cơ bản sau:

- Về hàm lượng khoáng hoà tan thường cao hơn nước cấp một chút, nhất là

về độ kiềm và NaCl

- Độ pH nhìn chung là trung tính hoặc kiềm nhẹ

- Chất hữu cơ hoà tan, thông qua các chỉ số COD, BOD ở mức độ vừa phải

- Có chứa nhiều N, P

- Chứa nhiều cặn lơ lửng, chủ yếu là hữu cơ, nhiều vi khuẩn

- Có thể chứa một số hoá chất độc hại với vi sinh (các loại hoá chất dân dụng như thuốc sát trùng, khử mùi, mĩ phẩm, xà phòng , các loại thuốc, kể cả kháng sinh) ở mức độ vi lượng

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn có các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 - 50%); và các chất béo (5 -10%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 – 450% mg/l theo trọng lượng khô Có khoảng 20 – 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng [5, 6]

Bảng 1.2 Thành phần nước thải sinh hoạt khu dân cư

Lưu lượng nước thải sinh hoạt và diễn biến theo thời gian có thể đánh giá

nhanh thông qua các số liệu thống kê về nước cấp sử dụng Lượng nước thải sinh

hoạt của khu dân cư đô thị được xác định trên cơ sở nước cấp Nhìn chung, lượng

nước thải bằng 80 - 90% nước cấp, tuỳ chất lượng hệ thống thu gom Về diễn biến

lưu lượng theo giờ hàng ngày thường phụ thuộc vào tập quán khu dân cư

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn thải nước của một số cơ sở dịch vụ và công trình công cộng

Khu triển lãm, giải trí Người tham quan 15 - 30

Nguồn: Metcalf&Eddy.Wastewater Engineering Treatment, Disposal, Reuse

Fourth Edition, 2004/

Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt của các khu dân cư đô thị thường là 100 đến

250 l/người.ngày đêm (đối với các nước đang phát triển) và từ 150 đến 500 l/người

ngày đêm (đối với các nước phát triển) Ở nước ta, tiêu chuẩn cấp nước dao động từ

120 đến 180 l/người.ngày [1] Đối với những khu thương mại, cơ quan, trường học,

bệnh viện, khu giải trí ở xa hệ thống thoát nước của đô thị, phải xây dựng trạm bơm

và khu xử lý nước thải riêng

1.1.2 Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là dung dịch thải ra từ các cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, dịch vụ vào nguồn tiếp nhận nước thải (QCVN 24:2009/BTNMT) Thành phần và tính chất của nước thải công nghiệp rất đa dạng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố của sản xuất công nghiệp gồm như lãnh vực, nguyên liệu tiêu thụ, loại công nghệ áp dụng, qui mô hoạt động, Một số tài liệu cho biết khối lượng nước thải công nghiệp thường chiếm 30 - 35% tổng lượng nước thải đô thị Khi tính toán công trình xử lý chung nước thải sinh hoạt và công nghiệp, ta căn cứ vào chất nhiễm bẩn sinh hoạt Chất bẩn công nghiệp phải giữ lại để xử lý cục bộ nhằm bảo đảm tính an toàn cho hệ thống dẫn và xử lý nước thải đô thị

Đối với xí nghiệp công nghiệp, có hai loại nước thải: Nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất

Nước thải sản xuất là nước đã dùng rồi trong quá trình sản xuất, kể cả nước thu được khi khai mỏ Nước thải sản xuất chứa nhiều chất bẩn khác nhau về cả số lượng và chất lượng, có loại chứa chất bẩn chủ yếu là chất vô cơ, có loại chứa chất bẩn chủ yếu là hữu cơ Một số loại nước thải chứa các chất độc hại như nước thải

mạ điện, một số khác có thể nguy hiểm về mặt vệ sinh, dịch bệnh như nước thải các

xí nghiệp giết mổ, nhà máy da, nhà máy chế biến thuốc phòng dịch, …

Nước thải sinh hoạt tạo ra từ các khu vệ sinh của nhà hành chính, nhà sản xuất, rửa nền nhà, từ các nhà tắm của các phân xưởng, hoặc ở vị trí độc lập riêng biệt [1,6,10]

Bảng 1.4 Nhu cầu cấp nước và lượng nước thải một số ngành công nghiệp [1]

cấp nước

Lượng nước thải

Sản xuất bia lít nước/ lít bia 10 - 20 6 - 12 Công nghiệp đường m3 nước/ tấn đường 30 - 60 10 - 50 Công nghiệp giấy m3 nước/tấn giấy 300 - 550 250 – 450

Dệt nhuộm m3 nước/tấn vải 400 - 600 380 – 580

Sợi nhân tạo m3 nước/tấn sản phẩm 150 - 200 100

Luyện kim đen

Làm sạch khí lò cao m3 nước/ m3 khí 4 - 6 3,5 – 5,5

Luyện đồng m3 nước/tấn đồng 300 – 400 300 - 400

Đặc điểm chung của nước thải công nghiệp (không phải công nghiệp chế

biến nông sản và thực phẩm) là nước thải mang đặc trưng của sản xuất, chứa nhiều

hoá chất có nguồn gốc nhân tạo, vì vậy:

- Nước thải có thể nóng (nhiệt điện, hoá chất )

- Nước thải có thể chứa axit hoặc bazơ (công nghiệp hoá chất, mạ, alumina,

giấy, nhuộm )

- Hàm lượng cặn lơ lửng cao (công nghiệp khai khoáng, xi măng )

- Nước thải có thể chứa hàm lượng dầu mỡ khoáng cao (công nghiệp hoá

dầu, chế tạo máy, xử lí bề mặt kim loại )

- Nước thải có thể chứa hàm lượng kim loại nặng cao, xyanua (luyện kim, xử

lí bề mặt kim loại, luyện kim màu, kim loại quý )

- Nước thải có thể chứa các hợp chất hữu cơ, màu bền vi sinh (công nghiệp

nhuộm, bột giấy, boxit, hoá dầu )

- Nước thải thường thiếu N, P

Trong các khu công nghiệp tập trung, lưu lượng nước thải sản xuất cũng có

thể chọn từ 25 đến 40 m3/ha.ngày, phụ thuộc vào các loại hình sản xuất trong các

khu công nghiệp và chế xuất đó

Ngoài hai thành phần là nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp ra thì

trong nước thải đô thị còn có:

Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều hình

thức khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành hố ga hay hố

chôn người

Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem là nước thải tự nhiên Đây là lọai

nước thải sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất và lôi kéo các chất cặn bã, dầu mỡ,… khi đi vào hệ thống thoát nước Ở những thành phố lớn, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát nước riêng

1.1.3 Hiện trạng nước thải đô thị của thành phố Hà nội

Theo Sở Giao thông công chính (GTCC), hiện thành phố Hà Nội có khoảng

369 nhà máy xí nghiệp, 15.880 cơ sở sản xuất tư nhân, hơn 1000 cơ quan trung ương, 29 bệnh viện, 10 khu công nghiệp Trong số các cơ quan đơn vị trên, chỉ có

40 xí nghiệp, nhà máy, 25 cơ sở dịch vụ lớn và 10 bệnh viện có đầu tư hệ thống xử

lý nước thải Nước thải sinh hoạt từ các khu nhà ở của người dân đô thị, các khu thương mại, văn phòng … được xử lý sơ bộ bằng hệ thống bể tự hoại, sau đó nước thải được thu gom về các hệ thống xử lý nước thải đô thị tập trung Ðây là nguyên nhân chính khiến cho hệ thống thoát nước của thành phố bị ô nhiễm nặng

