Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
25
- Được thiết kế với cỏc tấm chắn đặc biệt để ngăn trở dũng chảy tạo ra lực xoỏy đảo trộn.
- Cú lượng chất rắn huyền phự của chất lỏng hỗn hợp (bựn hoạt tớnh) cao do cỏc quỏ trỡnh tỏi hồi bựn nội bộ, dẫn đến giảm đến tối thiểu thời gian lưu nước trong cỏc bể phản ứng.
- Cú độ bền và khả năng xử lý cao đối với cỏc nguồn thải ụ nhiễm cao và chịu được sự biến động thất thường.
- Hệ thống được thiết kế theo nguyờn tắc modul cú kớch thước gọn nhẹ, dễ
dàng nõng cấp mở rộng, dễ dàng tựđộng húa, vận hành đơn giản.
- Hệ thống cú thể xõy gầm dưới đất, tiết kiệm được quỹđất khụng ảnh hưởng tới kiến trỳc của cỏc cụng trỡnh xung quanh.
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
26
CHƯƠNG II: Mễ HèNH HểA TRONG XỬ Lí NƯỚC THẢI 2.1. Tỡm hiểu chung về mụ hỡnh húa
2.1.1. Vai trũ của mụ hỡnh húa hệ thống
Ngày nay khú cú thể tỡm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà khụng sử dụng phương phỏp mụ hỡnh húa ở những mức độ khỏc nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực điều khiển cỏc hệ thống (kỹ thuật, xó hội), bởi vỡ
điều khiển chớnh là quỏ trỡnh thu nhận thụng tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo một mụ hỡnh nào đú và đưa ra quyết định điều khiển thớch hợp. Quỏ trỡnh này
được tiếp diễn liờn tục nhằm đưa hệ thống vào hoạt động theo một mục tiờu định trước.
Quỏ trỡnh phỏt triển khoa học kỹ thuật đi theo cỏc bước cơ bản sau:
Phương phỏp mụ hỡnh húa và mụ phỏng được phỏt triển từđại chiến thế giới lần thứ hai vào những năm 40 của thế kỷ XX. Lỳc đú người ta ứng dụng phương phỏp mụ hỡnh húa và mụ phỏng để nghiờn cứu những phản ứng hạt nhõn nhằm chế
tạo bom nguyờn tử. Ngày nay, nhờ cú mỏy tớnh điện tử mà phương phỏp mụ hỡnh húa và mụ phỏng phỏt triển nhanh chúng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như cỏc ngành khoa học xó hội khỏc nhau. Nhờ cú phương phỏp mụ hỡnh húa và mụ phỏng, người ta cú thể phõn tớch, nghiờn cứu cỏc hệ thống phức tạp, xỏc định cỏc đặc tớnh, hành vi hoạt động của hệ thống. Cỏc kết quả mụ phỏng
được dựng để thiết kế, chế tạo cũng như xỏc định trạng thỏi vận hành của hệ thống.
Đối với cỏc hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiờn, cỏc tham số biến đổi theo thời gian, phương phỏp giải tớch truyền thống khụng thể cho ta lời giải thớch chớnh xỏc được. Lỳc này phương phỏp mụ hỡnh húa và mụ phỏng phỏt huy sức mạnh của mỡnh và trong nhiều trường hợp nú là giải phỏp duy nhất để nghiờn cứu cỏc hệ thống phức tạp trờn.
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
27
2.1.2. Định nghĩa
Mụ hỡnh hoỏ (Modelling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mụ hỡnh nhằm thu nhận cỏc thụng tin quan trọng về đối tượng bằng cỏch tiến hành cỏc thực nghiệm trờn mụ hỡnh [11].
Mụ hỡnh phải đạt được hai tớnh chất cơ bản sau:
- Tớnh đồng nhất: mụ hỡnh phải đồng nhất với đối tượng mà nú phản ỏnh theo những tiờu chuẩn định trước.
- Tớnh thực dụng: cú khả năng sử dụng mụ hỡnh để nghiờn cứu đối tượng.
2.1.3. Một số nguyờn tắc khi xõy dựng mụ hỡnh
Việc xõy dựng mụ hỡnh toỏn học phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống thực, vỡ vậy khú cú thể đưa ra những nguyờn tắc chặt chẽ mà chỉ cú thể đưa ra những nguyờn tắc mang tớnh định hướng cho việc xõy dựng mụ hỡnh.
