Lịch sử phỏt triển của mụ hỡnh húa quỏ trỡnh xử lý nước thải

Một phần của tài liệu Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải kim liên trên cơ sở mô hình số (Trang 30)

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 tỡm được mối liờn hệ giữa cỏc thụng số đầu vào và đầu ra của hệ thống. Như ta đó biết, hệ thống xử lý nước thải cũng như bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào khỏc đều bao

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

32

gồm nhiều cụng trỡnh đơn vị trong đú. Mỗi cụng trỡnh đều cú một chức năng riờng, tất cảđược kết nối thành một hệ thống và cựng nhau thực hiện một chức năng tổng quỏt, đối với hệ thống xử lý nước thải là: biến đổi nước thải thành nước sạch theo một tiờu chuẩn nào đú. Ta cú thể sơđồ húa cỏc cụng trỡnh đơn vị của hệ thống xử lý nước thải như sau [6]:

Trong đú:

xiđại diện cho cỏc thụng sốđầu vào như lưu lượng Q, BOD, pH, NH4+…,

yi đại diện cho cỏc thụng sốđầu ra như BOD, COD, pH…

f ởđõy đại diện cỏc quỏ trỡnh xử lý, cú thể là bể lắng cỏt, bể lắng sơ bộ, bể

aerotank, bể lắng cấp hai, bể khử trựng…

Theo cỏch diễn đạt như trờn ta cú thể xem mỗi cụng trỡnh đơn vị là một hàm số nào đú chứa đựng mối liờn hệ giữa cỏc thụng sốđầu vào và đầu ra. Và ta cũng cú 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 xõy dựng một số lý thuyết để

tớnh toỏn nhưng hầu hết cũn ở mức độ rất đơn giản, điều kiện tớnh toỏn thường lý tưởng và kết quả thu được chỉ mang tớnh chất gần đỳng, ước lượng. Lý do là bản chất vấn đề rất phức tạp, hiệu quả của mỗi cụng trỡnh xử lý phải phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố mà ta khụng thể xột hết được. Thờm vào đú chất lượng nước thải, điều kiện mụi trường chứa đựng những thụng số rất khú kiểm soỏt [11].

Vai trũ của mụ hỡnh húa trong cụng nghệ xử lý nước thải được cụ thể qua một số giai đoạn:

- Ở giai đoạn thiết kế hệ thống: mụ hỡnh húa giỳp người thiết kế lựa chọn cấu trỳc, lựa chọn cỏc thụng số tối ưu đểđưa ra một hệ thống xử lý tối ưu nhất.

- Ở giai đoạn vận hành hệ thống: mụ hỡnh húa giỳp cho người điều khiển giải cỏc bài toỏn tối ưu nhằm mục đớch dựđoỏn cỏc trạng thỏi của hệ thống.

Cỏc thụng số

đầu vào, xi Quỏ trỡnh xử lý, f

Cỏc thụng số đầu ra, yi = f( xi)

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

33

- Việc mụ hỡnh húa hệ thống xử lý nước thải người ta cú thể giải được cỏc bài toỏn vềđiều khiển, tiết kiệm thời gian cũng như chi phớ về vật chất và tài chớnh.

Cỏc hệ thống xử lý nước thải là cỏc hệ thống rất phức tạp, trong đú xảy ra nhiều quỏ trỡnh sinh học, húa học và vật lý để cú thể đạt được yờu cầu chất lượng nước đầu ra theo tiờu chuẩn. Do tớnh phức tạp của cỏc quỏ trỡnh và tớnh chất thay đổi của nước thải, trong thiết kế của nhà mỏy, người ta khụng thể dự đoỏn được ảnh hưởng của sự thay đổi một yếu tố nào đú đến chất lượng dũng ra. Cỏc nhà mỏy được thiết kế với nước thải đầu vào và điều kiện khớ hậu cú thể khụng vận hành tốt trong những điều kiện khỏc nhau. Quy mụ pilot thử nghiệm cú thể xỏc định được mức độ ảnh hưởng của cỏc thụng số nhưng kinh phớ và thời gian cú giới hạn. Bởi vậy, cỏc mụ hỡnh giữ một vai trũ quan trọng với việc mụ hỡnh húa cỏc quỏ trỡnh và đỏnh giỏ ảnh hưởng của sự thay đổi của cỏc thụng sốđối với hiệu quả của quỏ trỡnh xử lý.

Mụ hỡnh cú thểđược sử dụng cho một số mục đớch bao gồm việc thiết kế cỏc hệ thống xử lý nước thải mới, thiết kế cỏc bộ phận hoặc nõng cấp, cải tiến cỏc hệ

thống hiện cú, xỏc định những thay đổi trong quỏ trỡnh vận hành ảnh hưởng đến nồng độ cho phộp của cỏc chất gõy ụ nhiễm trong dũng ra, xỏc định cỏc hệ thống vận hành như thế nào với sự thay đổi nồng độ cỏc chất trong dũng vào hoặc lưu lượng dũng vào. Khụng phải tất cả cỏc mụ hỡnh đạt được cỏc mục đớch này, việc cõn nhắc, lựa chọn mụ hỡnh là do mong muốn của người sử dụng.

Cú một số ý kiến trỏi ngược trong việc sử dụng cỏc mụ hỡnh. Một vài ý kiến cho rằng sử dụng mụ hỡnh dựa vào cỏc phương trỡnh toỏn học để đặc trưng cho một quỏ trỡnh, một số ý kiến khỏc thỡ sử dụng mụ hỡnh dựa vào cỏc chương trỡnh mỏy tớnh để giải quyết cỏc phương trỡnh [21,22,23].

