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

49 Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC .... Xuất phát từ nhu cầu và hiện trạng công nghệ xử lý nước rỉ rác hiện n

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

Học viên

Nguyễn Văn Kiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này

là trung thực, đầy đủ, rõ nguồn gốc và chưa được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng bảo vệ luận văn, trước khoa và nhà trường về các thông tin, số liệu trong đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Tĩnh, ngày 03 tháng 11 năm 2014

Người viết cam đoan

Nguyễn Văn Kiên

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AAO Anaerobic Anoxic Oxic (Aerobic) - Yếm khí Thiếu khi Hiếu khí BOD Biochemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy sinh hoá

COD Chemical Oxygen Demand - Nhu cầu oxy hoá học

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

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket - Bể yếm khí dòng ngƣợc

TSS Total Suspended Solid - Tổng chất rắn lơ lửng

SS Suspended Solid - Chất rắn lơ lửng

TDS Total Disolved Solid - Tổng chất rắn hoà tan

VSS Vapor Suspended Solid - Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng bay hơi

DO Disolved Oxygen - Nồng độ oxy hoà tan

TKN Tổng nitơ Kjeldahl

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: TỔNG QUAN 11

1.1 NGUỒN GỐC HÌNH THÀNH VÀ TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC RỈ RÁC 11

1.1.1 Khái niệm và nguồn gốc phát sinh 11

1.1.2 Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp 11

1.1.3 Nguyên lý hình thành nước rỉ rác 14

1.1.4 Tính chất của nước rỉ rác 15

1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC ĐÃ ĐƯỢC ÁP DỤNG 17

1.2.1 Một số phương pháp cơ bản sử dụng để xử lý nước rỉ rác 17

1.2.2 Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác đã đươc áp dụng 19

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG 26

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC 26

2.1.1 Xử lý sinh học hiếu khí 26

2.1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí 32

2.1.3 Công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) 36

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC 38

2.2.1 Tìm hiểu chung về mô hình và mô phỏng 38

2.2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường 39

2.2.3 Cở lý thuyết của mô hình ứng dụng 42

2.2.4 Các phần mềm ứng dụng mô hình 47

2.2.5 Phần mềm ứng dụng Biowin 49

Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ PHÙ HỢP CỦA QUY TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 53

3.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 53

3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 53

3.1.2 Đối tượng nghiên cứu 53

3.1.3 Nội dung nghiên cứu 53

3.1.4 Ứng dụng phần mềm Biowin để lựa chọn chế độ công nghệ 58

3.2 LỰA CHỌN CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ 63

3.2.1 Lựa chọn thông số nước thải đầu vào 63

3.2.2 Lựa chọn chế độ cho công nghệ AAO 64

3.2.3 Lựa chọn chế độ cho công nghệ AAOAO-MBBR 77

3.2.4 So sánh kết quả của 2 công nghệ 89

KẾT LUẬN 90

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khoảng thời gian phân hủy của các giai đoạn [6] 12

Bảng 1.2 Tính chất nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam [16] 16

Bảng 1.3 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới tại BCL 17

Bảng 2.1 Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay 41

Bảng 2.2 Biểu thức động học của ASM2d,  rj ≥ 0 [22] 44

Bảng 2.3 Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d sử dụng trong BioWin [24] 49

Bảng 2.4 Các thông số mặc định của mô hình BioWin [23] 50

Bảng 2.5 Giá trị các thông số BioWin [23] 52

Bảng 3.1 Thành phần, tính chất của nước rác cũ và mới 53

Bảng 3.2 Nồng độ các chất sau keo tụ 54

Bảng 3.3 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 55

Bảng 3.4 Nồng độ các chất sau quá trình kết tủa hóa học 2 56

Bảng 3.5 Nồng độ chất ô nhiễm của nước rỉ rác mới sau xử lý hóa lý 63

Bảng 3.6 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi 1 64

Bảng 3.7 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α2 65

Bảng 3.8 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT1 66

Bảng 3.9 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT2 67

Bảng 3.10 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT3 68

Bảng 3.11 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi VL 69

Bảng 3.12 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO1 70

Bảng 3.13 Kết quả phần mềm khi thay đổi DO2 71

Bảng 3.14 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi T 73

Bảng 3.15 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi độ kiềm 74

Bảng 3.16 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi tỷ lệ COD:TN 75

Bảng 3.17 Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ưu của mô hình 76

Bảng 3.18 Kết quả nước thải sau xử lý với các thông số tối ưu của hệ thống 77

Bảng 3.19 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi %VĐ 77

Bảng 3.20 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α3 78

Bảng 3.21 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi α4 79

Bảng 3.22 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT4 80

Bảng 3.23 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT5 81

Bảng 3.24 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT6 82

Bảng 3.25 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT7 82

Bảng 3.26 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi HRT8 83

Bảng 3.27 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO3 84

Bảng 3.28 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO4 85

Bảng 3.29 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO5 86

Bảng 3.30 Kết quả chạy phần mềm khi thay đổi DO6 87

Bảng 3.31 Tổng hợp giá trị các thông số vận hành tối ưu của mô hình 88

Bảng 3.32 Kết quả nước thải sau xử lý với các thông số tối ưu của hệ thống 89

Bảng 3.33 Hiệu suất xử lý của 2 công nghệ sau khi tối ưu 89

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác [20] 14

Hình 1.2 Sơ đồ sự cân bằng nước rỉ rác cho 1 m3 trong lớp rỉ rác [6] 14

Hình 1.3 Công nghệ xử lí kết hợp: Yếm - hiếu khí và hồ sinh học [17] 20

Hình 1.4 Công nghệ xử lý tại bãi Nam Sơn của Viện Cơ học [17] 21

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ xử lí rác cũ của bãi Đông Thạnh [17] 22

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Đá Mài [11] 23

Hình 1.7 Công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Nam Sơn của công ty SEEN [17] 23

Hình 1.8 CNXL NRR của Trung tâm ECO và Công ty CENTEMA tại bãi Gò Cát [17] 24

Hình 2.1 Mô tả hoạt động của mô hình 40

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả LT hai lớp màng đối với QTHT oxi từ pha khí vào pha lỏng [24] 46

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ quá trình cơ - lý - hóa xử lý nước rỉ rác 55

Hình 3.2 Sơ đồ mô hình công nghệ AAO 57

Hình 3.3 Sơ đồ mô hình công nghệ AAOAO-MBBR 58

Hình 3.4 Mô hình mô phỏng quá trình xử lý sinh học công nghệ AAO 59

Hình 3.5 Chọn điều kiện nhiệt độ cho quá trình mô phỏng 59

Hình 3.6 Nhập dữ liệu đối với nước thải đầu vào mô hình 59

Hình 3.7 Điều chỉnh các thông số đặc trưng của nước thải đầu vào 60

Hình 3.8 Điều chỉnh thông số DO đối với các bể phản ứng 60

Hình 3.9 Điều chỉnh kích thước các bể phản ứng 61

Hình 3.10 Kết quả nước thải đầu ra 61

Hình 3.11 Kết quả bùn thải sau xử lý 62

Hình 3.12 Kiểm soát thông số vận hành của các bể phản ứng 62

Hình 3.13 Mô hình mô phỏng quá trình xử lý bằng công nghệ AAO-MBBR 63

Hình 3.14 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi 1 65

Hình 3.15 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi α2 66

Hình 3.16 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi HRT1 67

Hình 3.17 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi HRT2 68

Hình 3.18 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi HRT3 69

Hình 3.19 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi TL 70

Hình 3.20 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi DO1 71

Hình 3.21 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi DO2 72

Hình 3.22 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi T 73

Hình 3.23 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi độ kiềm 75

Hình 3.24 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi COD:TN 76

Hình 3.25 Thay đổi nồng độ một số chất sau khi thay đổi %VĐ 78

Hình 3.26 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α3 79

Hình 3.27 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi α4 80

Hình 3.28 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT4 81

Hình 3.29 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT5 81

Hình 3.30 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT6 82

Hình 3.31 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT7 83

Hình 3.32 Thay đổi nồng độ TN sau khi thay đổi HRT8 84

Hình 3.33 Thay đổi nồng độ Nitrat, TN sau khi thay đổi DO3 85

Hình 3.34 Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO4 86

Hình 3.35 Thay đổi nồng độ các chất sau khi thay đổi DO6 87

Hình 3.36 Biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý của 2 công nghệ 89