* Nguyờn tắc xõy dựng sơđồ khối:
Nhỡn chung hệ thống thực là một hệ thống lớn phức tạp, vỡ vậy, người ta tỡm cỏch phõn chỳng ra thành nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhận một số chức năng của hệ lớn. Như vậy, mỗi hệ con được biểu diễn bằng một khối, tớn hiệu ra của khối trước chớnh là tớn hiệu vào của khối sau.
* Nguyờn tắc thớch hợp:
Tựy theo mục đớch nghiờn cứu mà người ta lựa chọn một cỏch thớch hợp giữa tớnh đồng nhất và tớnh thực dụng của mụ hỡnh. Cú thể bỏ bớt một số chi tiết khụng quan trọng để mụ hỡnh bớt phức tạp và việc giải cỏc bài toỏn trờn mụ hỡnh dễ dàng hơn.
* Nguyờn tắc vềđộ chớnh xỏc:
Yờu cầu về độ chớnh xỏc tựy thuộc vào mục đớch nghiờn cứu. Ở giai đoạn thiết kế tổng thể, độ chớnh xỏc khụng đũi hỏi cao nhưng khi thiết kế nghiờn cứu chi tiết những bộ phận cụ thể thỡ độ chớnh xỏc của mụ hỡnh phải đạt được yờu cầu cần thiết.
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
28
Tựy theo mục đớch nghiờn cứu mà người ta cú thể phõn chia hoặc tổ hợp cỏc bộ phận của mụ hỡnh lại với nhau.
Lý thuyết cũng như thực nghiệm đó chứng minh rằng, chỉ cú thể xõy dựng
được mụ hỡnh gần đỳng với đối tượng, vỡ trong quỏ trỡnh mụ hỡnh hoỏ bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mụ hỡnh, để mụ hỡnh cú thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dự vậy, mụ hỡnh hoỏ luụn luụn là một phương phỏp hữu hiệu để con người nghiờn cứu đối tượng, nhận biết cỏc quỏ trỡnh, cỏc quy luật tự nhiờn. Đặc biệt, ngày nay với sự trợ giỳp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học mỏy tớnh và cụng nghệ thụng tin, người ta đó phỏt triển cỏc phương phỏp mụ hỡnh hoỏ cho phộp xõy dựng cỏc mụ hỡnh ngày càng gần với
đối tượng nghiờn cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý cỏc thụng tin về mụ hỡnh rất thuận tiện, nhanh chúng và chớnh xỏc. Chớnh vỡ vậy, mụ hỡnh hoỏ là một phương phỏp nghiờn cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là cỏc kỹ sưđều nờn nghiờn cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của mỡnh [11].
Ưu điểm nổi bật của cỏc mụ hỡnh toỏn là chỳng chớnh xỏc và trừu tượng, bờn cạnh đú chỳng biến đổi thụng tin hợp lý và duy nhất. Kết quả tớnh toỏn từ mụ hỡnh là duy nhất nờn chỳng cho phộp dự bỏo, tiến hành cỏc thớ nghiệm. Tuy nhiờn phương phỏp mụ hỡnh cũng khụng trỏnh khỏi nhược điểm. Cú lẽ nhược điểm lớn nhất của mụ hỡnh toỏn thể hiện ở tớnh phức tạp của cỏc cụng cụ toỏn học. Việc chuyển đổi cỏc kết quả từ mụ hỡnh toỏn học sang vấn đề thực tiễn là một vấn đề
phức tạp khỏc [11].
Mụ hỡnh húa là một phương phỏp nghiờn cứu khoa học đang phỏt triển và rất cú triển vọng. Ở giai đoạn thiết kế hệ thống, mụ hỡnh húa giỳp người thiết kế lựa chọn cấu trỳc, cỏc thụng số của hệ thống để tổng hợp hệ thống. Ở giai đoạn vận hành hệ thống, mụ hỡnh húa giỳp cho người điều khiển giải cỏc bài toỏn tối ưu, dự đoỏn cỏc trạng thỏi của hệ thống. Đặc biệt trong trường hợp kết hợp hệ chuyờn gia (expert system) với mụ hỡnh húa, người ta cú thể giải được nhiều bài toỏn điều khiển, tiết kiệm được nhiều thời gian.
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
29
Phương phỏp mụ hỡnh húa thường được dựng trong cỏc trường hợp sau (Giỏo trỡnh mụ hỡnh húa, Khoa điện, bộ mụn Tựđộng húa, trường ĐHBK Hà Nội):
* Khi nghiờn cứu trờn hệ thống thực gặp nhiều khú khăn do nhiều nguyờn nhõn như:
- Giỏ thành nghiờn cứu trờn hệ thống thực quỏ đắt;
- Nghiờn cứu trờn hệ thống thực đũi hỏi thời gian quỏ dài;
- Nghiờn cứu trờn hệ thống thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gõy nguy hiểm cho người và thiết bị;
- Trong một số trường hợp khụng cho phộp làm thực nghiệm trờn hệ thống thực.