Nước thải trong nội đô của chúng ta thường vẫn đổ ra các con sông trong khu vực nên nếu được xử lý từ gốc là tốt nhất, tránh gây ô nhiễm trên các con sông Theo đánh giá của Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Hà nội tại Hội thảo

“Môi trường và người Hà Nội” diễn ra ngày 24 – 25/06/2010, tổng lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội hiện nay khoảng 670.000 m3/ngày đêm, trong đó nước thải sinh hoạt, dịch vụ ở khu vực thành thị chiếm tới 400.000 m3/ngày đêm Tuy nhiên, việc

xử lý nước thải còn rất hạn chế, mới chỉ có gần 47.000 m3 được xử lý chiếm khoảng 7% tổng lượng nước thải phát sinh hàng ngày Nước thải nhà vệ sinh phần lớn chảy qua bể tự hoại rồi xả ra hệ thống thoát nước chung tới kênh, mương, ao hồ tự nhiên hay thấm vào đất Nước xám và nước mưa chảy trực tiếp ra nguồn tiếp nhận Ở nhiều khu đô thị mới, mặc dù nước thải sinh hoạt đã được tách ra khỏi nước mưa từ ngay trong công trình, nhưng do sự phát triển không đồng bộ và sự gắn kết kém với

hạ tầng kỹ thuật khu vực xung quanh, nên khi ra đến bên ngoài, các loại nước thải này chưa được xử lý, lại đấu vào một tuyến cống chung, gây ô nhiễm và lãng phí

Hơn nữa, Hà Nội là nơi tập trung nhiều bệnh viện và cơ sở y tế nhưng mới chỉ có một số bệnh viện lớn đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung, còn

lại là chỉ xử lý bằng hệ thống bể phốt kết hợp với khử trùng Clo… Mặc dù tổng lượng nước thải từ hoạt động khám chữa bệnh của các bệnh viện so với nước thải sinh hoạt chỉ chiếm một phần nhỏ nhưng mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn hơn rất nhiều so với nước thải sinh hoạt

Hiện tại, Hà Nội vẫn đang tiến hành thu phí nước thải công nghiệp, theo tinh thần “người gây ô nhiễm phải trả tiền” nêu trong Nghị định 67/2003 của Thủ tướng Chính phủ [4,12]

1.2 Hệ thống thu gom nước thải nước thải đô thị

Một hệ thống thu gom nước thải không đơn giản là lắp các ống dài dọc theo các phố Một hệ thống được gọi là hoàn chỉnh phải đáp ứng được các tiêu chí về thiết kế, thi công và bảo dưỡng Tùy theo các điều kiện địa phương, hệ thống bao hàm một số công trình mà nó sẽ đảm bảo sự hoạt động tốt của hệ thống chung trong một khoảng thời gian dài

Ở các nước phát triển, xử lý nước thải cũng là gánh nặng dù thiết kế hạ tầng thoát nước hiện đại hơn với hai hệ thống riêng biệt cho thoát nước thải và thoát nước mưa Trong khi đó, thiết kế hạ tầng của đô thị Hà Nội chủ yếu tồn tại từ thời Pháp thuộc, là thiết kế kiểu cũ Ở những nơi có hai mạng lưới cống thoát nước riêng biệt: Mạng lưới cống thoát nước thải tách riêng với mạng lưới cống thoát nước mưa, lượng nước thải đi về nhà máy xử lý bao gồm: Nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước ngầm thâm nhập Ở những nơi mạng lưới thoát nước là mạng cống chung vừa thoát nước mưa vừa thoát nước bẩn như ở hầu hết các mạng lưới thoát nước ở các thị trấn, thị xã, thành phố của nước ta thì lưu lượng nước thải chảy về nhà máy xử lý gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm thâm nhập và một phần lượng nước mưa [3,5]

Sơ đồ cổ điển nhất thường gặp trong các thành phố thường là kiểu chung, có một hệ thống cũ nối dần với các hệ thống riêng biệt Đó là một hệ thống dẫn hỗn hợp nước mưa và nước thải được tách ra trên một số đoạn nhưng lại chung nhau trong một số đoạn khác dẫn đến việc khó khăn trong quá trình xử lý nước thải

Người ta phân biệt nhiều kiểu hệ thống nước thải [5]:

- Hệ thống riêng: dùng để dẫn nước thải

- Hệ thống chung: duy nhất dùng để dẫn cả nước thải và nước mưa, nước rửa

- Hệ thống nửa riêng biệt: là hệ thống dẫn chung cả 3 loại nước thải, nước mưa và

Nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện

Miệng cống

Nước mưa và nước rửa

EU

Hệ thống chung

Máng hứng nước mưa Lưới chắn và bãi đỗ xe

Nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện

Miệng cống

Nước mưa và nước rửa

Máng hứng nước mưa Lưới chắn và bãi đỗ xe

Nước thải sinh hoạt và nước thải bệnh viện

Miệng cống

Nước mưa và nước rửa

EU

Nước thải có thể được thu gom và xử lý trong các loại hệ thống thoát nước chung, riêng, nửa riêng hay hỗn hợp, theo các mô hình tổ chức thoát nước tập trung hay phân tán Hệ thống thoát nước tập trung thường được xây dựng cho các khu trung tâm đô thị, có mật độ dân số cao, có điều kiện xây dựng đồng bộ Tuy nhiên, phương thức thoát nước truyền thống này có nhiều hạn chế, vì thế, ngày nay trên thế giới khuyến khích áp dụng mô hình phân tán, đặc biệt là cho các khu đô thị mới, các vùng ven đô, nông thôn với các công trình thu gom, xử lý, xả hay tái sử dụng nước thải cho các hộ riêng lẻ (giải pháp tại chỗ) hoặc khu dân cư (giải pháp phân tán theo

cụm) [12]

1.3 Các bước trong công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay

Quy trình công nghệ xử lý nước thải sinh họat đô thị như sau [13]:

- Nước thải từ tất cả các nguồn (sau khi đã xử lý bằng bể tự hoại) được cho qua các song chắn rác để loại bỏ rác có kích thước lớn Các loại rác có kích thước lớn sẽ bị giữ lại Lượng rác này được thu gom, chứa trong các thùng rác chuyên dùng, sau đó hàng ngày được chuyển đến trạm trung chuyển rác tại khu vực dự án trước khi thuê công ty có chức năng thu gom, xử lý tại bãi rác tập trung

