Nghiên cứu ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp với quy trình sinh học trong xử lý nước rỉ rác

Vì vậy, xử lý nước rỉ rác là một trong những vấn đề hết sức quan trọng và cấp bách hiện nay tại các đô thị; quan trọng hơn nữa là phải tìm ra một quy trình công nghệ xử lý đơn giản hơn v

TRẦN VIẾT TOÀN

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC

Tôi xin chân thành cảm ơn, các thầy, các cô, các anh, các chị và các bạn đồng nghiệp trong Viện khoa học và Công nghệ môi trường đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Học viên

Trần Viết Toàn

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả các thầy giáo, cô giáo Viện công nghệ môi trường - Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những tri thức quý báu giúp tác giả hoàn thành chương trình đào tạo và Luận văn thạc sỹ

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS Đặng Xuân Hiển trường Đại Học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ được thực hiện đúng hướng dẫn của Trường Đại học bách khoa Hà Nội và thầy hướng dẫn PGS.TS Đặng Xuân Hiển

Trân trọng cảm ơn !

Hải Phòng, ngày tháng 11 năm 2017

Người viết cam đoan

Trần Viết Toàn

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MBBR Moving Bed Biofilm Reactor - Bể phản ứng có đệm sinh học chuyển động

ASM1 Mô hình bùn hoạt tính số 1

AOPs Quá trình oxi hóa nâng cao

ASM2 Mô hình bùn hoạt tính số 2

ASM3 Mô hình bùn hoạt tính số 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 12

TỔNG QUAN 12

1.1 NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC RỈ RÁC 12

1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc phát sinh 12

1.1.2 Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp 13

1.1.3 Nguyên lý hình thành nước rỉ rác 16

1.1.4 Tính chất của nước rỉ rác 17

1.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 20 1.2.1 Tìm hiểu chung về mô hình và mô phỏng 20

1.2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường 21

CHƯƠNG 2 26

QUÁ TRÌNH SINH HỌC, MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ THỰC TRẠNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TẠI VIỆT NAM 26

2.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 26

2.1.1.Một số chương trình ứng dụng mô hình bùn hoạt tính trong xử lý nước thải 26

2.1.2 Cở lý thuyết của mô hình ứng dụng 28

2.1.3 Chương trình mô phỏng Biowin 39

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG 45

2.2.1 Một số phương pháp cơ bản sử dụng để xử lý nước rỉ rác 45

2.2.2 Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác đã đươc áp dụng tại Việt Nam 48

2.2.3 Một số công nghệ xử lý nước rác đã được áp dụng ở trên Thế giới 54

CHƯƠNG 3 59

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ 59

PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 59

3.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 59

3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 59

3.1.2 Đối tượng nghiên cứu 59

3.1.3 Nội dung nghiên cứu 59

3.1.4 Ứng dụng phần mềm Biowin để lựa chọn chế độ công nghệ 65

3.2 LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ 70

3.2.1 Lựa chọn thông số nước thải đầu vào 70

3.2.2 Lựa chọn chế độ cho công nghệ AAOAO-MBBR 71

KẾT LUẬN 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn 14

Bảng 1.2 Tính chất nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam 18

Bảng 1.3 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại bái chôn lấp 19

Bảng 1.4 Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay 24

Bảng 2.1 Ma trận tỷ lượng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d 31

Bảng 2.2 Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lượng của ASM2d 35

Bảng 2.3 Biểu thức động học của ASM2d,  rj ≥ 0 36

Bảng 2.2 Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin 40

Bảng 2.3 Các thông số mặc định của mô hình BioWin 42

Bảng 2.4 Giá trị các thông số BioWin 44

Bảng 3.1 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới 59

Bảng 3.2 Nồng độ các chất sau keo tụ 61

Bảng 3.3 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 62

Bảng 3.4 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 2 63

Bảng 3.5 Nồng độ chất ô nhiễm của nước rỉ rác mới sau xử lý hóa lý 71

Bảng 3.6 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi %VĐ 72

Bảng 3.7 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α1 73

Bảng 3.8 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α2 74

Bảng 3.9 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT1 75

Bảng 3.10 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT2 76

Bảng 3.11 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT3 77

Bảng 3.12 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT4 78

Bảng 3.13 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT5 79

Bảng 3.14 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO1 80

Bảng 3.15 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO2 81

Bảng 3.16 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO3 82

Bảng 3.17 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO4 83

Bảng 3.18 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi T 84

Bảng 3.19 Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ưu của mô hình 88 Bảng 3.20 Kết quả nước thải sau xử lý với các thông số tối ưu của hệ thống 89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác 16