MỞ ĐẦU

Nước ta hiện đang trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, nền kinh

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

Không chỉ ở Việt Nam mà ở nhiều nước trên thế giới vấn đề phát sinh và xử

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

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

Nước rỉ rác hình thành từ hàm ẩm của rác, từ vật liệu phủ, do phân huỷ các chất hữu cơ cùng với nguồn nước mưa thấm ngấm Một số bãi nằm trong vùng trũng có thể có thêm lượng nước ngầm thấm vào Nước rỉ rác chứa nhiều thành phần ô nhiễm hữu cơ và vô cơ, chất rắn lơ lửng, các kim loại nặng, Tuy nhiên, hàm lượng chất ô nhiễm và khối lượng nước rỉ rác biến động rất lớn theo đặc trưng của rác thải, theo vị trí địa lý, tính chất thổ nhưỡng của bãi chôn lấp, theo thời tiết, khí hậu,

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

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

Xuất phát từ nhu cầu và hiện trạng công nghệ xử lý nước rỉ rác hiện nay, luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình lựa chọn chế độ công nghệ phù hợp của quy trình sinh học ứng dụng trong xử lý nước rỉ rác” nhằm mục đích tìm hướng đi mới trong nghiên cứu xử lý nước rỉ rác, góp phần hoàn thiện công nghệ, xây dựng

được công nghệ xử lý có hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, vận hành đơn giản và

dễ dàng áp dụng trong điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay

Hướng nghiên cứu khả thi sẽ mang lại hiệu quả trong công nghệ xử lý nước

Nội dung đề tài gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

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

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

Chương 1 TỔNG QUAN

b) Nguồn gốc phát sinh

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

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

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

 Nước mưa:

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

 Nước mặt, nước ngầm:

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

 Nước có trong vật liệu phủ:

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

1.1.2 Quá trình sinh học xẩy ra trong bãi chôn lấp

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

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

- Oxy hóa không hoàn toàn:

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

- Oxy hóa hoàn toàn:

Khi lượng oxy ở trong khối rác được sử dụng hết thì quá trình phân hủy sinh học chuyển sang giai đoạn phân hủy yếm khí theo phản ứng:

Chất hữu cơ + H2O + Vi sinh vật → Sinh khối mới + Chất hữu cơ còn lại +

CO2 + H2S + NH3 + CH4 +Q Theo các công trình đã nghiên cứu của nhiều tác giả cho thấy quá trình phân hủy các chất hữu cơ, COD, BOD, TOC cũng như các chất vô cơ (AOX, SO42-, Ca,

Fe, Mn, Zn) được chuyển hóa theo nhiều giai đoạn

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

- Phân hủy sinh học hiếu khí

- Phân hủy sinh học yếm khí tạo axit

- Phân hủy sinh học yếm khí trung gian

- Phân hủy sinh học yếm khí tạo mêtan

- Giai đoạn tạo humus

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

a) Giai đoạn 1: Phân hủy sinh học hiếu khí

Giai đoạn này có thời gian ngắn nhưng quá trình phân hủy xẩy ra rất mạnh, đến khi hàm lượng oxy trong khối rác cạn kiệt Trong giai đoạn này các VSV hiếu khí và tùy tiện có trong rác sẽ sinh trưởng phát triển và chuyển hóa các chất hữu cơ: Protein, Lipit, gluxit… thành các sản phẩm phân tử lượng nhỏ hơn như: Aminoaxit, đường, glyxerin, axit béo… sau đó oxy hóa một phần các sản phẩm này thành CO2,

H2O… Kết quả là nhiệt độ khối rác có thể lên tới 60 - 70ºC

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

- COD: 40.000 - 70.000 mg/l

- Tỉ lệ BOD/COD :0,5 - 0,7

- Độ màu từ 8.100 - 9.500 Pt-Co

- Độ kiềm, NH3 và H2S rất cao

b) Giai đoạn 2: Phân hủy yếm khí tạo axit

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

Nước rỉ rác trong giai đoạn này có giá trị COD khá cao (>10.000 mg/l) và có thể lên tới 70.000 mg/l, tỉ lệ BOD/COD > 0,7, hàm lượng NH3 500 - 1.000 mg/l và

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

Giá trị pH thấp dẫn đến khả năng hòa tan kim loại nặng tăng làm cho hàm lượng kim loại nặng trong nước rỉ rác giai đoạn này đạt cao nhất: Ca2+

có thể lên tới 2.500 mg/l; Fe 20 - 2.100 mg/l; Cr3+ 0,03 - 1,60 mg/l; Ni 0,02 - 2,05 mg/l; Zn 0,1 - 120,0 mg/l,

c) Giai đoạn 3: Phân hủy yếm khí trung gian

Khi các axit hữu cơ bị khử, pH tăng dần các vi khuẩn metan hóa hoạt động mạnh lên Hàm lượng CH4 tăng dần, trong khi đó các khí H2, CO2, các axit béo, đặc biệt các axit béo và các hợp chất cacbon phân tử lượng lớn bay hơi giảm làm cho độ axit cũng giảm đáng kể Độ pH tăng làm cho các kim ion loại như: Ca, Mn, Fe và các kim loại nặng ít hòa tan hơn

Nước rác giai đoạn này có COD còn cao: (COD = 700 - 28.000 mg/l), BOD5

đã giảm đáng kể (BOD5 = 200 - 10.000 mg/l), do đó tương tác cũng biến động

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

d) Giai đoạn 4: Phân hủy yếm khí tạo mêtan

Trong giai đoạn này hàm lượng các hợp chất hữu cơ phân tử lượng nhỏ, đặc biệt là các axit hữu cơ bị khử làm cho pH giảm mạnh, pH đạt trong khoảng 6-8, đây

là điều kiện tối ưu cho VK mêtan phát triển và hoạt động

Đặc trưng cho giai đoạn này là lượng biogas tạo thành lớn, tỷ lệ CH4 cao chiếm tới 60 - 70%

Nước rỉ rác trong giai đoạn này được đặc trưng bởi hàm lượng BOD5 rất

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

Cuối giai đoạn mêtan hóa tỉ lệ giữa các chất khó phân hủy như Xenlulo, lignin, humic,…với BOD5 tăng đáng kể Quá trình phân hủy chậm lại rõ rệt dẫn đến lượng CH4 tạo thành giảm Quá trình chuyển hóa bước sang giai đoạn “tạo mùn

(humus)”

e) Giai đoạn 5: Tạo humus

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

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

vft( volat, fat, acid)

axit béo

NH 4 +

qua lượng nước mặt tràn qua thành và đáy bãi vào bãi chôn lấp,

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

Q: Khối lượng nước rác theo tính toán (m3/ngày.đêm)

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

W2: Độ ẩm rác thải sau khi nén (%), thông thường từ 25 ÷ 50% đối với rác thải sau khi nén có tỉ trọng từ 0,7 ÷ 1 tấn/m3

1.1.4 Tính chất của nước rỉ rác

Tính chất của nước rỉ rác phụ thuộc nhiều vào thành phần của rác mang chôn lấp, điều kiện khí hậu thời tiết, thời gian chôn lấp cũng như công nghệ và quy trình vận hành Chính vì vậy, mỗi quốc gia, địa phương khác nhau đều có những đặc điểm khác nhau nên tính chất nước rỉ rác ở mỗi bãi chôn lấp cũng khác nhau

Tính chất của nước rỉ rác khác với các loại nước thải khác về cả tính chất lý- hóa - sinh học, nước rỉ rác có hàm lượng chất ô nhiễm cao đến rất cao và giảm dần

theo thời gian chôn lấp Hơn nữa nước rỉ rác có sự biến động rất lớn về thành phần chất ô nhiễm cũng như lượng nước Một số thông số đặc trưng của nước rỉ rác có hàm lượng lớn như BOD5, COD, ∑N, ∑P, các ion kim loại, độ màu và mùi

Theo các báo cáo của Trung tâm quan trắc Thành phố Hồ Chí Minh tại hai bãi rác miền Nam là Gò cát và Đông Thạnh mới đi vào hoạt động năm 2002 cho thấy: Hàm lượng các chất ô nhiễm tại hai bãi chôn lấp này là rất cao, hàm lượng COD thấp nhất là 38.533 mg/l tại bãi Đông Thạnh và cao nhất là 65.333 mg/l tại bãi

