Mô hình hóa trong xử lý nƣớc thải với mục tiêu thiết kế các hệ xử lý nƣớc thải có hiệu quả, đạt độ tin cậy cao và dễ áp dụng. Hai loại mô hình đƣợc sử dụng rộng rãi là mô hình vật lý và mô hình mô phỏng (toán học).
Mô hình vật lý đƣợc sử dụng rộng rãi trong thiết kế hệ xử lý nƣớc thải, mô hình này sử dụng phƣơng 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 hƣởng 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 dƣỡng trong nƣớc 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, ngƣời ta phải tìm cách nào để mô tả đƣợc quy luật hoạt động của hệ thống đó. Hay nói cách khác, ngƣời ta phải cố gắng tìm đƣợc mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống. Nhƣ ta đã biết, hệ thống xử lý nƣớc thải cũng nhƣ 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 đƣợc kết nối thành một hệ thống và cùng nhau thực hiện một chức năng tổng quát, đối với hệ thống xử lý nƣớc thải là: Biến đổi nƣớc thải thành nƣớc sạch theo một tiêu chuẩn nào đó. Ta có thể sơ đồ hóa các công trình đơn vị của hệ thống xử lý nƣớc thải nhƣ sau:
Hình 2.1. Mô tả hoạt động của mô hình
Trong đó:
xi đại diện cho các thông số đầu vào nhƣ Q, BOD, pH, NH4+…
yiđại diện cho các thông số đầu ra nhƣ 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 nhƣ 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 nƣớc thải, hiện nay ngƣời ta cũng cố gắng xây dựng một số lý thuyết để tính toán nhƣng hầu hết còn ở mức độ rất đơn giản, điều kiện tính toán thƣờng lý tƣởng và kết quả thu đƣợc chỉ mang tính chất gần đúng, ƣớc lƣợng. 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 đƣợc. Thêm vào đó chất lƣợng nƣớc thải, điều kiện môi trƣờng chứa đựng những thông số rất khó kiểm soát .
Vai trò của mô hình hóa trong công nghệ xử lý nƣớc thải đƣợc cụ thể qua một số giai đoạn:
- Ở giai đoạn thiết kế hệ thống: Mô hình hóa giúp ngƣời thiết kế lựa chọn cấu trúc, lựa chọn các thông số tối ƣu để đƣa ra một hệ thống xử lý tối ƣu nhất.
- Ở giai đoạn vận hành hệ thống: Mô hình hóa giúp cho ngƣời điều khiển giải các bài toán tối ƣu nhằm mục đích dự đoán các trạng thái của hệ thống.
- Việc mô hình hóa hệ thống xử lý nƣớc thải ngƣời ta có thể giải đƣợc các bài toán về điều khiển, tiết kiệm thời gian cũng nhƣ chi phí về vật chất và tài chính.
Các hệ thống xử lý nƣớc 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 đƣợc yêu cầu chất lƣợng nƣớc đầu ra theo tiêu chuẩn. Do tính phức tạp của các quá trình và tính chất thay đổi của nƣớc thải, trong thiết kế hệ thống xử lý, ngƣời ta không thể dự đoán đƣợc ảnh hƣởng của sự thay đổi một yếu tố nào đó đến chất lƣợng dòng ra. Các hệ thống xử đƣợc thiết kế với nƣớc 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 đƣợc mức độ ảnh hƣởng của các thông số nhƣng 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 hƣởng của sự thay đổi của các thông số đối với hiệu quả của quá trình xử lý.
Mô hình có thể đƣợc sử dụng cho một số mục đích bao gồm việc thiết kế các hệ thống xử lý nƣớc thải mới, thiết kế các bộ phận hoặc nâng cấp, cải tiến các hệ
Các thông số
đầu vào, xi Quá trình xử lý, f Các thông số
thống hiện có, xác định những thay đổi trong quá trình vận hành ảnh hƣởng đến nồng độ cho phép của các chất gây ô nhiễm trong dòng ra, xác định các hệ thống vận hành nhƣ thế nào với sự thay đổi nồng độ các chất trong dòng vào hoặc lƣu lƣợng dòng vào. Không phải tất cả các mô hình đạt đƣợc các mục đích này, việc cân nhắc, lựa chọn mô hình là do mong muốn của ngƣời sử dụng.
Một số lƣợng lớn các chƣơng trình mô phỏng hiện nay là sự kết hợp của rất nhiều các mô hình khác nhau. Các chƣơng trình mô phỏng tiêu biểu thƣờng có các giao diện đồ họa cho phép ngƣời 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 chƣơng trình cho phép lựa chọn từ một số lƣợng lớn các mô hình đơn vị đặc trƣng cho các quá trình. Các chƣơng 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, ngƣời sử dụng xác lập chế độ dòng chảy bao gồm dòng hồi lƣu và đặc trƣng của dòng nƣớc thải vào. Ngƣời dùng có thể nhập các giá trị của các thông số nhƣ chế độ ổn định cho quá trình sinh trƣởng sinh học và chế độ động học cho các bể phản ứng hoặc ngƣời sử dụng có thể chọn giá trị mặc định. Ngƣời 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 phƣơng trình để dự đoán đặc tính của nƣớc thải trong suốt hệ thống xử lý [23].
Bảng 2.1. Các mô hình bùn hoạt tính hiện nay
Mô hình Các quá trình đơn vị xử lý nƣớc thải Tác giả
ASM1 Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ Henze và các đồng nghiệp, 1987
ASM2
Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cƣờng 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 cƣờng 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 cƣờng xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh
Reiger và các đồng nghiệp, 2001
học
TUDP
Oxi hóa Carbon, nitrat hóa, khử nitơ, tăng cƣờng 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 cƣờng xử lý Phopho bằng các biện pháp sinh học, quá trình lên men
Barker và Dold, 1997
[Nguồn: WERF 2003, Gernaey et al. 2004]