(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa mô phỏng hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng bằng tảo chlorella vulgaris

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAMC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAMN NÔNG NGHIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAMP VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAMT NAM TRẦN MINH HỒNG MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG HỆ THỐNG XỬ NG HỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM THỐNG XỬ NG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG C THẢI GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG I GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG NG BẰNG NG TẢI GIÀU DINH DƯỠNG BẰNG O CHLORELLA VULGARIS Chuyên ngành: Khoa học môi trườ ngc môi trườ ng ng Mã số:: 60.44.03.01 Ngườ ngi hướng dẫn khoa học:ng dẫn khoa học:n khoa học môi trườ ngc: TS Đỗ Thủy Nguyên Thủy Nguyêny Nguyên NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP - 2016 LỜI CAM ĐOAN Luận văn thạc sỹ tơi có sử dụng kế thừa số liệu đề tài nghiên cứu khoa học cấp Học viện với tên đề tài “Xây dựng mơ hình xử lý nước thải giàu dinh dưỡng Nitơ photpho từ bể phốt sử dụng vi tảo Chlorella vulgaris” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tay tơi tiến hành với giúp đỡ Bộ môn Công nghệ Môi trường (Học viện Nông nghiệp Việt Nam), kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa dùng để bảo vệ lấy học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cám ơn, thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Trần Minh Hoàng i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn, tơi nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy cô giáo, giúp đỡ, động viên bạn bè, đồng nghiệp gia đình Nhân dịp hồn thành luận văn, cho phép tơi bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc TS Đỗ Thủy Ngun tận tình hướng dẫn, dành nhiều cơng sức, thời gian tạo điều kiện cho suốt q trình học tập thực đề tài Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban Giám đốc, Ban Quản lý đào tạo, Bộ môn Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường - Học viện Nông nghiệp Việt Nam tận tình giúp đỡ tơi q trình học tập, thực đề tài hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Trịnh Quang Huy, cô ThS.Nguyễn Thị Thu Hà, tập thể lãnh đạo, cán viên chức Bộ môn Công nghệ Mơi trường bạn sinh viên khóa 56, 57 nghiên cứu phịng thí nghiệm Bộ mơn giúp đỡ cho tơi suốt q trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ mặt, động viên khuyến khích tơi hồn thành luận văn./ Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Tác giả luận văn Trần Minh Hoàng ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Mục lục iii Danh mục chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vii Trích yếu luận văn viii Thesis abstract x Phần Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu Phần Tổng quan vấn đề nghiên cứu 2.1 Đặc tính sinh học ứng dụng tảo xử lý nước thải 2.1.1 Tổng quan tảo Chlorella vulgaris 2.1.2 Ứng dụng tảo xử lý nước thải .6 2.2 Ứng dụng công nghệ hraps xử lý nước thải 16 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống hraps 19 2.3.1 Các thông số kỹ thuật vận hành 19 2.3.2 Các thông số môi trường dinh dưỡng 21 2.4 Mơ hình sinh thái dạng mơ hình lý thuyết cho đối tượng tảo 24 2.4.