Bùn thải sinh ra trong nhà máy xử lý nước thải chủ yếu ở bể lắng I, bể phân huỷ sinh học và bể lắng IỊ Lượng bùn cặn này sẽ được hút ra bằng máy bơm. Việc xử lý bùn thải là rất cần thiết vì sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường đất nếu chúng ta không tiến hành xử lý. Mục đích của xử lý bùn thải:
- Giảm khối lượng hỗn hợp bùn cặn bằng cách tách 1 phần hay phần lớn khối lượng nước có trong hỗn hợp bùn cặn để giảm kích thước công trình xử lý và giảm thể tích cặn phải vận chuyển tới nơi tiếp nhận.
- Phân huỷ các chất hữu cơ dễ bị thối rữa, chuyển chúng thành các chất hữu cơ ổn định và các hợp chất vô cơ dễ dàng tách nước và không gây tác động xấu đến môi trường nơi tiếp nhận.
Bùn sẽ được tách các thành phần hữu cơ và vô cơ bằng phương pháp thủy lực: chất vô cơ nặng sẽ lắng xuống, chất hữu cơ nhẹ hơn sẽ nổi lên trên. Các chất vô cơ sẽ tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng, các chất hữu cơ được xử lý bằng phương pháp sinh học để tách riêng các kim loại nặng với phần bùn hữu cơ sạch. Bùn hữu cơ sạch được tận dụng để sản xuất phân vi sinh phục vụ cho việc trồng cây và cải tạo đất nông nghiệp. Còn các kim loại nặng sẽ xử lý theo phương pháp hóa học để tách riêng từng kim loại hoặc hóa rắn toàn bộ để chôn lấp an toàn. Giá thành xử lý bùn cống rãnh, kênh rạch theo phương pháp trên chỉ bằng 30% so với dùng cách chôn lấp.
4.3. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CÔNG NGHIỆP
Hình 4.2. Quy trình công nghệ xử lý nước thảị
4.3.1. Đặc trƣng của nƣớc thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp gồm hai loại chính: nước thải sinh hoạt từ các khu văn phòng và nước thải sản xuất từ các nhà máy sản xuất. Đặc tính nước thải sinh hoạt thường là ổn định so với nước thải sản xuất. Nước thải sinh hoạt ô nhiễm chủ yếu bởi các thông số BOD5, COD, SS, Tổng N, Tổng P, dầu mỡ - chất béọ Các thông
số ô nhiễm nước thải công nghiệp chỉ xác định được ở từng loại hình và công nghệ sản xuất cụ thể.
4.3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ.
Nước thải phát sinh từ các nhà máy trong khu công nghiệp theo mạng lưới thoát nước chảy vào hố thu của trạm xử lý. Tại đây, để bảo vệ thiết bị và hệ thống đường ống công nghệ phía sau, song chắn rác thô được lắp đặt trong hố để loại bỏ các tạp chất có kích thước lớn ra khỏi nước thảị Sau đó nước thải sẽ được bơm lên bể điều hòạ Trước bể điều hòa đặt lưới lọc rác tinh (kích thước lưới 1 mm) để loại bỏ rác có kích thước nhỏ hơn làm giảm cặn 15%, sau đó nước thải tự chảy xuống bể điều hòạ
Tại bể điều hòa, hệ thống phân phối khí sẽ hòa trộn đồng đều nước thải trên toàn diện tích bể, ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn ở bể sinh ra mùi khó chịu, đồng thời có chức năng điều hòa lưu lượng và nồng độ nước thải đầu vàọ Nước thải từ bể điều hòa được bơm sang bể phản ứng. Tại bể phản ứng, hóa chất keo tụ được châm vào bể với liều lượng nhất định và được kiểm soát chặt chẽ bằng bơm định lượng hóa chất. Dưới tác dụng của hệ thống cánh khuấy với tốc độ lớn được lắp đặt trong bể, hóa chất keo tụ được hòa trộn nhanh và đều vào trong nước thảị Hỗn hợp nước thải này tự chảy qua bể keo tụ tạo bông. Dưới tác dụng của chất trợ keo tụ và hệ thống motor cánh khuấy với tốc độ chậm, các bông cặn li ti sẽ chuyển động, va chạm, dính kết và hình thành nên những bông cặn có kích thước và khối lượng lớn gấp nhiều lần các bông cặn ban đầu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình lắng ở bể lắng. Hỗn hợp nước và bông cặn ở bể keo tụ tạo bông tự chảy sang bể lắng. Bùn trong hỗn hợp nước thải được giữ lại ở đáy bể lắng. Phần bùn này được bơm qua bể chứa bùn, phần nước sau khi tách bùn sẽ chảy về bể trung gian, sau đó được bơm vào bể SBR. Tại đây, Vi sinh vật được cung cấp oxy sẽ sử dụng chất hữu cơ cho quá trình tăng trưởng. Nitơ cũng được loại bỏ nhờ thời gian lưu nước kéo dàị SBR là bể kết hợp giữa bể hiếu khí và bể lắng nên không cần hoàn lưu bùn. Nước thu được sau xử lý ở bể SBR được bơm sang bể trung gian. Nước được bơm từ bể trung gian qua bể lọc áp lực đa lớp vật liệu: sỏi đỡ, cát thạch anh và than hoạt tính, để loại
bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan, các nguyên tố dạng vết, những chất khó hoặc không phân giải sinh học. Nước thải sau khi qua bể lọc áp lực sẽ đi qua bể nano dạng khô để loại bỏ lượng cặn còn sót lại trong nước thải, đồng thời khử trùng nước thảị Nước sau khi qua bể nano dạng khô đạt yêu cầu xả thải vào nguồn tiếp nhận theo quy định hiện hành của pháp luật.