- Nước thải được đưa về bể điều hòa để cân bằng nồng độ và lưu lượng nước thải Hiệu quả lắng tại bể đều hòa là 30 – 40% Cặn lắng được định kỳ lấy ra khỏi

bể và đưa vào bể chứa bùn

- Nước thải từ bể điều hòa được bơm qua bể sinh học hiếu khí (Aeroten) Không khí được sục vào bể Aeroten Các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy vi sinh hiếu khí và tạo thành các bông cặn (bùn hoạt tính) Vi khuẩn và các vi sinh vật sống dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N, P) làm thức ăn để chuyển hoá chúng thành các chất trơ không hoà tan và thành các tế bào mới Quá trình chuyển hoá thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau, biến đổi các chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp thành các chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản hơn, các chất hữu cơ có cấu trúc đơn giản trở thành thức ăn cho các vi khuẩn khác và quá trình được diễn ra theo trình tự cho đến khi không còn thức ăn cho các loài vi sinh vật nào nữa Quá trình làm thoáng bằng khí nén hoặc khuấy trộn bề mặt hỗn hợp nước thải và bùn

hoạt tính có trong bể trong một thời gian đủ dài để lấy ôxy cấp cho quá trình sinh hoá xảy ra trong bể Aeroten Việc xử lý nước thải bằng phương pháp này có ưu điểm là hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ tương đối cao (90 – 95%)

- Sau khi qua bể Aeroten, nước thải có chứa bùn họat tính được đưa qua bể lắng Tại bể lắng một lượng bùn dư tại đáy sẽ được đưa trở lại bể Aeroten nhằm duy trì đủ nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng trong bể đáp ứng yêu cầu xử lý đặt ra

- Nước thải sau khi tách bùn họat tính sẽ được khử trùng bằng Clo trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

Thông thường, nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia làm hai loại chính: nước đen và nước xám Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng Nước xám là nước phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt, với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, Nitơ và Phốt pho Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – một hiện tượng thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng N và

P cao, trong đó các loài thực vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối rữa, làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm

Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt, đặc biệt là trong phân, đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả năng lây lan qua nhiều nguồn khác nhau, qua tiếp xúc trực tiếp, qua môi trường (đất, nước, không khí, cây trồng, vật nuôi, côn trùng…), thâm nhập vào cơ thể người qua đường thức ăn, nước uống, hô hấp,…,và sau đó có thể gây bệnh Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc

xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý

thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là: phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học

Các phương pháp hóa học dùng trong HTXLNT sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào, do đó, ưu điểm của phương pháp là có hiệu quả xử lý cao, thường được

sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín Tuy nhiên, phương pháp hóa học

có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các HTXLNT sinh hoạt với quy mô lớn

Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là

áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó

để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi trường Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc… Giai đoạn

xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp

cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ XLNT hoàn chỉnh

Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt

là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân huỷ các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic – kị khí các quá trình

hồ Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất [14, 15]

Hình 1.2 Các loại hình công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

1.4 Kiểm soát và loại bỏ Nitơ và Phospho trong nước thải

Nitơ và Phospho có trong nước thải như là các chất dinh dưỡng cùng với BOD làm các chất để vi sinh vật xây dựng tế bào và cũng là nguồn thức ăn thích hợp cho các loại tảo hoặc thực vật thủy sinh khác

Sau khi xử lý sinh học, bình thường nước thải có thể giảm được 90 – 98% BOD, nhưng tổng Nitơ chỉ giảm được 30 – 40% và khoảng 30% lượng Phospho

Các phương pháp sinh học xử lý nước thải

Hiếu khí

(aerobic)

Bùn hoạt tính (acrobic actived sludge)

Đĩa quay sinh học (potaling biological confator)

Ao, hồ ổn định nước thải (waste stabilization ponds and lagoons)

Màng lọc sinh học (strickling filters)

Thiếu khí

(anoxic) Khử nitrat (denitrification)

Kị khí

(anaerobic)

Bể lọc kị khí UASB (upflow anaerobic sludge blanked)

Bể kị khí (anaerobic sludge digestion)

VK nitrit hóa

VK nitrit hóa

VK nitrit hóa

1.4.1 Quá trình kiểm soát và loại bỏ Nitơ

Quá trình đồng hóa và quá trình Nitrat hóa và khử Nitơ là hai quá trình cơ bản để khử Nitơ trong nước thải Quá trình đồng hóa khử Nitơ xảy ra đồng thời với quá trình khử BOD trong bể Aerotank còn quá trình Nitrat hóa và khử Nitơ có thể được thực hiện bằng 3 cách [3]:

- Tách riêng 3 công đoạn: Khử BOD, Nitrat hóa và khử khí N2

- Kết hợp 2 công đoạn đầu khử BOD và Nitrat hóa đồng thời, tách riêng công đoạn khử khí N2

- Tổng hợp chung cả 3 công đoạn trong một công trình

* Nitrat hóa bằng phương pháp sinh học: được thực hiện chủ yếu bởi quá

trình sinh trưởng lở lửng hoặc sinh trưởng gắn kết Khi thực hiện quá trình khử chất hữu cơ và nitrat hóa trong cùng một bể, thì coi như quá trình nitrat hóa thực hiện một giai đoạn Khi tách riêng quá trình nitrat hóa thì cũng cần có bể phản ứng, bể lắng giống như quá trình bùn hoạt tính thong thường Đây được coi là quá trình nitrat hóa hai giai đoạn [13]

Khi khử Amonia (NH4+ ) bằng phương pháp sinh hóa, NH4+ bị oxy hóa theo hai bước [3]:

- Bước 1: NH4+ bị oxy hóa thành NO2- do tác động của vi khuẩn nitrit hóa

Có thể tổng hợp các quá trình trên bằng phản ứng sau:

NH4+ + 1,731O2 + 1,962HCO3- 0,038 C5H7O2N + 0,96NO3- + 1,077H2O + 1,769 H2CO3

* Khử NO 3 - bằng phương pháp sinh học: Trong xử lý nước thải, NO3- thường được khử trong điều kiện thiếu ôxy (Anocix) tức không cấp ôxy từ ngoài vào Vi khuẩn thu năng lượng để tăng trưởng từ quá trình chuyển NO3- thành khí N2 và cần

có nguồn Cacbon để tổng hợp thành tế bào Do đó, khi khử NO3- bằng công đoạn riêng sau các công đoạn khử BOD và nitrat hoá mà thiếu các hợp chất hữu cơ cacbon thì phải thêm các hợp chất chứa cácbon vào nước để vi khuẩn thu nhận làm nguồn tổng hợp thành tế bào Khí Nitơ được hình thành trong các phản ứng thường ngăn cản quá trình lắng của hỗn hợp lỏng nên phải dùng thiết bị khuấy trộn để đuổi khí Nitơ bay đi trước khi cho hỗn hợp đi qua bể lắng [3,13]

Quá trình khử NO3- được mô tả bằng các phản ứng sau:

NO3- + 1,183CH3OH + 0,273H2CO3 0,091C5H7O2N + 0,454N2 + 1,82H2O + HCO3-

NO2- + 0,681CH3OH + 0,555H2CO3 0,047C5H7O2N + 0,476N2 + 1,251H2O + HCO3-

O2- + 0,952CH3OH + 0,061NO3- 0,061C5H7O2N + 1,075H2O + 0,585H2CO3 + 0,061HCO3-

Sự tồn tại của Nitơ trong nước thải sinh hoạt được coi là điều không mong muốn bởi những nguyên nhân sau:

- Amoniac tự do độc hại đối với cá và nhiều động vật thủy sinh khác

- Ion Amoniac được coi là chất tiêu thụ ôxy và sẽ làm suy giảm ôxy hòa tan trong nguồn nước tiếp nhận

- Ở tất cả các dạng, Nito có thể được coi là chất dinh dưỡng cho thực vật thủy sinh và góp phần làm tăng hiện tượng phì dưỡng

