Nghiên cứu ứng dụng mô hình ADM1 và ASM xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao dễ phân hủy sinh học

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình ADM1 và ASM xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học” được hoàn thành sau thời một thời gian làm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình ADM1 và

ASM xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học” được hoàn thành sau thời một thời gian làm việc nghiệm túc, với nỗ

lực nghiên cứu, học hỏi của bản thân và sự hướng dẫn tận tình, mang tính khoa học cao của thầy giáo Trịnh Thành – Viện khoa học và công nghệ môi trường – Đại học bách khoa Hà Nội Những kết quả được trình bày trong luận văn là hết sức trung thực và rõ ràng

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Viện và Nhà trường về luận văn của tôi

Học viên

Nguyễn Đình Mãi

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trịnh Thành, người

đã dành nhiều thời gian để định hướng và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện Xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện tốt nhất để các học viên như tôi hoàn thành chương trình cao học Tôi cũng muốn nói lời cảm ơnđến cán bộ công nhân Nhà máy xử lý nước thải Kim Liên – Xí nghiệp xử

lý nước thải – Công ty thoát nước Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình tôi thực tập tại nhà máy

Tôi không quên gia đình, người thân và bạn bè cũng như công ty tôi làm việc đã động viên giúp đỡ để tôi có động lực học tập hoàn thành chương trình cao học

Tuy nhiên, luận văn này đã không đạt được mục tiêu mà thầy giáo hướng dẫn và bản thân người thực hiện đặt ra ban đầu là tự xây dựng các chương trình tính toán Để thực hiện được điều đó bản thân tôi phải nỗ lực bổi dưỡng thêm nhiều kiến thức và tiếp tục theo đuổi trong quá trình tiếp theo

Học viên

Nguyễn Đình Mãi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT

ASMs – Activated Sludgle Models (Mô hình bùn hoạt tính)

ASM1 – Activated Sludgle Model No.1 (Mô hình bùn hoạt tính số1)

ASM2 – Activated Sludgle Model No.2 (Mô hình bùn hoạt tính số 2)

ASM2d – ActivatedSludgle Model No.2_deni (Mô hình bùn hoạt tính số 2

có khử nitơrát của PAO)

ASM3 – Activated Sludgle Model No.3 (Mô hình bùn hoạt tính số 3)

ASIM – Activeted Sludge SIMulation Programe (Chương trình mô phỏng

BOD – Biologycal Oxy Demand (Nhu cầu oxi sinh hóa)

COD – Chemical Oxy Demand (Nhu cầu oxi hóa hóa học)

DO – DissolvedOxy (Oxy hòa tan)

EBPR – Enhanced Biological Phosphorus Removal (Loại bỏ phốtpho sinh

học)

M[M(BOD)]-1 – Mass[Mass(BOD)]-1 (Khối lượng trên khối lượng BOD) MLR – Mixed Liquid Return (Tuần hoàn hỗn hợp lỏng)

L2T-1 – Lengh2Time-1 (Bình phương độ dài trên thời gian)

OTRC – Oxygen Transfer Rate – Clean (Vận tốc vận chuyển oxy trong

nước sạch)

OTRAS – Oxygen Transfer Rate – Activated Sludge (Vận tốc vận chuyển

oxy trong bể bùn hoạt tính)

PAOs – Phosphoruse Accumulating Oganic (Tích lũy phốtpho hữu cơ)

PE - Parameters are Estimated (Thông số tính toán)

PHA – Poly Hydroxy Alkanoates

PP – Poly Phosphate

IAWPRC – International Association on Water Polllultion Research and

Control (Hiệp hội nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước quốc tế)

RAS – Return Activated Sludge (Tuần hoàn bùn hoạt tính)

SRT – Solid Retention Time (Thời gian lưu chất rắn/Tuổi của bùn)

VSS – Volatile Subpended Solid (Chất rắn bay hơi)

UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket(Chảy ngược qua lớp bùn yếm

khí)

XLNT – Xử lý nước thải

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các thành phần của mô hình ADM1 28 

Bảng 2 2 Ma trận hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj cho các hợp chất hữu cơ dạng hạt, cation và anion của mô hình ADM1 (Batstone et al, 2002; Rosen và Jeppsson, 2005) .30 

Bảng 2 3 Ma trận hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj cho các hợp chất hữu cơ dạng hạt, cation và anion của mô hình ADM1 (Batstone et al, 2002; Rosen và Jeppsson, 2005) 31 

Bảng 2 4 Hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj các thành phần trong phản ứng axit-bazơ của mô hình ADM1 (Rosen và Jeppson, 2005) .33 

Bảng 2 5 Ma trận tỷ lượng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d 43 

Bảng 2 6 Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lượng của ASM2d .46 

Bảng 2 7 Biểu thức động học của ASM2d, ∀ rj ≥ 0 47 

Bảng 3 1 Các thông số động học ở mô hình ASM2d được hiệu chỉnh phù hợp ở nhiệt độ 17OC và 29 OC để phù hợp với trường hợp mô phỏng 58 

Bảng 3 2 Thông tin sơ bộ về nhà máy xử lý nước thải Kim Liên 60 

Bảng 3 3 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào tại bể lắng sơ cấp 61 

Bảng 3 4 Kết quả đo nồng độ oxi hòa tan trong các bể 62 

Bảng 3 5 Kết quả đo lưu lượng các dòng chính trong nhà máy 62 

Bảng 3 6 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đánh giá sinh khối 62 

Bảng 3 7 Kết quả phân tích nước sau xử lý tại bể lắng thứ cấp 63 

Bảng 3 8 Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mô hình 63 

Bảng 4 1 Kết quả mô phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 17oC 65 

Bảng 4 2 So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng một số thông số đầu ra của 67 

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 1 So sánh mô hình ASM 1 và ASM3 [15-tr.37] 17 

Hình 1 2 Dòng vật chất cho tích lũy và phát triển của PAOs trong mô hình ASM2 [1-tr.768] 18 

Hình 1 3 Mô tả vai trò của PAOs trong hệ thống AAO thông qua mô hình ASM2d [15-tr.39] 19 

Hình 1 4 Sơ đồ mô tả sự phát triển của các mô hình động học phức tạp của hệ thống bùn hoạt tính [15] .19 

Hình 1 5 Định nghĩa về hệ thống [21] 20 

Hình 1 6 Sơ lược về quá trình tìm kiếm mô hình (mô hình hóa) [21] 21 

Hình 1 7 Vòng lặp điều khiển dòng hồi lưu nội bộ để duy trì nồng độ nitrat ở mức thấp [10] 25 

Hình 1 8 Vòng lặp điều khiển nồng độ amôni thông qua điểm đặt DO [10] 26 

Hình 1 9 Vòng lặp điều khiển nồng độ sinh khối [10] 26 

Hình 1 10 Vòng lặp điều khiển dòng cacbon bên ngoài để kiểm soát nồng độ nitrat [4] .26 

Hình 2 1 Quá trình biến đổi sinh học theo mô hình ADM1 [7] 27 

Hình 2 2 Mô tả cách đặc tính hóa nước thải dòng vào cho mô hình ADM1[23] 38 

Hình 2 3 Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí vào pha lỏng 49 

Hình 2 4 Sơ đồ cấu trúc dòng khuấy trộn hoàn toàn cho thống bùn hoạt tính 50 

Hình 2 5 Đặc tính của các thành phần hữu cơ trong nhà máy xử lý nước thải đô thị ở Đan Mạch [15] 52 

