nghiên cứu mô hình hóa một số quá trình sinh học trong bãi lọc trồng cây ứng dụng xử lý nước rỉ rác

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu mô hình hóa một số quá trình sinh học trong bãi lọc trồng cây ứng dụng xử lý nước rỉ rác LÊ VIỆT ANH Ngành Kỹ thuật Môi trường Giả

TỔNG QUAN

Tổng quan về nước rỉ rác

1.1.1 Sự hình thành nước rỉ rác trong bãi chôn lấp

Nước rỉ rác là lớp nước thấm qua lớp chất thải rắn mang theo nhiều chất ô nhiễm hòa tan hoặc các chất lơ lửng, được hình thành do các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong lòng bãi chôn lấp Các nguồn chính tạo ra nước rỉ rác bao gồm nước phía trên bãi chôn lấp, độ ẩm của rác, nước từ vật liệu phủ, nước từ bùn nếu việc chôn bùn được cho phép Tốc độ phát sinh nước rác dao động lớn theo các giai đoạn hoạt động khác nhau của bãi rác Trong suốt những năm đầu tiên, phần lớn lượng nước mưa thâm nhập vào được hấp thụ và tích trữ trong các khe hở và lỗ hổng của chất thải chôn lấp Lưu lượng nước rỉ rác sẽ tăng lên dần trong suốt thời gian hoạt động và giảm dần sau khi đóng cửa bãi chôn lấp do lớp phủ cuối cùng và lớp thực vật trồng lên bề mặt giữ nước, làm giảm độ ẩm thấm vào

1.1.2 Quá trình hình thành nước rỉ rác

Theo định nghĩa ở trên thì nước rỉ rác bao gồm nước từ quá trình phân hủy bên trong (a) và nước từ bên ngoài thấm qua kéo theo các chất đang phân hủy trong bãi chôn lấp (b)

(a) Quá trình sinh học xảy ra trong bãi chôn lấp:

Ban đầu, diễn ra quá trình phân hủy hiếu khí trong khoảng thời gian từ vài ngày đến vài tuần kể từ khi rác được đem chôn Trong khoảng thời gian này oxy từ không khí khuếch tán xâm nhập vào chất thải hoặc oxy tồn tại trong chất thải được sử dụng cho phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ Quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ là một quá trình tổng hợp có sự tham gia của vi khuẩn, nấm, men Phản ứng sinh hóa quá trình phân hủy chất hữu cơ như sau:

CHC + O2 + dinh dưỡng Vi khuẩn Tế bào sinh học mới + chất hữu cơ bền + CO2

Do hàm lượng oxy trong đống chất thải giảm xuống nên quá trình phân hủy hiếu khí tiếp tục diễn ra nhưng chậm lại và giai đoạn chuyển tiếp từ phân hủy sinh học bằng quá trình hiếu khí sang quá trình kị khí

Phân hủy yếm khí gồm các quá trình axit hóa (lên men) và metan hóa Bãi chôn rác là lò ủ vi sinh yếm khí, trong đó một tập đoàn vi sinh vật hoạt động phân hủy một phần chất hữu cơ trong chất thải rắn Tốc độ phân hủy của chúng trước hết phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của bãi chôn rác [2]

(b) Sự hình thành nước rỉ rác khá phức tạp và từ nhiều nguồn không được kiểm soát và loại bỏ, bao gồm những nguồn chính là [2]:

+ Nước mưa: là lượng nước mưa thấm qua lớp phủ bề mặt trên cùng và qua các lớp rác trong bãi chôn lấp, sẽ kéo theo các chất ô nhiễm trong rác thải đi xuống tạo thành nước rác Các bãi chôn lấp thường có diện tích rất lớn (5 – 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 rác phát sinh và làm thay đổi đặc tính của nước rác

+ Nước có trong rác thải (độ ẩm của rác): lượng nước không lớn, phụ thuộc vào hàm ẩm có trong vật liệu mang chôn lấp Thông thường ở điều kiện Việt Nam, rác thải sinh hoạt thường có hàm ẩm khoảng 60 – 70%

+ Chất lỏng hình thành do quá trình phân giải các hợp chất có trong bãi rác: được tạo ra chủ yếu trong giai đoạn phân hủy hiếu khí tự xảy ra trong bãi rác, phụ thuộc nhiều vào độ ẩm vật liệu đem đi chôn lấp

Lượng nước rác hình thành chủ yếu từ nước mưa (thấm và chảy tràn) chiếm trên 70% và từ độ ẩm của rác chiếm dưới 30% Nước mưa là nguồn chính hình thành nước rác Lượng mưa thay đổi theo mùa vì vậy nước rỉ rác cũng dao động nhiều về mùa mưa, ít về mùa khô, mức độ chênh lệch giữa các mùa có thể lệch nhau tới 300% [2]

Các thành phần tác động tới quá trình hình thành lượng nước rác được trình bày trong hình sau:

Hình 1.1 Các thành phần cân bằng nước trong ô chôn lấp [1]

Lượng nước rỉ rác có thể được tính theo phương trình sau:

Q: Lưu lượng nước rò rỉ sinh ra trong bãi rác (m 3 /ngày);

M: Khối lượng rác trung bình ngày (tấn/ngày);

W : Độ ẩm của rác trước khi nén (%);

Nước gia nhập từ ngoài (RI)

Nước chứa trong lớp vật liệu phủ

W2: Độ ẩm của rác sau khi nén (%);

R: Lượng mưa ngày trong tháng lớn nhất (mm/ngày);

RO: Hệ số thoát nước bề mặt (0,1 ÷ 0,3);

E: Lượng nước bốc hơi lấy bằng 5 mm/ngày (thường 5 – 6 mm/ngày)

Phương trình cân bằng nước ở trên áp dụng cho một ô chôn lấp cho thấy: lượng nước rác của ô chôn lấp bằng tổng lượng nước đến và lượng nước sinh ra do phân hủy rác trừ đi lượng nước bay hơi

1.1.3 Đặc trưng nước rỉ rác Đặc trưng của nước rỉ rác phụ thuộc nhiều vào thành phần của rác mang chôn lấp, điều kiện khí hậu, thời tiết, thổ nhưỡng, thời gian chôn lấp cũng như công nghệ và quy trình vận hành, Nước thải từ các bãi rác với mức độ phân hủy thấp (mới, mùa khô, lạnh) đang trong giai đoạn axit hóa thì 80 – 90% chất hữu cơ trong đó là các axit hữu cơ dễ bay hơi có khả năng sinh hủy cao Ngược lại nước thải từ các bãi rác có độ phân hủy sâu (giai đoạn tạo khí metan đang và sắp kết thúc) thì các chất hữu cơ trong đó chủ yếu là các chất trơ, khó sinh hủy như axit humic, fulvic, tannin, lignin và amoni với hàm lượng rất cao [2]

Ngoài ra, đặc trưng của nước rỉ rác còn thể hiện ở tính chất vật lý (pH, độ màu, độ đục, mùi…), hóa học (COD, BOD5, hợp chất chứa N, P, kim loại nặng…), sinh học (vi sinh vật), cụ thể : pH: Theo hình 1.1 (sự biến thiên thành phần khí tạo thành và nồng độ chất ô nhiễm trong nước rác theo thời gian), ta thấy pH giảm dần từ giai đoạn 1, đến giai đoạn 3 thì pH thấp nhất do quá trình lên men tạo ra nhiều axit hữu cơ Sau đó pH lại tăng dần lên do sự chuyển hóa các axit hữu cơ này tạo metan Nước rác cũ có giá trị pH cao hơn so với nước rác mới, về mùa khô giá trị pH cao hơn so với mùa mưa pH cao của nước rác là do các nguyên nhân: độ kiềm cao, quá trình phân hủy yếm khí sâu và do hoạt động của tảo ở các hồ trữ nước rác Độ kiềm: Độ kiềm của nước rác gây ra chủ yếu bởi muối bicarbonat (pH < 8,2), một phần do CO3 2- và OH - khi pH > 8,2 Sự biến động của độ kiềm nước rác theo vị trí không gian không theo qui luật nhất định khi so sánh giữa các bãi rác với nhau, do hoạt động của vi sinh vật ở mức độ khác nhau cùng với quá trình kết tủa hóa học xảy ra tạo thành CaCO3 Độ kiềm có xu hướng giảm về mùa khô, đặc biệt là những hồ chứa nước rác có bề mặt thoáng cao, rất có thể do quá trình thoát khí CO2 từ nước thải

Cặn không tan: hàm lượng cặn không cao nhưng nó lại gây độ đục lớn vì chúng thường có màu sẫm Bản chất của cặn không tan là các hệ keo ưa nước nên khả năng keo tụ với các chất điện ly không tốt, cần phối hợp nhiều loại chất keo tụ và trợ keo với liều lượng cao

Axit hữu cơ dễ bay hơi: là các axit béo có phân tử lượng thấp, dễ bay hơi, được hình thành trong quá trình axit hóa, bởi vi sinh vật acidogens Mức độ dao động giá trị VFA rất lớn, khác nhau ở từng bãi rác Nó còn phụ thuộc vào tuổi của bãi rác, vị trí và thời điểm lấy mẫu