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình sinh thái ứng dụng 24 2.4.2 Tổng hợp mơ hình lý thuyết mơ phát triển tảo .25 Phần Đối tượng, phạm vi, nội dung phương pháp nghiên cứu 29 3.1 Đối tượng nghiên cứu 29 3.2 Phạm vi nghiên cứu 29 3.3 Nội dung nghiên cứu 29 3.4 Phương pháp nghiên cứu .30 3.4.1 Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp .30 3.4.2 Phương pháp xây dựng mơ hình 30 3.4.3 Phương pháp bố trí theo dõi thí nghiệm 30 iii 3.4.4 Phương pháp thiết kế vận hành hệ thống HRAPs .34 3.4.5 Phương pháp phân tích 34 3.4.6 Phương pháp đánh giá kết 36 3.4.7 Phương pháp kiểm định 36 3.4.8 Phương pháp xác định độ nhạy thông số 36 3.4.9 Phương pháp xử lý số liệu trình bày kết 36 Phần Kết thảo luận 37 4.1 Đánh giá khả sinh trưởng, hiệu xử lý nước thải yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng vi tảo chlorella vulgaris .37 4.1.1 Khả sinh trưởng khả xử lý N,P vi tảo Chlorella vulgaris nước thải .37 4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới sInh trưởng tảo Chlorella vulgaris hệ thống bIorector 41 4.2 Thiết kế đánh giá hiệu xử lý nước thải vi tảo chlorella vulgaris hệ thống mơ hình xử lý quy mơ pilot trời 44 4.2.1 Hiệu xử lý hệ thống HRAPs điều kiện trời 44 4.2.2 Hiệu xử lý hệ thống HRAPs điều kiện ánh sáng nhân tạo 47 4.3 Ứng dụng mơ hình tốn mơ khả xử lý hệ thống Hraps 50 4.3.1 Lựa chọn xây dựng mô hình 50 4.3.2 Ứng dụng Matlab việc xây dựng mơ hình phát triển tảo mơi trường 57 4.3.3 Kết mô kết kiểm chứng mơ hình tốn 63 Phần 5: Kết luận kiến nghị 68 5.1 Kết luận 68 5.2 Kiến nghị 68 Tài liệu tham khảo 70 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt ANOVA : Phân tích phương sai BOD : Nhu cầu Oxy sinh học BTNMT : Bộ tài ngun mơi trường COD : Nhu cầu Oxy hóa học DO : Oxy hòa tan EC : Độ dẫn điện Eh : Thế oxy hóa : Cơng nghệ ni tảo hiệu suất cao HRAPs (High rate algal ponds) NH4 + : Amoni NO3 - : Nitrat 3- : Photphat PO4 QCVN : Quy chuẩn Việt Nam RO : công nghệ lọc thẩm thấu ngược TCCP : Tiêu chuẩn cho phép TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Tổng Nitơ TP : Tổng Photpho TSS : Chất rắn lơ lửng UF : Công nghệ lọc Ultra XLNT : Xử lý nước thải v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần hóa học tảo Chlorella (% trọng lượng khơ) Bảng 2.2 Tổng hợp khả loại bỏ N,P tảo môi trường khác 12 Bảng 3.1 Thành phần môi trường nhân tạo BBM .31 Bảng 3.2 Tính chất nước sử dụng thí nghiệm .32 Bảng 4.1 Tính chất nước thải nghiên cứu 39 Bảng 4.2 Hiệu xử lý dinh dưỡng nước thải tảo C.vulgaris 41 Bảng 4.3 Ảnh hưởng nồng độ tỷ lệ dinh dưỡng N:P nước thải đến sinh trưởng tảo C.vulgaris 42 Bảng 4.4 Tính chất nước thải đầu vào thí nghiệm .48 Bảng 4.5 Tổng hợp mơ hình tốn mô khả sinh trưởng tảo bể phản ứng sinh học 52 Bảng 4.6 Tính tốn giá trị RMSE kết chạy mơ hình kết đo .67 vi DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Tảo Chlorella Hình 