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.
Lập trỡnh và ký hiệu: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 bằng vật chất: 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 mối tương quan về cõn bằng vật chất.
Phương trỡnh cơ bản để mụ tả cõn bằng vật chất trong một hệ cú giới hạn:
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
36
j
Đầu vào, đầu ra của một hệ là cỏc quỏ trỡnh chuyển khối, phụ thuộc vào dạng kỹ thuật phản ứng. Thành phần phản ứng của hệ, ri, chớnh là tổng của cỏc sản phẩm hỡnh thành từ hệ số tỷ lượng νij với tốc độ hỡnh thành νjđối với từ yếu tố i.
ri = Σνijνj
Kiểm tra tớnh liờn tục: từ ma trận cú thể kiểm tra được tớnh liờn tục của một quỏ trỡnh bằng cỏch dịch chuyển ngang (cựng dũng) của ma trận khi cỏc đơn vị sử
dụng là tương hợp, khi đú tổng của cỏc hệ số tỷ lượng bằng khụng.
Diễn biến cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong hệ bựn hoạt tớnh với sự tham gia của rất nhiều yếu tố chỉ cú thể mụ tả trong một phương thức thực hiện cụ thể: dũng liờn tục cú khuấy trộn đều, lắp ghộp giai đoạn hiếu khớ, thiếu khớ,… Mục tiờu của mụ hỡnh là mụ tả được diễn biến của hệ trong trạng thỏi động. Phương trỡnh cõn bằng chất bao gồm cỏc quỏ trỡnh chuyển khối và chuyển húa, mụ tả trạng thỏi của hệđược sử dụng một cỏch hữu ớch để mụ hỡnh húa. Sử dụng cấu hỡnh dũng liờn tục cú khuấy trộn đều, phương trỡnh cõn bằng chất sẽ là một hệ phương trỡnh vi phõn thường phi tuyến và để
giải chỳng thường ỏp dụng phương phỏp tớch phõn số (phương phỏp gần đỳng).
2.3. Mụ hỡnh được lựa chọn để mụ phỏng và cỏc thụng số động học
So với mụ hỡnh ASM1 thỡ ASM2 được mở rộng đỏng kể và phức tạp hơn do bao gồm cả quỏ trỡnh xử lý photpho. Sự thay đổi đỏng kể là vi sinh vật PAO cú cấu trỳc nội tại liờn quan đến sự tớch lũy chất hữu cơ và photpho, ngoài tỷ lệ của chủng vi sinh PAO trong tổng sinh khối. Đú là yếu tố tiờn quyết trong mụ hỡnh xử lý photpho.
Mụ hỡnh ASM 2d là sự mở rộng của ASM2, hai quỏ trỡnh được đưa thờm vào
để mụ tả hiện tượng: vi sinh vật tớch lũy photpho (PAO) cú thể sử dụng chất hữu cơ
tớch lũy để khử nitrat. Trong khi mụ hỡnh ASM2 giả thiết là vi sinh vật PAO chỉ
phỏt triển trong điều kiện hiếu khớ thỡ trong mụ hỡnh ASM 2d, loại vi sinh vật trờn tồn tại cả trong mụi trường thiếu khớ (khử nitrat).
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
37
Trong khuụn khổ của luận văn này, tỏc giả trỡnh bày về mụ hỡnh BioWin – mụ hỡnh được chọn để mụ phỏng cho nhà mỏy xử lý nước thải Kim Liờn. Để mụ phỏng cho quỏ trỡnh bựn hoạt tớnh, ta cú nhiều nhúm mụ hỡnh khỏc nhau. Tuy nhiờn trong trường hợp mụ phỏng cho cụng nghệ AAO thỡ mụ hỡnh ASM2d là sự lựa chọn phự hợp.
BioWin là một chương trỡnh mụ phỏng trờn mỏy tớnh được Cụng ty tư vấn mụi trường Envirosim – Canada nghiờn cứu và phỏt triển, để mụ phỏng và tớnh toỏn tối ưu húa cho cỏc hệ thống xử lý nước thải.