Hình 1.2 Sơ đồ sự cân bằng nước rỉ rác cho 1 m3 trong lớp rỉ rác 16

Hình 1.3 Mô tả hoạt động của mô hình 22

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí vào pha lỏng 39

Hình 2.2 Công nghệ xử lý kết hợp: Yếm - hiếu khí và hồ sinh học 49

Hình 2.3 Công nghệ xử lý tại bãi Nam Sơn của Viện Cơ học 50

Hình 2.4 Sơ đồ công nghệ xử lí rác cũ của bãi Đông Thạnh 51

Hình 2.5 Sơ đồ công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Đá Mài 52

Hình 2.6 Công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Nam Sơn của công ty SEEN 52

Hình 2.7 Công nghệ xử lí nước rỉ rác của Trung tâm ECO và Công ty CENTEMA tại bãi Gò Cát 53

Hình 2.8 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại Bãi chôn lấp Koumyoji – thành phố Ichinomiya – Nhật Bản 55

Hình 2.9 Sơ đồ công nghệ xử lý nước rác tại URM – Nova Scotia – Canada 55

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 1 56

Hình 2.11 Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý của bãi chôn lấp 2 57

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ quá trình cơ - lý - hóa xử lý nước rỉ rác 61

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình công nghệ AAOAO-MBBR 64

Hình 3.4 Chọn điều kiện nhiệt độ cho quá trình mô phỏng 65

Hình 3.5 Nhập dữ liệu đối với nước thải đầu vào mô hình 66

Hình 3.6 Điều chỉnh các thông số đặc trưng của nước thải đầu vào 66

Hình 3.7 Điều chỉnh thông số DO đối với các bể phản ứng 67

Hình 3.8 Điều chỉnh kích thước các bể phản ứng 67

Hình 3.9 Kết quả nước thải đầu ra 68

Hình 3.10 Kết quả bùn thải sau xử lý 69

Hình 3.11 Kiểm soát thông số vận hành của các bể phản ứng 70

Hình 3.12 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi %VĐ 72

Hình 3.13 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α1 73

Hình 3.14 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α2 74

Hình 3.15 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT1 75

Hình 3.16 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT2 76

Hình 3.17 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT3 77

Hình 3.18 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT4 78

Hình 3.19 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT5 79

Hình 3.20 Thay đổi nồng độ Nitrat, TN sau khi thay đổi DO1 80

Hình 3.21 Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO2 82

Hình 3.22 Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO4 83

MỞ ĐẦU

Nước ta hiện đang trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, nền kinh tế của đất nước có những biến chuyển đáng kể, đời sống của người dân ngày càng được nâng cao Tuy nhiên, cùng với sự phát triển kinh tế là sự khai thác thái quá dẫn đến cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và sự phát sinh ngày càng nhiều chất thải Đặc biệt ở khu vực thành thị có nhiều loại chất thải trong đó có chất thải rắn sinh hoạt đã làm gia tăng ô nhiễm môi trường và tác động không nhỏ đến sức khỏe cộng đồng

Không chỉ ở Việt Nam mà ở nhiều nước trên thế giới vấn đề phát sinh và xử lý chất thải rắn sinh hoạt đang rất được quan tâm Khác với các nước có nền kinh tế phát triển, ở nước ta chất thải sinh hoạt từ các đô thị, khu dân cư tập trung hầu như không được phân loại tại nguồn và phần lớn được đem đi chôn lấp, chỉ một phần nhỏ được tái chế thành phân vi sinh

Chôn lấp là phương pháp phổ biến và đơn giản, được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên, phương pháp này có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường rất lớn, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm do sự lan truyền các chất độc hại thấm ra từ các bãi chôn lấp