Gò Cát Ngoài ra, các thành phần khác như hàm lượng nitơ, kim loại nặng cũng cho giá trị rất cao

Hai bãi rác tại miền Bắc được khảo sát đó là bãi rác Đá Mài - Thái Nguyên

và bãi rác Nam Sơn - Hà Nội; kết quả khảo sát của Sở Tài nguyên và Môi trường hai thành phố này cho thấy; hàm lượng các chất ô nhiễm tại bãi rác Đá Mài có mức

độ ô nhiễm thấp hơn bãi rác Nam Sơn Hàm lượng COD của bãi rác Đá Mài biến động từ 1.245 - 3.900mg/l thấp hơn bãi rác Nam Sơn rất nhiều COD = 1.000 - 42.000mg/l Tuy nhiên, hàm lượng chất ô nhiễm của hai bãi rác này thấp hơn rất nhiều so với hai bãi rác tại miền Nam

Bảng 1.2 Tính chất nước rỉ rác của một số bãi chôn lấp ở Việt Nam [16] Thành phần

mg/l

Bãi rác Đá Mài

Bãi rác Nam Sơn

Bãi rác Gò Cát

Bãi rác Đông Thạnh

b) Phương pháp hóa lý

Trong xử lý nước thải các phương pháp hóa lý đuợc áp dụng khá đa dạng như: Phương pháp đông keo tụ, tuyển nổi áp lực, hấp phụ, trao đổi ion Tuy nhiên, phương pháp hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất để xử lý nước thải là phương pháp đông keo tụ Ngoài ra, các phương pháp keo tụ điện hóa, hấp phụ… cũng đã được nghiên cứu và áp dụng

Tác nhân đông keo tụ thường được sử dụng là các loại phèn (gốc kim loại

hóa trị III) Al2(SO4)3 Fe2(SO4)3, FeCl3, PAC… và một số hợp chất cao phân tử (polymer)…

Phương pháp này có hiệu quả chủ yếu để loại cặn lơ lửng và khử màu (50 - 70%), nhưng hiệu suất xử lý COD chỉ đạt 30 - 47% tùy thộc vào tác nhân keo tụ và đặc trưng của nước thải được xử lý

Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam vào công đoạn tiền xử lý nước rỉ rác, nhằm giảm bớt nồng độ chất ô nhiễm truớc khi vào các hệ thống xử lý triệt để khác

c) Phương pháp xử lý hóa học

Phương pháp hóa học là phương pháp đã đuợc ứng dụng rộng rãi vào xử lý nước thải nói chung và nước rỉ rác nói riêng Xử lý hóa học thường đuợc sử dụng chủ yếu là trung hòa và oxy hóa khử

- Phương pháp trung hòa, kết tủa: ứng dụng để xử lý các dòng thải mang tính kiềm hoặc axit cần phải đưa về pH tối ưu để thải hoặc đi vào hệ thống xử lý tiếp theo; phương pháp này còn có thể loại bỏ một số chất ô nhiễm thông qua quá trình kết tủa và lắng của một số kim loại nặng điển hình như Ca, Cr, Mn… ở các điều kiện pH khác nhau

- Phương pháp oxy hóa hóa học:

+ Các chất ôxy hóa mạnh được bổ sung trực tiếp vào nước rỉ rác để ôxy hóa các thành phần ô nhiễm có trong nước rỉ rác

+ Chất ôxy hóa có thể sử dụng trong xử lý nước thải là: ôxy không khí, H2O2, KMnO4, O3, Cl hoạt hóa, hay Fenton (kết hợp H2O2 và Fe2+) Tuy nhiên, các tác nhân được sử dụng phổ biến nhất trong xử lý nước thải là Cl hoạt hóa, KMnO4 và

H2O2 dạng Fenton

+ Khả năng ứng dụng: phương pháp này có hiệu quả xử lý khá cao tùy thuộc vào từng tác nhân ôxy hóa, có thể loại bỏ tới 70% COD, đặc biệt là các chất màu (90%) Tuy nhiên, phương pháp này có giá thành cao và khi các chất ôxy hóa dư có thể có hại cho môi trường và ảnh hưởng tới quá trình xử lý sinh học tiếp theo (nếu có) Ngoài ra, việc ôxy hóa có thể tạo ra nhiều sản phẩm khác nhau hòa tan trong nước nên rất khó kiểm soát

d) Một số phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học được ứng dụng rất rộng rãi trong xử lý nước thải giàu chất hữu cơ trong đó có nước rỉ rác Đây là phương pháp xử lý có hiệu quả cao, chi phí vận hành thấp và thân thiện với môi trường Tùy thuộc vào phương thức hô hấp của vi sinh vật được sử dụng trong công nghệ người ta phân biệt hai dạng chính:

- Xử lý sinh học hiếu khí

- Xử lý sinh học yếm khí

Từ hai nguyên lý cơ bản trên khi ứng dụng vào thực tế đã hình thành các dạng công nghệ xử lý khác nhau như: xử lý hiếu khí bằng bể Aeorten, lọc sinh học hiếu khí, hồ hiếu khí, hay xử lý yếm khí bằng UASB, lọc yếm khí (xử lý yếm khí trên lớp vật liệu ngập nước), bể (hầm) biogas…

* Các dạng xử lý sinh học:

- Xử lí hiếu khí bằng bùn hoạt tính:

+ Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính thường được thực hiện trong

bể oxy hóa đựơc gọi là bể Aeroten Hiệu quả xử lý bằng hệ thống này rất cao có thể đạt tới > 90% tùy theo từng loại nước thải

+ Tuy nhiên, hệ thống này được khuyến cáo là không nên sử dụng trong xử

lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao COD > 2000mg/l và yêu cầu tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5

+ Khi nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm và độ màu cao như nước rỉ rác thì hệ thống này thường được thiết kế để xử lý dạng thứ cấp, như xử lý nước rỉ rác sau khi đã qua hệ thống xử lý khác như keo tụ, UASB…

+ Đối với nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải sinh hoạt ở giai đoạn đầu thường có tỷ lệ BOD5/COD cao (≥ 0,5) thì việc áp dụng hệ thống Aeroten là rất khả thi và có hiệu quả cao, đạt tới 75% với thời gian lưu là 12 giờ Ngược lại, nước rỉ rác phát sinh từ các bãi rác lâu năm, đã đóng cửa hoặc chôn lấp chất thải rắn công nghiệp với tỷ lệ BOD5/COD rất thấp (< 0,2) thì khi áp dụng hệ thống này hiệu quả

xử lý COD chỉ đạt 21 - 42%

+ Thực tế cũng cho thấy việc áp dụng hệ thống Aeroten để xử lý nước rỉ rác

có tương tác BOD/COD cao là hoàn toàn khả thi khi COD < 2.000mg/l và tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5

- Thiết bị UASB (Upflow Anarobic Sludge Blanket) Thông thường thiết bị này được áp dụng để xử lý các loại nước thải có chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao đến rất cao (COD > 3000mg/l) và thu hồi khí sinh học (biogas) Hiệu suất xử lý COD của thiết bị này có thể đạt > 75% tùy thuộc vào từng loại nước thải

Ngoài ra, còn có một số phương pháp như lọc sinh học (hiếu khí), thiết bị lọc với vật liệu lọc không ngập nước, thiết bị lọc với vật liệu lọc ngập nước, đĩa lọc sinh học, lịc yếm khí

1.2.2 Một số công nghệ xử lý nước rỉ rác đã đươc áp dụng

Nước rỉ rác là một loại nước thải khó xử lý do có hàm lượng chất ô nhiễm cao và đa dạng về thành phần cũng như luôn biến động tùy theo từng mùa, từng khu vực và từng nước khác nhau, do đó đặc trưng nước rỉ rác của mỗi bãi rác là rất khác nhau Chính vì vậy, công nghệ xử lý nước rỉ rác cũng rất đa dạng, được áp dụng

nhiều biện pháp xử lý khác nhau nhằm đạt được mục tiêu theo yêu cầu của mỗi vùng, mỗi quốc gia