BioWin được thiết kế dựa trờn cỏc tiờu chuẩn cụng nghiệp, tớch hợp cỏc mụ hỡnh động học cho quỏ trỡnh bựn hoạt tớnh ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 được hiệp hội nước quốc tế phỏt triển và ứng dụng, với 2 lựa chọn: mụ phỏng hệ thống ở
chế độ ổn định và mụ phỏng động học. Kết quả mụ phỏng được dựng để đỏnh giỏ cỏc phương phỏp xử lý bậc 2 khỏc nhau, cung cấp cơ sởđể so sỏnh và lựa chọn cỏc thụng số tối ưu cho quỏ trỡnh vận hành nhà mỏy [30].
Mụ hỡnh ASM2d gồm 20 cấu tử (10 cấu tử hũa tan và 10 cấu tử khụng hũa tan) và 21 quỏ trỡnh bao gồm cỏc quỏ trỡnh sinh húa và kết quả photpho húa học. 20 cấu tử của ASM2d được kớ hiệu trong BioWin như trong bảng 2.2.
Bảng 2.2. Bảng mụ tả cỏc biến của mụ hỡnh ASM2d và BioWin
TT BioWin ASM2d Đơn vị Mụ tả
1 ZBH XH mgCOD/l
Thành phần vi sinh vật dị dưỡng, đo dưới dạng COD. Chỳng cú thể phỏt triển trong cả điều kiện hiếu khớ và thiếu khớ (khử
nitrat) và điều kiện yếm khớ (lờn men húa).
2 ZBA XAUT mgCOD/l
Thành phần vi sinh vật tự dưỡng (vi sinh vật nitrat húa), chỉ tồn tại trong mụi trường hiếu khớ. Giả thiết quỏ trỡnh chuyển húa từ amon (NH4+) trực tiếp thành nitrat. 3 ZBP XPAO mgCOD/l Thành phần vi sinh vật tớch lũy photpho.
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
38
loại poly – photphat hữu cơ tớch lũy.
4 XSP XS mgCOD/l Thành phần COD chậm phõn hủy sinh học. 5 XI XI mgCOD/l Thành phần COD dạng hạt, trơ. Thành phần này khụng bị phõn hủy, bỏm vào bụng bựn và đi vào sinh khối. 6 XON XON mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ dạng hạt dễ phõn hủy sinh học. 7 XOP XOP mgP/l Hợp chất photpho hữu cơ dạng hạt dễ phõn hủy sinh học. 8 SPHB XPHA mgCOD/l
Sản phẩm tớch lũy nội bào của PAO, được giả thiết là poly-β-hydroxy-butyrat (C4H6O2)n.
9 PP-LO XPP mgP/l Thành phần poly-photphat cũng là sản phẩm tớch lũy của PAO.
10 UD3 XMEOH mgVSS/l
Hydroxyt kim loại, thành phần này đặc trưng cho khả năng liờn kết giữa photpho và hydroxit kim loại. Nú cú thể cú sẵn trong nước thải hoặc được bổ sung từ
ngoài vào.
11 Sbsc SF mgCOD/l
Thành phần hữu cơ dễ phõn hủy sinh học là phần COD hũa tan được vi sinh vật dị
dưỡng sử dụng trực tiếp.
12 Sbsa SA mgCOD/l
Sản phẩm lờn men, giả thiết sản phẩm cuối cựng của quỏ trỡnh lờn men yếm khớ giai đoạn khử photpho được coi là axetat. 13 NH3-N SNH4 mgN/l Bao gồm Amoni tự do và NH4
+. Để đảm bảo độ cõn bằng của quỏ trỡnh trao đổi ion,
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
39
SNH4được coi như tất cảđều là NH4+. 14 NOS NOS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hũa tan dễ phõn hủy
sinh học.
15 NO3-N SNO3 mgN/l
Bao gồm nitrat và nitrit (NO3- _N+NO2_N). Trong tớnh toỏn hệ số tỷ
lượng, thành phần trờn được coi như chỉ
gồm nitrat.
16 PO4-P SPO4 mgP/l Thành phần photpho hũa tan, chủ yếu là ortho – photphat.
17 SUS SI mgCOD/l Thành phần chất hữu cơ hũa tan chậm phõn hủy sinh học.
18 NUS NUS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hũa tan, chậm phõn hủy sinh học.
19 ALK SALK mmol/l
Độ kiềm của nước thải. Đối với quỏ trỡnh tớnh toỏn hệ số tỷ lượng SALK được coi như chỉ bao gồm bicarbonate (HCO3-). 20 DO SO2 mgO/l Nồng độ oxi hũa tan.