- Nitrat trong nước cấp sinh hoạt vượt quá 45mg/l cũng có thể gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe con người Mặc dù bản thân nitrat không phải là chất gây nguy hiểm Tuy nhiên, trong đường ruột trẻ nhỏ thường tìm thấy loại vi khuẩn có thể chuyển hóa nitrat thành nitrit Nitrit này có ái lực với hồng cầu trong máu mạnh hơn ôxy, khi nó thay thế ôxy sẽ tạo thành methemoglobin, hợp chất này

có thể nhận ôxy và gây ra bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ, thậm chí có thể gây tử vong

1.4.2 Quá trình khử Photpho

Photpho tồn tại trong nước thải dưới nhiều dạng khác nhau Các dạng tồn tại điển hình của Photphat được phân loại theo các đặc tính vật lý: photphat hòa tan và photphat dạng hạt và đặc tính hóa học: orthophotphat (PO43-, HPO42-, H2PO4-,

H3PO4), polyphotphat [Na3(PO4)6], photphat hữu cơ

Hiệu quả xử lý phôtpho phụ thuộc vào hai yếu tố môi trường là: điều kiện kế tiếp của yếm khí/thiếu khí và sự vắng mặt nitrat trong giai đoạn yếm khí Điều kiện yếm khí giúp cho quá trình chọn lọc, làm giàu loại vi sinh tích lũy phôtphate hoạt động trong giai đoạn hiếu khí sau đó Sự có mặt của nitrat gây ra hai tác động: sử dụng cạnh tranh nguồn cơ chất dễ sinh hủy giữa vi sinh Denitrifier và bio – P (1,26 mol axit axetic/mol NO3-), làm thay đổi cơ chế trao đổi chất của bio – P dẫn đến mất khả năng tích lũy phôtphate trùng ngưng

Có nhiều phương pháp xử lý photpho trong nước thải, trong đó phổ biến nhất

là phương pháp kết tủa hóa học và phương pháp sinh học Quá trình xử lý photpho

có thể sử dụng riêng từng phương pháp trên hoặc kết hợp cả hai phương pháp này

Quá trình khử photpho bằng phương pháp sinh học là quá trình cải tiến của quá trình bùn hoạt tính Quá trình khử sinh học là sự kết hợp của 3 quá trình sau:

- Quá trình đồng hóa photpho thông thường

- Quá trình kết tủa hóa học, trung gian sinh học

Khi biến các tế bào này liên kết với nhau thành bông cặn lắng xuống đáy bể lắng, photpho chứa trong cặn được tháo ra ngoài đưa đi xử lý riêng hoặc được dùng lại như là chất lên men để tác dụng với các axit béo bay hơi làm tăng hiệu quả quá trình khử photpho Quá trình tách loại phôtpho trong một hệ thống xử lý nước thải

có thể thực hiện phối hợp với oxy hóa BOD, với khử hợp chất nitơ theo các phương

án kỹ thuật khác nhau

1.5 Một số công nghệ được ứng dụng để xử lý nước thải đô thị hiện nay

1.5.1 Cụm thiết bị hợp khối USBF [14]

Công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF (Upflow Sludge Blanket Filter) được thiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý BOD, nitrate hoá (nitrification) và khử nitrate hóa (denitrification) của Lawrence và McCarty, Inc

lần đầu tiên được giới thiệu ở Mỹ những năm 1900 sau đó được áp dụng ở châu âu

từ 1998 trở lại đây

Nghiên cứu sử dụng mô hình công nghệ USBF để xử lý nước thải đô thị, là công nghệ cải tiến của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp 3 quá trình Anoxic, Aeration và lọc sinh học dòng ngược trong một đơn vị xử lý nước thải Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp Với sự kết hợp này sẽ đơn giản hoá hệ thống

xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống Đồng thời hệ thống có thể xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ, N và P cao

Cấu tạo của mô hình (hình 1): Mô hình gồm 3 module chính: ngăn thiếu khí

(anoxic), ngăn hiếu khí (aerobic) và ngăn lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Mương chảy tràn thu nước đầu vào nhằm hạn chế tác động của dòng vào đối với ngăn thiếu khí và tăng hiệu quả xáo trộn giữa dòng nước thải đầu vào và bùn tuần hoàn Mương chảy tràn và thu nước đầu ra, ống thu bùn, bộ phận sục khí… Các thiết bị cần thiết bao gồm: 1 máy bơm định lượng bơm nước thải đầu vào, 1 máy bơm bùn và 1 máy thổi khí

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của mô hình

(A):Mương thu nước đầu

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình

Nguyên tắc hoạt động của mô hình: Mô hình được thiết kế nhằm kết hợp các

quá trình loại bỏ carbon (COD, BOD), quá trình nitrat hoá/khử nitrat và quá trình loại bỏ dinh dưỡng (N và P) Nước thải được loại bỏ rắn, sau đó, được bơm vào mương chảy tràn thu nước đầu vào cùng trộn lẫn với dòng tuần hoàn bùn Hồn hợp nước thải và bùn hoạt tính chảy vào ngăn thiếu khí Ngăn này có vai trò như là ngăn chọn lọc thiếu khí (Anoxic Selector) thực hiện hai cơ chế chọn lọc động học (Kinetic Selection) và chọn lọc trao đổi chất (Metabolism Selection) để làm tăng

cường hoạt động của vi sinh vật tạo bông nhằm tăng cường hoạt tính của bông bùn

và kìm hãm sự phát triển của các vi sinh vật hình sợi gây vón bùn và nổi bọt Quá trình loại bỏ C, khử nitrat và loại bỏ P diễn ra trong ngăn này Sau đó, nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưỡi đáy ngăn USBF Ở đây ô xy được cung cấp nhờ các ống cung cấp khí qua một máy bơm

Nước thải sau ngăn hiếu khí chảy vào ngăn USBF và di chuyển tử dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính Phần nước trong đã được xử lý phía trên chảy tràn vào mương thu nước đầu ra Một phần hỗn hợp nước thải và bùn trong ngăn này được tuần hoàn trở laị ngăn thiếu khí

1.5.2 Cụm thiết bị hợp khối JOHKASOU (Nhật Bản)

Công nghệ xử lý hiếu khí, thiếu khí kết hợp, sử dụng quá trình lọc sinh học ngập nước JOHKASOU của Nhật Bản

- Thiết bị hiện đại, hiệu quả xứ ly cao

- Dạng hợp khối nên có thể xây nổi hoặc gầm dưới đất Dễ dàng tăng công suất xử lý khi mở rộng quy mô

- Thiết bị không chỉ loại bỏ SS mà còn loại bỏ được các hợp chất khó phân huỷ như chất tẩy rửa bằng cách tăng thời gian lưu của bùn Hơn nữa xử lý triệt để N

và P có trong nước thải, nước thải có thể được tái sử dụng

- Không cần thiết phải tuần hoàn bùn để duy trì nồng độ vi sinh vật Chỉ cần kiểm soát áp lực xuyên qua màng và chất lượng nước đầu vào

- Dễ dàng tự động hoá và điều khiển từ xa để kiểm soát toàn bộ quá trình xử lý

- Hệ thống lọc sinh học được thiết kế với nguyên tắc tiết kiệm năng lượng

Hệ thống cấp khí đóng vai trò tiết kiệm năng lương, vừa cung cấp ôxi cho quá trình

xử lý,vừa có tác dụng làm sạch bề mặt màng lọc, không gây tắc nhờ tạo ra d.ng chảy xoáy