* Phương phỏp mụ hỡnh húa cho phộp đỏnh giỏ độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc cấu trỳc của hệ thống cũng như đỏnh giỏ phản ứng của hệ
thống khi thay đổi tớn hiệu điều khiển. Những số liệu này được dựng để thiết kế hệ
thống hoặc lựa chọn thụng số tối ưu để vận hành hệ thống.
* Phương phỏp mụ hỡnh húa cho phộp nghiờn cứu hệ thống ngay cả khi chưa cú hệ thống thực. Trong trường hợp này, khi chưa cú hệ thống thực thỡ việc nghiờn cứu trờn mụ hỡnh là giải phỏp duy nhất để đỏnh giỏ cỏc chỉ tiờu kỹ thuật của hệ
thống, lựa chọn cấu trỳc và thụng số tối ưu của hệ thống, … đồng thời mụ hỡnh cũng được dựng đểđào tạo và huấn luyện.
2.2. Mụ hỡnh húa trong nghiờn cứu mụi trường
2.2.1. Lịch sử phỏt triển của mụ hỡnh húa quỏ trỡnh xử lý nước thải
Mụ hỡnh là tập hợp cỏc phương trỡnh, thường dựa trờn cở sở lý thuyết và căn cứ vào số liệu thực nghiệm đặc trưng cho quỏ trỡnh xử lý nước thải. Mỗi quỏ trỡnh
đơn vịđặc trưng bởi chớnh mụ hỡnh đú. Cỏc phương trỡnh mụ hỡnh cho cỏc quỏ trỡnh như quỏ trỡnh trong bể lắng thứ cấp và bựn lắng được nghiờn cứu rừ và khỏ đơn giản. Mụ hỡnh húa cỏc quỏ trỡnh xử lý sinh học nước thải như bựn hoạt tớnh thỡ phức tạp hơn. Cỏc thiết lập cơ bản của cỏc mụ hỡnh cho cỏc quỏ trỡnh bựn hoạt tớnh được viết bởi Hiệp hội nước Quốc tế (IWA). Mụ hỡnh đầu tiờn phỏt triển vào năm 1986 và được đặt tờn là mụ hỡnh bựn hoạt tớnh (ASM). Sau đú được biết đến với tờn là mụ
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
30
hỡnh ASM1, cú thể mụ hỡnh húa cỏc quỏ trỡnh oxy húa sinh học cacbon, nitrat húa, và khử nitrat.
Năm 1982, tổ chức nước quốc tế (International Association on Water Quality, IAWQ) thành lập nhúm nghiờn cứu về mụ hỡnh toỏn học quỏ trỡnh xử lý nước thải nhằm phục vụ thiết kế, vận hành quỏ trỡnh bựn hoạt tớnh. Tại thời điểm
đú, mụ hỡnh húa xử lý nước thải bằng phương phỏp bựn hoạt tớnh đó được nghiờn cứu trước đú khoảng 15 năm tại trường đại học Cape Town (Nam Phi) dưới sự chỉ đạo của giỏo sư G.V. Marais. Cỏc mụ hỡnh thiết lập được sử dụng rất hạn chế do một phần là tớnh thiếu hoàn chỉnh và phần khỏc là do hạn chế về khả năng tớnh toỏn những bài toỏn phức tạp do mụ hỡnh đặt ra [20]
Cỏc mụ hỡnh được nhúm chuyờn gia của IAWQ xõy dựng là mụ hỡnh ỏp dụng kỹ thuật bựn hoạt tớnh: ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3. Về cơ bản cỏc mụ hỡnh được xõy dựng theo cựng nguyờn tắc, cỏc mụ hỡnh phỏt triển sau là sự mở rộng cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong hệ.
