BioWin là một chƣơng trình mô phỏng trên máy tính đƣợc Công ty tƣ vấn môi trƣờng Envirosim - Canada nghiên cứu và phát triển, để mô phỏng và tính toán tối ƣu hóa cho các hệ thống xử lý nƣớc thải.
BioWin đƣợc thiết kế dựa trên các tiêu chuẩn công nghiệp, tích hợp các mô hình động học cho quá trình bùn hoạt tính ASM1, ASM2, ASM2d, ASM3 đƣợc hiệp hội nƣớc quốc tế phát triển và ứng dụng, với 2 lựa chọn: Mô phỏng hệ thống ở chế độ ổn định và mô phỏng động học. Kết quả mô phỏng đƣợc dùng để đánh giá các phƣơng pháp xử lý bậc 2 khác nhau, cung cấp cơ sở để so sánh và lựa chọn các thông số tối ƣu cho quá trình vận hành nhà máy [30].
Mô hình ASM2d gồm 20 cấu tử (10 cấu tử hòa tan và 10 cấu tử không hòa tan) và 21 quá trình bao gồm các quá trình sinh hóa và kết quả photpho hóa học. 20 cấu tử của ASM2d đƣợc kí hiệu trong BioWin nhƣ trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Bảng mô tả các biến của mô hình ASM2d và BioWin
TT BioWin ASM2d Đơn vị Mô tả
1 ZBH XH mgCOD/l
Thành phần vi sinh vật dị dƣỡng, đo dƣới dạng COD. Chúng có thể phát triển trong cả điều kiện hiếu khí và thiếu khí (khử nitrat) và điều kiện yếm khí (lên men hóa).
2 ZBA XAUT mgCOD/l
Thành phần vi sinh vật tự dƣỡng (vi sinh vật nitrat hóa), chỉ tồn tại trong môi trƣờng hiếu khí. Giả thiết quá trình chuyển hóa từ amon (NH4+) trực tiếp thành nitrat.
3 ZBP XPAO mgCOD/l
Thành phần vi sinh vật tích lũy photpho. Thành phần này đƣợc giả thiết là tất cả các loại poly - photphat hữu cơ tích lũy.
4 XSP XS mgCOD/l Thành phần COD chậm phân hủy sinh học.
5 XI XI mgCOD/l Thành phần COD dạng hạt, trơ. Thành phần này không bị phân hủy, bám vào bông bùn và đi vào sinh khối. 6 XON XON mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ dạng hạt dễ phân hủy sinh học.
7 XOP XOP mgP/l Hợp chất photpho hữu cơ dạng hạt dễ phân hủy sinh học.
8 SPHB XPHA mgCOD/l Sản phẩm tích lũy nội bào của PAO, đƣợc giả thiết là poly-β-hydroxy-butyrat (C4H6O2)n.
9 PP-LO XPP mgP/l Thành phần poly-photphat cũng là sản phẩm tích lũy của PAO.
10 UD3 XMEOH mgVSS/l
Hydroxyt kim loại, thành phần này đặc trƣng cho khả năng liên kết giữa photpho và hydroxit kim loại. Nó có thể có sẵn trong nƣớc thải hoặc đƣợc bổ sung từ ngoài vào.
11 Sbsc SF mgCOD/l Thành phần hữu cơ dễ phân hủy sinh học là phần COD hòa tan đƣợc vi sinh vật dị dƣỡng sử dụng trực tiếp.
12 Sbsa SA mgCOD/l
Sản phẩm lên men, giả thiết sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men yếm khí giai đoạn khử photpho đƣợc coi là axetat.
13 NH3-N SNH4 mgN/l
Bao gồm Amoni tự do và NH4+. Để đảm bảo độ cân b ng của quá trình trao đổi ion, SNH4 đƣợc coi nhƣ tất cả đều là NH4+.
14 NOS NOS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sinh học.
15 NO3-N SNO3 mgN/l
Bao gồm nitrat và nitrit (NO3-_N+NO2_N). Trong tính toán hệ số tỷ lƣợng, thành phần trên đƣợc coi nhƣ chỉ gồm nitrat.
16 PO4-P SPO4 mgP/l Thành phần photpho hòa tan, chủ yếu là ortho - photphat.
17 SUS SI mgCOD/l Thành phần chất hữu cơ hòa tan chậm phân hủy sinh học.
18 NUS NUS mgN/l Hợp chất nitơ hữu cơ hòa tan, chậm phân hủy sinh học.
19 ALK SALK mmol/l
Độ kiềm của nƣớc thải. Đối với quá trình tính toán hệ số tỷ lƣợng SALK đƣợc coi nhƣ chỉ bao gồm bicarbonate (HCO3-).
Dữ liệu đầu vào của BioWin là thành phần COD trong nƣớc thải. COD đầu vào này đƣợc phân chia thành nhiều thành phần có đặc điểm vật lý và sinh học khác nhau, bao gồm thành phần COD dễ phân hủy sinh học, thành phần COD dạng hạt phân hủy sinh học chậm, thành phần COD không phân hủy sinh học (dạng hạt và dạng hòa tan), thành phần COD dạng sinh khối tế bào vi sinh vật,… Tổng Nitơ cũng đƣợc chia thành các thành phần đặc trƣng nhƣng không chi tiết nhƣ COD. TKN đƣợc chia thành ammonia và các thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và thành phần hữu cơ không phân hủy sinh học để phù hợp với mô hình xử lý chất hữu cơ. Với việc cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào của nƣớc thải, các thông số mặc định của BioWin có thể đƣợc hiệu chỉnh để đặc trƣng cho loại nƣớc thải đầu vào.