Nước rỉ rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ vật liệu phủ, do phân huỷ các chất hữu cơ cùng với nguồn nước mưa thấm ngấm Một số bãi nằm trong vùng trũng có thể

có thêm lượng nước ngầm thấm vào Nước rỉ rác chứa nhiều thành phần ô nhiễm hữu

cơ và vô cơ, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, Tuy nhiên, hàm lượng chất ô nhiễm và khối lượng nước rỉ rác biến động rất lớn theo đặc trưng của rác thải, theo vị trí địa lý, tính chất thổ nhưỡng của bãi chôn lấp, theo thời tiết, khí hậu,

Sự đa dạng về thành phần và sự dao động lớn về nồng độ gây khó khăn không nhỏ cho quá trình xử lý nước rỉ rác dẫn tới nhiều hệ thống xử lý đã xây dựng hoạt động kém hiệu quả hoặc không vận hành được Một trong những nguyên nhân làm cho hệ thống xử lý nước rỉ rác hoạt động kém hiệu quả là quy trình vậy hành phức tạp và đặc biệt là kinh phí để duy trì hoạt động của hệ thống cao

Vì vậy, xử lý nước rỉ rác là một trong những vấn đề hết sức quan trọng và cấp bách hiện nay tại các đô thị; quan trọng hơn nữa là phải tìm ra một quy trình công nghệ xử lý đơn giản hơn và kinh phí để duy trì hoạt động của hệ thống ít tốn kém hơn

Xuất phát từ nhu cầu và hiện trạng công nghệ xử lý nước rỉ rác hiện nay, luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình sinh học ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác” nhằm mục đích tìm hướng đi mới trong nghiên cứu xử lý nước rỉ rác, góp phần hoàn thiện công nghệ, xây dựng được công nghệ xử lý có hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, vận hành đơn giản và dễ dàng áp dụng trong điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay

Hướng nghiên cứu khả thi sẽ mang lại hiệu quả trong công nghệ xử lý nước rỉ rác với giá thành rẻ

Nghiên cứu khả thi sẽ áp dụng xử lý cho các loại nước thải có thành phần tương

tự như nước thải đô thị

Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phần mềm BioWin để nghiên cứu ứng dụng

mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp cho quá trình xử lý nước rỉ rác bằng phương pháp sinh học

Nội dung đề tài gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và mô hình ứng dụng

Chương 3: Ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình sinh học trong xử lý nước rỉ rác

Chương 1 TỔNG QUAN

b) Nguồn gốc phát sinh

Nước rỉ rác phát sinh chủ yếu từ một số nguồn chính như sau:

 Nước có trong rác chôn lấp và quá trình phân hủy rác:

Lượng nước này phụ thuộc vào hàm ẩm có trong vật liệu mang chôn lấp và các quá trình phân hủy rác xẩy ra trong bãi chôn lấp Thông thường ở điều kiện Việt Nam, rác thải sinh hoạt thường có hàm ẩm khoảng 60 - 70% Đây là lượng nước cơ bản để hình thành các phản ứng xẩy ra trong bãi chôn lấp gây phát sinh nước rỉ rác

 Nước mưa:

Nước mưa là nhân tố rất quan trọng trong việc hình thành nước rỉ rác Hầu hết các bãi chôn lấp có diện tích rất lớn từ 5ha - 50 ha nên lượng nước mưa đi vào bãi chôn lấp cũng rất lớn Tùy theo thời tiết, khí hậu từng mùa, lượng nước mưa ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng nước rỉ rác phát sinh và làm thay đổi lớn về đặc tính của nước rỉ rác

 Nước mặt, nước ngầm:

Nước mặt và nước ngầm có thể đi vào bãi chôn lấp làm tăng khối lượng nước rỉ rác chủ yếu là do các bãi chôn lấp được thiết kế gần các nguồn nước mặt, nước ngầm không được gia cố đúng kỹ thuật Khi mưa lũ, nước có thể thấm ngấm, tràn vào bãi chôn lấp Tuy nhiên, yếu tố này hiện này chỉ xẩy ra với các bãi chôn lấp nhỏ và được thiết kế không theo quy chuẩn Hiện nay, hầu hết các bãi chôn lấp đều được thiết kế theo quy chuẩn