Các chất hữu cơ: nồng độ chất hữu cơ được đặc trưng bởi các chỉ số BOD, COD

Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải phụ thuộc vào lượng nước mưa pha loãng trong đống rác thải Do vậy nồng độ chất hữu cơ phụ thuộc vào mùa, đối với mùa mưa nồng độ chất hữu cơ thấp hơn so với mùa khô Ngoài ra hàm lượng chất hữu cơ cũng như tỷ lệ BOD5/COD phụ thuộc rất lớn vào tuổi của nước rác Với bãi rác mới thì nồng độ chất hữu cơ BOD5, COD rất cao nhưng tỷ lệ BOD5/COD cao khoảng từ 0,5 – 0,7 thuận lợi cho khả năng phân hủy của vi sinh vật Với bãi rác lâu năm nồng độ chất hữu cơ thấp hơn khá nhiều so với bãi rác mới do trong bãi rác xảy ra quá trình tự phân hủy sinh học do vậy tỷ lệ BOD5/COD rất thấp (< 0,2) Khi đó nước rác chứa nhiều axit humic và fulvic có khả năng phân hủy sinh học thấp [2]

Đặc điểm của bãi lọc trồng cây kiến tạo

1.2.1.Định nghĩa về bãi lọc trồng cây kiến tạo

Bãi lọc trồng cây kiến tạo (CWs) là các kỹ thuật xử lý nước thải tận dụng lợi thế của các hoạt động vật lý, hóa học và sinh học xảy ra trong đất để đạt được chất lượng nước tốt hơn Bãi lọc trồng cây kiến tạo xử lý là các hệ thống được thiết kế sử dụng các quy trình tự nhiên giống như CW; tuy nhiên trong các điều kiện được kiểm soát nhiều hơn (Hanna et al., 2015) Các CW rất hiệu quả trong loại bỏ chất rắn hữu cơ và cặn lơ lửng mặc dù không hiệu quả lắm trong việc loại bỏ nitơ.[16]

Các thành phần tạo nên một bãi lọc trồng cây kiến taohj bao gồm nước, vật liệu lọc(giá thể), thực vật, giun, ấu trùng côn trùng và vi sinh vật Trong khi đó, các CW thường liên quan đến ba thành phần chính; thực vật, vi sinh vật và môi trường Chính sự tương tác giữa các thành phần này dẫn đến quá trình xử lý và phân giải của các chất ô nhiễm

Chức năng của thực vật trong CWs là loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước thải bằng cách tích tụ chúng trong sinh khối thực vật và lọc các chất rắn lơ lửng có trong nước thải Hơn nữa, thực vật giúp tăng lượng oxy hòa tan thông qua thân rễ của chúng Tương tự như vậy, rễ của cây đóng một vai trò quan trọng trong việc chuyển oxy đến thể tích lớn của CW, do đó hỗ trợ vi sinh vật phát triển và hỗ trợ xử lý sinh Tuy nhiên, hiệu quả hấp thu của cây trồng được xác định bởi nhiều yếu tố bao gồm các yếu tố môi trường, việc lựa chọn thiết kế cũng như tính chất và lượng các chất ô nhiễm có trong nước thải Đối với vi sinh vật, chúng có vai trò phân giải, chuyển hóa các chất khoáng; hoạt động của vi sinh vật là yếu tố thúc đẩy chính trong xử lý nước thải CWs thông qua khả năng phân hủy chất hữu cơ của chúng trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí Các nhóm chủng vi sinh vật chính tham gia xử lý trong bãi lọc trồng cây bao gồm vi khuẩn và nấm; chúng hoạt động bằng cách tiêu hóa, chuyển đổi và tái chế các chất ô nhiễm hóa học có trong nhiều loại nước thải Cuối cùng, vật liệu lọc trong CWs bao gồm cát, sỏi, đá, xỉ từ luyện thép và lò cao, và các vật liệu hữu cơ được tìm thấy bên dưới các khu vực rễ cây trong các hệ thống dòng chảy dưới bề mặt của CW Các vật liệu lọc hoạt động như một giá đỡ cho các vi sinh vật, thực vật, rễ, và thân rễ, do đó là một thành phần quan trọng trong CWs Ngoài ra, các vật liệu lọc hoạt động như một kho lưu trữ cơ sở cung cấp một diện tích bề mặt lớn cho vi khuẩn bám vào sinh khối thực vật Hơn nữa, nó cũng có thể hoạt động như mộ bộ lọc và môi trường tiện hấp phụ cho các chất ô nhiễm

Hình 1.2 Sơ đồ một khu hệ thống bãi lọc trồng cây kiến tạo (Melbourne Water, 2002)

1.2.2 Phân loại bãi lọc trồng cây kiến tạo

Bãi lọc trồng cây có thể được phân loại theo hình thức nuôi trồng điển hình của các loại thực vật như: hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chùm nổi và hệ thống thực vật chìm Hầu hết các hệ thống đều sử dụng các loại cây rễ chùm, tuy nhiên có thể phân loại theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dòng chảy trong hệ thống [16]

Có 2 kiểu phân loại bãi lọc trồng cây kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chạy ngầm trong đất (Subsurface slow)

Hình 1.3 Phân loại các kiểu bãi lọc trồng cây kiến tạo [16]

1.2.2.1 Bãi lọc trồng cây có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW)

Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay bãi lọc trồng cây kiến tạo trong điều kiện tự nhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ lực kiểu dòng đẩy (plug-flow) [1]

Hệ thống dòng chảy bề mặt là hệ thống được thiết kế có lớp nước bề mặt tiếp xúc với không khí Trong hệ thống dòng chảy ngầm, mực nước được cố định thấp hơn so với bề mặt vật liệu Đối với hệ thống dòng chảy ngầm theo phương ngang, lớp vật liệu luôn được giữ trong trạng thái bão hoà nước; đối với hệ thống dòng chảy đứng, lớp vật liệu không ở trạng thái bão hoà vì nước được cấp không liên tục mà theo các khoảng thời gian nhất định và được thấm qua lớp vật liệu (tương tự như trong hệ thống lọc cát gián đoạn)

Tất cả các dạng bãi lọc ngập nước đều được trồng ít nhất là một loại thực vật có rễ trong một loại vật liệu nào đó (thường là đất, sỏi hoặc cát) Các chất ô nhiễm được khử nhờ sự phối hợp của các quá trình lắng, lọc, hóa học, lý học, sinh học, kết tủa, hấp thụ vào đất cùng với quá trình đồng hóa bởi thực vật và sự chuyển hóa bởi hệ vi sinh vật đất, hệ sinh vi sinh vật nước

1.2.2.2 Bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm (Subsurface flow wetland)

Bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngầm được thiết kế như một thủy vực hoặc một kênh dẫn với đáy không thấm (lót tấm trải nilon, vải chống thấm) hoặc lót đất sét với độ thấm nhỏ để ngăn cản hiện tượng thấm ngang và có một chiều sâu các lớp dẫn thấm thích hợp để cây trồng thủy sinh phát triển được Có hai kiểu bãi lọc trồng cây kiến tạo chảy ngầm được phân loại theo tính chất dòng chảy: hệ thống chảy ngang (Hình 1.3) và hệ thống chảy đứng (Hình 1.4) Việc lựa chọn kiểu chảy ngang hoặc đứng tùy thuộc vào địa hình, đặc điểm nước thải và lượng thải Nguyên tắc vận hành chung là nước thải sẽ chảy từ phía độ cao lớn của khu bãi lọc trồng cây đi qua lòng dẫn với lớp đất nền và các cây trồng thủy sinh Nước thải sẽ được xử lý qua quá trình hóa lý và hóa sinh phức tạp gồm thấm lọc, hấp thụ, bốc hơi và phân huỷ do vi sinh Cuối cùng nước thải đã xử lý sẽ được dẫn qua các lớp sạn, sỏi, đá hộc để thoát ra ngoài Bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngầm còn có nhiều tên gọi khác nhau, tùy theo tác giả: bãi lọc ngầm có cây trồng, phương pháp vùng rễ, hệ thống lọc kết

Hình 1.4 Sơ đồ bãi lọc trồng cây kiến tạo chảy ngầm theo dòng chảy ngang HF[1]

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếu oxy và điều kiện kị khí trong các bãi lọc không cho phép quá trình nitrat hoá amoni nên khả năng xử lý nitơ bị hạn chế Xử lý photpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém

Hình 1.5 Sơ đồ bãi lọc trồng cây kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng VF [1]

Các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong bãi lọc trồng cây kiến tạo

Hình 1.6 Sơ đồ các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong bãi lọc trồng cây kiến tạo [8]

1.3.1 Nguyên lý cơ bản trong bãi lọc trồng cây kiến tạo

Dòng chảy dưới bề mặt, hay còn gọi là bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngầm (SSF) với dòng chảy ngang (HF) thường thiếu oxy; lượng oxy cung cấp từ dòng chảy chủ yếu do sự khuếch tán trong lớp lọc từ đó mà không khí thâm nhập Ở loại bãi lọc này, lượng oxy được cung cấp từ rễ cây có vai trò quan trọng để cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động

Dòng chảy dưới bề mặt - bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngầm (SSF) với dòng chảy thẳng đứng (VF) quá trình hiếu khí là chiếm ưu thế:

• Quá trình khuếch tán và xáo trộn diễn ra từ đó không khí thâm nhập qua hệ thống phân phối

• Nước chứa oxy theo dòng chảy đứng, thấm từ trên xuống dưới cung cấp cho vi sinh vật hoạt động

Quá trình lọc phụ thuộc vào kích thước hạt, kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bề mặt càng lớn, khả năng hấp phụ càng nhiều hơn

Hấp phụ và lắng được tăng cường bởi hàm lượng Fe, Al, và/hoặc Ca cao trong vật liệu lọc

Hấp thụ chất dinh dưỡng được thực hiện nhờ thực vật, có khả năng tái sử dụng nếu thu hoạch cây Vận tốc dòng chảy giảm, có quá trình lắng và tích tụ P, kim loại nặng và chất hữu cơ đã bị hấp thụ, hấp phụ

Phân huỷ dị dưỡng các chất hữu cơ, với cây trồng nhô lên mặt nước thường có lượng ôxy hạn chế, không có quang hợp xảy ra trong nước

Trong vùng kỵ khí có quá trình khử nitrat và lắng cặn các muối sunphit

 Tác dụng của cây trong bãi lọc trồng cây ngập nước:

• Tăng độ hoà tan oxy vào trong lòng bãi lọc

• Giảm vận tốc dòng chảy và làm tăng khả năng lắng cặn

• Giảm tái lơ lửng cặn ở đáy

• Giảm sự phát triển của thực vật nổi (Phytoplankton)

1.3.2 Loại bỏ chất hữu cơ – hợp chất của Cacbon

Hình 1.7 Quá trình chuyển hóa Cacbon trong bãi lọc trồng cây kiến tạo [8]

Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong hệ thống bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế hấp phụ, phân hủy bởi các VSV và hấp thụ của thực vật

+ Các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các bãi lọc trồng cây, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học

(BOD5) có trong nước thải, BOD5 còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng Bãi lọc trồng cây về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên đối với bãi lọc trồng cây, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD5 cũng rất quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD5 trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán

➢ Cơ chế của quá trình phân hủy chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí: o Phản ứng vô cơ hóa các chất hữu cơ:

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4) O2 → NH3 + xCO2 + (y-3/2)H2O + Năng lượng o Phản ứng tổng hợp sinh khối, vsv sử dụng các chất vô cơ mới tạo ra để tổng hợp:

CxHyOzN + O2 + NH3 → C 5 H7NO2 + CO2 + Năng lượng o Phản ứng hô hấp nội bào: Khi điều kiện dinh dưỡng của môi trường bị hạn chế:

C5H7NO2 + 5O2 → NH 3 + 5CO2 + 2H2O + Năng lượng

Vô cơ hoá Tổng hợp sinh khối

𝑆𝑂 4 2 − ,𝑁2 o Trong trường hợp khi CHC có cả S sẽ có phản ứng:

(CHO)nNS + O2 → CO2 + H2O + NH3 + H2S + C5H7NO2 + Năng lượng

NH4 + + 2O2 → NO 3 - + 2H + + H2O + Năng lượng o Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí: Bacillus, Pseudomonas, Clostridium, Thiobacillus…

 Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí o Phản ứng tổng quát như sau:

(CHO)n → CO2 + H2O + NH3 + H2S + CH4 + Năng lượng o Ngoài ra SO4 2- , NO3 - ở phản ứng hiếu khí tầng trên nhờ các vi sinh vật yếm khí tạo thành S 2- , N2 o Sơ đồ của quá trình phân hủy yếm khí: Chất hữu cơ phức tạp (lipit, protein, gluxit…)

→ Các chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, amino axit, glixerin, axit béo…) → Các axit béo dễ bay hơi (etylic, propionic, axetic…) → CH4, CO2 o Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí: Plectridium, Caduceus, Endosponus…

Hình 1.8 Sơ đồ các quá trình chuyển đổi Cacbon trong bãi lọc trồng cây kiến tạo [12]

1.3.3 Quá trình loại bỏ Nitơ

Nồng độ nitrogen là chỉ tiêu quan trọng trong xử lý nước thải Nitrogen chủ yếu hiện diện trong vùng bãi lọc trồng cây bao gồm nitrogen hữu cơ, ammonia, ammonium, nitrite, nitrate, và khí nitrogen Các dạng vô cơ cũng là các yếu tố cần thiết cho sự tăng trưởng của cây trồng trong hệ sinh thái nước ngập, nếu lượng nitrogen ít thì sẽ hạn chế hoặc kiểm soát sự phát triển của sinh khối Tổng lượng nitrogen (TN) thường dùng để gộp tất cả các dạng nitrogen Sự biến đổi nitrogen là một phần của chu trình nitrogen

- Chủ yếu Nitrogen tồn tại dưới dạng NH4 +, NO2 -, NO3 - nitơ hữu cơ không tan

(PON), nitơ hữu cơ hòa tan (DON)

- Nitơ được loại bỏ nhờ 3 cơ chế:

Nitrat hoá/ Denitrat hoá nhờ vi sinh vật (cơ chế chính)

Sự bay hơi của amoniac

Sự hấp thụ của thực vật

Hình 1.9 Sơ đồ chuyển đổi nito trong bãi lọc trồng cây kiến tạo [8]

* Sự chuyển hoá nitơ xảy ra trong các tầng oxy hoá và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất Nitơ hữu cơ bị oxy hóa thành NH4 + trong cả hai lớp tầng đất: lớp oxy hóa và lớp khử Lớp oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4 + chuyển hóa thành NO2 - bởi vi khuẩn Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3 - bởi vi khuẩn Nitrobacter Ở môi trường nhiệt độ cao hơn, một số NH4 + chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong tầng khử sẽ bị giảm đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán

* Đối với bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước Nhờ quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng hiếu khí, tại đây NH4 + bị oxy hóa thành NO3 - Phần NO3 - không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng

NH4 + trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4 + từ vùng thiếu khí khuếch tán vào Sau quá trình xử lý phần dư của N sẽ được đi ra ngoài cùng nước

Hình 1.10 Vòng tuần hoàn Nitơ trong bãi lọc trồng cây kiến tạo [12]

+ Phản ứng tổng quát của quá trình nitrat hóa như sau:

1/2O2 + NO2 - → NO - 3 + Một số vi sinh vật tham gia vào quá trình nitat hóa: Nitrosomonas, Nitrobacter

* Quá trình Denitrat hóa: Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxi khỏi nitrat, nitrit dưới tác dụng của các vi khuẩn kị khí Oxy được tách ra từ nitrat, nitrit được dùng lại để oxy hóa các hợp chất hữu cơ Sản phẩm cuối cùng của các hợp chất nitơ sau quá trình khử nitrat xảy ra hoàn toàn là giải phóng nito tự do vào khí quyển

Quá trình khử nitrat được thực hiện trong điều kiện yếm khí Để khử được nitrat, vi sinh vật cần có chất khử, chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc các chất vô cơ: H2, S 2- ,

Tổng quan về mô hình

1.4.1 Tìm hiểu chung về mô hình

Mô hình (Model) đối tượng (dạng sơ đồ, công thức) mà con người xây dựng thay thế 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 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

Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với các quá trình xẩy 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 Thực tế, chỉ xây dựng được các mô hình gần đúng với thực tế mà thôi, vì trong quá trình xây dựng mô hình bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp Ngày này, với sự trợ giúp của máy tính điện tử cho phép phát triển các phương pháp mô hình, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn và xử lý thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác; có thể xây dựng được mô hình càng gần với thực tế

So với phương pháp truyền thống, ưu điểm của mô hình hóa là:

• Trong một số trường hợp, nghiên cứu trên hệ thống thực có giá thành quá đắt/ thời gian nghiên cứu quá dài/ ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết bị

• Mô hình hóa với sự trợ giúp của máy tính điện tử, giúp việc xử lý dữ liệu trong thời gian ngắn, bộ dữ liệu lớn với độ chính xác cao

• Có thể kết hợp nhiều mô hình con tạo thành một mô hình lớn, hoặc xây dựng mô hình dựa trên việc kế thừa và phát triển các nghiên cứu mô hình trước đó

• Sử dụng các mô hình thuận tiện cho công tác quản lý; cho phép đánh giá độ nhạy phục vụ tối ưu hóa trong vận hành

• 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, …

1.4.2 Mô hình hoá trong nghiên cứu môi trường

Mô hình là những công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học Một mặt, các nhà khoa học thường dùng các mô hình vật lý để thực hiện thí nghiệm bên ngoài (situ) hay trong phòng thí nghiệm để hạn chế sự xáo trộn từ tiến trình không liên quan đến việc nghiên cứu Bên cạnh đó, mô hình toán học đang được áp dụng rộng rãi trong khoa học

Về bản chất, mô hình môi trường thì không khác so với các mô hình khoa học khác, thậm chí không phức tạp như nhiều mô hình sử dụng trong vật lý hạt nhân trong những thập niên qua Việc ứng dụng mô hình cho phép khảo sát được thành phần và tác động trong một hệ phức tạp, như hệ sinh thái Các tính chất của một hệ sinh thái như là một hệ thống không thể được phản ánh nếu không sử dụng mô hình của hệ thống hoàn toàn