Dữ liệu đầu vào của BioWin là thành phần COD trong nước thải. COD đầu vào này được phõn chia thành nhiều thành phần cú đặc điểm vật lý và sinh học khỏc nhau, bao gồm thành phần COD dễ phõn hủy sinh học, thành phần COD dạng hạt phõn hủy sinh học chậm, thành phần COD khụng phõn hủy sinh học (dạng hạt và dạng hũa tan), thành phần COD dạng sinh khối tế bào vi sinh vật,… Tổng Nitơ cũng
được chia thành cỏc thành phần đặc trưng nhưng khụng chi tiết như COD. TKN được chia thành ammonia và cỏc thành phần hữu cơ cú khả năng phõn hủy sinh học và thành phần hữu cơ khụng phõn hủy sinh học để phự hợp với mụ hỡnh xử lý chất hữu cơ. Với việc cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào của nước thải, cỏc thụng số mặc định của BioWin cú thểđược hiệu chỉnh đểđặc trưng cho loại nước thải đầu vào.
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
40
Bảng 2.3. Cỏc thụng số mặc định của mụ hỡnh BioWin
Thụng số Mụ tả Giỏ trị
Fbs Thành phần dễ phõn hủy sinh học trong COD tổng [(Sbsc + Sbsa) / CODtổng]
0.2
Fac Thành phần axit bộo bay hơi cú trong cỏc chất dễ phõn hủy sinh học [Sbsa / (Sbsa+Sbsc) ]
0.15
Fxsp Thành phần COD chậm phõn hủy sinh học dạng hạt [Xsp / (Xsc + Xsp)]
0.75
Fus Thành phần COD khú phõn hủy sinh học dạng hũa tan. 0.05
Fup Thành phần COD dạng hạt khú phõn hủy sinh học. 0.13 Fna Thành phần Ammonia trong tổng Nitơ cú trong nước
thải đầu vào
0.66
Fnox Thành phần Nitơ hữu cơ dạng hạt dễ phõn hủy sinh học cú trong nước thải đầu vào.
0.5
Fnus Thành phần tổng Nitơ hũa tan khú phõn hủy sinh học cú trong nước thải đầu vào
0.02
Fpo4 Thành phần photpho hũa tan trong tổng photpho cú trong nước thải đầu vào.
0.5
FupN Tỷ lệ N:COD (dạng hạt khú phõn hủy sinh học) trong nước thải đầu vào.
0.035
FupP Tỷ lệ P:COD (dạng hạt khú phõn hủy sinh học) trong nước thải đầu vào.
0.011
FZbh Thành phần vi sinh vật dị dưỡng khụng bao gồm vi sinh vật dị dưỡng photpho cú trong tổng COD đầu vào.
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
41
FZaob Thành phần vi sinh vật oxy húa ammonia trong tổng COD đầu vào
1.000E-4
FZnob Thành phần vi sinh vật oxy húa nitrit trong tổng COD
đầu vào.
1.000E-4
FZamob Thành phần vi sinh vật yếm khớ oxy húa ammonia. 1.000E-4 FZbp Thành phần vi sinh vật dị dưỡng Photpho trong tổng
COD đầu vào
1.000E-4
FZbpa Thành phần vi sinh vật lờn men axit trong tổng COD
đầu vào
1.000E-4
FZbam Thành phần vi sinh vật metan húa trong tổng COD đầu vào
1.000E-4
FZbhm Thành phần vi sinh vật sử dụng H2 để thực hiện quỏ trỡnh metan húa trong tổng COD đầu vào
1.000E-4
FZbm Thành phần vi sinh vật metan thiếu khớ trong tổng COD đầu vào
1.000E-4
Việc hiệu chỉnh cỏc thụng số vận hành và cỏc thành phần của nước thải được dựa trờn cỏc kết quả nghiờn cứu cỏc mụ hỡnh nõng cao được lưu lại trong một thời gian dài. Bảng 2.4 so sỏnh tớnh toỏn của thành phần COD và TKN trong mặc định của BioWin cũng như cỏc giỏ trị phõn tớch của nước thải đụ thị núi chung (Melcer cựng cộng sự, 2003).
