1.3. MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY YẾM KHÍ
1.3.3. Một số mô hình quá trình xử lý sinh học
Tùy theo yêu cầu thực tiễn cũng như trình độ cho phép mà các mô hình toán học áp dụng để thiết lập các phần mềm là khác nhau: tự nghiên cứu hay dựa trên những công thức, hàm toán học, mô hình sẵn có. Việc áp dụng mô hình nào trong công tác xây dựng phần mềm còn tùy thuộc vào yêu cầu kết quả mà phần mềm mang lại cũng như tính chuyên sâu của nó. Hiệp hội quốc tế về chất lượng nước (IAWQ - International Association on Water Quality) đã đề xuất một số mô hình quá trình sinh học thể hiện bằng các phương trình toán học và được áp dụng rộng rãi trong việc xây dựng các phần mềm tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học như ASM1, ASM2, ASM3 [52] và ADM1 [30].
Mô hình bùn hoạt tính số 1 (ASM1)
Mô hình này nghiên cứu về quá trình xử lý nước thải theo phương pháp sinh học hiếu khí. Mô hình này được nhà khoa học Henze giới thiệu vào năm
1987. Ông đã dùng các biểu thức toán học mô tả các quá trình xảy ra trong hệ thống xử lý hiếu khí sử dụng bùn hoạt tính. Mô hình này có khả năng dự báo lượng oxy tiêu thụ, sư hình thành bùn hoạt tính… trong quá trình xử lý nước thải. Song song với những ưu điểm mà mô hình mang lại vẫn còn tồn tại những mặt hạn chế của nó như chưa coi hợp chất niơ ở dạng hòa tan và dạng hạt có thể phân hủy sinh học được, các giả thuyết về phân hủy sinh học làm ảnh hưởng đến quá trình động học của mô hình, không phân biệt được tốc độ phân hủy nitơ trong điều kiện có và thiếu oxy,...
Mô hình bùn hoạt tính số 2 (ASM2)
Nếu như mô hình bùn hoạt tính số 1 chưa tính đến quá trình loại bỏ Photpho bằng phương pháp sinh học thì mô hình bùn hoạt tính số 2 đã khắc phục được nhược điểm này. Sau khi mô hình bùn hoạt tính ra đời, 8 năm sau (năm 1995) Henze cùng các cộng sự đã cho ra đời mô hình bùn hoạt tính số 2.
Mô hình này đã được tính đến các quá trình xử lý photpho có trong nước thải bởi các vi sinh vật. Các quá trình xử lý photpho cũng được đưa ra dưới dạng biểu thức toán học để mô tả quá trình loại bỏ photpho trong các bể phản ứng.
Ngoài các quan niệm về thành phần như trong mô hình ASM1 thì mô hình ASM2 coi các vi sinh vật tích lũy photpho trong nước thải nhờ các vi sinh vật trong nước thải. Các vi sinh vật này có thể tích lũy photpho dưới dạng các sản phẩm polyphotphat. Sự hoạt động của các vi sinh vật tích lũy photphat phải dựa vào thành phần bên trong tế bào như polyphotphat hay polyhydroxy alkanoates (PHA).
Mô hình bùn hoạt tính số 3 (ASM3)
Để khắc phục các nhược điểm của ASM1, năm 1999 Gujer và đồng nghiệp đã đưa ra mô hình ASM3. Mô hình này cho phép dự báo lượng oxy tiêu thụ, lượng bùn hoạt tính sinh ra, ngoài ra nó còn cho phép kiểm soát các quá trình nitrat hóa và khử nitrat xảy ra trong hệ thống bùn hoạt tính.