Do đó, không có gì ngạc nhiên khi các mô hình môi trường đã được sử dụng ngày càng nhiều trong sinh thái học nói riêng và môi trường nói chung, như một công cụ để hiểu về tính chất của hệ sinh thái Ứng dụng này đã phản ánh rõ ràng những thuận lợi của mô hình như là công cụ hữu dụng trong môi trường môi trường; nó có thể tóm tắt theo những điểm dưới đây:

1) Mô hình là những công cụ hữu ích trong khảo sát các hệ thống phức tạp 2) Mô hình có thể được dùng để phản ánh các đặc tính của hệ sinh thái

3) Mô hình phản ánh các lỗ hổng về kiến thức và do đó có thể được dùng để thiết lập nghiên cứu ưu tiên

4) Mô hình là hữu ích trong việc kiểm tra các giả thiết khoa học, vì mô hình có thể mô phỏng các tác động bên trong của hệ sinh thái, dùng nó để so sánh với các quan sát

1.4.3 Các thành phần trong quá trình mô hình hoá môi trường

Trong quá trình mô hình hóa môi trường có 5 thành phần trực tiếp tham gia: biến trạng thái (state variables), hàm điều khiển (forcing function) và biến ngoại sinh (exogerous variables), các phương trình toán học (mathematical equations), các tham số (parameters), các hằng số (universal constants)

1 Biến trạng thái, giống như tên gọi của nó, mô tả tình trạng của hệ sinh thái Việc lựa chọn biến trạng thái cho cấu trúc của mô hình là rất quan trọng và phụ thuộc vào mục tiêu Ví dụ, nếu chúng ta muốn mô hình hóa sự tích lũy sinh học của độc chất, khi đó cần lấy các biến trạng thái là các sinh vật trong các chuỗi thức ăn quan trọng và nồng độ các chất độc trong cơ thể sinh vật Trong mô hình phú dưỡng biến trạng thái sẽ là nồng độ các chất dinh dưỡng và phiêu sinh thực vật

2 Hàm điều khiển (hoặc biến ngoại sinh) là hàm số của các biến đặc tính bên ngoài có thể được trình bày lại như sau: nếu với các hàm điều khiển bất kỳ khác nhau thì tình trạng của hệ sinh thái sẽ bị ảnh hưởng như thế nào? Mô hình được sử dụng nhằm dự đoán cái gì sẽ thay đổi trong hệ sinh thái khi hàm điều khiển thay đổi theo thời gian Nếu hàm điều khiển nằm trong tầm kiểm soát thì được gọi là hàm kiểm soát Ví dụ, trong các mô hình độc học sinh thái, các hàm kiểm soát là các chất độc đầu vào hệ sinh thái Trong mô hình phú dưỡng thì hàm kiểm soát là các chất dinh dưỡng đầu vào Những hàm điều khiển khác cần chú ý là các biến khí hậu có ảnh hưởng đến thành phần hữu sinh và vô sinh cũng như đến tỷ lệ các quá trình xảy ra trong một hệ sinh thái Đây là hàm điều khiển nhưng không phải là các hàm kiểm soát

3 Phương trình toán được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh học, hóa học và vật lý Chúng mô tả mối quan hệ giữa hàm điều khiển và biến trạng thái Cùng một quá trình có thể có tìm thấy trong nhiều ngữ cảnh môi trường khác nhau, điều này có nghĩa là cùng một phương trình có thể được sử dụng trong nhiều mô hình khác nhau Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là cùng một quá trình sẽ luôn luôn được biểu diễn bằng cùng một phương trình Trước tiên, quá trình đang xét có thể được mô tả tốt hơn khi sử dụng phương trình toán có lưu ý tới ảnh hưởng một nhóm nhân tố cụ thể Thứ hai, mức độ chi tiết cần phải có trong mô hình có thể là khác nhau trong các trường hợp khác nhau, điều này phụ thuộc vào sự khác biệt về tính phức tạp của hệ thống hay của bài toán

Một số mô hình mô phỏng trên thế giới

1.1 Mô hình bãi lọc trồng cây kiến tạo bậc 1 (CWM1)

CWM1 là một mô hình động học sinh học dựa trên dòng ASM và mô hình phân hủy kỵ khí (ADM) cho các quá trình kỵ khí, để mô tả quá trình biến đổi và phân hủy sinh hóa của chất hữu cơ, nitơ và lưu huỳnh trong CWs dòng chảy dưới bề mặt (Henze, 2000) Các các thành phần của CWM1 và ảnh hưởng của thảm thực vật cũng như động học của quá trình và ma trận cân bằng hóa học của CWM1 được trình bày trong Bảng 1 (Langergraber et al 2009, Rousseau, 2004)

Các thông số mặc định của phần mềm SubWet 2.0 với khí hậu ấm áp được thể hiện ở bảng 1.3

Bảng 1.3.Các thông số của mô hình SubWet 2.0 ở khí hậu nhiệt đới [11]

Thông số Mô tả Khoảng giá trị

Hệ số tốc độ amon hóa 0,05-2

NC Hệ số tốc độ nitrat hóa 0,1- 2,5 0,8 (1/ngày)

OC Hệ số tốc độ oxy hóa cho chất hữu cơ

DC Hệ số tốc độ khử Nitơ 0,00-5 2,2 (1/ngày)

TA Hệ số nhiệt độ amon hóa 1,02-1,06 1,04

TN Hệ số nhiệt độ nitrat hóa 1,02-1,09 1,047

TO Hệ số nhiệt độ oxy hóa cho chất hữu cơ

TD Hệ số nhiệt độ khử Nitơ 1,05-1,12 1,09

KO Hằng số Michaelis-Menten cho sự ảnh hưởng của oxy trên tốc độ nitrat hóa

OO Hằng số Michaelis-Menten cho sự ảnh hưởng của oxy trên chất hữu cơ

MA Hằng số Michaelis-Menten cho quá trình nitrat hóa

MN Hằng số Michaelis-Menten cho quá trình khử Nitơ

PA Hệ số hấp thụ amoni 0,00-1 0,01 (1/ngày)

PN Hệ số hấp thụ nitrat 0,00-1 0,01 (l/ngày)

PP Hệ số hấp thụ photpho 0,00-1 0,03 (1/ngày)

AF Khả năng nhả hấp thụ photpho 0-100 1 Ở bảng trên, một số thông số gồm thông số có ảnh hưởng hoặc là không đo được hoặc không được biết đến, thường chấp nhận với sai số so với giá trị thực tế đo được trong quá trình lấy mẫu và phân tích từ 10-12% Do đó độ lệch dự kiến để so sánh giữa giá trị đo và các giá trị trong mô hình mô phỏng có thể nằm trong khoảng 15-20%

Kết quả mô phỏng có giá trị khoảng 80% so với giá trị đo thực tế được xem là hợp lý Tuy nhiên, phần mềm mô phỏng SubWet có thể được hiệu chỉnh với điều kiện của bãi lọc trồng cây cụ thể bằng cách thay đổi các thông số, hệ số trong SubWet Các hệ số mặc định trong các giá trị tham số trong SubWet là kết quả nghiên cứu dựa trên mức trung bình của 09 bãi lọc trồng cây kiến tạo ở vùng khí hậu nhiệt đới thuộc Cộng hòa Tanzania thuộc Đông Phi

1.5.1.2 Các phương trình động học

• Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ

INOO -A = AOX/ (AOX+OO); tương tự với các hộp B, C, D, E

• Quá trình hấp thụ của thực vật

• Công thức hấp phụ của vật liệu lọc (POAD)

AC, NC, OC, DC: Các hệ số tốc độ phản ứng;

TA, TN, TO, TD: Các hệ số nhiệt độ

Mô hình SET-WET đã được xây dựng để thiết kế và đánh giá các vùng bãi lọc trồng cây kiến tạo được xây dựng để tối ưu hóa các biện pháp kiểm soát ô nhiễm không có nguồn gốc (NPS) Mô hình này mô phỏng khí hydrologic, nitơ, cacbon, oxy hoà tan, vi khuẩn, chu trình thực vật, photpho và trầm tích của hệ thống đầm lầy SET-WET mô hình hoá cả mặt nước tự do (FWS) và các vùng đầm lầy bề mặt dưới đất (SSF), được thiết kế theo kiểu mô đun giúp người sử dụng linh hoạt trong việc quyết định các chu trình và quy trình nào để mô hình hóa SET-WET khác với nhiều mô hình bãi lọc trồng cây kiến tạo đang sử dụng phương pháp tiếp cận của hệ thống và hạn chế các giả định về tương tác của các chu trình dinh dưỡng khác nhau trong hệ thống bãi lọc trồng cây kiến tạo Chu trình dinh dưỡng tương tác carbon và nitơ, cũng như ảnh hưởng của mức oxy lên sự phát triển của vi sinh vật Chu trình dinh dưỡng cũng liên quan trực tiếp đến sự tăng trưởng và tử vong của vi sinh vật đối với việc tiêu thụ và biến đổi các chất dinh dưỡng trong hệ thống đầm lầy a) Mô hình thực vật