 Nước có trong vật liệu phủ:

Nước chứa trong vật liệu phủ phụ thuộc rất nhiều vào nguồn gốc loại vật liệu

phủ và vào thời tiết khí hậu Khi đóng bãi, bên cạnh sử dụng đất tại hiện trường, rác thải xây dựng làm vật liệu phủ thì hiện nay người ta còn dùng đến HDPE (tấm phủ bằng chất dẻo) Tuy nhiên, lượng nước này không lớn và chỉ phát sinh trong một thời điểm mới phủ

1.1.2 Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp

Giai đoạn đầu khi trong khối rác mới chôn lấp có oxy nên quá trình phân giải

hiếu khí các hợp chất hữu cơ như sau [6]:

- Oxy hóa không hoàn toàn:

CaHbOcNd + mO2 → nCwHxOyNz +sCO2 + rH2O + (d-nz)NH3 + sinh khối + W

- Oxy hóa hoàn toàn:

Mn, Zn) được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn

Quá trình chuyển hóa sinh học trong ô chôn lấp có thể được chia thành 5 giai đoạn chính:

- Phân hủy sinh học hiếu khí

- Phân hủy sinh học yếm khí tạo axit

- Phân hủy sinh học yếm khí trung gian

- Phân hủy sinh học yếm khí tạo mêtan

- Giai đoạn tạo humus

Bảng 1.1 Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn [6]

a) Giai đoạn I: Phân hủy sinh học hiếu khí

Giai đoạn này có thời gian ngắn nhưng quá trình phân hủy xẩy ra rất mạnh, đến khi hàm lượng oxy trong khối rác cạn kiệt Trong giai đoạn này các VSV hiếu khí và tùy tiện có trong rác sẽ sinh trưởng phát triển và chuyển hóa các chất hữu cơ: Protein, Lipit, gluxit… thành các sản phẩm phân tử lượng nhỏ hơn như: Aminoaxit, đường,

Kết quả là nhiệt độ khối rác có thể lên tới 60 - 70ºC

Các sản phẩm thủy phân và chuyển hóa khuyếch tán vào nước làm cho hàm lượng các chất hòa tan trong nước rỉ rác rất cao:

- COD: 40.000 - 70.000 mg/l

- Tỉ lệ BOD/COD :0,5 - 0,7

- Độ màu từ 8.100 - 9.500 Pt-Co

- Độ kiềm, NH3 và H2S rất cao

b) Giai đoạn II: Phân hủy yếm khí tạo axit

Giai đoạn này do oxy trong khối rác đã cạn kiệt, các vi khuẩn yếm khí và tùy tiện phân hủy các hợp chất hữu cơ đơn giản như: đường, amino axit, xit béo, … thành các axit hữu cơ, các chất trung tính như rượu, axeton làm cho pH của nước rác giảm đáng kể, nhiệt độ của khối rác cũng giảm

Nước rỉ rác trong giai đoạn này có giá trị COD khá cao (>10.000 mg/l) và có

thể thấp hơn, pH trong khoảng từ 5 - 6 [18]

Giá trị pH thấp dẫn đến khả năng hòa tan kim loại nặng tăng làm cho hàm

lượng kim loại nặng trong nước rỉ rác giai đoạn này đạt cao nhất: Ca2+ có thể lên tới 2.500 mg/l; Fe 20 - 2.100 mg/l; Cr3+ 0,03 - 1,60 mg/l; Ni 0,02 - 2,05 mg/l; Zn 0,1 - 120,0 mg/l,

c) Giai đoạn III: Phân hủy yếm khí trung gian

Khi các axit hữu cơ bị khử, pH tăng dần các vi khuẩn metan hóa hoạt động

biệt các axit béo và các hợp chất cacbon phân tử lượng lớn bay hơi giảm làm cho độ axit cũng giảm đáng kể Độ pH tăng làm cho các kim ion loại như: Ca, Mn, Fe và các kim loại nặng ít hòa tan hơn

lợi cho xử lí sinh học (BOD/COD = 0,2 - 0,5 …) [6]

d) Giai đoạn IV: Phân hủy yếm khí tạo mêtan

Trong giai đoạn này hàm lượng các hợp chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ, đặc biệt là các axit hữu cơ bị khử làm cho pH giảm mạnh, pH đạt trong khoảng 6-8, đây là điều kiện tối ưu cho VK mêtan phát triển và hoạt động

tới 60 - 70%

đồng nghĩa với tỉ lệ BOD/COD nhỏ (< 0,2) [22]