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
42 Bảng 2.4. Giỏ trị cỏc thụng số BioWin Thụng số Giỏ trị mặc định của BioWin Khoảng giỏ trị đặc trưng của nước thải
đụ thị Giỏ trị hiệu chỉnh Nguồn/phương phỏp tớnh toỏn Thành phần COD khú phõn hủy sinh học dạng hũa tan (Fus)
0.05 0.04 – 0.16 0.025 = COD dạng hũa tan trong dũng ra Thành phần dễ phõn hủy sinh học trong COD tổng (Fbs) 0.2 0.05 – 0.25 0.125 = COD - Fus Thành phần COD dạng hạt khú phõn hủy sinh học (Fup) 0.13 0.07 – 0.22 0.14 Hiệu chỉnh để phự hợp với giỏ trị VSS Thành phần COD chậm phõn hủy sinh học dạng hạt (Fxsp) 0.75 0.4 – 0.8 0.8 Hiệu chỉnh để phự hợp với giỏ trị COD và BOD5 Thành phần chất rắn lơ lửng trơ (ISS), mg/l (ISSbể hiếu khớ = ISSdũng vào * SRT/HRT) 15 25 - 45 70 Hiệu chỉnh để phự hợp với giỏ trị TSS Thành phần Ammonia trong TKN 0.75 0.50 – 0.75 0.783 = Ammonia dũng vào /TKN Thành phần TKN khụng phõn hủy sinh học dạng hũa tan (Fnus) 0.00 0.00 – 0.07 0.0085 = TKN dũng vào dạng hũa tan – ammonia dũng ra Tốc độ tăng trưởng vi 0.50 0.90 0.90 Melcer và cộng
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
43 sinh vật tự dưỡng (àMax) sự, 2003 Tốc độ phõn hủy của vi sinh vật tự dưỡng 0.04 0.17 0.17 Melcer và cộng sự, 2003
BioWin là một cụng cụ phõn tớch rất hiệu quả. Đõy là chương trỡnh được dựng đểđỏnh giỏ dữ liệu và chứng minh cỏc kết quả mụ phỏng chớnh xỏc.
BioWin hiển thị kết quả một cỏch nhanh chúng và chi tiết thụng qua sử dụng một Album để hiển thị và lưu giữ cỏc kết quả. Album bao gồm cỏc trang nhỏ hiển thị kết quả mụ phỏng dưới dạng bảng hoặc biểu đồ.
BioWin đưa ra (cung cấp) một số tớnh năng đặc biệt hỗ trợ cho việc tạo cỏc bỏo cỏo chuyờn nghiệp và rừ ràng, bao gồm cả việc hiển thị cỏc ghi chỳ cần thiết trong cỏc bỏo cỏo chi tiết. Cỏc kết quả dạng biểu đồ, bảng biểu, cấu hỡnh hệ thống xử lý cú thể xuất dễ dàng từ BioWin sang định dang Word hoặc Excel.
BioWin là một chương trỡnh mụ hỡnh mụ phỏng hữu ớch, được ứng dụng rộng rói trong lĩnh vực xử lý nước thải. Quỏ trỡnh xõy dựng và phỏt triển phần mềm này dựa trờn những tớnh toỏn chớnh xỏc từ rất nhiều nghiờn cứu và ứng dụng cụng nghệ kỹ thuật, được sử dụng để đỏnh giỏ, so sỏnh và tối ưu húa cỏc thụng số vận hành của hệ thống xử lý nước thải. Qua đú sẽ giảm được một khối lượng lớn cụng việc, hiệu suất cụng việc tăng lờn gấp nhiều lần. Trong quỏ trỡnh vận hành, chỳng ta cú thể sử dụng BioWin để dự bỏo và tối ưu húa cỏc thụng số khỏc nhau ảnh hưởng
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
44
CHƯƠNG 3: NHÀ MÁY XỬ Lí NƯỚC THẢI KIM LIấN 3.1. Giới thiệu chung
Ngày 19 thỏng 12 năm 2005 Xớ nghiệp Quản lý cỏc Nhà mỏy Xử lý nước thải - chi nhỏnh trực thuộc Cụng ty TNHH Nhà nước MTV Thoỏt nước Hà nội được