Mô hình phân hủy yếm khí ADM1
Mô hình này nghiên cứu về quá trình phân hủy yếm khí trong xử lý nước thải do các nhà khoa học trình bày tại Hội thảo quốc tế về môi trường ở Sendai – Nhật Bản vào năm 1997. Trong mô hình ADM1, sự phân hủy của các chất hữu cơ trải qua 4 giai đoạn được thể hiện trong sơ đồ chuyển hóa sinh hóa ở Hình 1.1, bao gồm các quá trình thành phần: (1) Axit sinh axit từ đường; (2) Axit sinh ra từ các axit amin, (3) Axetat hóa từ các axit béo chuỗi dài, (4) Axetat hóa từ propionat, (5) Axetat hóa từ butyrat và lactat, (6) Mêtan sinh ra từ axetat và (7) Mêtan sinh ra từ hiđrô.
Hệ thống phản ứng trong một bể yếm khí rất phức tạp gồm các quá trình song song và nối tiếp nhau. Những phản ứng này được chia thành 2 nhóm chính dưới đây:
(a) Các phản ứng hóa sinh thường được xúc tác bởi các enzym và hoạt động trên các vật liệu hữu cơ sinh học có sẵn. Sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ (ví dụ như sinh khối chết) thành các phần rắn và tiếp theo là quá trình thuỷ phân enzym thành các chất hoà tan đơn giản hơn. Sự phân huỷ của các chất hòa tan thành các chất trung gian bởi các sinh vật dẫn đến sự sinh trưởng sinh khối và tiếp theo là sự phân huỷ sinh khối.
(b) Các phản ứng hóa lý không tính đến các chất trung gian sinh học chỉ bao gồm các liên kết/phân ly ion và quá trình trao đổi pha khí-lỏng, không bao gồm phản ứng kết tủa trong mô hình ADM1.
Trong mô hình ADM1 có 24 thành phần khác nhau (bao gồm 12 thành phần hòa tan và 12 thành phần dạng rắn) trong đó có 7 loại sinh khối phân hủy và 8 thành phần khác nhau gồm các axit béo, các axit amin, đường, axetat, propionat, butyrat, lactat và hiđrô được thể hiện thông qua các phương trình động học của quá trình phân hủy yếm khí trong Bảng 1.5 [30].
Bảng 1.5. Các phương trình động học của quá trình phân hủy yếm khí Tốc độ
phản ứng Quá trình Phương trình động học Đơn vị r1 Phân rã hợp chất hữu cơ k′dis.Xzc gCOD/l.ngày r2 Thuỷ phân cacbonhydrat kcar.Xzd gCOD/l.ngày
r3 Thuỷ phân protein kprr.Xze gCOD/l.ngày
r4 Thuỷ phân lipit klir.Xzf gCOD/l.ngày
r5 Tiêu thụ đường mrmd.Szd.Xzg.(1-fracla)
/(krmd+Szd) gCOD/l.ngày r6 Tiêu thụ axit amin mrad.Sze.Xzh/(krad+Sze) gCOD/l.ngày r7 Tiêu thụ axit béo mrfd.Szf.Xzi/(krfd+Szf) gCOD/l.ngày r8 Tiêu thụ lactat mrla.Szb.Xzg.fracla/(krla+Szb) gCOD/l.ngày r9 Tiêu thụ butyrat mrbu.Sza.Xza/(krbu+Sza) gCOD/l.ngày r10 Tiêu thụ propionat mpd.Szj.Xzj/(kpd+Szj) gCOD/l.ngày r11 Tiêu thụ axetat mum.Szk.Xzk/(kum+Szk) gCOD/l.ngày r12 Tiêu thụ hiđrô mhm.Szk.Xzl/(kum+Szk) gCOD/l.ngày r13 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
đường bmd.Xzg gCOD/l.ngày
r14 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
axit amin bad.Xzh gCOD/l.ngày
r15 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
axit béo bfd.Xzi gCOD/l.ngày
r16
Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
butyrat btr.Xza gCOD/l.ngày
r17 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
propionat bpd.Xzj gCOD/l.ngày
r18 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
axetat bm.Xzk gCOD/l.ngày
r19 Phân huỷ vi sinh tiêu thụ
hiđrô bhm.Xzl gCOD/l.ngày
Bảng 1.5 mô tả 19 quá trình phân hủy yếm khí (từ r1 đến r19) tương ứng với 19 phương trình biểu diễn tốc độ phản ứng. Trong đó có 4 quá trình phân rã hoặc thủy phân cơ chất (từ r1 đến r4) và 7 quá trình phân hủy các vi sinh tiêu thụ thành phần hữu cơ (từ r13 đến r19) tuân theo phương trình động học bậc 1 và có 8 quá trình tiêu thụ cơ chất (từ r5 đến r12) tuân theo phương trình động học Monod.