Ở Việt Nam việc xử lý nước rỉ rác còn đang gặp rất nhiều khó khăn, hiệu quả

xử lý của hầu hết các hệ thống đã được lắp đặt còn rất thấp, nhiều công trình được xây dựng rất tốn kém nhưng không hiệu quả ngay khi mới đưa vào vận hành

Nguyên nhân chủ yếu dẫn tới hiện tượng trên đã được nhiều cơ quan chức năng và các nhà khoa học đánh giá là do: Công nghệ không phù hợp, hoặc do thiết

kế và vận hành chưa hợp lý hoặc không đúng quy trình Đáng chú ý là một số đơn

vị áp dụng các công nghệ xử lý của nước ngoài mà chưa nghiên cứu tính khả thi khi

áp dụng vào điều kiện Việt Nam

Cũng như các quốc gia khác, công nghệ xử lý nuớc rỉ rác ở Việt Nam khá đa dạng Tuy nhiên, trong khuôn khổ luận văn chỉ xin đề cập đến các công nghệ phổ biến đã được áp dụng tại một số bãi chôn lấp

Dựa vào nguyên lý của quá trình có thể phân biệt 3 loại hình công nghệ chính:

- Công nghệ kết hợp các phương pháp xử lý sinh học

- Công nghệ xử lý hỗn hợp (sinh học, hóa lý, hóa học)

- Công nghệ xử lý có áp dụng phương pháp tiên tiến

a) Công nghệ xử lý kết hợp các phương pháp sinh học

Công nghệ xử lý bằng các phương pháp sinh học đơn thuần bao gồm các phương pháp như xử lý hiếu khí, xử lý yếm khí và các dạng xử lý mang tính chất tự nhiên như hồ sinh học, bãi lọc…

Ở Việt Nam công nghệ xử lý sinh học đơn thuần gồm: Xử lý yếm khí (UASB) và hiếu khí (lọc sinh học, bùn hoạt tính) hầu như không được áp dụng khi hàm lượng chất ô nhiễm, cặn lơ lửng và độ màu cao Thông thường các hệ thống xử

lý sinh học đều có các hạng mục phụ trợ như bể lắng, điều hòa…

Để tăng hiệu quả xử lý và ổn định nước sau xử lý cũng như giảm chi phí vận hành trước khi thải vào môi trường có thể kết hợp xử lý bằng hồ sinh học

Công nghệ xử lý yếm - hiếu khí - hồ sinh học được áp dụng tại bãi bãi chôn lấp Gò Cát do trung tâm CENTEMA xây dựng năm 2002 với công suất 400 m3/ng.đ như sau:

Hình 1.3 Công nghệ xử lí kết hợp: Yếm - hiếu khí và hồ sinh học [17]

Hồ sinh học

nhận

khí

Theo kết quả phân tích dưới đây cho thấy hàm lượng COD cũng như các thông số khác của nước rỉ rác thực tế rất cao (COD = 39.614 ÷ 59.750 mg/l) nhưng

hệ thống xử lí được áp dụng để tính toán thiết kế ở đây chỉ có COD = 2.645 ÷ 6.851 mg/l Chính vì vậy, chỉ sau thời gian vận hành 6 - 8 tháng thì hiệu quả xử lý giảm dần và hệ thống xử lý không hoạt động được

b) Công nghệ xử lý hỗn hợp

Công nghệ xử lý hỗn hợp được khảo sát bao gồm: Công nghệ kết hợp sinh học - hóa lý, công nghệ kết hợp sinh học - hóa học, công nghệ kết hợp hóa lý - hóa học, công nghệ kết hợp sinh học - hóa học - hóa lý Tuy nhiên, trên thế giới cũng như ở Việt Nam hai công nghệ kết hợp sinh học - hóa học, công nghệ kết hợp hóa lý

- hóa học hầu như không được áp dụng do bản chất của xử lý hóa học nên ít được kết hợp với xử lý sinh học và hóa lý

 Công nghệ sinh học kết hợp sinh học - hóa lý:

Công nghệ này được áp dụng khá phổ biến ở Việt Nam Phuơng pháp xử lý hóa lý thường được sử dụng phổ biến nhất là đông keo tụ ngoài ra trong một số trường hợp còn áp dụng phương pháp hấp phụ, tuyển nổi Tùy theo từng trường hợp

cụ thể mà phương pháp đông keo tụ có thể được bố trí trước hoặc sau các hạng mục

+ Do rác không được phân loại nên thành phần nước rỉ rác rất phức tạp Các

số liệu tổng kết kết thành phần nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp trên địa bàn Hà Nội cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm rất cao và dao động trong khoảng rất rộng: COD

= 1.000 - 42.000 mg/l, BOD = 500 - 15.000 mg/l, nitơ hữu cơ 10 - 600 mg/l Chính

vì vậy, rất nhiều công nghệ được ứng dụng Công nghệ đầu tiên được áp dụng là xử

lý kết hợp: Tuyển nổi áp lực - UASB - Aeroten Sau khi chạy thử 31 ngày hệ thống

đã phải ngừng hoạt động hoàn toàn

+ Sau đó Viện Cơ Học đã kết hợp với Đại học Quốc Gia Hà Nội cải tiến công nghệ, cụ thể là: Đông keo tụ - Xử lý yếm khí (UASB) - Aeroten - Oxy hóa hóa học bằng H2O2 và cuối cùng lọc qua thanh hoạt tính dạng hạt Công nghệ này cũng chỉ được thử nghiệm ở quy mô nhỏ, sau đó không được sử dụng

- Khác với công nghệ trên, tại bãi chôn lấp Đông Thạch Công ty TNHH Quốc Việt đã áp dụng công nghệ kết hợp hóa lý - sinh học, cụ thể là: Đông keo tụ -

Xử lý hiếu khí (Aeroten) - Hồ sinh học (năm 2000) như sau:

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ xử lí rác cũ của bãi Đông Thạnh [17]

+ Nước rỉ rác cũ của bãi chôn lấp Đông Thạnh đã được lưu giữ lâu ngày nồng độ các chất đều thấp hơn đáng kể COD = 1.079 ÷ 2.507 mg/l, BOD = 735 mg/l điều này có thể giải thích do thời gian lưu nước lâu, nước rỉ rác được pha loãng với nước mưa nồng độ các chất hữu cơ giảm xuống, pH tăng lên, tạo điều kiện thích hợp cho các quá trình phân hủy sinh học tư nhiên xẩy ra, đặc biệt là quá trình phân hủy kị khí làm cho nồng độ các chất hữu cơ giảm đáng kể và do quá trình bốc hơi nước thành phần các chất nhất là các chất hữu cơ khó phân hủy tích lại trong nước lớn tỉ lệ BOD/COD thấp Chính vì vậy việc xử lý đông keo tụ và hiếu khí khó đạt hiệu quả cao

+ Công ty Quốc Việt cũng đã áp dụng công nghệ xử lý này cho bãi chôn lấp Phước Hiệp Hệ thống được thiết kế có công suất 200 m3/ng.đ ứng dụng công nghệ

xử lý đông keo tụ, sau đó xử lý hiếu khí và hồ sinh học Tuy nhiên hệ thống này cũng được thiết kế để xử lý nước rỉ rác đã pha loãng đến hàm lượng COD = 1000 – 2000mg/l, hiệu quả đạt được chưa cao COD đầu ra và một số thống số khác như

NH4+… chưa ổn định

 Công nghệ kết hợp sinh học - hóa học - hóa lý:

Công nghệ kết hợp quá trình hóa học thường được áp dụng để xử lý nước rỉ rác có hàm lượng chất ô nhiễm khó phân hủy sinh học cao, phương pháp hóa học gồm oxy hóa hóa học (sử dụng chất ôxy hóa mạnh), trung hòa và khử trùng Công nghệ kết hợp sinh học - hóa học đã được áp dụng tại một số bãi chôn lấp ở Việt nam như bãi Nam Sơn - Hà Nội, Đá Mài - Thái Nguyên Các chất hóa học được sử dụng

Nước rỉ rác Đông

keo tụ

Hiếu khí

Hồ sinh học

Vào nguồn tiếp nhận

để ôxy hóa phổ biến là H2O2 kết hợp với Fe2+, KMnO4

- Công nghệ xử lý nước rỉ rác tại Bãi chôn lấp Đá Mài - Tân cương - Thái Nguyên được Trung tâm tư vấn Chuyển giao Công nghệ nước sạch và Môi trường (CTC) thiết kế và chuyển giao công nghệ, công suất 90 m3/ngày, như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Đá Mài [11]