Bảng 3.4. Các thông số mặc định của mô hình BioWin
Thông
số Mô tả Giá trị
Fbs Thành phần dễ phân hủy sinh học trong COD tổng [(Sbsc + Sbsa)/ CODtổng] 0.2 Fac Thành phần axit béo bay hơi có trong các chất dễ phân hủy sinh học [Sbsa /
(Sbsa+Sbsc) ]
0.15
Fxsp Thành phần COD chậm phân hủy sinh học dạng hạt [Xsp / (Xsc + Xsp)] 0.75
Fus Thành phần COD khó phân hủy sinh học dạng hòa tan. 0.05
Fup Thành phần COD dạng hạt khó phân hủy sinh học. 0.13
Fna Thành phần Ammonia trong tổng Nitơ có trong nƣớc thải đầu vào 0.66 Fnox Thành phần Nitơ hữu cơ dạng hạt dễ phân hủy sinh học có trong nƣớc thải
đầu vào.
0.5
Fnus Thành phần tổng Nitơ hòa tan khó phân hủy sinh học có trong nƣớc thải đầu vào
0.02
Fpo4 Thành phần photpho hòa tan trong tổng photpho có trong nƣớc thải đầu vào. 0.5 FupN Tỷ lệ N:COD (dạng hạt khó phân hủy sinh học) trong nƣớc thải đầu vào. 0.035 FupP Tỷ lệ P:COD (dạng hạt khó phân hủy sinh học) trong nƣớc thải đầu vào. 0.011 FZbh Thành phần vi sinh vật dị dƣỡng không bao gồm vi sinh vật dị dƣỡng
photpho có trong tổng COD đầu vào.
1.000E-4
FZaob Thành phần vi sinh vật oxy hóa ammonia trong tổng COD đầu vào 1.000E-4 FZnob Thành phần vi sinh vật oxy hóa nitrit trong tổng COD đầu vào. 1.000E-4
FZamob Thành phần vi sinh vật yếm khí oxy hóa ammonia. 1.000E-4
FZbp Thành phần vi sinh vật dị dƣỡng Photpho trong tổng COD đầu vào 1.000E-4 FZbpa Thành phần vi sinh vật lên men axit trong tổng COD đầu vào 1.000E-4 FZbam Thành phần vi sinh vật metan hóa trong tổng COD đầu vào 1.000E-4 FZbhm Thành phần vi sinh vật sử dụng H2 để thực hiện quá trình metan hóa trong
tổng COD đầu vào
1.000E-4
Việc hiệu chỉnh các thông số vận hành và các thành phần của nƣớc thải đƣợc dựa trên các kết quả nghiên cứu các mô hình nâng cao đƣợc lƣu lại trong một thời gian dài. Bảng 3.5 so sánh tính toán của thành phần COD và TKN trong mặc định của BioWin cũng nhƣ các giá trị phân tích của nƣớc thải nói chung (Melcer cùng cộng sự, 2003).
Bảng 3.5. Giá trị các thông số BioWin
Thông số Giá trị mặc định của BioWin Khoảng giá trị đặc trƣng của nƣớc thải Giá trị hiệu chỉnh Nguồn/phƣơng pháp tính toán Thành phần COD khó phân hủy sinh học dạng hòa tan (Fus)
0.05 0.04 - 0.16 0.025
= COD dạng hòa tan trong dòng ra
Thành phần dễ phân hủy sinh học trong COD tổng (Fbs)
0.2 0.05 - 0.25 0.125
= COD - Fus
Thành phần COD dạng hạt khó phân hủy sinh học (Fup) 0.13 0.07 - 0.22 0.14 Hiệu chỉnh để phù hợp với giá trị VSS Thành phần COD chậm phân hủy sinh học dạng
hạt (Fxsp) 0.75 0.4 - 0.8 0.8 Hiệu chỉnh để phù hợp với giá trị COD và BOD5 Thành phần chất rắn lơ lửng trơ (ISS), mg/l (ISSbể hiếu khí = ISSdòng vào
* SRT/HRT) 15 25 - 45 70 Hiệu chỉnh để phù hợp với giá trị TSS Thành phần Ammonia trong TKN 0.75 0.50 - 0.75 0.783 = Ammonia dòng vào /TKN Thành phần TKN không phân hủy sinh học dạng hòa tan (Fnus)
0.00 0.00 - 0.07 0.0085 = TKN dòng vào dạng hòa tan - ammonia dòng ra Tốc độ tăng trƣởng vi sinh vật tự dƣỡng (Max) 0.50 0.90 0.90 Melcer và cộng sự, 2003
Tốc độ phân hủy của vi
sinh vật tự dƣỡng 0.04 0.17 0.17
Melcer và cộng sự, 2003
BioWin là một chƣơng trình mô hình mô phỏng hữu ích, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải. Quá trình xây dựng và phát triển phần mềm này dựa trên những tính toán chính xác từ rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghệ kỹ thuật, đƣợc sử dụng để đánh giá, so sánh và tối ƣu hóa các thông số vận hành của hệ thống xử lý nƣớc thải. Qua đó sẽ giảm đƣợc một khối lƣợng lớn công việc, hiệu suất công việc tăng lên gấp nhiều lần. Trong quá trình nghiên cứu, đánh giá lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc rác phù hợp trên cơ sở mô hình mô phỏng Biowin để dự báo và tối ƣu hóa các thông số khác nhau ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý.
CHƢƠNG IV
KẾT QỦA NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC RÁC PHÙ HỢP THEO MÔ HÌNH BIOWIN