Các kí hiệu trong các phương trình biểu diễn tốc độ được mô tả trong ma trận Peterson (trong phần phụ lục Bảng PL1 và Bảng PL2), bao gồm: 10 thành phần hòa tan là đường (Szd), axit amin (Sze), axit béo mạch dài (Szf), lactat (Szb), butyrat (Sza), propionat (Szj), axetat (Szk), hiđrô (Szl), mêtan (Szm) và chất trơ phân hủy chậm (Si) trong phụ lục Bảng PL1 và 12 thành phần không tan là hỗn hợp ban đầu (Xzc), cacbonhydrat (Xzd), protein (Xze), lipit (Xzf), đường (Xzg), axit amin (Xzh), axit béo mạch dài (Xzi), butyrat (Xza), propionat (Xzj), axetat (Xzk), hiđrô (Xzl) và chất trơ không tan (Xi) trong phụ lục Bảng PL2. Các thông số động học đã được mã hóa để đưa vào phần mềm sao cho tổng các hệ số của các chất sinh ra hay mất đi trong một phản ứng bằng 0, các thông số này được giải thích cụ thể trong các bảng ở phần phụ lục (Bảng PL3 và Bảng PL4).
1.3.4. Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình và mô phỏng trong nghiên cứu xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Các nhà khoa học đã thành lập nhóm mô hình hóa phân hủy yếm khí IWA tại Hội nghị khoa học quốc tế về môi trường lần thứ 8 ở Sendai - Nhật Bản năm 1997 với mục tiêu phát triển mô hình phân hủy yếm khí tổng quát.
Mô hình có cấu trúc bao gồm nhiều bước mô tả các quá trình sinh hóa cũng như hóa lý. Các bước sinh hóa ban đầu từ cơ chất phân hủy thành cacbonhydrat, protein và lipit, sau đó thủy phân thành đường, axit amin, axit béo chuỗi dài tiếp đến là quá trình axit hóa thành các chất trung gian và cuối cùng là quá trình mêtan hóa thành khí mêtan [30] .
Hiện nay, trên thế giới có nhiều nhà khoa học đã áp dụng phần mềm với mô hình ADM1 để mô phỏng quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học [29, 63, 82]. Trong đó, ứng dụng phần mềm GPS-X để mô phỏng các đối tượng nước thải, các quá trình mô phỏng khác nhau được nhóm nghiên cứu của GS.
Yasui (Đại học Kitakyushu, Nhật Bản) áp dụng từ lâu và phát triển rất mạnh [79, 107, 108].
Tác giả P. Rousseau áp dụng phương pháp mô hình hóa trong nghiên cứu kết hợp phân hủy yếm khí và loại bỏ nitơ sinh học bằng bùn hoạt tính để xử lý nước thải của lợn. Phiên bản ADM1 được mở rộng với khử nitơ sinh học, tính toán pH và chuyển khí lỏng đã được sửa đổi để tính đến ảnh hưởng của các phần liên quan [89].
Nhóm nghiên cứu của K. Derbal áp dụng mô hình cho quy trình đồng phân hủy yếm khí quy mô đầy đủ để xử lý phần hữu cơ của chất thải rắn đô thị cùng với chất thải bùn hoạt tính có nguồn gốc từ nhà máy xử lý nước thải đô thị. Hoạt động này được thực hiện trong một bình có thể tích 2.000 m3 với thời gian lưu trung bình là 26,9 ngày và tốc độ tải lượng hữu cơ trung bình là 1,01 kgTVS/m3.ngày, ở nhiệt độ 37oC với tốc độ sản xuất khí trung bình là 0,296 m3/m3.ngày [38].