+ Bãi đưa vào hoạt động tháng 11 năm 2001 nên nước rỉ rác có độ ô nhiễm không lớn: COD từ 1.245 ÷ 3.900 mg/l và BOD5 từ 270 ÷ 450mg/l

+ Đây là một công nghệ khá phức tạp Tuy nhiên, do hiệu quả còn hạn chế nên cuối năm 2006 vừa qua đã được sửa chữa hoàn thiện

- Tại Bãi rác Nam Sơn - Hà Nội rất nhiều công nghệ đã được áp dụng thử nghiệm Công nghệ hiện nay đang được sử dụng do Công ty SEEN xây dựng, như sau:

Hình 1.7 Công nghệ xử lí nước rỉ rác tại bãi Nam Sơn của công ty SEEN [17]

PAA

Bể lắng

Hồ quan trắc

Thùng khuấy trộn

Hố gom nước rỉ rác kết hợp điều hòa (sục khí)

(Fe2++ H2O2)

Bể xử lí sinh học hiếu khí (6 ngăn)

Thiết bị V-

2000 Aeroten dính bám Dòng vào

Dòng ra Ca(OH)2

+ Hệ thống này bắt đầu đi vào vận hành đầu năm 2006 với công suất thiết kế

500 m3/ng.đ Hiện tại, hệ thống đang xử lý nước rỉ rác sau khi đã qua hệ thống hồ sinh học (3 hồ) với hàm lượng COD đầu vào biến động từ 330 - 1.400 mg/l Tuy nhiên, chất lượng nước sau xử lý không ổn định, hàm lượng NH4+ và COD còn vượt tiêu chuẩn cho phép

+ Thiết bị hấp phụ than hoạt tính hoạt động có kết quả trong thời gian khoảng 2 tháng, sau đó than hoạt tính bão hòa nhưng không được hoàn nguyên hoặc thay thế nên thiết bị không phát huy tác dụng

+ Chi phí xử lý cho 1m3 nước rỉ rác là quá lớn 57.984 đồng/m3 (đơn giá tại thời điểm năm 2006)

c) Công nghệ xử lý có áp dụng phương pháp tiên tiến

Hình 1.8 Công nghệ xử lí nước rỉ rác của Trung tâm ECO và Công ty CENTEMA tại bãi Gò Cát [17]

Công nghệ xử lý có áp dụng các phương pháp xử lý tiến tiến tại Việt Nam chủ yếu là áp dụng kỹ thuật lọc màng, siêu lọc sau khi đã qua các công đoạn xử lý sinh học, hóa lý và hóa học

Năm 2001, tại chôn lấp Gò Cát Công ty CENTEMA đã tư vấn xây dựng hệ thống xử lý theo công nghệ lọc màng rất hiện đại của Hà Lan với công suất 400

m3/ngày Tuy nhiên, sau khi đưa vào vận hành trong thời gian rất ngắn hệ thống này hoàn toàn không có hiệu quả và phải ngừng hoạt động

Nhằm khắc phục những nhược điểm của quá trình lọc màng, cuối năm 2003 Công ty CENTEMA trung tâm Môi trường ECO đã hoàn thiện công nghệ bằng cách kết hợp xử lý sinh học, hóa lý và lọc cát nhằm giảm tải cho công đoạn lọc màng, như Hình 1.8

Công nghệ màng khá phức tạp nên việc vận hành gặp nhiều khó khăn do vậy hiệu quả xử lý chưa đạt được như mong muốn: Cụ thể hàm lượng NH4+ còn vượt tiêu chuẩn nhiều lần, màng lọc hay bị tắc phải rửa thường xuyên Hơn thế nữa chi phí vận hành tăng rất cao (khoảng 70.000 đ/m3) chủ yếu do lượng hóa chất tiêu tốn lớn

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SINH HỌC

Công nghệ sinh học được ứng dụng rất rộng rãi trong xử lý nước thải giàu chất hữu cơ trong đó có nước rỉ rác Đây là phương pháp xử lý có hiệu quả cao, chi phí vận hành thấp và thân thiện với môi trường Nguyên tắc cơ bản của phương pháp là thông qua quá trình trao đổi chất của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm trong nước Tùy thuộc vào phương thức hô hấp của vi sinh vật được sử dụng trong công nghệ người ta phân biệt hai dạng chính:

- Xử lý sinh học hiếu khí

- Xử lý sinh học yếm khí

Từ hai nguyên lý cơ bản trên khi ứng dụng vào thực tế đã hình thành các dạng công nghệ xử lý khác nhau như: xử lý hiếu khí bằng bể Aeorten, lọc sinh học hiếu khí, hồ hiếu khí, hay xử lý yếm khí bằng UASB, lọc yếm khí (xử lý yếm khí trên lớp vật liệu ngập nước), bể (hầm) biogas…

2.1.1 Xử lý sinh học hiếu khí

a) Cơ sở lý thuyết xử lý sinh học hiếu khí

Xử lí sinh học hiếu khí thực chất là thực hiện các quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ và vô cơ có thể ôxy hóa sinh học được

b) Cơ chế phân giải hiếu khí

Quá trình ôxy hóa sinh hóa là một chuỗi các phản ứng chuyển hóa khác nhau

trong nguyên sinh chất của tế bào, gồm các quá trình sau [7]:

- Ôxy hóa các hợp chất hữu cơ không chứa nito (gluxit, pectin, hydrocacbua ):

CxHyOz + (x+y/4-z/2)O2 → xCO2 +y/2H2O + ΔH

- Ôxy hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nito (protein, axit amin,peptit ):

CxHyOzN + (x+y/4-z/2+3/4)O2 → xCO2 + (y-3)/2H2O + NH3 + ΔH

- Quá trình sinh tổng hợp sinh khối

CxHyOz + NH3 +n(x+y/4-z/2-5)O2 →C5H7NO2 + n(x-5)CO2 +n(y-4)/2H2O

- Quá trình tự oxy hóa của bùn

C5H7NO2 5O2 → 5CO2 + NH3 + 2H2O + ΔH

- Quá trình nitrat hóa:

NH3 + 3/2O2 → HNO2 + H2O HNO2 + 1/2O2 → HNO3

- Quá trình phản nitrat hóa (ở vùng thiếu oxy):

Nhìn chung vi sinh vật tham gia vào quá trình làm sạch nước thải trong hệ thống xử lí hiếu khí rất đa dạng và phong phú, chủ yếu là vi khuẩn và nguyên sinh vật Bùn hoạt tính là canh trường tập trung với sự hiện diện của trên 20 chủng vi khuẩn khác nhau, trong đó có một số chủng chiếm đa số như: Aerobacter, Bacillus, Pseudomonas (hô hấp hiếu khí), Cellulomonas biazotea, Rhodopseudomonas, Nitrobacter

s

 ; trong đó:

+ μ : tốc độ tăng trưởng riêng (h-1)

+ μmax: tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất (h-1)

+ s: nồng độ cơ chất giới hạn (=BOD5) (g/m3)

)1

x e s

k Yk

k K





; trong đó:

+ θx: tuổi của bùn (ngày-1)

+ ke: hằng số tốc độ gây chết, thường ke = 0,04-0,075 ngày-1 đối với các quá trình bùn hoạt tính thông thường

2 Sản lượng bùn: hệ số sản sinh bùn:

Yobs =

x e

x e d x

Y k f k

 Lượng bùn hoạt tính sinh ra trong 1 ngày: Px het= YobsQ(S-Se); trong đó: + S = BOD5 trong nước thải đầu vào bể

+ Se = BOD5 trong nước đầu ra khỏi bể

+ Q: lưu lượng nước

 Tổng chất rắn được sinh ra hàng ngày: X0 = (TSS-VSS).Q

 Thời gian lưu của bùn trong bể Aeroten: θx =

e e w

w X Q X Q

X V

) + Qw: lưu lượng dòng thải bỏ ra môi trường (m3/ngày)

+ Xw: nồng độ sinh khối trong dòng thải thải bỏ ra môi trường

+ Qe: lưu lượng dòng thải (m3/ngày)

+ Xe: nồng độ sinh khối trong dòng thải

Thời gian lưu trong bể θ (HRT) =

 Khi xét đến hiệu quả làm sạch E (%): 1  

3 Động học quá trình nitrat hoá:

 Nồng độ nitơ trong nước thải: Ne =

n n m n

n n n

k

k K

, )(

; trong đó:

+ μn,m: tốc độ tăng trưởng lớn nhất của vi khuẩn nitrate

+ Kn: hệ số bán bão hoà của quá trình nitrate

+ ke,n: hệ số tốc độ gây chết của vi khuẩn nitrate

+ μn: tốc độ tăng trưởng riêng của vi khuẩn nitrate, μn =

x



1

 Lượng bùn sinh ra do quá trình nitrat hóa trong 1 ngày: Px,aut =

x n

x n

k

NO Y Q



1

.