Bùn ở bể chứa bùn được được bơm qua máy ép bùn băng tải để loại bỏ nước, giảm khối tích bùn. Bùn khô được các cơ quan chức năng thu gom và xử lý định kỳ. Tại bể chứa bùn, không khí được cấp vào bể để tránh mùi hôi sinh ra do sự phân
CHƢƠNG V
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON
5.1. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƢỚC THẢI
Muốn mô phỏng một hệ thống kỹ thuật, chúng ta phải mô tả được quy luật hoạt động của hệ thống đó. Hay nói cách khác, chúng ta phải nắm bắt được mối liên hệ giữa thông số đầu vào và đầu ra của hệ thống đó.
Như ta đã biết, hệ thống xử lý nước thải cũng như bất kỳ hệ thống kỹ thuật nào khác đều bao gồm nhiều khâu đơn vị trong đó. Mỗi khâu đều có một chức năng riêng, tất cả được kết nối thành một hệ thống và cùng nhau thực hiện một chức năng tổng quát đối với hệ thống xử lý nước thải là: Biến đổi nước thải thành nước sạch theo một tiêu chuẩn nào đó. Một khâu của hệ thống xử lý nước thải có thể được sơ đồ hóa như sau:
Hình 5.1. Sơ đồ hóa của 1 khâu đại diện trong hệ thống xử lý nước thải
Trong đó:
i
x : thể hiện cho các thông số đầu vào như: pH, DO, COD, BOD, …
f : thể hiện các quá trình xử lý có thể là bể lắng sơ bộ, bể lắng cát, bể khử
trùng,…
i
y : Thể hiện cho các thông số đầu ra như: pH, DO, BOD,…
Theo sơ đồ trên thì ta có thể xem mỗi khâu là một hàm số nào đó chứa đựng mối liên hệ giữa các thông số đầu vào và những thông số đầu rạ Cũng có thể hiểu một hệ thống xử lý nước thải là một hàm số tổng hợp của những hàm con nàỵ
Hiện nay, xử lý nước thải đã được xây dựng một số lý thuyết tính toán song còn ở mức độ đơn giản, điều kiện tính toán thường là lý tưởng hóa và kết quả thu
được chỉ mang tính chất gần đúng, ước lượng mà chưa sát với kết quả thực. Lý do là bản chất của quá trình rất phức tạp, hiệu quả của mỗi khâu xử lý phải phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố mà không thể xét hết được. Thêm vào đó là chất lượng nước thải và điều kiện môi trường chứa đựng những thông số rất khó kiểm soát.
Một cách tổng quát, các công cụ sử dụng để mô hình hóa quá trình xử lý nước thải có thể được phân loại như sau[11]: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo đặc điểm của dữ liệu được sử dụng: ta có mô hình xác định còn gọi là mô hình vật lý và mô hình thống kê.
Xét về mặt phương pháp luận, người ta chia thành mô hình theo nguyên lý chiếc hộp trắng “White box” và mô hình theo nguyên lý chiếc hộp đen “Black box”. Bên cạnh đó còn có mô hình kết hợp giữa hai loại mô hình trên gọi là mô hình Hybrid.