- Lượng bùn hoạt tính sinh ra ít, cho nên chi phí của việc xử lý bùn là rất nhỏ

- Chi phí đầu tư lớn, yêu cầu chất lượng nước đầu vào chặt chẽ

Hình 1.4 Cấu tạo của cụm thiết bị hợp khối JOHKASOU

Thiết bị lọc sinh học bao gồm Buồng lọc và Buồng phân phối khí Trong buồng lọc gồm nhiều tấm lọc được kết nối với nhau thành 1 khối nhờ thanh cố định

và ống thu nước Trong buồng phân phối khí có các ống phân phối khí dạng đục lỗ Trong trường hợp cần bảo trì, có thể tháo các bản lọc ra để bảo trì

Lớp màng lọc được hàn nên mặt cuả tấm bản lọc Chúng được làm từ chlorinated polyethylene với kích thước lỗ là 0,4µm Các tạp chất trong nước được

xử lý nhờ các vinh sinh vật trên lớp màng lọc, đi vào khoảng trống trên các tấm bản

và về ống thu nước

Hình 1.5 Cấu tạo của công nghệ xử lý nước thải Bio-Sac

- Được thiết kế với các tấm chắn đặc biệt để ngăn trở dòng chảy tạo ra lực xoáy đảo trộn

- Có lượng chất rắn huyền phù của chất lỏng hỗn hợp (bùn hoạt tính) cao do các quá trình tái hồi bùn nội bộ, dẫn đến giảm đến tối thiểu thời gian lưu nước trong các bể phản ứng

- Có độ bền và khả năng xử lý cao đối với các nguồn thải ô nhiễm cao và chịu được sự biến động thất thường

- Hệ thống được thiết kế theo nguyên tắc modul có kích thước gọn nhẹ, dễ dàng nâng cấp mở rộng, dễ dàng tự động hóa, vận hành đơn giản

- Hệ thống có thể xây gầm dưới đất, tiết kiệm được quỹ đất không ảnh hưởng tới kiến trúc của các công trình xung quanh

- Giá thành hợp lý

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1 Tìm hiểu chung về mô hình hóa

2.1.1 Vai trò của mô hình hóa hệ thống

Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử dụng phương pháp mô hình hóa ở những mức độ khác nhau Điều này đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống (kỹ thuật, xã hội), bởi vì điều khiển chính là quá trình thu nhận thông tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo một mô hình nào đó và đưa ra quyết định điều khiển thích hợp Quá trình này được tiếp diễn liên tục nhằm đưa hệ thống vào hoạt động theo một mục tiêu định trước

Quá trình phát triển khoa học kỹ thuật đi theo các bước cơ bản sau:

Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng được phát triển từ đại chiến thế giới lần thứ hai vào những năm 40 của thế kỷ XX Lúc đó người ta ứng dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để nghiên cứu những phản ứng hạt nhân nhằm chế tạo bom nguyên tử Ngày nay, nhờ có máy tính điện tử mà phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như các ngành khoa học xã hội khác nhau Nhờ có phương pháp

mô hình hóa và mô phỏng, người ta có thể phân tích, nghiên cứu các hệ thống phức tạp, xác định các đặc tính, hành vi hoạt động của hệ thống Các kết quả mô phỏng được dùng để thiết kế, chế tạo cũng như xác định trạng thái vận hành của hệ thống

Đối với các hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, các tham số biến đổi theo thời gian, phương pháp giải tích truyền thống không thể cho ta lời giải thích chính xác được Lúc này phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát huy sức mạnh của mình và trong nhiều trường hợp nó là giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp trên

2.1.2 Định nghĩa

Mô hình hoá (Modelling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình [11]

Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau:

- Tính đồng nhất: mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước

- Tính thực dụng: có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tượng

2.1.3 Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình

Việc xây dựng mô hình toán học phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống thực,

vì vậy khó có thể đưa ra những nguyên tắc chặt chẽ mà chỉ có thể đưa ra những nguyên tắc mang tính định hướng cho việc xây dựng mô hình

* Nguyên tắc xây dựng sơ đồ khối:

Nhìn chung hệ thống thực là một hệ thống lớn phức tạp, vì vậy, người ta tìm cách phân chúng ra thành nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhận một số chức năng của

hệ lớn Như vậy, mỗi hệ con được biểu diễn bằng một khối, tín hiệu ra của khối trước chính là tín hiệu vào của khối sau

* Nguyên tắc thích hợp:

Tùy theo mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn một cách thích hợp giữa tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình Có thể bỏ bớt một số chi tiết không quan trọng để mô hình bớt phức tạp và việc giải các bài toán trên mô hình dễ dàng hơn

* Nguyên tắc về độ chính xác:

Yêu cầu về độ chính xác tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu Ở giai đoạn thiết kế tổng thể, độ chính xác không đòi hỏi cao nhưng khi thiết kế nghiên cứu chi tiết những bộ phận cụ thể thì độ chính xác của mô hình phải đạt được yêu cầu cần thiết

* Nguyên tắc tổ hợp:

Tùy theo mục đích nghiên cứu mà người ta có thể phân chia hoặc tổ hợp các

bộ phận của mô hình lại với nhau

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng, vì trong quá trình mô hình hoá bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hoá luôn luôn

là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học

kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hoá cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình hoá là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều nên nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình [11]

Ưu điểm nổi bật của các mô hình toán là chúng chính xác và trừu tượng, bên cạnh đó chúng biến đổi thông tin hợp lý và duy nhất Kết quả tính toán từ mô hình

là duy nhất nên chúng cho phép dự báo, tiến hành các thí nghiệm Tuy nhiên phương pháp mô hình cũng không tránh khỏi nhược điểm Có lẽ nhược điểm lớn nhất của mô hình toán thể hiện ở tính phức tạp của các công cụ toán học Việc chuyển đổi các kết quả từ mô hình toán học sang vấn đề thực tiễn là một vấn đề phức tạp khác [11]

Mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học đang phát triển và rất

có triển vọng Ở giai đoạn thiết kế hệ thống, mô hình hóa giúp người thiết kế lựa chọn cấu trúc, các thông số của hệ thống để tổng hợp hệ thống Ở giai đoạn vận hành hệ thống, mô hình hóa giúp cho người điều khiển giải các bài toán tối ưu, dự đoán các trạng thái của hệ thống Đặc biệt trong trường hợp kết hợp hệ chuyên gia (expert system) với mô hình hóa, người ta có thể giải được nhiều bài toán điều khiển, tiết kiệm được nhiều thời gian

Phương pháp mô hình hóa thường được dùng trong các trường hợp sau (Giáo trình mô hình hóa, Khoa điện, bộ môn Tự động hóa, trường ĐHBK Hà Nội):

* Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân như:

- Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt;

- Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài;

- Nghiên cứu trên hệ thống thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết bị;

- Trong một số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm trên hệ thống thực

* Phương pháp mô hình hóa cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc cấu trúc của hệ thống cũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển Những số liệu này được dùng để thiết kế hệ thống hoặc lựa chọn thông số tối ưu để vận hành hệ thống