,



Trong đó:

+ Yn: sản lượng bùn sinh ra do quá trình nitrat hoá (gVSS/gNH4-N),

+ NOx: nồng độ của NH4-N mà bị oxy hoá từ dạng nitrate,

d) Các yếu tố ảnh hưởng

- Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng trong xử lý sinh học Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ Đối với đa số hệ thống xử lý bằng phương pháp hiếu khí, giới hạn nhiệt độ nằm trong khoảng 16 - 370C Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tới quá trình xử lý sinh học được biểu thị dưới dạng biểu thức:

kT = k20.θT-20; Tmax= 20max.e k.(T-20); trong đó:

+ k20: hệ số tốc độ phân huỷ ở 200

C + KT: hệ số tốc độ phân huỷ ở T0

C + T: Nhiệt độ (0C)

Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới hàm lượng oxy hòa tan trong môi trường xử lý

- Thành phần và nguồn dinh dưỡng:

Để sinh trưởng và phát triển vi sinh vật cần nguồn cacbon, nitơ, photpho và một số nguyên tố khoáng đa lượng và vi lượng khác Hàm lượng các nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào yêu cầu của mỗi loài vi sinh vật Tuy nhiên, với quá trình oxy hóa hiếu khí tỷ lệ tối ưu là BOD5:N: P = 100:5:1

Nếu C:N < 20:1 nghĩa là dư thừa Nitơ, hàm lượng sinh khối tạo thành lớn Khối lượng bùn dư lớn cần có bể xử lí đáp ứng yêu cầu

Nếu C:N > 20:1 nghĩa là thiếu Nitơ Đây là môi trường thuận lợi cho vi

khuẩn dạng sợi phát triển, làm bùn xốp dung tích lắng tăng, tỷ lệ tuần hoàn bùn lớn dẫn đến hiệu quả sử dụng bể Aeroten, bể lắng thứ cấp bị hạn chế

Các chất độc hữu cơ: Trong nước thải có thể chứa các chất độc hữu cơ như methanol, etanol, phenol, các anilin… chúng tác động mạnh tới quá trình trao đổi chất khi nồng độ quá cao vượt ngưỡng chịu đựng của vi sinh vật Ví dụ với 3% phenol

Ảnh hưởng của các chất kìm hãm được biểu thị qua:

+ Chất kìm hãm cạnh tranh: μ = μmax

)1(

I s

k

I k s

s





Khi có chất kìm hãm cạnh tranh thì ks tăng do chất kìm hãm cạnh tranh với

cơ chất làm giảm ái lực

ks : hằng số bán bão hòa đối với chất ức chế I

ks’ : hằng số bán bão hòa đối với cạnh tranh

k

 và μ = μmax

)1).(

(

I s

k

I k

- Độ oxy hòa tan:

Để thực hiện quá trình ôxy hóa, vi sinh vật cần O2 dưới dạng hòa tan Trong các hệ thống xử lý hiếu khí, ôxy được cung cấp liên tục nhằm đáp ứng nhu cầu ôxy cho quá trình ôxy hóa Thông thường trong hệ thống xử lý hiếu khí cần có hàm lượng ôxy hòa tan từ 1,5 - 4mg/l

Thiếu ôxy hòa tan (< 2mg/l) cũng là một trong những nguyên nhân làm phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi phát triển Việc cung cấp O2 còn có tác dụng tạo ra

độ đồng nhất trong thiết bị, nâng cao hiệu quả làm sạch và rút ngắn thời gian lưu của nước trong hệ thống xử lí

Ảnh hưởng của oxy và nồng độ cơ chất được biểu thị qua tốc độ tăng trưởng:

Nếu F/M ≤ 1 tức là thiếu dinh dưỡng khi đó các vi khuẩn dạng sợi phát triển làm xốp bùn dẫn đến khả năng lắng bùn kém

- Ảnh hưởng của pH:

pH ảnh hưởng tới độ hoạt hoá enzym của VSV

Động lực của pH được mô tả: pHmax= optmax

Đối với đa số vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý hiếu khí khoảng pH tối

ưu là 6,5 - 8,5 Khi tăng hay giảm pH ngoài khoảng tối ưu làm ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp tới quá trình trao đổi chất, do làm thay đổi sự tích điện của bề mặt tế bào dẫn đến làm biến đổi quá trình hấp thụ Ngoài ra, khi pH thay đổi còn làm ảnh hưởng tới sự phân bố các cấu tử thức ăn trong môi trường và tác động tới hoạt lực của enzim do thành phần chủ yếu của tế bào vi sinh vật là protein rất dễ bị biến tính

bởi kiềm mạnh hoặc axit

e) Dạng xử lý hiếu khí được sử dụng

Quá trình xử lý nước thải trong luận văn này có sử dụng công nghệ bùn hoạt tính, được thực hiện trong bể oxy hóa đựơc gọi là bể Aeroten Bể Aeroten là hệ thống xử lý nước thải được cấp khí nhân tạo Trong quá trình xử lý, vi sinh vật sinh

trưởng và phát triển, tồn tại ở trạng thái huyền phù dạng bông sinh học Việc sục khí liên tục ở đây đảm bảo hai yêu cầu của quá trình:

- Đảm bảo độ oxy hòa tan cao giúp vi sinh vật thực hiện quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm có thể ôxy hóa sinh học được

- Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước cần xử lý, giúp cho vi sinh vật tiếp xúc liên tục với các chất hòa tan trong nước, thực hiện quá trình chuyển hóa làm sạch nước

Hiệu quả xử lý bằng hệ thống này rất cao có thể đạt tới > 90% tùy theo từng loại nước thải

Tuy nhiên, hệ thống này được khuyến cáo là không nên sử dụng trong xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao COD > 2000mg/l và yêu cầu tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5

Khi nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm và độ màu cao như nước rỉ rác thì

hệ thống này thường được thiết kế để xử lý dạng thứ cấp, như xử lý nước rỉ rác sau khi đã qua hệ thống xử lý khác như keo tụ, UASB…

Tuy nhiên, đối với nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải sinh hoạt ở giai đoạn đầu thường có tỷ lệ BOD5/COD cao (≥ 0,5) thì việc áp dụng hệ thống Aeroten

là rất khả thi và có hiệu quả cao, đạt tới 75% với thời gian lưu là 12 giờ Ngược lại, nước rỉ rác phát sinh từ các bãi rác lâu năm, đã đóng cửa hoặc chôn lấp chất thải rắn công nghiệp với tỷ lệ BOD5/COD rất thấp (< 0,2) thì khi áp dụng hệ thống này hiệu quả xử lý COD chỉ đạt 21 - 42%

Thực tế cũng cho thấy việc áp dụng hệ thống Aeroten để xử lý nước rỉ rác có tương tác BOD/COD cao là hoàn toàn khả thi khi COD < 2.000mg/l và tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5

2.1.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí

a) Cơ sở lý thuyết

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp yếm khí dựa trên khả năng phân hủy các chất ô nhiễm trong điều kiện không có ôxy của các vi khuẩn hô hấp yếm khí và tùy tiện

Cơ chế của quá trình phân giải yếm khí gồm 3 giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn thủy phân