Nguyên lý chiếc hộp trắng “White box”: Với mô hình theo nguyên lý này, người ta miêu tả các quá trình xảy ra bên trong hệ thống bằng các phương trình toán học. Như vậy, với một hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, các mô hình dựa trên nguyên lý này sẽ được mô phỏng nhiều nhất chỉ có thể là các quá trình thủy lực, sinh hóa,...bằng các phương trình toán.
Nguyên lý chiếc hộp đen “Black box”: Với nguyên lý này người ta không quan tâm những gì xảy ra bên trong hệ thống, coi hệ thống đó là 1 “chiếc hộp đen”. Mô hình của nguyên lý này chỉ quan tâm tới giá trị của các thông số đầu vào và thông số đầu ra của hệ thống.
Qua hình 5.2 ta có một vài nhận xét sau:
* Với những quá trình mà ta biết rõ được hiện tượng, khi mô phỏng nó chúng tiến hành các thí nghiệm với các thông số đã nhận thức được, từ kết quả của thí nghiệm này ta có thể xây dựng các mô hình xác đinh (hay còn gọi là mô hình vật lý), sau đó sử dụng mô hình này để mô phỏng quá trình.
* Với những quá trình mà ta chưa hiểu được hiện tượng, hoặc hiện tượng rất phức tạp dẫn tới việc không mô tả được, khi đó ta có hai hướng giải quyết. Nếu ta có thể thu được “tri thức” từ quá trình đó, lúc này ta có thể lựa chon công cụ mờ (Fuzziness) để thực hiện. Còn trong trường hợp “tri thức” cũng không thể thu được từ bản chất vấn đề thì mạng nơron sẽ là một sự lựa chọn có thể mang lại hiểu quả như mong đợị
Hình 5.3. Hướng lựa chọn các kỹ thuật mô hình hóa cho các hệ thống.
Qua quá trình phân tích ta có thể thấy được mạng nơron là loại mô hình theo đặc điểm của dữ liệu nó thuộc về mô hình thống kê, xét về mặt phương pháp luận
nó là mô hình theo phương pháp chiếc hộp đen. Nguyên lý mà chúng ta không quan tâm tới những vấn đề xảy ra bên trong hệ thống mà chỉ quan tâm tới giá trị các thông số của dữ liệu đầu vào và thông số đầu ra của hệ thống đó. Theo trạng thái, tùy theo ứng dụng và cấu trúc của từng mạng nơron mà ta xếp nó vào loại động hay tĩnh.
Ta có thể thấy rằng mạng nơron nhân tạo được sử dụng khi ta không nắm được bản chất của hiện tượng. Còn với hệ thống xử lý nước thải thì bản chất của hiện tượng khá phức tạp, khó khiểm soát chúng ta cũng có thể thu được “tri thức” từ nó song sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi dùng phương pháp khác. Ta thấy rằng, mạng nơron nhân tạo là một giải pháp tốt cho việc mô phỏng quá trình xử lý nước thảị
5.2. MẠNG NƠRON NHÂN TẠO VÀ MÔ HÌNH THỐNG KÊ KINH ĐIỂN ĐIỂN
Mục tiêu chính của công việc mô hình hóa vẫn là tìm mối liên hệ giữa các thông số của hệ thống. Cả hai mạng nơron nhân tạo và mô hình thống kê kinh điển đều nhằm tới mục tiêu đó. Song giữa chúng có nhiều điểm tương đồng và cũng có những nét đặc trưng riêng.
5.2.1. Sự tƣơng đồng
Các thành phần của hai loại mô hình cũng như thuật ngữ sử dụng tương đồng và có ý nghĩa, vai trò như nhau [14];
Bảng 5.1 các thuật ngữ của mạng nơron và mô hình thống kê.
Mạng nơron nhân tạo Mô hình thống kê
Thông số đầu vào (in put) Biến độc lập (Independent variable)
Thông số đầu ra (out put) Giá trị được dự báo (Predicted value)
Giá trị luyện được (Training values ) Biến phụ thuộc (Dependent variable)
Lỗi (Errors) Sai số (Residuals)
Luyện mạng hay quá trình học để thu được các trọng số (Training or learning)
Hàm lỗi hay hàm chi phí (Error function or cost function)
Tiêu chí ước lượng (Estimation criterion)
Dữ liệu để luyện (Patterns or training pairs)
Các quan sát (Observation)
Các trọng số (Weights) Các hệ số (Parameter estimates)
Tổng quát hóa (Generilisation) Nội suy và ngoại suy (Interpolation and
extrapolation)
Cả mạng nơron nhân tạo lẫn mô hình thống kê đều tìm cách thu được những hệ số hay trọng số để diễn đạt mỗi quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống. Với mạng nơron thì thông qua hoạt động của hàm truyền còn với mô hình thống kê thì thông qua các hàm hồi quỵ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.2.2. Sự khác nhau
5.2.2.1. Về mục tiêu
Mô hình thống kê đi xây dựng phương pháp luận tổng quát để đạt được tối ưu với ý nghĩa thống kê.