Hình 2 6 Các thành phần COD trong nước thải và các kỹ thuật phân tích để đo đạc các phần trong CODtổng 53 

Hình 2 7 Các thành phần của Nitơ trong nước thải 55 

Hình 2 8 Các thành phần của phốt pho trong nước thải 55 

Hình 4 1 Cấu hình của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên 65 

Hình 4 2 Đồ thị so sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng ở trạng thái ổn định của nhà máy cho các thông số NH4, NO3 và thành phần hữu cơ hòa tan không phân hủy sinh học SI

67 

Hình 4 3 Hàm lượng amôni trong các phản ứng và so sánh giá trị đo tại bể lắng thứ cấp 68 

Hình 4 4 Diễn biến hàm lượng nirtrat trong các phản ứng và kết quả đo tại bể lắng thứ cấp 68 

Hình 4 5 Diễn biến hàm lượng phốt pho trong các phản ứng và so sánh kết quả đo tại bể lắng thứ cấp 69 

Hình 4 6 Hàm lượng TSS trong các phản ứng 69 

Hình 4 7 Diễn biến PO43- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l 71 

Hình 4 8 Diễn biến PO43- - khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l 71 

Hình 4 9 Diễn biến NH4+ khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l 71 

Hình 4 10 Diễn biến NH4+ khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l 71 

Hình 4 11 Diễn biến NO3- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l 71 

Hình 4 12 Diễn biến NO3- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l 71 

Hình 4 13 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng thiếu khí 0,2mg/l 73 

Hình 4 14 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng thiếu khí 0,1mg/l 73 

Hình 4 15 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 0,2mg/l 73 

Hình 4 16 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 0,1mg/l 73 

Hình 4 18 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng hiếu khí 2,5mg/l 74 

Hình 4 19 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng hiếu khí 2,0mg/l 74 

Hình 4 20 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 2,5mg/l 74 

Hình 4 21 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng hiếu khí 2,0mg/l 74 

Hình 4 22 Diễn biến TSS khi lưu lượng dòng vào tăng 25% trong 5 ngày liên tục 75  Hình 4 23Diễn biến TSS khi lưu lượng dòng vào trở lại ổn định kể từ ngày thứ 6.75  Hình 4 24 Diễn biến NH4 tkhi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40% trong vòng 1 ngày76  Hình 4 25 Diễn biến NH4 trong phản ứng khi tải lượng NH4 đầu vào trở về ổn định76  Hình 4 26 Diễn biến NO3 khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40% trong vòng 1 ngày76  Hình 4 27 Diễn biến NO3 khi tải lượng NH4 đầu vào trở về trạng thái ổn định 76 

Hình 4 28 Diễn biến của sinh khối tự dưỡng khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40%76 

Hình 4 29 Diễn biến SF khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% 77 

Hình 4 30 Diễn biến NH4 khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% 77 

Hình 4 31 Diễn biến XH khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% 77 

Hình 4 32 Diễn biến XAUT khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% 77 

Hình 4 33 Diễn biến của NH4 khi ngừng cấp khí vào hệ thống 79 

Hình 4 34 Diễn biến của SA khi ngừng cấp khí vào hệ thống 79 

Hình 4 35 KLa khi điều khiển duy trì DO ở mức 2mg/l 80 

Hình 4 36 Kla khi điều khiển cấp khí gián đoạn 80 

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i 

LỜI CẢM ƠN i 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT ii 

DANH MỤC BẢNG iii 

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ iv 

MỤC LỤC vii 

MỞ ĐẦU 11 

Chương 1_TỔNG QUAN 14 

1.1.Sơ lược quá trình phát triển của mô hình phân hủy yếm khí 14 

1.2.Sơ lược sự phát triển của mô hình bùn hoạt tính 14 

1.2.1.Giai đoạn đầu tiên 14 

1.2.2.Giai đoạn thứ hai 15 

1.2.3.Giai đoạn thứ ba 16 

1.3.Các định nghĩa cơ bản về mô hình hóa toán học và tính toán mô phỏng 20 

1.3.1.Hệ thống và trạng thái 20 

1.3.2.Thực nghiệm 20 

1.3.3.Mô hình và mô hình hóa 21 

1.3.4.Mô phỏng 21 

1.3.5.Ưu, nhược điểm của mô hình toán học và tính toán mô phỏng 22 

1.4.Điều khiển trong các nhà máy xử lý nước thải 23 

1.4.1.Vấn đề chung 23 

1.4.2.Một số trường hợp điều khiển tự động điển hình trong nhà máy xử lý nước thải25  Chương 2_LỰA CHỌN MÔ HÌNH 27 

2.1 Lựa chọn mô hình cho hệ thống phân hủy yếm khí và đặc tính nước thải đầu vào .27 

2.1.1Lựa chọn mô hình 27 

2.1.1.1 Chọn mô hình động học 27 

2.1.1.2 Mô hình cấu trúc dòng 36 

2.1.2 Đặc tính hóa nước thải dòng vào cho mô hình ADM1 38 

2.2 Lựa chọn mô hình cho hệ thống bùn hoạt tính và đặc tính hóa nước thải dòng vào

39 

2.2.1 Lựa chọn mô hình 39 

2.2.1.1 Mô hình động học 39 

2.2.1.2 Mô hình cấu trúc dòng 49 

2.2.2 Đặc tính hóa nước thải dòng vào 52 

Chương 3_ CHUẨN BỊ DỮ LIỆU VÀ CHỌN MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG 57 

3.1.Chọn môi trường và các mục tiêu mô phỏng 57 

3.1.1 Môi trường mô phỏng 57 

3.1.2.Các thông số động học của mô hình 57 

3.2 Chuẩn bị dữ liệu 60 

3.2.1 Chọn nhà máy trên thực tế 60 

3.2.2 Thu thập và xử lý số liệu 60 

3.2.3.Đặc tính hóa nước thải dòng vào 63 

3.3 Các mục tiêu mô phỏng 64 

Chương 4_KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 65 

4.1 Mô phỏng tương đồng nhà máy thực để đánh giá mô hình 65 

4.1.1 Cấu hình nhà máy xử lý nước thải Kim Liên 65 

4.4.2 Kết quả mô phỏng cho trường hợp ổn định ở 17oC 65 

4.1.3 Kết quả mô phỏng động học cho ở 17oC và so sánh giá trị đo sau xử lý 68 

4.1.4Đánh giá kết quả mô phỏng và hiệu suất xử lý của nhà máy 70 

4.2 Mô phỏng động với các trường hợp hiệu chỉnh DO khác với thực tế để tăng hiệu suất xử lý 70 

4.2.1 Mô phỏng với trường hợp duy trì DO thấp trong bể yếm khí để nâng cao hiệu quả khử phốt pho sinh học 70 

4.2.2Mô phỏng động học diễn biến của Nitrat và Amôni trong trường hợp duy trì nồng độ oxi hòa tan trong trong vùng thiếu khí 0,1mg/l 72 

4.2.3Mô tả động học diễn biến của Nitrat và Amôni trong trường hợp duy trì nồng độ oxi hòa tan trong trong vùng sục khí 2,0mg/L 73 