Có hai thành phần cho tiểu mô hình thực vật, BIOMASST và STANDDT Tổng khối lượng sinh khối thực vật sống trong hệ thống đầm lầy được định nghĩa là BIOMASST, trong khi STANNDT đề cập đến các bộ phận trên mặt đất chết trước khi chúng có cơ hội rơi xuống mặt đất và trở thành rác

Tổng khối lượng sinh khối thực vật trong hệ thống được xác định bởi:

BIOMASST 𝐽 = BIOMASST 𝐽−1 + (BIOMGROW 𝐽 - BIOMDTH 𝐽 -BIOMOUT 𝐽 )*dt Trong đó:

BIOMASST: Lượng sinh khối thực vật sống trong bãi (g sinh khối);

BIOMGROW: Số lượng thực vật tăng trưởng trong bãi(sinh khối /ngày);

BIOMDTH: Lượng sinh khối chết trong bãi (sinh khối/ngày);

BIOMOUT: Lượng chất thải sinh khối từ bãi (g sinh khối/ngày);

J : Số thời gian (ngày bắt đầu từ mùa); dt: Khoảng thời gian hàng ngày (ngày)

Số sinh khối thực vật chết trong bãi được tính bằng:

STANDDT 𝐽 = STANDDT 𝐽−1 + (BIOMDTH 𝐽 + PHYDEG 𝐽 -SDEADOUT 𝐽 )* dt Trong đó:

STANDDT: Lượng sinh khối chết ở bãi lọc trồng cây (g sinh khối); PHYDSEG: Lượng sinh khối mất đi từ sự chết của thực vật (g sinh khối/ ngày);

SDEADOUT: Số lượng chết trong bãi (sinh khối/ngày) b) Mô hình cacbon

BIOMASS : Tổng sinh khối Cacbon (g C)

BIOCCONT: Phần Cacbon trong thực vật (g sinh khối C/g)

+ POC (X): Hàm lượng POC trong thể tích nước (g);

+PBODIN: BOD trong dòng chảy vào (g/ngày);

+MICROD (X): Khối lượng tế bào vi khuẩn đã chết (g/ngày);

+PEATCAC (X): Sự tích tụ các chất rắn từ nước thải (g/ngày);

+POCMINI (X): Sự chuyển đổi POC thành sinh khối vi sinh vật và

+POCSET: Lượng POC bị lắng cặn từ POCW (g/ngày);

+POCRE: Lượng POC bị tái lơ lửng từ POCB (g/ngày);

+POCOUT Lượng POC trong dòng thải ra (g/ngày)

+PHYSDEGC: Phần chuyển hoá của thực vâth chết thành POC (g/ngày)

+DOC (X): Lượng DOC trong thể tích nước (g);

+SOBODIN: BOD hòa tan trong dòng vào (g/ngày);

+DOCOUT: DOC trong dòng thải ra (g/ngày);

+DOCMINI (X): Phần chuyển đổi DOC thành sinh khối vi sinh và

+DOCLEACH: Sự DOC được tạo ra từ thực vật chết (g/ngày);

Tải lượng BOD dạng hạt được xác định như sau:

PBODIN: Tải lượng BOD của các chất thải bổ sung (g C/ngày);

BODPFRAC: Tỷ phần C dạng hạt trong BOD(phần gBOD 5 /g tổng BOD 5 );

BODCFRAC: Tỷ phần Cacbon trong BOD (g C/gBOD 5 );

BODINFCO: Nồng độ BOD 5 trong dòng vào(mg BOD 5 /l);

WATINPUT: Thể tích dòng chảy vào (m 3 );

APFLOW: Lượng đóng góp của dòng chảy điểm (m 3 );

BODCONC: Nồng độ BOD 5 trong nguồn điểm (mg BOD 5 /l) BOD năm ngày được chuyển thành BOD cuối cùng khi giả định k = 0,25 Đối với đất ngập nước SSF, việc loại bỏ các phần tử dạng hạt như PON và POC được giả định là 100% Việc đơn giản hóa này là cần thiết vì không có mô hình cơ học nào có thể ước tính được khả năng loại bỏ hạt trong các lớp nền xốp

DON xâm nhập vào đầm lầy thông qua dòng chảy lưu vực, dòng chảy nguồn điểm, thẩm thấu và sự lắng đọng khí quyển (khô và ướt):

+DONIN: DON vào vùng đất ngập nước (g N/ngày);

+ONPARTF: Phần Nito hữu cơ ở dạng hạt (g PON/g TON);

+ORGNINC: Nồng độ Nitơ hữu cơ dòng vào (mg ON-N/L);

+ DONCONC: Nồng độ Nitơ hữu cơ từ các nguồn điểm (mg ON-N/L)

DONIM = DON/ (TON + NH4) ∗ MICRONC ∗ HTGROW

(Khi TOC/TON > MICTCN) DONIM = DOC/TOC ∗ (MICRONC ∗ HTGROW − HTNH4IM)

PONIM = PON/(TON + NH4) ∗ MICRONC ∗ HTGROW

(Khi TOC/TON > MICTCN) PONIM = POC/TOC ∗ (MICRONC ∗ HTGROW − HTNH4IM)

(Khi TOC/TON < MICTCN) HTNH4IM = MICRONC ∗ HTGROW ∗ NH4 / (TON + NH4)

DONAM = 0 (Khi TOC/TON > MICTCN or DOC < 0.1) DONAM = DOC/TOC ∗ HTGROW/HTYIELD

∗ DON/DOC – DONIM (Khi TOC/TON < MICTCN)

PONAM = 0 (Khi TOC/TON > MICTCN or POC < 0.1) PONAM = POC/TOC ∗ HTGROW/HTYIELD ∗ PON/POC

−POC/TOC ∗ (MICRONC ∗ HTGROW − HTNH4IM)

(Khi TOC/TON < MICTCN) Trong đó:

+ DONIM: Lượng DON cố định (g N/ngày);

+ DONAM: Lượng DON bị amoni hoá (g N/ngày);

+MICRONC: Hàm lượng vi sinh vật Nito (vi khuẩn g/g);

+HTGROW: Tốc độ tăng trưởng của sinh vật dị dưỡng (HT)

+HTYIELD: Năng suất của vi khuẩn HT (gam vi khuẩn /gam C suy thoái); + HTNH4IM: 𝑁𝐻 4 + được sử dụng bởi vi khuẩn HT trong quá trình phân hủy chất hữu cơ (g NH4+-N)

+ PONIM: Lương PON cố định (g N/ngày);

PONAM: Lượng PON amoni hoá (g N/ngày) d) Mô hình Photpho

• P hòa tan trong nước mặt

• P hoà tan trong nước/bùn

• Một phần P trong nước mặt

+DTPHOSW: Tổng P hòa tan trong nước mặt (g P);

+DTPHOSB: Tổng số P hòa tan trong đáy bãi (g P); +PPHOS: Hàm lượng P dạng hạt trong nước mặt (g P);

+BTPHOS: Hàm lượng P dạng hạt ở đáy đất ngập nước (g P);

+DISPHOSI: Lượng P hòa tan có ảnh hưởng (g P/ngày); +PMINPPT: Lượng P khoáng hoá từ trong bãi (g P/ngày); +MASSTP: Lượng sinh khối chuyển thành P hoà tan (g P/ngày); +DPHOSOUT: Lượng P hoà tan trong nước thải (g P/ngày); +PRMINBPT: Lượng Photpho tái khoáng hoá ở đáy (g P/ngày);

+PPHOSRES: Tái sinh của hạt P từ dưới đáy (g P/ngày); +PPHOSOUT: Lượng Photpho dạng hạt ở dòng chảy ra (g P/ngày);

+ PPHOSSET: Lượng P dạng hạt lắng xuống từ bề mặt (g P/ngày); +DEADPHOS: Lượng P sinh ra từ thực vật chết (g P/ngày).

THIẾT LẬP MÔ HÌNH

Mục tiêu nghiên cứu

Thiết lập mô hình số phục vụ tính toán, mô phỏng một số quá trình sinh học trong bãi lọc trồng cây kiến tạo ứng dụng xử lý nước rỉ rác.

Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan: Xây dựng mô hình cấu trúc ma trận tác động tương hỗ và ma trận hệ số tỷ lượng

+ Xây dựng các phương trình toán, biểu thị sự tham gia của các cấu tử và các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong bãi lọc trồng cây

+ Giải số các phương trình và thiết lập các code số

- Phân tích độ nhạy, hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, ứng dụng mô hình để tính toán.

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở kế thừa các phương pháp nghiên cứu mô hình hóa đã được ứng dụng và áp dụng các phương pháp mới, thống kê được một số phương pháp như:

• Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả của các công trình nghiên cứu, kinh nghiệm của các chuyên gia trong và ngoài nước, kế thừa các thuật toán đã được chứng minh

• Phương pháp phân loại hệ thống hóa lý thuyết: sắp xếp các tài liệu khoa học theo từng mặt, từng đơn vị, từng vấn đề có cùng dấu hiệu bản chất, cùng một hướng phát triển sau đó hệ thống hóa chúng thành một hệ thống trên cơ sở một mô hình lý thuyết giúp cho sự hiểu biết về đối tượng đầy đủ hơn

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: tìm hiểu và phân tích các tài liệu lý thuyết để từ đó tìm ra thêm các hướng đi cho vấn đề, sau đó tổng hợp các thông tin phân tích được và từ đó chọn ra hướng đi tối ưu nhất cho vấn đề hiện tại

• Phương pháp mô hình hóa: sử dụng các phương trình toán, phương trình vi phân vào để mô tả cá quá trình chuyển hóa các thành phần trong mô hình.