Dưới tác dụng của các enzim hydrolaza của VSV, các hợp chất hữu cơ phức tạp như gluxit, lipit, protein… được phân giải thành các chất hữu cơ đơn giản hơn,

dễ tan trong nước như đường, peptit, glyxerin, axit hữu cơ, axit amin…

Gluxit enzim tuong   ung

Glucoza, axit galacturonic, pentoza…

Protein   proteaza

peptit  peptidaza 

axit amin

Triglyxerit lipaza  

Glyxerin + axit béo

- Giai đoạn 2: Giai đoạn lên men các axit hữu cơ

Các sản phẩm thủy phân sẽ được phân giải yếm khí tạo thành các axit hữu cơ

có phân tử lượng nhỏ hơn như axit butyric, axit propionic, axit axetic, axit foocmic tiền đê của quá trình tạo khí mê tan Ngoài ra, quá trình này cũng tạo thành các rượu tương ứng, andehyt và các chất khí như: CO2, H2, NH3, H2S… Trong giai đoạn này một phần gốc amin được VSV sử dụng cho sự sinh trưởng, một phần được vô cơ hóa thành NH4, do tạo nhiều axit hữu cơ nên pH ở giai đoạn này giảm mạnh

- Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh khí mêtan

Dưới tác dụng của các vi khuẩn mêtan hóa, các axit hữu cơ, các chất trung tính… bị phân giải tạo khí mêtan

Sự hình thành khí mêtan thường theo 2 cơ chế sau :

- Decacboxyl hóa các axit hữu cơ và các chất trung tính tạo 70% khí mêtan

CH3COOH VK CH4

CH4 + H2O 4CH3CH2COOH + 2H2O VK CH 4

7CH4 +5 CO22CH3 (CH2 )2COOH + 2H2O VK CH 4

CH4 + 2H2O

b) Tác nhân sinh học

Trong phân giải yếm khí các quá trình thủy phân và lên men xẩy ra dưới tác dụng của nhiều loại vi khuẩn khác nhau Thành phần của khu hệ sinh vật trong phân giải yếm khí phụ thuộc chủ yếu vào bản chất các chất có trong nước thải

Tác nhân sinh học của giai đoạn 1 và giai đoạn 2 là các vi khuẩn hô hấp yếm khí hoặc hô hấp tuỳ tiện thuộc các nhóm: Bacillus, Pseudomonas, Proteus, Micrococus, Clostridum…

Tác nhân sinh học của giai đoạn tạo khí metan là vi khuẩn metan hóa, bao gồm 2 nhóm chính:

- Nhóm ưa ấm (Mesophyl, lên men tạo CH4 ở nhiệt độ 35  370C):

+ Methanospirillium

+ Methanothrix

c) Động học của quá trình yếm khí

- Giai đoạn thủy phân: Tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật:

rg = Kh

B s x

B s

X X K

X X

//

Trong đó: Kh: Hệ số thủy phân

Xs: Nồng độ các chất rắn lơ lửng

XB: Nồng độ sinh khối vi sinh vật, mg/l

Kx: Hệ số bán bảo hòa của qúa trình thủy phân

- Giai đoạn lên men axit (axits hóa):

rg = μXB, S = μmax

S

K S

S

 XB, S

Trong đó: S: Nồng độ cơ chất dưới dạng các chất hữu cơ hòa tan, mg/l

KS: Hằng số bán bảo hòa đối với cơ chất S

XB, S: Nồng độ sinh khối của vi khuẩn tạo axit

- Giai đoạn metan hóa:

rg = μXB, M = μmax

M S

K S

S

,

Trong đó: S: Nồng độ các axit hữu cơ, mg/

KS, M: Hằng số bán bảo hòa đối với cơ chất S

XB, M: Nồng độ sinh khối của vi khuẩn tạo Metan

- Xác định thể tích của bể yếm khí:

V = 1 2 1 2 2

V V





V: Thể tích bể tiêu hủy

V1: Lưu lượng bùn thô nạp vào bể, m3/ngày

V2: Lưu lượng bùn giữ trong bể, m3/ngày

t1: Thời gian tiêu hủy, ngày

T2: Thời gian bùn lưu giữ lại trong bể, ngày

d) Các yếu tố ảnh hưởng

- Nhiệt độ: (Biểu thức sự phụ thuộc của nhiệt độ đến quá trình sinh học yếm khí cũng giống như quá trình hiếu khí)

Nhiệt độ là yếu tố quyết định đến hiệu quả thu khí CH4

Nhiệt độ tối ưu cho hình thành khí metan với các vi khuẩn ưa ấm là: 35 

370C [9]

Nhiệt độ lớn hơn 370C thì vi khuẩn ưa nhiệt hoạt động mạnh, tốc độ sinh khí tăng nhưng khả năng cầm khí giảm, do đó tổng số khí tạo được trên một đơn vị nguyên liệu giảm

- Độ pH:

Trong xử lý yếm khí pH biến động và phụ thuộc vào từng giai đoạn của quá trình Ở giai đoạn thủy phân và lên men các axit hữu cơ thường có pH ≤ 4 là điều kiện thuận lợi cho các vi khuẩn hoạt động Ngược lại, độ pH thích hợp cho các vi khuẩn sinh khí metan ở giai đoạn 3 từ 6,5 - 8,5 Độ pH là yếu tố quyết định hiểu quả thu biogas

- Tỷ lệ C/N:

Tỷ lệ C/N tối ưu cho quá trình là 30/1 trong điều kiện yếm khí, các vi khuẩn phát triển rất chậm hơn nữa Nitơ là nguyên liệu để tổng hợp nên sinh khối do đó nhu cầu sử dụng Nitơ là rất thấp

Nếu thiếu N (C/N > 30/1) dẫn đến quá trình tạo sinh khối kém, dẫn đến thiếu sinh khối làm thời gian lưu kéo dài

Nếu dư N (C/N < 30/1) thì hàm lượng NH4+ lớn, nên pH thấp sẽ ức chế vi sinh vật, hoạt lực vi khuẩn metan hóa giảm làm cho pH càng giảm dẫn đến hiệu quả quá trình thấp

Tỷ lệ N/P = 7/1

- Thời gian lưu và đặc tính nguyên liệu:

Thời gian lưu phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng và bản chất nguyên liệu khó hay dễ phân hủy sinh học và hoạt lực của vi sinh vật Nếu nguyên liệu chứa nhiều ligin thường khó phân hủy nên thời gian lưu sẽ phải kéo dài

Thời gian lưu thủy lực đối với bể UASB, khi nhiệt độ 22 – 26 0C đối với nước thải đô thị thì trung bình HRT = 7 - 9 h, tối ưu = 5 - 7h

Tuổi của bùn hay thời gian lưu bùn, SRT = 12 - 15 ngày

- Các chất độc (không khí và độc tố):

Thiết bị xử lý yếm khí phải đảm bảo kín vì vi sinh vật sinh khí mê tan rất mẫn cảm với với oxy Nếu trong môi trường có chứa các chất độc hại sẽ ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật như các kim loại nặng với hàm lượng cao

- Ảnh hưởng của mức độ khuấy trộn:

Khuấy trộn tăng tiếp xúc pha giữa vi sinh vật và cơ chất, tăng tốc độ chuyển khối và tốc độ phân hủy chất bẩn Thường phải tồn tại tầng bùn, cấu trúc dòng phải đảm bảo giữ tầng bùn ở trạng thái lơ lửng trong bể, với UASB tốc độ dòng từ 0,6 - 0,9 m/h

e) Dạng xử lý yếm khí sử dụng

Thiết bị yếm khí sử dụng trong mô hình là thiết bị có khuấy trộn, dạng UASB (Upflow Anarobic Sludge Blanket) Thiết bị này có nhiều dạng khác nhau có thể có giá thể (đệm) để vi sinh vật bám dính cũng có thể không có đệm (vi sinh vật

ở trạng thái lơ lửng, chuyển động) Tuy nhiên, nguyên tắc chung của thiết bị này là dòng thải được đi vào từ dưới chảy qua lớp vi sinh vật kỵ khí và đi ra ở phía trên của thiết bị Thông thường thiết bị này được áp dụng để xử lý các loại nước thải có chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao đến rất cao (COD > 3000mg/l) và thu hồi khí sinh học (biogas) Hiệu suất xử lý COD của thiết bị này có thể đạt > 75% tùy thuộc vào từng loại nước thải, thời gian lưu…