Bng 2.1: Cỏc mụ hỡnh bựn hot tớnh hin nay

Mụ hỡnh Cỏc quỏ trỡnh đơn vị xử lý nước thải Tỏc giả

ASM1 Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ Henze và cỏc đồng nghiệp, 1987

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

34

cường xử lý Phopho bằng cỏc biện phỏp sinh học, quỏ trỡnh lờn men, loại bỏ phopho húa học

nghiệp, 1995

ASM2d Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng cỏc biện phỏp sinh học, quỏ trỡnh lờn men, loại bỏ phopho húa học

Henze và cỏc đồng nghiệp, 1999

ASM3 Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ Henze và cỏc đồng nghiệp, 1999

ASM 3w/bioP Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ, tăng cường xử lý Phopho bằng cỏc biện phỏp sinh học

Reiger và cỏc đồng nghiệp, 2001 TUDP Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng cỏc biện phỏp sinh học, quỏ trỡnh lờn men

Brdjanovic và cỏc

đồng nghiệp, 2000 B&D Oxi húa Carbon, nitrat húa, khử nitơ, tăng

cường xử lý Phopho bằng cỏc biện phỏp sinh học, quỏ trỡnh lờn men

Barker và Dold, 1997

Nguồn: WERF 2003, Gernaey et al. 2004

Một số lượng lớn cỏc chương trỡnh mụ phỏng hiện nay là sự kết hợp của rất nhiều cỏc mụ hỡnh khỏc nhau. Cỏc chương trỡnh mụ phỏng tiờu biểu thường cú cỏc giao diện đồ họa cho phộp người sử dụng lựa chọn cỏc mụ hỡnh phự hợp cho cỏc quỏ trỡnh đơn vị trong thiết kế nhà mỏy. Phần lớn cỏc chương trỡnh cho phộp lựa chọn từ một số lượng lớn cỏc mụ hỡnh đơn vị đặc trưng cho cỏc quỏ trỡnh. Cỏc chương trỡnh mụ phỏng khỏc nhau cú cỏc mụ hỡnh đơn vị khỏc nhau do đú để lựa chọn cỏc mụ hỡnh mụ phỏng phự hợp là rất quan trọng. Ngoài ra để lựa chọn cỏc quỏ trỡnh theo yờu cầu, người sử dụng xỏc lập chế độ dũng chảy bao gồm dũng hồi lưu và đặc trưng của dũng nước thải vào. Người dựng cú thể nhập cỏc giỏ trị của cỏc thụng số như chếđộổn định cho quỏ trỡnh sinh trưởng sinh học và chếđộđộng học cho cỏc bể phản ứng hoặc người sử dụng cú thể chọn giỏ trị mặc định. Người sử

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

35

chọn cỏc mụ hỡnh, mụ hỡnh giải hệ cỏc phương trỡnh để dự đoỏn đặc tớnh của nước thải trong suốt hệ thống xử lý [23].

Hiện nay cú rất nhiều chương trỡnh mụ phỏng được sử dụng rộng rói như: GPS-X, EFOR, STOAT, BioWin, ASIM, SIMBA, WEST, AQUASIM, và AQUIFAS. Cỏc chương trỡnh mụ phỏng khỏc nhau cú cỏc mụ hỡnh đơn vị khỏc nhau, kỹ năng cần thiết để chạy mụ hỡnh, giao diện sử dụng, và chi phớ. Một vài mụ hỡnh cho phộp khả năng tựy biến cao, nhưng yờu cầu cỏc kiến thức cơ bản về mụ hỡnh của người sử dụng phải thật tốt. Một số mụ hỡnh khỏc thỡ yờu cầu kiến thức về

mụ hỡnh ở cấp độ thấp hơn nhưng trong một số trường hợp sử dụng thỡ người dựng sẽ gặp lại những hạn chế của mụ hỡnh.

2.2.3. Phương phỏp trỡnh bày mụ hỡnh bựn hoạt tớnh

Mụ phỏng hoạt động một quỏ trỡnh xảy ra trong hệ bựn hoạt tớnh cần phải bao quỏt được phản ứng xảy ra trong hệ như oxy húa chất hữu cơ, nitrat húa và khử

nitrat với sự tham gia của nhiều thành phần tham gia phản ứng và cỏc điều kiện cấn thiết để phản ứng xảy ra. Để dễ sử dụng về mặt toỏn học và thiết thực cho dự bỏo quỏ trỡnh, cỏc phản ứng được lựa chọn cần cú tớnh đại diện cho cỏc quỏ trỡnh cơ bản xảy ra trong hệ. Hơn thế nữa, mụ hỡnh cũng cần định lượng được cả yếu tố động học (sự phụ thuộc của nồng độ vào thời gian) cũng như yếu tố tỷ lượng (mối tương quan về lượng giữa cỏc cấu tử tham gia phản ứng) của từng quỏ trỡnh.

Lp trỡnh và ký hiu:Khú khăn gặp phải khi thiết lập một mụ hỡnh toỏn học

mụ tả một hệ chứa nhiều tương tỏc như trong hệ xử lý nước thải được khắc phục bằng cỏch mụ tả hệ thụng qua một ma trận.

Cõn bng vt cht: Trong một hệ xử lý, nồng độ của một thành phần cú thể

bị tỏc động bởi nhiều yếu tố khỏc nhau. Phương phỏp ma trận cho phộp dễ dàng nhận ra diễn biến của một thành phần nào đú để dễ dàng hơn trong việc thành lập

Một phần của tài liệu Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải của nhà máy xử lý nước thải kim liên trên cơ sở mô hình số (Trang 30)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(164 trang)