* Phương pháp mô hình hóa cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa

có hệ thống thực Trong trường hợp này, khi chưa có hệ thống thực thì việc nghiên cứu trên mô hình là giải pháp duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn cấu trúc và thông số tối ưu của hệ thống, … đồng thời mô hình cũng được dùng để đào tạo và huấn luyện

2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường

2.2.1 Lịch sử phát triển của mô hình hóa quá trình xử lý nước thải

Mô hình là tập hợp các phương trình, thường dựa trên cở sở lý thuyết và căn

cứ vào số liệu thực nghiệm đặc trưng cho quá trình xử lý nước thải Mỗi quá trình đơn vị đặc trưng bởi chính mô hình đó Các phương trình mô hình cho các quá trình như quá trình trong bể lắng thứ cấp và bùn lắng được nghiên cứu rõ và khá đơn giản Mô hình hóa các quá trình xử lý sinh học nước thải như bùn hoạt tính thì phức tạp hơn Các thiết lập cơ bản của các mô hình cho các quá trình bùn hoạt tính được viết bởi Hiệp hội nước Quốc tế (IWA) Mô hình đầu tiên phát triển vào năm 1986

và được đặt tên là mô hình bùn hoạt tính (ASM) Sau đó được biết đến với tên là mô

hình ASM1, có thể mô hình hóa các quá trình oxy hóa sinh học cacbon, nitrat hóa,

và khử nitrat

Năm 1982, tổ chức nước quốc tế (International Association on Water Quality, IAWQ) thành lập nhóm nghiên cứu về mô hình toán học quá trình xử lý nước thải nhằm phục vụ thiết kế, vận hành quá trình bùn hoạt tính Tại thời điểm

đó, mô hình hóa xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính đã được nghiên cứu trước đó khoảng 15 năm tại trường đại học Cape Town (Nam Phi) dưới sự chỉ đạo của giáo sư G.V Marais Các mô hình thiết lập được sử dụng rất hạn chế do một phần là tính thiếu hoàn chỉnh và phần khác là do hạn chế về khả năng tính toán những bài toán phức tạp do mô hình đặt ra [20]

Các mô hình được nhóm chuyên gia của IAWQ xây dựng là mô hình áp dụng kỹ thuật bùn hoạt tính: ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 Về cơ bản các mô hình được xây dựng theo cùng nguyên tắc, các mô hình phát triển sau là sự mở rộng các quá trình xảy ra trong hệ

Mô hình đầu tiên là Activated Sludge Model No 1 (ASM1) được thiết lập và thảo luận tại Seminar năm 1985 tại Đan Mạch và xuất bản dưới dạng báo cáo vào năm 1987 ASM1 là mô hình đơn giản nhất, mô tả các quá trình: oxy hóa chất hữu

cơ do vi sinh vật dị dưỡng hiếu khí, oxy hóa amoni do vi sinh vật tự dưỡng hiếu khí

và khử nitrat do vi sinh vật tuy nghi dạng dị dưỡng Sau 5 năm nghiên cứu, phát triển và thử thách, ASM1 trở thành mô hình có thể sử dụng ASM1 không chỉ là một mô hình mà nó còn là tài liệu hướng dẫn phương pháp đánh giá đặc trưng của nước thải, thiết lập chương trình tính, những lỗi dễ mắc phải và cách khắc phục ASM1 đáp ứng khá tốt nhiệm vụ đặt ra cho nhóm nghiên cứu mô hình là tạo ra được một nền tảng chung để phát triển mô hình xử lý hợp chất Nitơ trong tương lai; đơn giản mô hình ở mức tối đa Tuy vậy, ASM1 vẫn phải được chỉnh sửa để phù hợp với thực tế ứng dụng trong điều kiện cụ thể [19]

Tại thời điểm xuất bản mô hình ASM1, quá trình xử lý photpho bằng phương pháp tăng cường cũng đã được sử dụng trong thực tế xử lý nước thải với một lượng hạn chế Mức độ phát triển về lý thuyết của quá trình xử lý photpho chưa đủ để đưa

vào mô hình Từ giữa thập kỷ 80 đến giữa thập kỷ 90, bản chất của quá trình xử lý photpho được hiểu biết tường tận hơn và được triển khai rộng rãi trong thực tiễn Những tiến bộ trong thời gian trên cho phép xây dựng mô hình ASM2 chứa đựng quá trình xử lý photpho tăng cường bằng biện pháp sinh học Cũng trong thời gian hoàn thành mô hình ASM2, hiện tượng vi sinh vật denitrifier có khả năng tích lũy photpho được phát hiện và được mô hình hóa trong ASM2d

Trong năm 1998, nhóm chuyên gia quyết định xây dựng mô hình xử lý bùn hoạt tính mới là ASM3 chứa đựng nhiều thông tin hơn, trong đó nổi bật là khả năng tích lũy các thành phần vật chất của vi sinh vật có liên quan đến quá trình trao đổi chất của chúng

2.2.2 Các loại mô hình được sử dụng trong công nghệ môi trường

Mô hình hóa trong xử lý nước thải với mục tiêu thiết kế các hệ xử lý nước thải có hiệu quả, đạt độ tin cậy cao và dễ áp dụng Hai loại mô hình được sử dụng rộng rãi là mô hình vật lý và mô hình mô phỏng (toán học) [16]

Mô hình vật lý được sử dụng rộng rãi trong thiết kế hệ xử lý nước thải, mô hình này sử dụng phương pháp thực nghiệm để chuyển quy mô phòng thí nghiệm sang thí nghiệm pilot và tới quy mô sản xuất Đánh giá một loạt các yếu tố ảnh hưởng thông qua thực nghiệm tốn kém rất nhiều công sức và thời gian, tuy nhiên nếu có đầy đủ số liệu từ các nghiên cứu thực nghiệm thì mô hình vật lý hoàn toàn

có thể thỏa mãn mục đích đặt ra

Mô hình toán học bằng cách mô phỏng các quá trình xảy ra trong hệ và mối liên quan giữa các quá trình đó cho phép tiết kiệm công sức, tiền của và cho kết quả tốt hơn Mô hình toán học xử lý dinh dưỡng trong nước thải là mô hình động học có tính chất tổng quát và mô hình ổn định là dạng đơn giản hóa của mô hình động tổng quát nhằm tiện lợi cho sử dụng

Muốn mô phỏng một hệ thống kỹ thuật, người ta phải tìm cách nào để mô tả được quy luật hoạt động của hệ thống đó Hay nói cách khác, người ta phải cố gắng tìm được mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống Như ta đã biết, hệ thống xử lý nước thải cũng như bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào khác đều bao

gồm nhiều công trình đơn vị trong đó Mỗi công trình đều có một chức năng riêng, tất cả được kết nối thành một hệ thống và cùng nhau thực hiện một chức năng tổng quát, đối với hệ thống xử lý nước thải là: biến đổi nước thải thành nước sạch theo một tiêu chuẩn nào đó Ta có thể sơ đồ hóa các công trình đơn vị của hệ thống xử lý nước thải như sau [6]:

Trong đó:

x i đại diện cho các thông số đầu vào như lưu lượng Q, BOD, pH, NH4+…,

y i đại diện cho các thông số đầu ra như BOD, COD, pH…

f ở đây đại diện các quá trình xử lý, có thể là bể lắng cát, bể lắng sơ bộ, bể

aerotank, bể lắng cấp hai, bể khử trùng…

Theo cách diễn đạt như trên ta có thể xem mỗi công trình đơn vị là một hàm

số nào đó chứa đựng mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra Và ta cũng có thể xem cả hệ thống là một hàm số tổng hợp của những hàm số con này Trong lĩnh vực xử lý nước thải, hiện nay người ta cũng cố gắng xây dựng một số lý thuyết để tính toán nhưng hầu hết còn ở mức độ rất đơn giản, điều kiện tính toán thường lý tưởng và kết quả thu được chỉ mang tính chất gần đúng, ước lượng Lý do là bản chất vấn đề rất phức tạp, hiệu quả của mỗi công trình xử lý phải phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố mà ta không thể xét hết được Thêm vào đó chất lượng nước thải, điều kiện môi trường chứa đựng những thông số rất khó kiểm soát [11]

Vai trò của mô hình hóa trong công nghệ xử lý nước thải được cụ thể qua một số giai đoạn:

- Ở giai đoạn thiết kế hệ thống: mô hình hóa giúp người thiết kế lựa chọn cấu trúc, lựa chọn các thông số tối ưu để đưa ra một hệ thống xử lý tối ưu nhất

- Ở giai đoạn vận hành hệ thống: mô hình hóa giúp cho người điều khiển giải các bài toán tối ưu nhằm mục đích dự đoán các trạng thái của hệ thống

Các thông số

đầu vào, x i

Quá trình xử lý, f Các thông số

đầu ra, y i = f( x i )

- Việc mô hình hóa hệ thống xử lý nước thải người ta có thể giải được các bài toán về điều khiển, tiết kiệm thời gian cũng như chi phí về vật chất và tài chính

Các hệ thống xử lý nước thải là các hệ thống rất phức tạp, trong đó xảy ra nhiều quá trình sinh học, hóa học và vật lý để có thể đạt được yêu cầu chất lượng nước đầu ra theo tiêu chuẩn Do tính phức tạp của các quá trình và tính chất thay đổi của nước thải, trong thiết kế của nhà máy, người ta không thể dự đoán được ảnh hưởng của sự thay đổi một yếu tố nào đó đến chất lượng dòng ra Các nhà máy được thiết kế với nước thải đầu vào và điều kiện khí hậu có thể không vận hành tốt trong những điều kiện khác nhau Quy mô pilot thử nghiệm có thể xác định được mức độ ảnh hưởng của các thông số nhưng kinh phí và thời gian có giới hạn Bởi vậy, các mô hình giữ một vai trò quan trọng với việc mô hình hóa các quá trình và đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi của các thông số đối với hiệu quả của quá trình xử lý

Mô hình có thể được sử dụng cho một số mục đích bao gồm việc thiết kế các

hệ thống xử lý nước thải mới, thiết kế các bộ phận hoặc nâng cấp, cải tiến các hệ thống hiện có, xác định những thay đổi trong quá trình vận hành ảnh hưởng đến nồng độ cho phép của các chất gây ô nhiễm trong dòng ra, xác định các hệ thống vận hành như thế nào với sự thay đổi nồng độ các chất trong dòng vào hoặc lưu lượng dòng vào Không phải tất cả các mô hình đạt được các mục đích này, việc cân nhắc, lựa chọn mô hình là do mong muốn của người sử dụng

Có một số ý kiến trái ngược trong việc sử dụng các mô hình Một vài ý kiến cho rằng sử dụng mô hình dựa vào các phương trình toán học để đặc trưng cho một quá trình, một số ý kiến khác thì sử dụng mô hình dựa vào các chương trình máy tính để giải quyết các phương trình [21,22,23]

Bảng 2.1: Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay

ASM1 Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ Henze và các đồng

nghiệp, 1987 ASM2 Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng Henze và các đồng

cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men, loại bỏ phopho hóa học

nghiệp, 1995

ASM2d Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men, loại bỏ phopho hóa học

Henze và các đồng nghiệp, 1999

ASM3 Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ Henze và các đồng

nghiệp, 1999 ASM 3w/bioP Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học

Reiger và các đồng nghiệp, 2001

TUDP Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men

Brdjanovic và các đồng nghiệp, 2000

B&D Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men

Barker và Dold,

1997

Nguồn: WERF 2003, Gernaey et al 2004

Một số lượng lớn các chương trình mô phỏng hiện nay là sự kết hợp của rất nhiều các mô hình khác nhau Các chương trình mô phỏng tiêu biểu thường có các giao diện đồ họa cho phép người sử dụng lựa chọn các mô hình phù hợp cho các quá trình đơn vị trong thiết kế nhà máy Phần lớn các chương trình cho phép lựa chọn từ một số lượng lớn các mô hình đơn vị đặc trưng cho các quá trình Các chương trình mô phỏng khác nhau có các mô hình đơn vị khác nhau do đó để lựa chọn các mô hình mô phỏng phù hợp là rất quan trọng Ngoài ra để lựa chọn các quá trình theo yêu cầu, người sử dụng xác lập chế độ dòng chảy bao gồm dòng hồi lưu và đặc trưng của dòng nước thải vào Người dùng có thể nhập các giá trị của các thông số như chế độ ổn định cho quá trình sinh trưởng sinh học và chế độ động học cho các bể phản ứng hoặc người sử dụng có thể chọn giá trị mặc định Người sử dụng thiết lập sơ đồ dây chuyền công nghệ, nhập giá trị của các thông số, và lựa

chọn các mô hình, mô hình giải hệ các phương trình để dự đoán đặc tính của nước thải trong suốt hệ thống xử lý [23]

Hiện nay có rất nhiều chương trình mô phỏng được sử dụng rộng rãi như: GPS-X, EFOR, STOAT, BioWin, ASIM, SIMBA, WEST, AQUASIM, và AQUIFAS Các chương trình mô phỏng khác nhau có các mô hình đơn vị khác nhau, kỹ năng cần thiết để chạy mô hình, giao diện sử dụng, và chi phí Một vài mô hình cho phép khả năng tùy biến cao, nhưng yêu cầu các kiến thức cơ bản về mô hình của người sử dụng phải thật tốt Một số mô hình khác thì yêu cầu kiến thức về

mô hình ở cấp độ thấp hơn nhưng trong một số trường hợp sử dụng thì người dùng

sẽ gặp lại những hạn chế của mô hình

2.2.3 Phương pháp trình bày mô hình bùn hoạt tính

Mô phỏng hoạt động một quá trình xảy ra trong hệ bùn hoạt tính cần phải bao quát được phản ứng xảy ra trong hệ như oxy hóa chất hữu cơ, nitrat hóa và khử nitrat với sự tham gia của nhiều thành phần tham gia phản ứng và các điều kiện cấn thiết để phản ứng xảy ra Để dễ sử dụng về mặt toán học và thiết thực cho dự báo quá trình, các phản ứng được lựa chọn cần có tính đại diện cho các quá trình cơ bản xảy ra trong hệ Hơn thế nữa, mô hình cũng cần định lượng được cả yếu tố động học (sự phụ thuộc của nồng độ vào thời gian) cũng như yếu tố tỷ lượng (mối tương quan về lượng giữa các cấu tử tham gia phản ứng) của từng quá trình