4.3 Mô phỏng động học trong một số tình huống nguy hiểm có thể xảy ra trên thực tế

74 

4.3.1 Mô phỏng động học khi lưu lượng dòng vào tăng lên 25% 74 

4.3.2 Mô phỏng trong điều kiện chạy hằng ngày với tải lượng COD ổn định nhưng tải lượng amôni (NH4) tăng 40% 75 

4.3.3 Mô phỏng với điều kiện chạy hằng ngày nhưng tải lượng COD tăng 40% 77 

4.5 Điều khiển các quá trình trong nhà máy 77 

4.5.1 Điều khiển quá trình cấp khí 78 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 

PHỤ LỤC 85 

Phụ lục A_CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ASM2d 85 

Phụ lục B_CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ADM1 86 

Phụ lục C_MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ NHÀ MÁY XLNT KIM LIÊN 88 

Phụ lục D_MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM ASIM 4 89 

MỞ ĐẦU

Ngày nay các mô hình trở thành một phần không thể thiếu trong việc thiết kế

và vận hành các nhà máy xử lý nước thải có quy mô lớn trên thế giới Ở Việt Nam, việc tiếp cận các mô hình toán học để tự động hóa và điều khiển quá trình vẫn còn nhiều hạn chế vì nhiều lý do khác nhau Tuy nhiên, với xu thế phát triển bắt buộc các kỹ sư công nghệ phải sử dụng các mô hình tiên tiến nhằm giảm chi phí trong thiết kế, vận hành, tối ưu hóa quá trình để đạt hiệu quả cao nhất đồng thời góp phần loại bỏ các rủi ro cho các nhà máy xử lý nước thải

Trên thế giới có các tổ chức, công ty nghiên cứu chuyên sâu và triển khai ứng dụng mô hình một cách rộng rãi, mang lại hiệu quả cao trong lĩnh vực xử lý nước thảinhư Viện khoa học và kỹ thuật nước Thụy Sĩ (Eawag) với phần mềm ASIM, Công ty Envirosim - Canada với phần mềm BioWin và PetWin; Công

ty Hydromantis - Canada có phần mềm GPS-X, Viện tự động hóa và truyền thông Magdeburg - Đức (IFAK) có phần mềm SIMBA, Công ty WRc plc - Anh cóSTOAT, hay như Công ty MOST for Water-Vương quốc Bỉ với WEST Hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho thiết kế, vận hành, tối ưu hóa và tự động hóa nhà máy xử lý nước thải nói trên đều dựa trên cơ sở mô hình động học của quá trình bùn hoạt tính - ASMs và mô hình phân hủy yếm khí số 1 – ADM1 được các nhà khoa học thuộc hiệp hội nước Quốc tế dành nhiều công sức để nghiên cứu phát triển trong một thời gian dài, được giới khoa học thừa nhận rộng rãi và sử dụng nhiều nhất

Trong khuôn khổ nội dung luận văn này người thực hiện giới hạn xung quanh việc tìm hiểu sâu về mô hình động học ASM và ADM, tìm hiểu các bước để xây dựng mô hình tính toán dựa trên phương thức ghép nối các mô hình động học,

mô hình cấu trúc dòng, cuối cùng ứng dụng một mô hình được xây dựng sẵn để tính toán mô phỏng cho một nhà máy xử lý nước thải cụ thể Đây là một công việc nhỏ nhưng kết quả của nó sẽ làm tiền đề cho việc nghiên cứu ở mức độ sâu hơn hay mở rộng xây dựng một chương trình tính toán lớn về sau Đồng thời góp

phần nhân rộng xu thế mô hình hóa, hiệu chỉnh các thông số của mô hình cho phù hợp với điều kiện xử lý nước thải ở Việt Nam

Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương

Muốn có được các mô hình toán cuối cùng để có thể giải được bằng phương pháp toán, người thực hiện phải lựa chọn các mô hình con khác nhau (bao gồm

mô hình động học và mô hình cấu trúc dòng) để ghép nối lại thành các hệ phương trình cuối cùng

Một phần quan trọng nữa đối với công việc mô hình hóa và mô phỏng là xác định được giá trị của cấu tử (cấu tử mô hình) bằng việc đo đạc và tính toán thông qua các phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi thường được gọi

là đặc tính hóa nước thải dòng vào

Chương 3:Chuẩn bị dữ liệu và lựa chọn môi trường mô phỏng

Chuẩn bị dữ liệu phù hợp với mô hình ASM2d và lựa chọn môi trường mô phỏng đã được xây dựng sẵn

Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận

Chương quan trọng nhất của luận văn Nội dung chính của chương này là sử dụng một chương trình mô phỏng đã được xây dựng sẵn – phần mềm ASIM 4 để

mô phỏng vận hành cho nhà máy xử lý nước thải Kim Liên đặt tại phương Kim Liên- quận Đống Đa – Hà Nội có công suất 3700m3/ngàyđêm

Khi áp dụng các thông số vận hành của hệ thống trên thực tế vào mô hình cho kết quả tương đồng nhau, kết luận mô hình động học ASM2d là thích hợp để

mô phỏng cho công nghệ AAO

Mô phỏng cho các tình huống có thể xảy ra trên thực tế của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên nhằm đánh giá diễn biến của hệ thống để kịp thời điều chỉnh nhằm đưa hệ thống về trạng thái ổn định Áp dụng một số chu trình điều khiển điển hình cho nhà máy

Chương 1_TỔNG QUAN

1.1 Sơ lược quá trình phát triển của mô hình phân hủy yếm khí

Phân hủy yếm khí là quá trình phù hợp và có nhiều lợi ích nhất được áp dụng để xử

lý các loại nước thải khác nhau có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ dễ phân hủy

sinh học bởi vì nó kết hợp được việc sản sinh năng lượng đồng thời làm giảm ô nhiễm

trong các dòng thải có hàm lượng các chất hữu cơ cao

Với mục đích hỗ trợcho thiết kế các nhà máy công nghiệp, để mô phỏng tính toán

tải lượng và tính chất của các dạng ô nhiễm hữu cơ khác nhau đồng thời trợ giúp cho

việc quản lý hoạt động các nhà máy, một vài mô hình động học cộng với mô hình tĩnh

liên quan đến quá trình phân hủy yếm khí được phát triển trong vòng 30 năm cuối thể

kỷ XX

Các mô hình đầu tiên rất đơn giản và bao gồm số ít các công thức như mô hình của

Andrews và Graefm 1971; Hill, 1982,vv Sau đó nhiều mô hình tinh vi hơn được phát

triển để đạt được mức độ có thể đáp ứng các khía cạnh phức tạp của quá trình phân hủy

yếm khí như mô hình thuộc nhóm của Costllo, 1991a,b; Siegrist và cộng sự, 1993,

2002; Angelidaki, 1993, 1997, 1999; Batstone, 2000 Trong những năm tiếp theo sau

đó, nhờ sự nghiên cứu chuyên sâu, sự hợp tác giữa nhiều tổ chức ở nhiều quốc gia

khác nhau thì việc phân tích quá trình yếm khí, mô hình hóa- mô phỏng đã thành công

và đang phát triển nhiều mô hình động học tinh vi được biết đến như mô hình phân hủy

yếm khí số 1 (ADM1), mô hình này mô tả gần như hoàn chỉnh cơ chất bằng các thành

phần hữu cơ và vô cơ

Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã cài đặt mô hình động học mạnh

mẽ này để mô phỏng thành công quá trình xử lý các chất thải hữu cơ khác nhau như:

Xử lý bùn thải trong nhà máy xử lý nước thải đô thị (Blumensaat và Keller, 2005;

Parker, 2005), xử lý bột giấy thải(Stamatelatou et al., 2006)…

1.2.1 Giai đoạn đầu tiên

Giai đoạn này kéo dài đến đầu những năm 1950, có thể gọi là giai đoạn “thiết kế

thực nghiệm, làm thử và phỏng đoán” Các phương pháp thiết kế hệ thống bùn hoạt

tính trong giai đoạn này rất đơn giản, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Các thông số được

quan tâm đề xuất nhiều trong giai đoạn này là thời gian cần thiết để làm sạch nước thải

sinh hoạt trong vòng 3-4 giờ còn đối với nước thải công nghiệp 6-8 giờ.O’Connor

(1954) cho rằng “hiệu suất của quá trình bùn hoạt tính trong xử lý các chất hữu cơ là

một hàm của thời gian sục khí, nồng độ bùn và tải lượng BOD” Báo cáo của Garrett và

Sawyer (1952) cho rằng tải lượng BOD của hệ thống bùn hoạt tính trong khoảng từ

0,25 đến 0,5 kg BOD/(kg SS*ngày).Cũng trong thời điểm này có nhiều công bố cho

rằng, thời gian sục khí biến đổi từ 1-8 giờ và nồng độ hỗn hợp bùn hoạt tính (MLSS)

dao động từ 1000-4000 mg/L [15]

Các nhà khoa học trong giai đoạn này cũng đưa ra các định nghĩa khác nhau về tuổi

của bùn

Eckenfelder và Porfes (1957) đưa ra một số công thức thực nghiệm đơn giản để

đánh giá lượng bùn thừa và nhu cầu oxi cần thiết

Lượng bùn thừa có thể đánh giá được theo công thức cân bằng vật liệu:

Bùn sinh học thừa = a.Lr – b.S + C (1.1)Trong đó:

a – phần BOD được sử dụng cho tổng hợp sinh khối, M[M(BOD)]-1 (a=0,50-0,75)

Lr– tổng BOD được loại bỏ (giả thuyết không tích lũy), M(BOD)L-3

b – vận tốc hô hấp nội bào (ngày-1)

S – nồng độ bùn, ML-3

C – nồng độ các chất rắn không phân hủy sinh học

Cuối cùng, nhu cầu oxi được tính dựa trên lượng chất hữu cơ được loại bỏ và nồng

động bùn hoạt tính trong bể:

Nhu cầu oxi = (1-a).Lr +b.S (1.2)

1.2.2 Giai đoạn thứ hai

Giai đoạn thứ hai trong quá trình phát triển của mô hình bùn hoạt tính là áp dụng

các dạng động học phản ứng hóa học tương tự cho sự phát triển của vi sinh vật và sử

dụng cơ chất hữu cơ dưới điều kiện hiếu khí [15]

Nhìn chung ở thời điểm này chấp nhận nguyên tắc động học cho sự phát triển của vi

sinh vật được đề xuất đầu tiên bởi Penfod và Norris (1912), người đã nghiên cứu trên

chủng vi sinh vật Eberthellatyphosa như là một chức năng của peptone (có và không

có glucose) Dựa trên các kết quả thực nghiệm của mình, ông đã đưa ra mối quan hệ

giữa hằng số vận tốc phát triển riêng của vi sinh vật (µ)với nồng độ cơ chất (S)

Đến Monod (1942) , đã nghiên cứu mối quan hệ giữa vận tốc phát triển với nồng độ

cơ chất của chủng vi khuẩn Escherichia coli và Bacillus subtilis Monod đã chứng minh

mối quan hệ đơn giản giữa µ và S là quan hệ tỷ lệ thuận khi nồng độ cơ chất thấp

nhưng đạt đến giới hạn giá trị bão hòa (µmax) khi nồng độ cơ chất cao qua công thức:

(1.3)Đồng thời Monod cũng đưa ra mối quan hệ giữa sự phát và sử dụng cơ chất

(1.4)Trong đó:

Y – hệ số hiệu suất

Các công thức Monod là những công thức cơ bản được chấp nhận rộng rãi trong các

mô hình bùn hoạt tính

Ba thập tiếp theo kể từ nghiên cứu của Monod có rất nhiều biểu thức toán khác nhau

được đưa ra để bổ sung cho phương trình của ông

1.2.3 Giai đoạn thứ ba

Ở giai đoạn thứ 3 của quá trình phát triển các mô hình bùn hoạt tính có thể xem là

áp dụng các nguyên tắc của kỹ thuật phản ứng kết hợp với ma trận lớn các biểu thức

động học và hệ số tỷ lượng Giai đoạn này ra đời một lượng lớn các mô hình phức tạp

là kết quả từ khả năng xác định đầy đủ tính chất của nước thải đầu vào (ví dụ: các chất

hữu cơ, thành phần nitơ, phốt pho) và thành phần của sinh khối (ví dụ: vi sinh vật dị

dưỡng, vi sinh vật khử nitơ, Vi sinh vật tích lũy phốt pho hữu cơ - PAOs) cùng với hệ

số tỷ lượng, phương trình động học các phản ứng [15-tr32]

Trong giai đoạn này sự gia tăng mở rộng các hệ phương trình toán học theo không

gian và thời gian rất lớn nên không thể tính toán bằng tay mà phải xây dựng các mô

hình toán mô phỏng và cài đặt để giải trên máy tính điện tử thông qua các ngôn ngữ lập

trình

Những tiến bộ đáng chú ý trong những năm 1917-1980 liên quan đến mô hình động

học đạt được trong một thời gian rất ngắn xoay quanh các vấn đề oxi hóa cacbon, nitrat

hóa và khử nitrat, một số cơ chế khác thì bổ sung thêm động học của oxi hòa tan (DO),

nồng độ bùn và loại bỏphốt pho sinh học

Các lợi ích đạt được nhờ áp dụng phổ biến mô hình bùn hoạt tính được khuyến cáo

bởi hiệp hội nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước quốc tế (IAWPRC/IAWA/IWA)

Năm 1983, IAWPRC thành lập nhóm phát triển mô hình toán ứng dụng cho thiết kế và

vận hành các nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học

Năm 1986, IAWPRC công bố mô hình bùn hoạt tính số 1- ASM1 Mở rộng sử dụng

ASM1 trong nghiên cứu và trên thực tế các nhà khoa học đã phát hiện một số thiếu sót

của mô hình Để chỉnh sửa ASM1, năm 1999 IAWPRC công bố mô hình ASM3 Hai

mô hình này đều mô tả quá trình sinh học giống nhau và có các thành phần tương tự

nhưng cũng tồn tại sự khác nhau ở một số điểm (Hình 1.1) Điểm khác nhau cơ bản

nhất là việc sử dụng trực tiếp cơ chất bên ngoài của vi sinh vật dị dưỡng theo mô tả

trong ASM1 không lặp lại trong ASM3 Trong mô hình sau cơ chất dễ phân hủy sinh

học (Ss) trước tiên được các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng và tích lũy bên trong dưới

dạng thành phần tế bào (SXTO)