Các thành phần cấu tử tham gia vào quá trình xử lý

➢ Các cấu tử hoà tan S:

2 SF [M(COD).L -3 ]: Chất hữu cơ lên men hoà tan dễ phân huỷ sinh học Phần chất hữu cơ này (được tạo ra từ quá trình thủy phân) được sử dụng trong quá trình phân hủy sinh học bởi vi khuẩn dị dưỡng và lên men

3 SA [M(COD).L -3 ]: Sản phẩm lên men Để đơn giản hoá, tất cả các sản phẩm lên men được coi là axetat Sự tiêu thụ SA xảy ra bởi sự phát triển hiếu khí và thiếu khí của vi khuẩn dị dưỡng cũng như sự phát triển kỵ khí của vi khuẩn axetotrophic

4 SI [M(COD).L -3 ]: Chất hưu cơ hòa tan trơ SI không thể bị suy giảm thêm trong quá trình xử lý SI là một phần của chất hữu cơ đầu vào và có thể được tạo ra từ quá trình thủy phân

5 SNH [M(N).L -3 ]: Nitơ amoni và amoniac (NH4 +-N và NH3-N) SNH được giả định là tất cả NH4 +-N Vì nitơ hữu cơ được mô hình là một phần của COD, SNH được tạo ra do sự phân hủy chất hữu cơ SNH được biến đổi bởi quá trình nitrat hóa và có thể được đồng hóa trong quá trình tăng trưởng sinh khối

6 SNO [M(N).L -3 ]: Nitrat và nitrit nitơ (NO3 N và NO2 N) SNO được giả định bao gồm tất cả nitrit nitrit và nitrat nitơ vì nitrit không được bao gồm dưới dạng thành phần mô hình riêng biệt Đối với các phép tính phân tích, SNO chỉ được coi là

NO3 N SNO được tạo ra từ quá trình nitrat hóa và được tiêu thụ bởi quá trình khử nitơ và quá trình oxy hóa sunfua thiếu khí

7 SSO4 [M(S).L -3 ]: Lưu huỳnh sunfat SSO4 được biểu thị dưới dạng lưu huỳnh Vi khuẩn khử sunfat sử dụng SSO4 làm chất nhận electron để oxy hóa SA SSO4 được tạo ra từ quá trình oxy hóa sunfua hiếu khí và thiếu khí

8 SH2S [M(S).L -3 ]: H2S SH2S được tạo ra bằng cách khử SSO4 như được mô tả trong thành phần 7 và được chuyển đổi trở lại thành SSO4 bởi các chất oxy hóa sulphide như Thiobacillus Ở nồng độ cao hơn SH2S có thể gây độc cho vi sinh vật

➢ Các cấu tử dạng hạt X:

9 XS [M(COD).L -3 ]: CHC dạng hạt phân hủy sinh học chậm XS đại diện cho các chất hữu cơ phải trải qua quá trình thủy phân bên ngoài tế bào trước khi chúng có sẵn để phân hủy Khi vi khuẩn chết, các phần có thể phân hủy sinh học trong tế bào của chúng được thêm vào lượng XS Sự suy giảm XS xảy ra thông qua quá trình thủy phân bởi vi khuẩn dị dưỡng

10 XI [M(COD).L -3 ]: CHC dạng hạt trơ Phần hữu cơ dạng hạt này không bị phân huỷ trong hệ thống

11 XH [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn dị dưỡng Chúng được giả định là các sinh vật dị dưỡng chịu trách nhiệm thủy phân, khoáng hóa chất hữu cơ (sinh trưởng hiếu khí) và khử nitơ (sinh trưởng thiếu khí)

12 XA [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng Các sinh vật nitrat hóa chịu trách nhiệm cho quá trình nitrat hóa

13 XFB [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn lên men Trong điều kiện yếm khí, vi khuẩn lên men tiêu thụ SF và tạo ra SA

14 XAMD [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn axetotrophic Các vi khuẩn phát triển trong điều kiện yếm khí, tiêu thụ axetat SA và tạo ra khí mêtan

15 XASRB [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn khử sunfat axetotrophic Vi khuẩn khử sunfat sử dụng SSO4 để oxy hóa axetat SA và tạo ra SH2S

16 XSOB [M(COD).L -3 ]: Vi khuẩn oxy hóa sulphide Vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh là các sinh vật hóa trị sử dụng oxy SO hoặc nitrat SNO để oxy hóa SH2S thành sunfat

Các quá trình xảy ra trong hệ thống xử lý

1 Thủy phân chất hữu cơ phân hủy sinh học chậm XS thành chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học SF, với một phần nhỏ được chuyển thành chất hữu cơ trơ SI

2 Sinh trưởng hiếu khí của VK dị dưỡng bằng CHC dễ phân huỷ sinh học

3 Sinh trưởng hiếu khí của VK dị dưỡng bằng CHC lên men

4 Sinh trưởng thiếu khí của VK dị dưỡng bằng CHC dễ phân huỷ sinh học

5 Sinh trưởng thiếu khí của VK dị dưỡng bằng CHC lên men

6 Sự phân rã của VK tự dưỡng

7 Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn nitrat hóa

8 Sự phân rã của VK nitrat hóa

9 Sự phát triển của vi khuẩn lên men

10 Sự phân rã của vi khuẩn lên men

11 Sự phát triển của vi khuẩn yếm khí

12 Sự phân rã của vi khuẩn yếm khí

13 Sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat

14 Sự phân rã của vi khuẩn khử sunfat

15 Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn oxy hóa sulfua

16 Tăng trưởng thiếu khí của VK oxy hóa sulfua bằng H2S

17 Sự phân rã của VK oxy hóa sulfua

Mô hình cấu trúc

Trên cơ sở đánh giá tác động tương hỗ của các cấu tử tham gia vào các quá trình trên, mô hình cấu trúc được thành lập như sau:

Hình 2.1 Mô hình cấu trúc [11]

Xây dựng ma trận hệ số tỉ lượng và xác định các thông số mô hình

Ma trận này có dạng: T = t [i,j]

Trong đó: j - số quá trình (j = 1 - 17) i - số cấu tử (i = 1 - 16)

Bảng 2.1 Ma trận hệ số tỉ lượng [11]

1 Thủy phân 1 − f Hyd,SI f Hyd,SI v 5,1 −1

Sinh trưởng hiếu khí của VK dị dưỡng bằng

CHC dễ phân huỷ sinh học

Sinh trưởng thiếu khí của VK dị dưỡng bằng

CHC dễ phân huỷ sinh học

Sinh trưởng hiếu khí của VK

Sinh trưởng thiếu khí của VK dị dưỡng bằng

VK tự dưỡng f BM,SF v 5,6 v 9,Lysis f BM,XI −1

Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn nitrat hoá

VK nitrat hoá f BM,SF v 5,8 v 9,Lysis f BM,XI −1

Sự phát triển của vi khuẩn lên men

Sự phân rã của vi khuẩn lên men f BM,SF v 5,10 v 9,Lysis f BM,XI −1

Sự phát triển của vi khuẩn yếm khí

Sự phân rã của vi khuẩn yếm khí f BM,SF v 5,12 v 9,Lysis f BM,XI −1

Sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat

Sự phân rã của vi khuẩn khử sunfat f BM,SF v 5,14 v 9,Lysis f BM,XI −1

Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn oxy hóa sunfua

Tăng trưởng thiếu khí của VK oxy hóa sulfua bằng

VK oxy hóa f BM,SF v 5,17 v 9,Lysis f BM,XI −1

Trong đó: v 9,Lysis = 1 − f BM,SF − f BM,XI v 5,1 = i N,XS − (1 − f HYD,SI ) × i N,SF − f HYD,SI × i N,SI v 5,2 = v 5,3 =i N,SF

Y H − i N,BM v 5,4 = v 5,5 = v 5,11 = v 5,13 = v 5,15 = v 5,16 = −i N,BM v 5,6 = v 5,8 = v 5,10 = v 5,12 = v 5,14 = v 5,17 = i N,BM − f BM,SF × i N,SF − (1 − f BM,SF − f BM,XI ) × i N,XS − f BM,XI × i N,XI v 5,7 = −i N,BM − 1

Bảng 2.2 Tốc độ xử lý của các quá trình [13]