2.2 Đường cong sinh trưởng tảo Hình 2.3 Mơ hình hệ thống HRAPs 17 Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống ao nuôi tảo hiệu suất cao 20 Hình 2.5 Sơ đồ mặt cắt ngang mặt cắt đứng hệ thống HRAPs 20 Hình 2.6: Ba loại mơ hình Bechet cs (2013) .26 Hình 2.7 Mơ hình Eilers Peeters (1988) .28 Hình 4.1 Đường cong sinh trưởng tảo cơng thức thí nghiệm 37 Hình 4.2 Diễn biến thống số dinh dưỡng trình xử lý nước thải sử dụng tảo 40 Hình 4.3 Mật độ chlorophyll-a tảo nước thải bước sóng ánh sáng khác .43 Hình 4.4 Diễn biến mật độ tảo chlorophyll-a nước thải ảnh hưởng bước sóng ánh sáng khác 44 Hình 4.5: Diễn biến hàm lượng Chlorophyll-a thời gian thí nghiệm 45 Hình 4.6: Diễn biến cường độ ánh sáng thời gian nghiên cứu 46 Hình 4.7 Diễn biến thơng số dinh dưỡng thời gian thí nghiệm ánh sáng tự nhiên 47 Hình 4.8 Diễn biến mật độ tảo hệ thống HRAPs có nguồn cung cấp ánh sáng khác .49 Hình 4.9 Diễn biến thơng số dinh dưỡng thời gian thí nghiệm ánh sáng nhân tạo 50 Hình 4.10 Mơ hình lý thuyết cho q trình sinh trưởng tảo .51 Hình 4.11 Kết sinh trưởng mơ mơ hình 65 Hình 4.12 Diễn biến nồng độ N mơ mơ hình 66 vii TRÍCH YẾU LUẬN VĂN Tên tác giả: Trần Minh Hồng Tên Luận văn: Mơ hình hóa mơ hệ thống xử lý nước thải giàu dinh dưỡng tảo Chlorella vulgaris Ngành: Khoa học môi trường Mã số: 60.44.03.01 Tên sở đào tạo: Học viện Nơng nghiệp Việt Nam Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống xử lý nước thải HRAPs quy mô pilot; Lựa chọn mơ hình tốn mơ q trình sinh trưởng phát triển tảo hệ thống HRAPs kiểm định độ xác mơ hình Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp; - Phương pháp xây dựng mơ hình; - Phương pháp bố trí theo dõi thí nghiệm; - Phương pháp thiết kế vận hành hệ thống HRAPs; - Phương pháp phân tích; - Phương pháp đánh giá kết quả; - Phương pháp kiểm định mơ hình; - Phương pháp phân tích độ nhạy mơ hình; - Phương pháp xử lý số liệu Kết kết luận: Mục tiêu đề tài ứng dụng mơ hình tốn nhằm mơ khả sinh trưởng tảo hệ thống HRAPs Nghiên cứu bao gồm nội dung thực nghiệm mơ hình hóa Ba thí nghiệm độc lập tác giả thực nhằm mục đích khảo nghiệm cung cấp liệu cho việc thiết kế hệ thống HRAPs (thực nghiệm) hệ số cho mơ hình tốn Kết từ thí nghiệm cho thấy tảo C.vulgaris có khả sinh trưởng tốt nước thải, không gặp yếu tố ức chế Kết thí nghiệm khoảng tỷ lệ N:P điều kiện chiếu sáng thích hợp cho sinh trưởng tảo C.vulgaris Dựa kết khảo nghiệm, hệ thống HRAPs thiết kế vận hành điều kiện chiếu sáng ánh sáng tự nhiên ánh sáng nhân tạo (đèn LED), số liệu đo đạc thực nghiệm sở để kiểm chứng mơ hình tốn Mơ hình tốn xây dựng thông qua bước xây dựng mô hình lý thuyết, lựa chọn hàm tốn phù hợp sử dụng thuật tốn để giải phương viii trình hỗ trợ phần mềm Mathlab Kết chạy mơ hình mơ tương đối xác diễn biến sinh trưởng khả loại bỏ dinh dưỡng N tảo C.vulgaris hệ thống HRAPs Trong điều kiện ánh sáng tự nhiên có cường độ yếu, mơ hình phản ánh hạn chế sinh trưởng loại bỏ N nước thải tảo Ngược lại, điều kiện ánh sáng nhân tạo, kết mơ hình đưa đường cong sinh trưởng theo giai đoạn khớp với kết đo thực nghiệm, hiệu loại bỏ N phản ánh tương đối xác ix