Cuối giai đoạn mêtan hóa tỉ lệ giữa các chất khó phân hủy như Xenlulo, lignin,

e) Giai đoạn V: Tạo humus

Ở giai đoạn này các chất hữu cơ chậm chuyển hóa như; Lignoxenlulo, lignin… được chuyển hóa thành axit humic, humics và các dẫn xuất của chúng với cấu trúc đa vòng, phân tử lượng lớn, khó hòa tan và rất khó phân hủy

Hình 1.1 Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác [20]

1.1.3 Nguyên lý hình thành nước rỉ rác

Quá trình hình thành nước rỉ rác phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất của rác, các điều kiện về khí hậu thời tiết, lượng mưa… nhưng đặc biệt quan trọng là quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong rác Để tính toán được lượng nước rỉ rác phát sinh cần thiết lập cân bằng nước cho một khối rác

Hình 1.2 Sơ đồ sự cân bằng nước rỉ rác cho 1 m 3

Phương trình cân bằng nước có thể biểu diễn như sau [6]:

QM W W  P R E A

Trong đó:

M: Khối lượng rác chôn lấp trung bình mỗi ngày (tấn/ngày)

lấp, điều kiện khí hậu thời tiết, thời gian chôn lấp cũng như công nghệ và quy trình vận

hành Chính vì vậy, mỗi quốc gia, địa phương khác nhau đều có những đặc điểm khác nhau nên tính chất nước rỉ rác ở mỗi bãi chôn lấp cũng khác nhau

hóa - sinh học, nước rỉ rác có hàm lượng chất ô nhiễm cao đến rất cao và giảm dần theo thời gian chôn lấp Hơn nữa nước rỉ rác có sự biến động rất lớn về thành phần chất ô nhiễm cũng như lượng nước Một số thông số đặc trưng của nước rỉ rác có hàm

Theo các báo cáo của Trung tâm quan trắc Thành phố Hồ Chí Minh tại hai bãi rác miền Nam là Gò cát và Đông Thạnh đi vào hoạt động năm 2002 cho thấy: Hàm lượng các chất ô nhiễm tại hai bãi chôn lấp này là rất cao, hàm lượng COD thấp nhất

là 38.533 mg/l tại bãi Đông Thạnh và cao nhất là 65.333 mg/l tại bãi Gò Cát Ngoài ra, các thành phần khác như hàm lượng nitơ, kim loại nặng cũng cho giá trị rất cao

Hai bãi rác tại miền Bắc được khảo sát đó là bãi rác Đá Mài - Thái Nguyên và bãi rác Nam Sơn - Hà Nội; kết quả khảo sát của Sở Tài nguyên và Môi trường hai thành phố này cho thấy; hàm lượng các chất ô nhiễm tại bãi rác Đá Mài có mức độ ô nhiễm thấp hơn bãi rác Nam Sơn Hàm lượng COD của bãi rác Đá Mài biến động từ 1.245 - 3.900mg/l thấp hơn bãi rác Nam Sơn rất nhiều COD = 1.000 - 42.000mg/l Tuy nhiên, hàm lượng chất ô nhiễm của hai bãi rác này thấp hơn rất nhiều so với hai bãi rác tại miền Nam

Bảng 1.2 Tính chất nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam Thành phần

Sơn

Bãi rác Gò Cát

Bãi rác Đông Thạnh

[Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường]

Bảng 1.3 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại bái chôn lấp

1.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

1.2.1 Tìm hiểu chung về mô hình và mô phỏng

Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

Mô hình hóa (Modeling) 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

Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng nhất với đối tượng Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhận thông tin về đối tượng

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method)

để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được

mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa 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 hóa 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 hóa 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 hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình

Phương pháp mô hình hóa thường được dùng trong các trường hợp sau:

* 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

1.2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu 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)

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 xẩy 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:

Hình 1.3 Mô tả hoạt động của mô hình

Trong đó:

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

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

các bài toán tối ưu nhằm mục đích dự đoán các trạng thái của hệ thống

- 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 xẩy 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 hệ thống xử lý, người ta không thể dự đoán được ảnh hưởng của sự thay đổi một yếu tố nào đó đến chất lượng dòng ra Các hệ thống xử 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

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 hệ thống xử lý 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]

Bảng 1.4 Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay

Mô hình Các quá trình đơn vị xử lý nước thải Tác giả

nghiệp, 1987

ASM2

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, 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

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

Chương 2 QUÁ TRÌNH SINH HỌC, MÔ HÌNH ỨNG DỤNG VÀ THỰC TRẠNG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI TẠI VIỆT NAM

2.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

2.1.1.Một số chương trình ứng dụng mô hình bùn hoạt tính trong xử lý nước thải

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

+ Phản ứng bùn hoạt tính được mô hình hoá với 3 ngăn riêng biệt để mô phỏng cách hoạt động động lực của trạm;

+ Dòng vào và bùn tuần hoàn được đưa vào ngăn phản ứng đầu tiên;

+ Không có dòng tuần hoàn nội vùng;

mùa đông), thay đổi tải lượng (tăng tải lượng các chất hữu cơ, tải lượng nitơ trong dòng vào của hệ thống, )

* Phần mềm AQUASIM

Chương trình AQUASIM (Chương trình tính để xác định và mô phỏng hệ thống thuỷ sinh) do tác giả phần mềm là Peter Reichert tại EHT Zurich viết, được thiết kế để xác định và mô phỏng những hệ thống thủy sinh trong phòng thí nghiệm, trong những trạm xử lý nước thải ứng dụng công nghệ sinh học và trong tự nhiên Tất cả các dạng trong phiên bản 1.0 của chương trình có thể tìm thấy trong nhiều báo cáo khoa học Những ứng dụng của chương trình có thể tìm thấy là:

DENIKAPlus được phát triển từ DENIKA (một phần mềm máy tính để thiết kế

và mô phỏng trạng thái ổn định của những trạm xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính) ở một mức độ mới là cho phép mở rộng và tối ưu hoá cho những trạm xử lý nước thải đã

có cũng như với bể lắng thứ cấp [20]

* Phần mềm BioWin

BioWin - một công cụ mô phỏng toàn diện cho thiết kế công nghệ sinh học xử

lý nước thải Phần mềm được phát triển với mục tiêu chính là cung cấp một công cụ mạnh mẽ để hỗ trợ cả các thiết kế quy trình và vận hành của các công nghệ này

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

Để đánh giá, lựa chọn được loại hình công nghệ phù hợp cần phải dựa trên một phần mềm hay chương trình có khả năng mô phỏng và tính toán cho các quá trình xử

lý sinh học khác nhau với công nghệ bùn hoạt tính Với các nhóm loại hình công nghệ đang sử dụng trong các trạm xử lý nước thải đã trình bày và những chương trình, phần mềm mô tả ở trên có thể thấy chỉ có chương trình BioWin là thích hợp nhất để sử dụng trong việc nghiên cứu công nghệ tích hợp hóa lý – sinh học xử lý nước rác được lựa chọn trong luận văn này

2.1.2 Cở lý thuyết của mô hình ứng dụng

BioWin là phần mềm được ứng dụng để lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình sinh học ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác được sử dụng trong luận văn này, trong phần mềm BioWin sử dụng mô hình ASM 2d

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 ASM2d, loại vi sinh vật trên tồn tại cả trong môi trường thiếu khí (khử nitrat)

a) Các quá trình động học của ASM2d

ASM2d bao gồm 21 quá trình bao gồm quá trình sinh hóa và kết tủa photpho hóa

học được thể hiện như sau [24]:

* Quá trình thủy phân: Thực nghiệm chứng minh rằng quá trình thủy phân phụ

thuộc vào chất nhận electro sẵn có, dẫn đến sự khác nhau của 3 quá trình thủy phân trong ASM2d dưới các điều kiện khác nhau