Sinh trưởng hiếu khí của

VK dị dưỡng trên CHC dễ phân huỷ sinh học μ H × ( S F

Sinh trưởng thiếu khí của

VK dị dưỡng bằng CHC dễ phân huỷ sinh học n g × μ H × ( S F

Sinh trưởng hiếu khí của

VK dị dưỡng bằng CHC lên men μ H × ( S A

Sinh trưởng thiếu khí của

VK dị dưỡng bằng CHC lên men n g × μ H × ( S A

Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn nitrat hoá μ A × ( S NH

Sự phát triển của vi khuẩn lên men μ FB × ( S F

Sự phân rã của vi khuẩn lên men b FB × X FB

Sự phát triển của vi khuẩn yếm khí μ AMB × ( S A

Sự phân rã của vi khuẩn yếm khí b AMB × X AMB

Sự phát triển của vi khuẩn khử sunfat μ ASRB × ( S A

Sự phân rã của vi khuẩn khử sunfat b ASRB × X ASRB

Sinh trưởng hiếu khí của vi khuẩn oxy hóa sunfua μ SOB × ( S H2S

Tăng trưởng thiếu khí của

VK oxy hóa sulfua bằng

VK oxy hóa sunfua b SOB × X SOB

Trong Bảng 2.2, các biểu thức động học của mô hình CWM1 biểu diễn cho 17 quá trình Quá trình phân huỷ được mô hình hóa bằng cách sử dụng tỷ lệ phân rã bậc nhất

Sử dụng Bảng 2.1 và Bảng 2.2, tốc độ phản ứng r j cho thành phần tôi có thể được tính là: r i = ∑ v i,j × ρ j i=1÷16 j=1÷17

Trong đó: r i : Tốc độ phản ứng của cấu tử dạng hạt i v i,j : Ma trận hệ số tỷ lượng ρ j : Tốc độ xử lý

F : Thành phần CHC lên men dễ phân huỷ sinh học

NO : Thành phần nitrat nitrit

➢ Tốc độ phản ứng r i của các cấu tử:

Y SOB ) × ρ 15 + Với SF: r 2 = (1 − f Hyd,SI ) × ρ 1 − 1

Y ASRB ) × ρ 13 + Với SI: r 4 = f Hyd,SI × ρ 1

+ Với SNH: r 5 = [i N,XS − (1 − f HYD,SI ) × i N,SF − f HYD,SI × i N,SI ] × ρ 1

− i N,BM × (ρ 4 + ρ 5 + ρ 11 + ρ 13 + ρ 15 + ρ 16 ) + (i N,BM − f BM,SF × i N,SF − (1 − f BM,SF − f BM,XI ) × i N,XS

Y SOB ) × (ρ 15 + ρ 16 ) + Với XS: r 9 = (1 − f BM,SF − f BM,XI ) × (ρ 6 + ρ 8 + ρ 10 + ρ 12 + ρ 14 + ρ 17 ) + Với XI: r 10 = f BM,XI × (ρ 6 + ρ 8 + ρ 10 + ρ 12 + ρ 14 + ρ 17 ) + Với XH: r 11 = ρ 2 + ρ 3 + ρ 4 + ρ 5 − ρ 6 + Với XA: r 12 = ρ 7 − ρ 8 + Với XFB: r 13 = ρ 9 − ρ 10 + Với XAMB: r 14 = ρ 11 − ρ 12 + Với XASRB: r 15 = ρ 13 − ρ 14 + Với XSOB: r 16 = ρ 15 + ρ 16 − ρ 17

Phương trình mô phỏng trong bãi lọc trồng cây

Phương trình cân bằng vật chất trong bể có dạng [15]:

C i : Nồng độ đầu vào (mg/l);

C : Nồng độ đầu ra (mg/l);

V: Thể tích phản ứng (m 3 ); r c : Tốc độ phản ứng (g/m 2 d);

Từ phương trình (2.1) và phương trình tốc độ phản ứng r i , phương trình cân bằng vật chất đối với từng cấu tử trong phản ứng trở thành:

+ Với So : dS o dt =Q i S o,i − Q o So

Y SOB ) × ρ 15 + Với SF : dS F dt =Q i S F,i − Q o S F

+ Với SNH : dS NH dt =Q i S NH,i − Q o S NH

V + [i N,XS − (1 − f HYD,SI ) × i N,SF − f HYD,SI × i N,SI ] × ρ 1 + (i N,SF

− i N,BM × (ρ 4 + ρ 5 + ρ 11 + ρ 13 + ρ 15 + ρ 16 ) + (i N,BM − f BM,SF × i N,SF − (1 − f BM,SF − f BM,XI ) × i N,XS

+ Với SNO : dS No dt =Q i S NO,i − Q o S NO

+ Với SSO4 : dS SO4 dt =Q i S SO4,i − Q o S SO4

+ Với X FB : dX FB dt =Q i X FB,i − Q o X FB

+ Với X AMB : dX AMB dt =Q i X AMB,i − Q o X AMB

+ Với X ASRB : dX ASRB dt =Q i X ASRB,i − Q o X ASRB

V + ρ 13 − ρ 14 + Với X SOB : dX SOB dt =Q i X SOB,i − Q o X SOB

Phương pháp giải hệ phương trình

Để giải hệ phương trình cân bằng vật liệu, cần giải các phương trình đạo hàm đã được nêu ra, kết quả thu được từ các phương trình là thông số thành phần chất thải đầu ra sau xử lý bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm

Sử dụng phần mềm Matlab với công thứ,c ode45 – công thức giải phương trình vi phân để giải hệ phương trình

Công thức được trình bày như sau :

[t,y,te,ye,ie] = ode45(odefun,tspan,y0,options) sol = ode45( _)

Chú thích : tspan = [t0 tf], hệ phương trình vi phân y ′ = f (t, y) từ t0 đến tf với điều kiện ban đầu y0 Mỗi hàng trong mảng giải pháp y tương ứng với một giá trị được trả về trong vectơ cột t

Tất cả các bộ giải MATLAB® ODE đều có thể giải hệ phương trình dạng y ′ = f (t, y) hoặc các bài toán liên quan đến ma trận khối lượng, M (t, y) y ′ = f (t, y) Các bộ giải đều sử dụng các cú pháp tương tự Bộ giải ode23s chỉ có thể giải các bài toán với ma trận khối lượng nếu ma trận khối lượng không đổi ode15s và ode23t có thể giải quyết các vấn đề với ma trận khối lượng là số ít, được gọi là phương trình vi phân- đại số (DAEs) Chỉ định ma trận khối lượng bằng cách sử dụng tùy chọn Mass của odeset

[t,y] = ode45(odefun,tspan,y0,options), cũng sử dụng cài đặt tích hợp được xác định bởi options, là một đối số được tạo bằng hàm odeset Ví dụ, sử dụng các tùy chọn AbsTolvà RelTol để chỉ định dung sai, sai số tuyệt đối và tương đối hoặc Mass tùy chọn cung cấp ma trận khối lượng

[t,y,te,ye,ie] = ode45(odefun,tspan,y0,options) cũng tìm thấy các hàm của ( t , y ) , được gọi là các hàm sự kiện, bằng 0 Trong đầu ra, te là thời gian của sự kiện, ye là giải pháp tại thời điểm xảy ra sự kiện và ie là chỉ số của sự kiện được diễn ra Đối với mỗi hàm sự kiện, hãy chỉ định xem việc tích hợp có kết thúc ở con số 0 hay không và hướng của điểm giao nhau bằng 0 có quan trọng hay không

Thực hiện việc này bằng cách đặt thuộc 'Events'tính thành một hàm, chẳng hạn như myEventFcnhoặc @myEventFcn, và tạo một hàm tương ứng: [ value,, ] ( isterminal, ) sol = ode45( _)trả về một cấu trúc mà bạn có thể sử dụng deval để đánh giá giải pháp tại bất kỳ thời điểm nào trong khoảng thời gian [t0 tf] Bạn có thể sử dụng bất kỳ tổ hợp đối số đầu vào nào trong các cú pháp trước đó.

Phân tích độ nhạy

Trong nghiên cứu này, ở bước đầu tiên, độ nhạy cục bộ của mỗi hệ số được đưa ra cho tất cả các kết quả đầu ra được sử dụng trong mô hình, và sau đó tổng độ nhạy cục bộ đã được tính toán, cho biết mức độ nhạy cảm của mỗi hệ số trong hệ thống Thật vậy, độ nhạy cục bộ của mỗi hệ số được xác định như sau (giá trị trung bình trên cơ sở các phép đo thực nghiệm) [11]:

Trong đó: j đại diện cho hệ số điều tra và n chỉ ra đầu ra của mô hình O cal,j là giá trị tham chiếu của đầu ra n, được tính toán trên cơ sở giá trị hệ số j thu được từ bước hiệu chuẩn, O var,j là kết quả mô phỏng cho đầu ra n, sau khi thay đổi hệ số j P cal,j và

P var,j đại diện cho giá trị mặc định và giá trị tăng lên của hệ số j tương ứng, trong khi

N meas là số các phép xác định thực nghiệm

Từ P var,j = (1 + 0,1) P cal,j , phương trình độ nhạy chuyển thành:

Cuối cùng, tổng các độ nhạy cục bộ của mỗi hệ số j được suy ra từ biểu thức sau, có tính đến tất cả các độ nhạy cục bộ [14]:

Hiệu chuẩn mô hình

Hiệu chuẩn dựa trên các phép đo đầu vào và nước thải trong một loạt bể chứa và cho phép hiệu chuẩn các thông số trong quá trình hoạt động của vi khuẩn tự dưỡng, vi khuẩn dị dưỡng, quá trình khử metan và vi khuẩn

Các phần của COD hòa tan (SA và SF), Nito, Sunphur trong dòng ra của các thử nghiệm được chạy hoàn chỉnh có thể được sử dụng để hiệu chỉnh các thông số động học