Mụ hỡnh đầu tiờn là Activated Sludge Model No. 1 (ASM1) được thiết lập và thảo luận tại Seminar năm 1985 tại Đan Mạch và xuất bản dưới dạng bỏo cỏo vào năm 1987. ASM1 là mụ hỡnh đơn giản nhất, mụ tả cỏc quỏ trỡnh: oxy húa chất hữu cơ do vi sinh vật dị dưỡng hiếu khớ, oxy húa amoni do vi sinh vật tự dưỡng hiếu khớ và khử nitrat do vi sinh vật tuy nghi dạng dị dưỡng. Sau 5 năm nghiờn cứu, phỏt triển và thử thỏch, ASM1 trở thành mụ hỡnh cú thể sử dụng. ASM1 khụng chỉ là một mụ hỡnh mà nú cũn là tài liệu hướng dẫn phương phỏp đỏnh giỏ đặc trưng của nước thải, thiết lập chương trỡnh tớnh, những lỗi dễ mắc phải và cỏch khắc phục. ASM1 đỏp ứng khỏ tốt nhiệm vụ đặt ra cho nhúm nghiờn cứu mụ hỡnh là tạo ra
được một nền tảng chung để phỏt triển mụ hỡnh xử lý hợp chất Nitơ trong tương lai;
đơn giản mụ hỡnh ở mức tối đa. Tuy vậy, ASM1 vẫn phải được chỉnh sửa để phự hợp với thực tếứng dụng trong điều kiện cụ thể. [19]
Tại thời điểm xuất bản mụ hỡnh ASM1, quỏ trỡnh xử lý photpho bằng phương phỏp tăng cường cũng đó được sử dụng trong thực tế xử lý nước thải với một lượng hạn chế. Mức độ phỏt triển về lý thuyết của quỏ trỡnh xử lý photpho chưa đủ đểđưa
Nghiờn cứu nõng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn trờn cơ sở mụ hỡnh số - Trần Thị Miờn – Cao học CNMT 2009
Viện Khoa học và Cụng nghệ Mụi trường (INEST) – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội – Tel (84.4) 38681686
31
vào mụ hỡnh. Từ giữa thập kỷ 80 đến giữa thập kỷ 90, bản chất của quỏ trỡnh xử lý photpho được hiểu biết tường tận hơn và được triển khai rộng rói trong thực tiễn. Những tiến bộ trong thời gian trờn cho phộp xõy dựng mụ hỡnh ASM2 chứa đựng quỏ trỡnh xử lý photpho tăng cường bằng biện phỏp sinh học. Cũng trong thời gian hoàn thành mụ hỡnh ASM2, hiện tượng vi sinh vật denitrifier cú khả năng tớch lũy photpho được phỏt hiện và được mụ hỡnh húa trong ASM2d.
Trong năm 1998, nhúm chuyờn gia quyết định xõy dựng mụ hỡnh xử lý bựn hoạt tớnh mới là ASM3 chứa đựng nhiều thụng tin hơn, trong đú nổi bật là khả năng tớch lũy cỏc thành phần vật chất của vi sinh vật cú liờn quan đến quỏ trỡnh trao đổi chất của chỳng.
2.2.2. Cỏc loại mụ hỡnh được sử dụng trong cụng nghệ mụi trường
Mụ hỡnh húa trong xử lý nước thải với mục tiờu thiết kế cỏc hệ xử lý nước thải cú hiệu quả, đạt độ tin cậy cao và dễ ỏp dụng. Hai loại mụ hỡnh được sử dụng rộng rói là mụ hỡnh vật lý và mụ hỡnh mụ phỏng (toỏn học) [16]
Mụ hỡnh vật lý được sử dụng rộng rói trong thiết kế hệ xử lý nước thải, mụ hỡnh này sử dụng phương phỏp thực nghiệm để chuyển quy mụ phũng thớ nghiệm sang thớ nghiệm pilot và tới quy mụ sản xuất. Đỏnh giỏ một loạt cỏc yếu tố ảnh hưởng thụng qua thực nghiệm tốn kộm rất nhiều cụng sức và thời gian, tuy nhiờn nếu cú đầy đủ số liệu từ cỏc nghiờn cứu thực nghiệm thỡ mụ hỡnh vật lý hoàn toàn cú thể thỏa món mục đớch đặt ra.
Mụ hỡnh toỏn học bằng cỏch mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong hệ và mối liờn quan giữa cỏc quỏ trỡnh đú cho phộp tiết kiệm cụng sức, tiền của và cho kết quả
tốt hơn. Mụ hỡnh toỏn học xử lý dinh dưỡng trong nước thải là mụ hỡnh động học cú tớnh chất tổng quỏt và mụ hỡnh ổn định là dạng đơn giản húa của mụ hỡnh động tổng quỏt nhằm tiện lợi cho sử dụng.
Muốn mụ phỏng một hệ thống kỹ thuật, người ta phải tỡm cỏch nào để mụ tả được quy luật hoạt động của hệ thống đú. Hay núi cỏch khỏc, người ta phải cố gắng