Hình 1 1 So sánh mô hình ASM 1 và ASM3 [15-tr.37]

Một số tính năng quan trọng khác của ASM3 khác với ASM1 có thể được tóm tắt:

- Quá trình thủy phân phụ không thuộc vào chất cho electron và xảy ra với vận tốc

như nhau dưới điều kiện hiếu khí và thiếu khí;

- Tổn thất sinh khối tự dưỡng và dị dưỡng bị giảm dưới điều kiện thiếu khí;

- Hai thành phần của chất rắn không phân hủy sinh học phụ thuộc vào nguồn gốc

của nó, ví dụ: dòng vào, sinh khối chết;

- Amôn hóa và thủy phân các chất dễ phân hủy sinh học, nitơ dạng hạt được bỏ qua;

- Dung dịch COD giả thiết chỉ là cơ chất dễ phân hủy sinh học và hòa tan, không có

thành phần không phân hủy sinh học

Qua nhiều nghiên cứu Koch và cộng sự (2000b) kết luận rằng ASM1 và ASM3 đều

cho những kết quả tương tự nhau khi mô phỏng động học cho các nhà máy xử lý nước

thải đô thị, tuy nhiên ASM3 ứng dụng tốt hơn cho các nhà máy có thể tích vùng không

sục khí lớn hoặc trong tình huống tích trữ cơ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trở

thành quá trình chiếm ưu thế (ví dụ các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có hàm

lượng COD dễ phân hủy sinh học cao)

Tuy nhiên hạn chế của ASM1 và ASM3 là đều không tích hợp quá trình xử lý nâng

cao khửphốt pho sinh học Tám năm sau khi công bố mô hình ASM1, nhóm của IAWQ

đưa ra phiên bản tiếp theo của gọi là ASM2 bao gồm quá trình xử lý phốt pho, phiên

bản tiếp theo của ASM2 lấy tên là ASM2d

Hình 1 2 Dòng vật chất cho tích lũy và phát triển của PAOs trong mô hình ASM2

[1-tr.768]

Hình 1.2 mô tả dòng vật chất của quá trình khử phốt pho sinh học Trong vùng yếm

khí phốt pho sẽ được phân giải từ các sản phẩm lên men (SA) và poly-phốt phát, đồng

thời sản phẩm tích lũy nội bào trong giai đoạn này là PHA Đến vùng hiếu khí các vi

sinh vật sử dụng sản phẩn tích lũy nội bào ở giai đoạn trước đồng thời hấp thụ oxi và

PO4 để phát triển tế bào PO4

3-Đến mô hình ASM2d, các PAO tham gia vào quá trình khử nitrat trong vùng thiếu

khí được bổ sung (Hình 1.3)

Hình 1 3 Mô tả vai trò của PAOs trong hệ thống AAO thông qua mô hình ASM2d

[15-tr.39]

Trong giai đoạn này có rất nhiều mô hình động học được phát triển độc lập hoặc

dựa trên các mô hình của IAWQ như hình 1.4 Tuy nhiên, loạt các mô hình bùn hoạt

tính của IWA (ASM1, ASM2, ASM2d,ASM3) được giới các nhà khoa học thừa nhận

và ứng dụng rộng rãi nhất

Hình 1 4 Sơ đồ mô tả sự phát triển của các mô hình động học phức tạp của hệ thống

bùn hoạt tính [15]

Trên cơ sở khái quát các mô hình như trên ta có thể thấy việc vận dụng hợp lý mô

hình bùn hoạt tính cho từng trường hợp cụ thểtrên thực tế là hết sức quan trọng và đòi

hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bản chất và cơ chế động học của từng mô hình

1.3 Các định nghĩa cơ bản về mô hình hóa toán học và tính toán mô phỏng

1.3.1 Hệ thống và trạng thái

Có nhiều cách định nghĩa về hệ thống nhưng định nghĩa đơn giản, tổng quát và dễ

hiểu nhất là xem hệ thống như một chiếc hộp có biến vào và biến ra [21,26]

Hình 1 5 Định nghĩa về hệ thống [21]

Quan hệ giữa biến ra y và biến vào x có dạng f(x,y) = 0

Hệ thống có thể là:

+ Hộp đen: khi không biết tý gì về bản chất của hệ;

+ Hộp trắng: biết hoàn toàn bản chất của hệ;

+ Hộp xám: chỉ biết một phần bản chất của hệ

Trạng thái của hệ ở thời điểm t là tập hợp tất cả [x(t), y(t)], trạng thái luôn gắn liền

với hệ thống, khi t thay đổi thì trạng thái cũng thay đổi

Khi nghiên cứu trạng thái là đề cập đến:

+ Giá trị trung bình, giá trị lớn nhất, nhỏ nhất;

+ Trạng thái nguy hiểm;

+ Và phải luôn tính toán được trạng thái ở thời điểm bất kỳ

1.3.2 Thực nghiệm

Thực nghiệm là quá trình làm rõ (giải thích) dữ liệu từ một hệ thống thông qua việc

áp dụng điều kiện bên ngoài đến đầu vào của hệ thống, quan sát các phản ứng của hệ

thống và ghi lại trạng thái của biến đầu ra Thông qua thực nghiệm để hiểu biết hơn hệ

thống một cách tổng thể Ban đầu, những hiểu biết có thể là ở phi cấu trúc Tuy nhiên,

thông qua việc hiểu các quan hệ nhân quả và quan sát theo thời gian không gian, những

kiến thức thu thập được trong thực nghiệm trở nên có tổ chức

Trường hợp cơ bản nhất, một khung thực nghiệm bao gồm các điều kiện theo trạng

thái hệ thống, hai bộ biến đầu vào và đầu ra, thông qua đó hệ thống tương tác với môi

trường xung quanh Đầu vào và đầu ra có thể bao gồm các biến như: nguồn nguyên

liệu, năng lượng, thông tin Đầu vào được tạo ra bởi môi trường sẽ ảnh hưởng đến

trạng thái của hệ thống

1.3.3 Mô hình và mô hình hóa

Mô hình có nhiều dạng khác nhau như mô hình vật lý, mô hình nghệ thuật, mô hình

ngẫu nhiên và mô hình tất định…nhưng trong trường hợp này chỉ nói đến mô hình toán

học của một hệ thống đã xác định

Mô hình toán học có thể biểu diễn: φ(x, u, p,y) = 0[21,26]

Trong đó: x-vectơ biến vào, u-vectơ biến điều khiển, p-vetơ thông số, y-vectơ biến

Thực nghiệm

sơ bộ

Đề xuất dạng công thức mô hình

Kiểm tra

Xác định các thông

số (p) của mô hình

Kiểm tra sự tương hợp

Mô hình Đúng Đúng

Hình 1 6 Sơ lược về quá trình tìm kiếm mô hình (mô hình hóa) [21]

Hình 1.6 mô tả quy trình tìm kiếm mô hình, qua đó ta có thể thấy đây là quá trình

lâu dài và tốn nhiều thời gian và đòi hỏi người làm phải tập trung cao độ

1.3.4 Mô phỏng

Là công việc giải tìm y = f(x) ở dạng số khi đã biết x

Khi đã có mô hình, chỉ cần giải bài toán theo đúng nghĩa bài toán thuần túy toán

học Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc vào:

+ Độ chính xác của mô hình;

+ Độ chính xác của phương pháp giải về toán

+ Độ chính xác của dữ liệu vào;

+ Độ nhạy của mô hình

1.3.5 Ưu, nhược điểm của mô hình toán học và tính toán mô phỏng

• Sự phát triển của mô hình toán và về sau là tính toán mô phỏng dẫn đến mô hình

hóa có nhiều ưu điểm so với thực nghiệm trên hệ thống thực [15]

- Thực nghiệm không thể tiến hành được nếu hệ thống không tồn tại (do đó việc

thử nghiệm một ý tưởng mới là không thể);

- Mô hình hóa giúp thử nghiệm, mô phỏng một bộ phận trong giai đoạn lắp đặt,

nhờ đó có thể thấy được những khe hở không lường trước trong quá trình thiết kế;

- Phát hiện những vấn đề hoặc những lỗi không lường trước, những điều này có

thể tồn tại trong thiết kế của hệ thống hoặc khi hoạt động;

- Tăng sự hiểu biết đối với hệ thống;

- Mô hình có khả năng phân tích nhanh hơn rất nhiều so với thực nghiệm trên hệ

thống thực (điều này quan trọng đối với hệ thống xử lý nước thải vì thực nghiệm của

quá trình sinh học và vật lý diễn ra rất chậm có thể cần đến hàng tuần thậm chí hàng

tháng);

- Nâng cao khả năng sáng tạo

• Tuy nhiên tính toán mô phỏng được coi là phương pháp phân tích mạnh, nhưng

vẫn tồn tại những giới hạn và nhược điểm

- Mô hình không phải rẻ tiền mà cũng không dễ dàng áp dụng đúng và hiệu quả

Hơn nữa cũng không dễ dàng tạo ra một sản phẩm nhanh để giải quyết các vấn đề đặt

ra Trong nhiều trường hợp, thu thập dữ liệu, phát triển mô hình và thực thi, phân tích

và báo cáo nhìn chung sẽ tốn kém và cần một khoảng thời gian dài;

- Kết quả mô phỏng phụ thuộc rất lớn vào mô hình mà nó dựa trên Khi một mô

hình đã được mã hóa thì rất khó để xác định rằng nó đã hoàn chỉnh hay chưa, khi đó rất

dễ tạo ra một mô hình không phù hợp với mục đích trình diễn hệ thống thực Một hạn

chế khác là độ chính xác và tính tương đối của dữ liệu sẵn có để mô tả tính chất/ trạng

thái của hệ thống Sự thiếu chính xác và mô hình không hoàn chỉnh và/hoặc dữ liệu

nghèo nàn có thể tạo ra một kết quả mô phỏng với phần lớn vô nghĩa, thiếu chính xác

thậm chí hoàn toàn sai lệch;

- Do mô hình được tạo ra theo lý thuyết đồng dạng vì nó được làm trước khí có hệ

thống thực, qua đó thấy được rằng hiệu suất mô phỏng cũng rất tương đối;

- Trong trường hợp xử lý nước thải, tính toán mô phỏng là công việc “sạch sẽ”

hơn nhiều so với thực nghiệm Yếu tố này rất nguy hiểm vì có thể dẫn đến bỏ qua tính

xác thực của mô hình mô phỏng Do đó cần kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng và

cải tiến mô hình liên tục

1.4 Điều khiển trong các nhà máy xử lý nước thải

1.4.1 Vấn đề chung

Mức độ cho phép về nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải sau xử lý ngày càng trở

nên nghiêm ngặt Đồng thời, với tải trọng ô nhiễm tăng, tải lượng của các nhà máy

XLNT cũng sẽ tăng lên do sự phát triển của các khu đô thị Tình hình này đòi hỏi các

công nghệ xử lý nước thải phải hiệu quả hơn Một trong những cách nâng cao hiệu quả

xử lý là xây dựng những bể xử lý mới và rộng hơn, tuy nhiên, rất đắt đỏ và thường

không thực hiện được vì không có đủ diện tích đất cần thiết Một cách khác là đưa ra

các hệ điều khiển và vận hành nhiều hơn nữa Nhờ đó có thể giảm được dung tích bể

xử lý, cải thiện được chất lượng nước đầu ra, giảm lượng hóa chất tiêu thụ, tiết kiệm

được năng lượng và chi phí vận hành

Các giải pháp lâu dài về XLNT cần có sự phát triển đầy đủ về hệ thống thông tin

điều khiển và giám sát quá trình Hiện nay, có nhiều nhà máy XLNT đang sử dụng các

công nghệ điều khiển rất đơn giản hoặc không hề có tự động hóa Công nghệ điều

khiển hiện tại đang sử dụng bao gồm điều khiển PLC (Programable Logic Control) đơn

giản, điều khiển thời gian, điều khiển bằng tay, qui luật ngón tay cái hoặc điều khiển tỷ

lệ đơn giản Các mô hình tiên tiến trong các nhà máy XLNT ví dụ như mô hình ASM1

của Hiệp hội IAWQ đã triển khai nhiều năm qua nhưng vẫn không hề được sử dụng để

triển khai thiết kế điều khiển trong thực tế [4-tr.11] Thiết kế bộ điều khiển nhạy trên

cơ sở ASM là rất khó, tuy nhiên dựa trên mô hình này có thể đánh giá các chiến lược

điều khiển khác nhau rất hữu hiệu

Điều khiển hiện đại không được sử dụng rộng rãi bởi một số lý do khác nhau.Tuy

nhiên, mối quan tâm áp dụng điều khiển tinh vi hơn đang phát triển Đó hầu hết là do

yếu tố kinh tế:

- Các giải pháp kinh tế hiệu quả đang ngày càng trở nên quan trọng Tải trọng

dòng vào của các nhà máy hiện có tăng, điều khiển và tối ưu hóa có thể kiểm

soát được sự tăng tải trọng trong cùng một thể tích

- Yêu cầu nghiêm ngặt về nước thải sau xử lý

- Phí và thuế liên quan đến chất lượng nước đầu ra ngày càng đắt

- Nhận thức của cộng đồng về các vấn đề môi trường ngày càng tăng chủ yếu tập

trung vào các vấn đề bền vững và tiêu thụ năng lượng

- Các đầu đo và các cơ cấu chấp hành đã được cải tiến ngày càng nhiều

- Ngày càng có nhiều quá trình phức tạp khó điều khiển bằng tay được thay thế

- Áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại kết hợp với các đầu đo trực tiếp mới và

các bộ phận thích hợp của mô hình tiên tiến là tiềm năng lớn để cải thiện chất

lượng nước đầu ra, giảm sử dụng hóa chất, tiết kiệm năng lượng và chi phí [4]

Đối với một kỹ sư điều khiển thì chu trình bùn hoạt tính trong nhà máy XLNT là

một thách thức vì những nguyên nhân sau:

- Quá trình thay đổi theo thời gian

- Quá trình là phi tuyến và thay đổi theo thời gian

- Quá trình gồm các quá trình động học liên quan chặt chẽ

- Quá trình là đa biến

- Nhiều đầu đo không tin cậy

- Các nhiễu ảnh hưởng đến quá trình, đặc biệt là dòng vào và hàm lượng dòng

vào luôn tạo ra thay đổi lớn

Năm 1995, Nielsen và Onnerth đưa ra một hệ chuyên gia sử dụng đầu đo trực

tiếp để điều khiển và tối ưu hóa đặc tính của nhà máy Hai ông cũng đưa ra một

khái quát ngắn gọn về sự phát triển các đầu đo trực tiếp trong vòng 25 năm qua

Việc sử dụng các đầu đo này tăng nhanh chóng trong những năm qua Khuynh

hướng tăng nhanh sẽ còn tiếp tục do chúng có tiềm năng giảm chi phí lớn khi kết

hợp với điều khiển tự động.Theo thống kê tại các nhà máy xử lý nước thải ở Đan

Mạch đến năm 1994 gần như 100% các nhà máy sử dụng đầu đo DO, khoảng 40 %

sử dụng đầu đo MLSS, 20% sử dụng đầu đo N và P [4-tr.13] Nhưng xu hướng sử

dụng các đầu đo để lấy tín hiệu cho việc điều khiển đang tăng rất nhanh trong 1

thập kỷ gần đây

1.4.2 Một số trường hợp điều khiển tự động điển hình trong nhà máy xử lý

nước thải

• Đối với các nhà máy xử lý nước thải bằng quá trình phân hủy yếm khí (phổ biến

là thiết bị UASB)

Trong các nhà máy xử lý nước thải có nồng độ hữu cơ cao, xử lý bùn thải… có thu

khí sinh học thông thường tập trung vào một số trường hợp điều khiển như:

- Điều khiển tối ưu lưu lượng vào thiết bị;

- Điều khiển pH;

- Điều khiển nhiệt độ đảm bảo tối ưu cho thiết bị;

- Điều chỉnh lượng sinh khối trong thiết bị…

• Đối với các nhà máy xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính

Một số quá trình điều khiển đã được phổ biến như:

- Điều khiển nồng độ oxi hòa tan (DO);

- Điều khiển áp suất;

- Tối ưu lưu lượng vào hệ thống;

- Định lượng hóa chất cho quá trình loại bỏ photpho bằng kết tủa hóa học

Hiện nay nhờ sự phát triển của các bộ cảm biến một số quá trình điều khiển nâng

cao hơn cũng được ứng dụng phổ biến như:

- Duy trì nồng độ Nitrat ở mức thấp bằng dòng hồi lưu nội bộ (hình 1.7)

Hình 1 7Vòng lặp điều khiển dòng hồi lưu nội bộ để duy trì nồng độ nitrat ở mức thấp

[10]

- Kiểm soát nồng động amôni thông qua điểm đặt DO và/hoặc số lượng vùng sục

khí (hình 1.8)

Hình 1 8 Vòng lặp điều khiển nồng độ amôni thông qua điểm đặt DO [10]

- Tự đông điều khiển hàm lượng sinh khối trong các bể phản ứng (hình 1.9)

Hình 1 9 Vòng lặp điều khiển nồng độ sinh khối [10]

- Điều khiển kiểm soát nồng độ nitrat thông qua nguồn cacbon bên ngoài (trong

trường hợp tỷ lệ COD/N của nước đầu vào không đảm bảo cho quá trình khử

nitra) (hình 1.10)

Hình 1 10 Vòng lặp điều khiển dòng cacbon bên ngoài để kiểm soát nồng độ nitrat [4]

Tuy nhiên, quá trình xử lý nước thải là quá trình đa biến, do đó khi thay đổi một giá

trị cài đặt có thể ảnh hưởng đến các thành phần khác (chẳng hạn nếu điểm đặt DO thay

đổi sẽ dẫn đến amôni và nitrat cũng bị ảnh hưởng) Do đó bộ điều khiển đa biến có thể

được dùng để ghép nối đan xen các ảnh hưởng nhằm tối ưu hóa hiệu suất cho nhà máy

Chương 2_LỰA CHỌN MÔ HÌNH

Yêu cầu đặc ra là ứng dụng mô hình nhằm mô phỏng quá trình xử lý nước thải có nồng độ hữu cơ dễ phân hủy sinh học, do đó để có được mô hình tổng thể và giải được bằng các công cụ toán học việc đầu tiên phải lựa chọn mô hình cho thiết bị phản ứng (thiết bị mô hình) bao gồm mô hình động học và mô hình cấu trúc dòng

2.1 Lựa chọn mô hình cho hệ thống phân hủy yếm khívà đặc tính nước thải đầu vào

2.1.1 Lựa chọn mô hình 2.1.1.1 Chọn mô hình động học

Có nhiều mô hình động học được phát triển cho quá trình phân hủy yếm khí nước thải nhưng mô hình ADM1 được coi là mô hình tinh vi và được sử dụng rộng rãi nhất [27]

1 Mô tả các phản ứng biến đổi trong mô hình ADM1

Trong mô hình ADM1 quá trình biến đổi được chia thành hai dạng chính là các phản ứng sinh học và phản ứng hóa lý

Hình 2 1 Quá trình biến đổi sinh học theo mô hình ADM1 [7]

- Các phản ứng sinh học: Quá trình này thông thường được xúc tác bởi các enzym

nội bào hoặc ngoại bào và hoạt động dựa trên các cơ chất sinh có sẵn (Hình 2.1) Sự

phân giải các cơ chất hữu cơ và sinh khối chết thành các thành phần rắn và tiếp theo

các enzym ngoại bào sẽ thủy phân chúng thành các chất tan đơn giản Sau đó các chất

tan được phân giải tiếp nhờ xúc tác của enzym nội bào Sinh khối phát triển và suy

giảm cũng là kết quả của quá trình này

Hình 2.1thể hiện dòng vật chất COD trong nguyên liệu rắn ban đầu được phân hủy

thành 10% chất trơ, prôtêin, cacbohydrat, chất béo chiếm mỗi phần 30% Trong giai

đoạn axit hóa tạo thành 10% axit propionic, 12% axit butyric và 7% axit valeric, các

thành phần còn lại được thể hiện rõ trên hình

- Phản ứng hóa lý:Chủ yếu dùng để mô tả các liên kết giữa các ion và quá trình vận

chuyển khí hình thành từ các phản ứng trong pha lỏng đi vào vùng thu khí

Trên là các phản ứng chính theo cơ chế của quá trình phân hủy yếm khí, còn trong

mô hình được mô tả thành 19 quá trình như bảng 2.2

19 quá trình trong ADM1 bao gồm 1 quá trình phân hủy, 3 thủy phân, 8 quá trình

chuyển hóa và 7 quá trình phân hủy chất rắn

2 Các thành phần của mô hình động học ADM1

Mô hình ADM1 bao gồm 24 thành phần chính đặc trưng bởi 24 biến trạng thái động

học mô tả như bảng 2.1

24 thành phần trong ADM1 bào gồm 12 cấu tử hòa tan (S?) và 12 cấu tử dạng rắn

(X?)

Bảng 2 1 Các thành phần của mô hình ADM1

Cấu tử hòa tan (S?)