Lập trình và ký hiệu: Khó khăn gặp phải khi thiết lập một mô hình toán học

mô tả một hệ chứa nhiều tương tác như trong hệ xử lý nước thải được khắc phục

bằng cách mô tả hệ thông qua một ma trận

Cân bằng vật chất: Trong một hệ xử lý, nồng độ của một thành phần có thể

bị tác động bởi nhiều yếu tố khác nhau Phương pháp ma trận cho phép dễ dàng nhận ra diễn biến của một thành phần nào đó để dễ dàng hơn trong việc thành lập mối tương quan về cân bằng vật chất

Phương trình cơ bản để mô tả cân bằng vật chất trong một hệ có giới hạn:

Đầu vào – Đầu ra + Phản ứng = Tích lũy

j

Đầu vào, đầu ra của một hệ là các quá trình chuyển khối, phụ thuộc vào dạng

kỹ thuật phản ứng Thành phần phản ứng của hệ, ri, chính là tổng của các sản phẩm hình thành từ hệ số tỷ lượng νij với tốc độ hình thành νj đối với từ yếu tố i

ri = Σνijνj

Kiểm tra tính liên tục: từ ma trận có thể kiểm tra được tính liên tục của một

quá trình bằng cách dịch chuyển ngang (cùng dòng) của ma trận khi các đơn vị sử dụng là tương hợp, khi đó tổng của các hệ số tỷ lượng bằng không

Diễn biến các quá trình xảy ra trong hệ bùn hoạt tính với sự tham gia của rất nhiều yếu tố chỉ có thể mô tả trong một phương thức thực hiện cụ thể: dòng liên tục

có khuấy trộn đều, lắp ghép giai đoạn hiếu khí, thiếu khí,… Mục tiêu của mô hình là

mô tả được diễn biến của hệ trong trạng thái động Phương trình cân bằng chất bao gồm các quá trình chuyển khối và chuyển hóa, mô tả trạng thái của hệ được sử dụng một cách hữu ích để mô hình hóa Sử dụng cấu hình dòng liên tục có khuấy trộn đều, phương trình cân bằng chất sẽ là một hệ phương trình vi phân thường phi tuyến và để giải chúng thường áp dụng phương pháp tích phân số (phương pháp gần đúng)

2.3 Mô hình được lựa chọn để mô phỏng và các thông số động học

So với mô hình ASM1 thì ASM2 được mở rộng đáng kể và phức tạp hơn do bao gồm cả quá trình xử lý photpho Sự thay đổi đáng kể là vi sinh vật PAO có cấu trúc nội tại liên quan đến sự tích lũy chất hữu cơ và photpho, ngoài tỷ lệ của chủng

vi sinh PAO trong tổng sinh khối Đó là yếu tố tiên quyết trong mô hình xử lý photpho

Mô hình ASM 2d là sự mở rộng của ASM2, hai quá trình được đưa thêm vào

để mô tả hiện tượng: vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể sử dụng chất hữu cơ tích lũy để khử nitrat Trong khi mô hình ASM2 giả thiết là vi sinh vật PAO chỉ phát triển trong điều kiện hiếu khí thì trong mô hình ASM 2d, loại vi sinh vật trên tồn tại cả trong môi trường thiếu khí (khử nitrat)

Trong khuôn khổ của luận văn này, tác giả trình bày về mô hình BioWin –

mô hình được chọn để mô phỏng cho nhà máy xử lý nước thải Kim Liên Để mô phỏng cho quá trình bùn hoạt tính, ta có nhiều nhóm mô hình khác nhau Tuy nhiên trong trường hợp mô phỏng cho công nghệ AAO thì mô hình ASM2d là sự lựa chọn phù hợp

BioWin là một chương trình mô phỏng trên máy tính được Công ty tư vấn môi trường Envirosim – Canada nghiên cứu và phát triển, để mô phỏng và tính toán tối ưu hóa cho các hệ thống xử lý nước thải

BioWin được thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp, tích hợp các mô hình động học cho quá trình bùn hoạt tính ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 được hiệp hội nước quốc tế phát triển và ứng dụng, với 2 lựa chọn: mô phỏng hệ thống ở chế độ ổn định và mô phỏng động học Kết quả mô phỏng được dùng để đánh giá các phương pháp xử lý bậc 2 khác nhau, cung cấp cơ sở để so sánh và lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình vận hành nhà máy [30]

Mô hình ASM2d gồm 20 cấu tử (10 cấu tử hòa tan và 10 cấu tử không hòa tan) và 21 quá trình bao gồm các quá trình sinh hóa và kết quả photpho hóa học 20 cấu tử của ASM2d được kí hiệu trong BioWin như trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin

3 ZBP XPAO mgCOD/l Thành phần vi sinh vật tích lũy photpho

Thành phần này được giả thiết là tất cả các

loại poly – photphat hữu cơ tích lũy

4 XSP XS mgCOD/l Thành phần COD chậm phân hủy sinh

học

Thành phần COD dạng hạt, trơ Thành phần này không bị phân hủy, bám vào bông bùn và đi vào sinh khối

6 XON XON mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ dạng hạt dễ phân

hủy sinh học

7 XOP XOP mgP/l Hợp chất photpho hữu cơ dạng hạt dễ

phân hủy sinh học

8 SPHB XPHA mgCOD/l

Sản phẩm tích lũy nội bào của PAO, được giả thiết là poly-β-hydroxy-butyrat (C4H6O2)n

Thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học

là phần COD hòa tan được vi sinh vật dị dưỡng sử dụng trực tiếp

Sản phẩm lên men, giả thiết sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men yếm khí giai đoạn khử photpho được coi là axetat

13 NH3-N SNH4 mgN/l Bao gồm Amoni tự do và NH4

+ Để đảm bảo độ cân bằng của quá trình trao đổi ion,

SNH4 được coi như tất cả đều là NH4+

14 NOS NOS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hòa tan dễ phân hủy

sinh học

15 NO3-N SNO3 mgN/l

Bao gồm nitrat và nitrit _N+NO2_N) Trong tính toán hệ số tỷ lượng, thành phần trên được coi như chỉ gồm nitrat

(NO3-16 PO4-P SPO4 mgP/l Thành phần photpho hòa tan, chủ yếu là

ortho – photphat

17 SUS SI mgCOD/l Thành phần chất hữu cơ hòa tan chậm

phân hủy sinh học

18 NUS NUS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hòa tan, chậm phân

hủy sinh học

Độ kiềm của nước thải Đối với quá trình tính toán hệ số tỷ lượng SALK được coi như chỉ bao gồm bicarbonate (HCO3-)

20 DO SO2 mgO/l Nồng độ oxi hòa tan

Dữ liệu đầu vào của BioWin là thành phần COD trong nước thải COD đầu vào này được phân chia thành nhiều thành phần có đặc điểm vật lý và sinh học khác nhau, bao gồm thành phần COD dễ phân hủy sinh học, thành phần COD dạng hạt phân hủy sinh học chậm, thành phần COD không phân hủy sinh học (dạng hạt và dạng hòa tan), thành phần COD dạng sinh khối tế bào vi sinh vật,… Tổng Nitơ cũng được chia thành các thành phần đặc trưng nhưng không chi tiết như COD TKN được chia thành ammonia và các thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và thành phần hữu cơ không phân hủy sinh học để phù hợp với mô hình xử lý chất hữu

cơ Với việc cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào của nước thải, các thông số mặc định của BioWin có thể được hiệu chỉnh để đặc trưng cho loại nước thải đầu vào