Mạng nơron nhân tạo quan tâm đến khả năng dự báo chính xác và tìm hiểu cơ chế hoạt động của vấn đề.
5.2.2.2. Phƣơng pháp tiếp cận mô hình
Mặc dù mạng nơron nhân tạo và mô hình thống kê được xem là tương đương nhau trong thời gian dài, nhưng điều này chỉ có ý nghĩa trong những ứng dụng mà bản chất vấn đề đơn giản, các mối liên hệ là tuyến tính hay xấp xỉ tuyến tính. Còn trong những ứng dụng thực tế có mối liên hệ phức tạp và thường là kết quả của những hàm phi tuyến phức tạp thì lúc này mô hình thống kê tỏ ra rất hạn chế. Ngược lại, mạng nơron nhân tạo tỏ ra rất linh hoạt và hiệu quả. Ví dụ các thông số đầu ra của một trạm xử lý nước thải được xem là một hàm phức hợp của các thông số đầu vào và các thông số vận hành, chưa có một mô hình toán học mô tả đầy đủ các mối liên hệ đó. Trong những trường hợp như vậy, ứng dụng mô hình mạng nơron nhân tạo là một hướng đi cần thiết.
5.3. ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN XỬ LÝ NƢỚC THẢI
Trong bài toán xử lý nước thải, sử dụng mạng nơron đã được phát triển trong vòng một vài thập niên trở lại đâỵ Hiện nay phần lớn các hệ thống xử lý nước thải đều vận dụng những nguyên lý cơ lý, hóa sinh,…Vì các quá trình xảy ra trong đó rất phức tạp, để giải quyết vấn đề này người ta đã dùng nguyên lý chiếc hộp trắng hoặc mô hình thống kê kinh điển nhưng kết quả đạt được chưa cao, nhất là khi quá trình sinh hóa xảy rạ
Đó cũng là lý do mà hiện nay ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng mạng nơron nhân tạo để mô phỏng các quá trình xử lý trong kỹ thuật môi trường. Trong đó có thể kể đến một vài công trình nghiên cứu ứng dụng mạng nơron trong kỹ thuật môi trường của: Nguyễn Khoa Việt Trường [11]; Michael Hack and Manfre Kohnẹ[17]; Maged M. Hamed, Mona G. Khalafallah, Ezzat Ạ Hassanien, [18]; C.Ạ Gontarski, P.R. Rodrigues, M. Mori, L.F. Prenem, [19]; J.C. Chen, N.B. Chang, W.K. Shieh, [20].
Trong luận văn này, tác giả sẽ tìm hiểu ứng dụng của mạng nơron để dự báo đầu ra của một hệ thống xử lý nước thảị Vì sao sử dụng mạng nơron kết quả nhận được lại tốt hơn những công cụ khác? Chúng ta có thể giải thích như sau:
Trong quá trình xây dựng mô hình có hai nguyên nhân gây ra sai số:
Nguyên nhân thứ nhất: là do ánh xạ không cùng dạng với hàm đích. Bản chất mối quan hệ giữa thông số đầu vào và đầu ra của quá trình xử lý nước thải là quan hệ phi tuyến rất phức tạp. Do đó, nếu sử dụng các phương pháp có ưu thế về xấp xỉ các hàm tuyến tính xem ra không khả thị Còn các mô hình vật lý, hoạt động theo nguyên tắc chiếc hộp trắng cũng chỉ diễn đạt được một phần nào đó bản chất hiện tượng xảy ra bên trong hệ thống, mà chưa đưa ra một mô hình vật lý tổng quát cho một hệ thống xử lý nước thảị Trong khi đó, mạng nơron hoạt động theo nguyên lý chiếc hộp đen lại tỏ ra ưu thế hơn hẳn, chúng có thể xấp xỉ các hàm phi tuyến có độ phức tạp bất kỳ với một sai số mong muốn.
thông tin (do các biến độc lập không chứa đủ các thông tin cần thiết để xác định