1 Thủy phân hiếu khí các chất khó phân hủy sinh học dưới điều kiện hiếu khí

(SO2 > 0)

2 Thủy phân thiếu khí các cơ chất chậm phân hủy sinh học dưới điều kiện

khí

3) Thủy phân yếm khí các chất chậm phân hủy sinh học dưới điều kiện yếm khí

hiếu khí Vận tốc thủy phân ở điều kiện này vẫn còn nghiên cứu tiếp

* Quá trình tùy tiện vi sinh vật dị dưỡng:

8 Lên men: Dưới điều kiện yếm khí… giả thiết rằng các VSV dị dưỡng có khả

9 Phân giải các VSV dị dưỡng Quá trình này biểu diễn tổng các quá trình suy giảm và tổn thất của VSV dị dưỡng: hô hấp nội bào, phân giải… vận tốc quá trình này không phụ thuộc vào điều kiện môi trường

* Quá trình tích lũy photpho hữu cơ:

10 Tích lũy XPAH: Giả thiết rằng XPAO giải phóng photphat, SPO4 từ

thấy ở điều kiện yếm khí

dạng nội bào, yêu cầu PAO để có được năng lượng điều này trái ngược với việc hô hấp

13 và 14 Phát triển khí và thiếu khí của PAO Các VSV này được giả thiết để

15, 16 và 17 Phân giải PAO và các sản phẩm tích lũy của chúng

* Quá trình nitrat hóa: Nitrat hóa đƣợc giả thiết là một quá trình từ amoni SNH4

trực tiếp đến SNO3-

18 Phát triển của VSV nitrat hóa Nitrat làm giảm độ kiềm

19 Phân hủy VSV nitrat hóa

* Quá trình kết tủa hóa học của photphate:

20 và 21 Kết tủa và phân rã kết tủa của photphat Mô hình kết tủa này dựa trên giả thiết là hai quá trình trái ngƣợc nhau, theo đó trạng thái cân bằng đƣợc viết:

b) Hệ số tỷ lượng của ASM2d

Hệ số tỷ lƣợng của ASM2d đƣợc tính dựa trên ba thành phần bảo toàn cho COD, điện tích vào Nito ASM2 và ASM2d bổ sung vào thêm thành phần photpho

Một công thức bảo toàn có thể áp dụng phù hợp cho tất cả các quá trình j và chất

c đƣợc viết:

ở đây:

vj,i - hệ số tỷ lƣợng cho thành phần i ở quá trình j[MiMk-1]

c[MiMk-1]

Bảng 2.1 Ma trận tỷ lượng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d [24]

động học (r j ,

kgCOD.m

Biểu diễn dưới

Qu tr nh th ph n

Vi sinh vật d d n H

10 Tích lũy PHA -1 YPO4 υ10,ALK r10

Vi sinh vật nitrat hóa (vi sinh vật tự d ng): X AUT

Mô tả sự kết t a c a Phốt pho với Fe(OH) 3

động học (rj,

-3

.d-1)

Tích lũ phopho hữu cơ (PAO) PAO

Dựa trên các công thức bảo toàn ta có thể tính các thành phần còn lại trong ma trận tỷ lƣợng

Bảng 2.2 Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lƣợng của

kiểm soát khi quá trình đạt đƣợc nồng độ cận 0

Bảng 2.3 Biểu thức động học của ASM2d,  rj ≥ 0 [24]

TT Quá trình Biểu thức tốc độ động học r j , với  r j ≥ 0

TT Quá trình Biểu thức tốc độ động học r j , với  r j ≥ 0

TT Quá trình Biểu thức tốc độ động học r j , với  r j ≥ 0

d) Quá trình vận chuyển oxi

Có nhiều lý thuyết để mô tả quá trình vận chuyển oxi từ không khí vào nước

thải nhưng lý thuyết hai lớp màng được sử dụng rộng rãi hơn cả [24]

Theo lý thuyết hai lớp màng ta có:

FL = KL.At.(So,sat- So) (2.2) Trong đó:

So,sat - Nồng độ oxi bão hòa tại bề mặt phân chia pha, kgm-1