Việc hiệu chuẩn mô hình đã được thực hiện theo phương pháp thử và phương pháp phương sai, bằng cách tối ưu hóa một hàm mục tiêu được xác định bởi chỉ số Nash và Sutcliffe [An internal], được mô tả bằng biểu thức sau:

E = (1 − σ σ sim 2 meas 2 ) Trong đó: σ sim 2 : là giá trị của lỗi, được định nghĩa là sự khác biệt giữa các giá trị đo được và giá trị mô phỏng ; σ meas 2 : là phương sai của các quan sát Đặc biệt, chức năng mục tiêu hiệu quả đã được tính bằng tổng của mỗi hàm biến trạng thái mô hình được tính đến và cho các phần khác nhau của hệ thống [An internal]

CHẠY MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ

Số liệu chạy mô hình trong bãi lọc trồng cây

Bảng 3.1 Các thông số đầu vào trong nghiên cứu của tác giả Sams´o và cộng sự (2013a)

Bảng 3.2 Số liệu bãi lọc trồng cây tại pilot U11 (dự án KC08.DA02/16-20, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), 4/2021

Nồng độ COD v vào Nồng độ COD ra Hiệu suất xử lý (%)

(mg/l) Hiệu suất Đầu (%) vào Đầu ra Đầu vào Đầu ra

Phân tích độ nhạy của các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý

Để thuận lợi cho việc kiểm soát và vận hành được hệ thống bãi lọc trồng cây thì cần phải nắm rõ được các điều kiện mà chúng có ảnh hưởng lớn đối với bãi lọc trồng cây Do đó, phân tích độ nhạy trong mô hình mô phỏng giúp nắm bắt được các thông số nào có ảnh hưởng lớn đến hệ thống, tìm ra sự thay đổi các thông số điều kiện đó một cách phù hợp nhất, tốt nhất đối với hệ thống Các thông số có độ nhạy cao được ưu tiên dùng để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng

Hình 3.1 Biểu đồ tổng độ nhạy cục bộ của các biến trạng thái

1.8 u SOB YSOB uA Kh YA KN H A KN H SO B uH YH iN B M KSA KSF KOA et aH KSSOB KOSOB iN XS KH 2 SA Kx iN SF KN H H KH 2 SH fB M SF bH et ag bA b SOB et aSOB KOH iN XI b FB KOFB fB M XI b ASRB b AM B u FB KN OFB YFB KSFB KN OH KN OSO B KH 2 SFB u AM B KN H FB KOASRB u ASRB KN OASR B KOAM B KN OAM B YASRB KSAS RB YAM B KSAM B KSOASRB KH 2 SAS RB KH 2 SAM B KN H ASRB KN H AM B fH YD SI iN SI

- Sau khi chạy mô hình độ nhạy, từ biểu đồ thống kê rút ra được 10 biến trạng thái ảnh hưởng nhiều nhất tới quá trình xử lý là: uSOB, YSOB, uA, Kh, YA,

KNHA, KNHSOB, uH, YH, iNBM

Bảng 3.3 Độ nhạy cục bộ của 10 thông số ảnh hưởng nhiều nhất tới quá trình uSOB YSOB uA Kh YA KNHA KNHSO

Tổng độ nhạy cục bộ

Các thông số ảnh hưởng nhiều đến COD đầu ra bao gồm: YH, KH, uH Cụ thể các biến này này ảnh hưởng đến SF, SA ( SS = SF + SA - chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học) Để đạt được COD đầu ra mong muốn, có thể hiệu chỉnh các thông số trên dựa vào biểu đồ sau:

Hình 3.2 Sơ đồ dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh các thông số ảnh hưởng tới COD

- Từ đồ thị, muốn điều chỉnh COD đầu ra giảm thì cần giảm các thông số YH, KH và tăng uH trong khoảng giá trị của nó Như vậy, khi cần đạt COD đầu ra theo mong muốn thì cần hiệu chỉnh tăng hoặc giảm các thông số trên

- Hơn nữa, thấy rằng các biến trạng thái thái ảnh hưởng nhiều nhất nhất tời COD đầu ra là các biến mô phỏng thuộc các quá trình hoạt động của vi sinh vật dị dưỡng (YH và uH) Điều này chứng tỏ rằng vi sinh vật dị dưỡng có vai trò quan trọng lớn trong các quá trình và hiệu quả xử lý nước thải

Hình 3.3 Sơ đồ dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh các thông số ảnh hưởng tới N

- Các thông số ảnh hưởng chính đến N đầu ra bao gồm: uA (tốc độ sinh tưởng tối đa cho SNH) và YA (hệ số sản lượng cho vi khuẩn tự dưỡng)

- Có thể thấy rằng các biến trạng thái thái ảnh hưởng nhiều nhất tới N đầu ra là các biến mô phỏng thuộc các quá trình hoạt động của vi sinh vật tự dưỡng, do đó cho thấy rằng vi sinh vật tự dưỡng có vai trò quan trọng lớn trong các quá trình và hiệu quả xử lý Nitơ

- Vì vậy để giảm lượng N trong đầu ra cần phải tăng giá trị uA và giảm YA =trong khoảng giá trị của nó

Hình 3.4 Sơ đồ dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh các thông số ảnh hưởng tới S

- Các thông số ảnh hưởng chính đến SO4 đầu ra bao gồm: uSOB (Tốc độ sinh tưởng tối đa cho XSOB ) và YSOB ( Hệ số sản lượng cho vi khuẩn dinh dưỡng oxy hóa sulphit )

- Các biến trạng thái ảnh hưởng nhiều nhất tới SO4 đầu ra là các biến mô phỏng thuộc các quá trình hoạt động của vi khuẩn oxy hóa sulphit, do đó cho thấy rằng vi sinh vật có vai trò quan trọng lớn trong các quá trình và hiệu quả xử lý SO4

- Vì vậy để giảm lượng SO4 trong đầu ra cần phải tăng giá trị YSOB (giá trị: 0.1 - 0.2) và giảm uSOB (giá trị: 5 - 8) trong khoảng giá trị của nó.

Kiểm nghiệm mô hình từ số liệu nước rỉ rác

➢ So sánh kết quả mô phỏng COD:

Bảng 3.4 Số liệu bãi lọc trồng cây tại pilot U11 (dự án KC08.DA02/16-20, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), 4/2021

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng COD theo thời gian và kết quả đo thực nghiệm

Hình 3.5 Kết quả COD mô phỏng trong 30 ngày và bộ số liệu thực nghiệm

- Từ kết quả mô phỏng COD theo thời gian ở hình trên thấy rằng kết quả tính toán khá phù hợp và chính xác so với kết quả thực nghiệm được đưa ra trong nghiên cứu này với sai số trong khoảng cho phép (sai số lớn nhất 16,5%) Nồng độ COD giao động trong khoảng 243,06 – 247,77 g/m 3 khá chính xác so với kết quả từ nghiên cứu là 203 – 234 g/m 3 Hiệu suất xử lý COD theo mô hình đạt 58,8%

- Nhờ vào việc hiệu chỉnh các thông số có ảnh hưởng tới COD đầu ra có thể thu được kết quả tính toán COD của mô hình phù hợp với kết quả thực nghiệm

➢ So sánh kết quả mô phỏng Nitơ:

Bảng 3.6 Số liệu bãi lọc trồng cây tại pilot U11 (dự án KC08.DA02/16-20, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội), 4/2021

Nồng độ N-NH4 vào Nồng độ N-NH4 ra Hiệu suất (%)

Kết quả mô phỏ ng

Hình 3.6 Kết quả NH4 mô phỏng theo thực nghiệm

- Sau khi chạy mô phỏng số liệu NH4, thấy kết quả chạy mô phỏng có độ phù hợp nhất định với số liệu thực nghiệm ( sai số có giá trị trong khoảng 10.16% – 14.2% )

- Nồng độ NH4 trong thực nghiệm bị ảnh hưởng bởi sự hoạt động của các vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng trong quá trình nitrat hoá Do đó ảnh hưởng tới nồng độ đầu ra của NH4

- Sau một thời gian hoạt động, khi thực vật và vi sinh phát triển mạnh, quá trình hấp thụ amoni tăng cao thì lượng amoni bắt đầu giảm mạnh và dần dần cân bằng và ổn định ở những ngày tiếp theo

Hình 3.7 Kết quả NO3 mô phỏng theo thực nghiệm

- Quá trình nitrat diễn ra nhanh, nồng độ nitrat giảm dần, cân bằng và ổn định ở những ngày tiếp theo

- Theo mô phỏng, nồng độ nitrat từ ngày đầu ở 1.46 mg/l giảm nhanh xuống xấp xỉ 0.7 mg/l, dần dần cân bằng và ổn định ở những ngày tiếp theo (trung bình ở giá trị 0.7 mg/l), hiệu suất xử lý là 52.05%

- Độ chênh lệch giữa giá trị mô phỏng và giá trị thực tế là: 16.7% nằm trong khoảng chấp nhận được (< 20%)

Kết quả mô phỏng trạng thái vận hành của bãi lọc trồng cây với các số liệu khác nhau bằng phần mềm được viết dựa trên ngôn ngữ matlab cho thấy sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực tế Độ chênh lệch giữa kết quả mô phỏng và thực tế đa số