8 Sh2 Khí hydro kgCOD m-3

Cấu tử dạng rắn (X ? )

3 Hệ số tỷ lượng của và động học của mô hình ADM1

Bảng 2.2 và 2.3 biểu diễn ma trận hệ số tỷ lượng υi,j và vận tốc phản ứng dạng

phương trình Monod mở rộng cho từng quá trình j trong mô hình ADM1

Các thông số động học k ? , f ?có mặt trong hệ số tỷ lượng và các phương trình động

học được định nghĩa và có giá trị đặc trưng theo phụ lục B

Bảng 2.4 trình bày hệ số tỷ lượng mà vận tốc của các phản ứng axit, bazơ trong mô

hình ADM 1

Chương 2_Lựa chọn mô hình         

S S

+ +

S S

+ +

Chương 2_Lựa chọn mô hình         

Chương 2_Lựa chọn mô hình         

S S

+ +

S S

+ +

Chương 2_Lựa chọn mô hình         

axit – bazo Có thể được tối ưu cho mỗi phản ứng cụ thể

4 Mô phỏng giá trị pH trong ADM1

Giá trị pH trong mô hình ADM1 được tính toán theo công thức:

acid – bazo jnhân với hệ số tỷ lượng υi j, được trình bày trong bảng 2.4

Ngoài ra, SOH- -nồng độ của của ion hydroxide được thiết lập trong mô hình ADM1 như phương trình đại số:

W OH H

K S

S

− +

5 Quá trình kìm hãm trong ADM1

Các phương thức kìm hãm khác nhau cũng được đề cập đến trong mô hình ADM1 ban đầu để đưa vào tính toán sự kìm hãm của cơ chất lên quá trình chẳng hạn như pH giảm xuống dưới 7, thiếu nitơ vô cơ, sự tăng cao hàm lượng Hydrogen hoặc NH3 tự do trong quá trình lên men yếm khí Thiết lập các phương thức kìm hãm (14) – (18), các

phản ứng kìm hãm (19) – (24) đã dùng trong mô hình ADM1 các phương trình hệ số

động học (ρ j) phát triển bởi Rosen và Jeppsson (2005) được liệt kê như trong bảng 2.5

Bảng 2 5 Các yếu tố kìm hãm và biểu thức tính toán

6 Các phản ứng hóa lý giữa pha khí – lỏng trong ADM1

Có ba khí chính được đề cập đến trong pha khí của mô hình ADM1 là CH4, CO2 và

H2, vận tốc vận chuyển CH4, CO2 và H2 vào pha khí được tính bằng lý thuyết hai lớp

màng (Whitman, 1923)

Giả thuyết các khí trên đều tuân theo định luật khí lý tưởng và tồn tại đẳng nhiệtvới

nhiệt độ của pha lỏng trong một thể tích và áp suất không đổi (Batstone et al., 2002)

Sử dụng các giả thiết trên thì phương trình động học tổng quát của nồng độ chất “i”

trong pha khí được viết như sau:

Ở đây, qgas (l/ngày) – lưu lượng khí; Vliq (l) – thể tích phản ứng của pha lỏng; Vgas (l) – thể tích phản ứng của pha khí, Sgas,i (mol/l) – nồng độ của các thành phần khí “i”

trong pha khí và ρT i, - vận tốc chuyển khối của khí “i” được biểu diễn:

T i La H gas i liq i

Trong phương trình (4), kLa(d-1) – hệ số chuyển khối trong thể tích khí – lỏng, KH

(Mbar-1)– hằng số định luật Henry’s, Sliq,i (M) – nồng độ trong pha lỏng của các thành

phần khí “i”, P gas,i (bar) – áp suất riêng phần của khí “i” được tính theo định luật khí lý

tưởng như sau:

16

op gas H gas H

op gas CH gas CH

2 2

, ,

(2.20)

Trong đó:

u – vận tốc trung bình,u = Q/A.Với Q là lưu lượng, A là mặt cắt ngang của thiết bị;

DT – hệ số khuếch tán dọc trục, L2T-1;

Ri – thành phần tích lũy của cấu tử i trong phản ứng

R5 =[(1-Ysu).fbu,su].r5+ [(1-Yaa).fbu,aa].r6+[(1-YC4).0.54].r8-1.r9

R6 = [(1-Ysu).fpro,su].r5+[(1-Yaa).fpro,aa].r6+[(1-YC4).0.31].r8-1.r10

R7= [(1-Ysu).fac,su].r5+[(1-Yaa).fac,aa].r6+[(1-Yfa).0.7].r7+[(1-YC4).0.15].r8

R23 = YH2.r12-1.r19

R24 = fXi,xc.r1

2.1.2 Đặc tính hóa nước thải dòng vào cho mô hình ADM1

Thông thường để thực hiện được quá trình mô phỏng hoặc điều khiển hệ thống ta phải chuyển đổi dữ liệu thực tế thành dữ liệu mô hình để làm đầu vào cho mô hình

Mô hình ADM1 bao gồm 24 cấu tử, để có được giá trị của cấu tử đó ta phải đặc tính hóa nước thải dòng vào

Hình 2.2 thể hiện cách tiếp cận để mở rộng đặc tính dòng vào cho ADM1 Trong hình D là hệ số pha loãng COD hòa tan (CODS), PE là thông số đánh giá (ký hiệu f?) được diễn giải trong phụ lục B Các giá trị thông thường có thể phân tích được trong nước thải từ các nhà máy công nghiệp là COD tổng, COD hòa tan, TOC,axêtat, prôpionat, bityrat, TSS, VSS, prôteein, NH4+ -N, NOx, SO42-, PO43-, đường Từ các số liệu phân tích sẽ tính được giá trị của cấu tử mô hình nhờ các thông số đánh giá Các thông số này tùy thuộc vào từng loại nước thải khác nhau mà người làm mô hình cần phải xem xét sử dụng bộ thông số có sẵn hay hiệu chỉnh lại cho phù hợp, các giá trị trong phụ lục B của luận chỉ là giá trị tham khảo

D COD S

2.2 Lựa chọn mô hìnhcho hệ thống bùn hoạt tínhvà đặc tính hóa nước thải dòng vào

2.2.1 Lựa chọn mô hình

2.2.1.1 Mô hình động học

Như đã trình bày chương 1 mô hình động học cho quá trình bùn hoạt tính gồm một nhóm nhiều mô hình, nhưng trong trường hợp này với mục đích mô phỏng cho công nghệ AAO (Công nghệ khử cacbon, nitơ, phốt pho) nên hình động học ASM2d được chọn để sử dụng trong quá trình mô phỏng và trình bày rõ trong mục này

L-3

Độ kiềm của nước thải Thành phần này được sử dụng để cân bằng điện tích trong phản ứng sinh hóa Độ kiềm được đưa vào để dự báo sớm khả năng pH thấp (yếu tố

có thể gây ức chế đế một số quá trình xử lý sinh học) Trong tất cả các tính toán tỷ lượng, độ kiềm được coi chỉ bao gồm bicacbonat (HCO 3-)

Cơ chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học, dễ lên men Thành phần COD dạng hòa tan này được vi sinh dị dưỡng vật sử dụng trực tiếp, S F được giải thuyết như là cơ chất cho quá trình lên men, do đó nó không bao gồm trong sản phẩm lên men

không bị phân huỷ trong nhà máy xử lý nước thải

Khí Nitơ, S N2 được cho là sản phẩm khí duy nhất của quá trình khử nitrat hóa S N2 có thể tính thông qua trao đổi khí, tương tự như S O2

điện tích electron, S NH4 được giả thiết tất cả điều là NH 4+

toán hệ số tỷ lượng (bảo toàn COD), thành phần trên