Đối với nước rỉ rác phương pháp này cũng đã được áp dụng nhiều trên thế giới và ngay cả Việt Nam, hiệu quả đạt được cũng rất cao, hiệu xuất khử COD có thể đạt 81% (COD vào = 1430 - 3810mg/l) với thời gian lưu 46h trong hệ thống

b) Hoạt động

Trong quá trình xử lý nước thải, quần xã các vi sinh vật phát triển trên bề mặt các đệm plastic Hầu hết các vi sinh vật trên lớp màng là vi sinh vật dị dưỡng (chúng sử dụng cacbon hữu cơ để tạo sinh khối) với ưu thế hơn là các vi khuẩn tùy tiện Các vi khuẩn tùy tiện này có thể sử dụng oxy hòa tan trong nước, hoặc khi lượng oxy hòa tan không đủ chúng sẽ sử dụng nitrat, nitrit

Tại bề mặt của lớp màng sinh học đọng lại các chất lỏng phân biệt rõ ràng do

sự di chuyển lẫn lộn trong bể phản ứng Chất dinh dưỡng và oxy khuếch tán qua lớp chất lỏng đến bề mặt của màng sinh học Trong khi đó, các sản phẩm của sự phân hủy sinh học sẽ được khuếch tán nhanh từ màng sinh học ra ngoài môi trường chất lỏng chuyển động, quá trình như thế cứ tiếp diễn

Khi vi sinh vật phát triển và tăng lên nhiều lần, sinh khối trên các đệm cũng tăng lên, lớp màng sinh vật ngày càng dày Khi đó sẽ ảnh hưởng dến khả năng cung

cấp oxy hòa tan cơ chất trong bể phản ứng đến tất cả các vi sinh vật trên màng sinh học Các vi sinh vật ở lớp ngoài cùng của màng sinh học thì cần thiết nhất oxy hòa tan và cơ chất khuếch tán trong suốt quá trình Khi oxy hòa tan và cơ chất khuếch tán qua mỗi lớp màng có sau thì các vi sinh vật ở các lớp trước đó tiêu thụ càng nhiều Lượng oxy hòa tan sẽ giảm dần trong quá trình tạo màng sinh học và sẽ tạo

ra các sản phẩm của sự phân hủy hiếu khí, thiếu khí và yếm khí ở các lớp của màng sinh vật

c) Cấu tạo của đệm

Đệm có nhiều dạng khác nhau, thông thường các đệm có hình trụ đứng, đường kính khoảng 10mm, cao 7mm, bên trong và bề mặt có nhiều khe để tăng diện tích bề mặt Diện tích bề mặt của đệm plastic là rất lớn (120 - 950 m2/m3) Đêm được làm bằng vật liệu Polyetylen để đảm bảo độ bền, không bị gãy vỡ trong quá trình là việc

d) Ưu điểm của MBBR so với những phương pháp xử lý sinh học truyền thống

- Sự khuếch tán của chất khí và các chất hòa tan đến vi sinh vật tốt hơn rất nhiều, tốc độ sử dụng cơ chất tăng

- Khả năng tạo sinh khối rất lớn (nồng độ bùn hoạt tính trong bể phản ứng có thể đạt 6.000 mg/l)

- Giảm thể tích bể phản ứng sinh học vì bề mặt riêng của các đệm plastic rất lớn, do đó công nghệ này thích hợp cho các công trình xử lý nước thải có quy mô nhỏ hoăc để nâng cấp các công trình đã tồn tại mà không đủ diện tích mặt bằng

- Quá trình khử nito và photpho rất tốt

- MBBR có thể sử dụng cho tất cả các lọa bể sinh học (Aerobic, anxic hoặc anaerobic)

- Hiệu quả xử lý cao

- Vận hành đơn giản và chi phí thấp

e) Lịch sử phát triển của công nghệ MBBR

Xử lý nước thải sử dụng đệm chuyển động ban đầu được nghiên cứu, phát triển ở Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) cuối những năm 1980 Sau

đó, công nghệ màng sinh học đệm chuyển động đã được cấp bằng sáng chế và thương mại hóa vào năm 1989 thông qua một thỏa thuận với Kaldnes (Tonsberg, Na Uy) Kaldnes đã phát triển thành tập đoàn Kaldnes Miljoteknolgi AS Năm 1994, công ty Anglian Water Services, Ltd (Huntingdon, United Kingdom) của Anh đã mua Kaldnes và giới thiệu công nghệ ra thị trường toàn cầu

Trong những năm gần đây, thêm một số hệ thống đệm chuyển động xuất hiện trên thị trường Hoa Kỳ Các nhà cung cấp Hoa Kỳ chào bán một sản phẩm được phát triển ở Canada vào những năm 1990 và một sản phẩm phát triển ở Israel trong đầu những năm 2000

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

2.2.1 Tìm hiểu chung về mô hình và mô phỏng

Mô hình (Model) là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó

để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nói cách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc

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

Nếu các quá trình xẩy 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

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method) để tìm các lời giải Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống

Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình,

để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế Mặc dù vậy, mô hình hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin

về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mình

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.2.2 Mô hình hóa trong nghiên cứu môi trường

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

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

có thể thỏa mãn mục đích đặt ra

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

Muốn mô phỏng một hệ thống kỹ thuật, người ta phải tìm cách nào để mô tả được quy luật hoạt động của hệ thống đó Hay nói cách khác, người ta phải cố gắng tìm được mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống Như ta đã biết, hệ thống xử lý nước thải cũng như bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào khác đều bao gồm nhiều công trình đơn vị trong đó Mỗi công trình đều có một chức năng riêng, tất cả được kết nối thành một hệ thống và cùng nhau thực hiện một chức năng tổng quát, đối với hệ thống xử lý nước thải là: Biến đổi nước thải thành nước sạch theo một tiêu chuẩn nào đó Ta có thể sơ đồ hóa các công trình đơn vị của hệ thống xử lý nước thải như sau:

Hình 2.1 Mô tả hoạt động của mô hình

Trong đó:

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

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

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

aerotank, bể lắng cấp hai, bể khử trùng…

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

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

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

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

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

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

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

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

hệ thống xử lý nước thải mới, thiết kế các bộ phận hoặc nâng cấp, cải tiến các hệ

Các thông số

đầu vào, x i

đầu ra, y i = f( x i )

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

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

thải trong suốt hệ thống xử lý [23]

Bảng 2.1 Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay

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

nghiệp, 1987

ASM2

Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men, loại bỏ phopho hóa học

Henze và các đồng nghiệp, 1995

ASM2d

Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men, loại bỏ phopho hóa học

Henze và các đồng nghiệp, 1999

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

nghiệp, 1999 ASM

3w/bioP

Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh

Reiger và các đồng nghiệp, 2001

học

TUDP

Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men

Brdjanovic và các đồng nghiệp, 2000

B&D

Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men

Barker và Dold,

1997

[Nguồn: WERF 2003, Gernaey et al 2004]

2.2.3 Cở lý thuyết của mô hình ứng dụng

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

So với mô hình ASM1 thì ASM2 được mở rộng đáng kể và phức tạp hơn

do bao gồm cả quá trình xử lý photpho Sự thay đổi đáng kể là vi sinh vật PAO có cấu trúc nội tại liên quan đến sự tích lũy chất hữu cơ và photpho, ngoài tỷ lệ của chủng vi sinh PAO trong tổng sinh khối Đó là yếu tố tiên quyết trong mô hình xử

lý photpho

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

để mô tả hiện tượng: Vi sinh vật tích lũy photpho (PAO) có thể sử dụng chất hữu cơ tích lũy để khử nitrat Trong khi mô hình ASM2 giả thiết là vi sinh vật PAO chỉ phát triển trong điều kiện hiếu khí thì trong mô hình ASM2d, loại vi sinh vật trên tồn tại cả trong môi trường thiếu khí (khử nitrat)

a) Các quá trình động học của ASM2d

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

hóa học được thể hiện như sau [24]:

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

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

1 Thủy phân hiếu khí các chất khó phân hủy sinh học dưới điều kiện hiếu khí (SO2 > 0)

2 Thủy phân thiếu khí các cơ chất chậm phân hủy sinh học dưới điều kiện thiếu khí (SO2 ≈ 0, SO3 > 0) Quá trình này thường chậm hơn so với thủy phân hiếu khí

3) Thủy phân yếm khí các chất chậm phân hủy sinh học dưới điều kiện yếm khí (SO2 = 0, SO3 = 0) Đây cũng là quá trình đặc trưng và có sẻ chậm hơn so với thủy phân hiếu khí Vận tốc thủy phân ở điều kiện này vẫn còn nghiên cứu tiếp