Trong khi đó, A. Galí đã phát triển mô hình dựa trên ADM1 để áp dụng cho chất thải nông nghiệp. Mô hình hoạt động trong các điều kiện đơn chất và đồng chất sau đó được xác nhận với các thử nghiệm hàng loạt. Đồng thời được thực nghiệm trên bể phản ứng yếm khí liên tục với phân lợn ở quy mô phòng thí nghiệm. Trong cả hai trường hợp, mối tương quan giữa mô hình và kết quả thí nghiệm đều phù hợp [45].
Theo tài liệu P.G. Rathnasiri, nghiên cứu ảnh hưởng của tái chế bùn và tính ổn định của bể phân hủy yếm khí quy mô thí điểm (pilot) xử lý phần hữu cơ của chất thải thực phẩm được phân tách nguồn. Hệ thống thí điểm quy mô
pilot bao gồm tiền xử lý, phân hủy yếm khí và sau xử lý. Quá trình phân hủy yếm khí được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ trung bình (mesophilic) với lưu lượng 0,222 m3/ngày, chất thải thực phẩm được đưa vào bán liên tục mỗi ngày trong khoảng thời gian 2 giờ. Các thông số đặc trưng của mô hình ADM1 được lấy từ hệ thí điểm và các thông số động học là các tham số tiêu chuẩn được đưa ra trong ADM1. Tải lượng hữu cơ đầu vào (OLR) cho bể phản ứng là 4,81 kgCOD/m3.ngày và thời gian lưu (HRT) là 20 ngày. Hệ phân hủy yếm khí quy mô thí điểm đã được mô phỏng trong 40 ngày. Kết quả cho thấy tỷ lệ sản xuất khí sinh học và thành phần khí trung bình của CH4 và CO2 tương ứng là 56% và 30% [86].
Trong nghiên cứu của Murat Mert Otuzalti, Nhà máy xử lý nước thải quy mô thực (Hurma WWTP) xử lý bùn yếm khí được mô hình hóa bằng Mô hình phân hủy yếm khí (ADM1) với mục đích tạo ra dữ liệu để hiểu rõ hơn về quá trình vận hành và dự đoán các điều kiện hoạt động của quá trình và hiệu suất quá trình. Năng suất loại bỏ VS trung bình, năng suất sản xuất mêtan và giá trị tốc độ sản xuất mêtan của đơn vị xử lý bùn yếm khí được xác định tương ứng là 46,4%, loại bỏ 0,49 m3 CH4/kgVS và 0,33 m3 CH4/m3.ngày [78].
Ở Việt Nam, đã có một số nhóm nghiên cứu áp dụng mô hình để mô phỏng kết quả nghiên cứu. Nhóm tác giả Phạm Thị Hồng Đức (Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) áp dụng mô hình ASM3 để mô phỏng và mô hình hoá loại bỏ N trong nước thải ngành thuỷ sản trong bể phản ứng màng sinh học bệ di chuyển [5]. Tác giả Nguyễn Phương Thảo (Đại học Xây dựng Hà Nội) đã ứng dụng phần mềm GPS-X mô phỏng quá trình xử lý bùn từ trạm xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí [11] và xác định các thông số động học của quá trình phân hủy kỵ khí kết hợp bùn bể tự hoại và rác hữu cơ với phần mềm GPS-X [12].
Tuy nhiên, việc áp dụng mô hình hóa đối với đối tượng nước thải chăn nuôi lợn (tương tự như đối tượng nước thải trong luận án này) ở trên thế giới còn chưa được công bố nhiều, đặc biệt là ở Việt Nam chưa có nhiều nhóm nghiên cứu áp dụng. Việc nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm với mô hình hóa quá trình là xu hướng được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm.
Kết luận Chương 1:
Nước thải chăn nuôi lợn thuộc loại nước thải giàu hữu cơ, cặn, nitơ, phốt pho và vi sinh vật, trong thành phần nước thải có các giá trị COD, TN, TP, SS và coliform rất cao nên cần phải xử lý trước khi thải ra môi trường.
Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải chăn nuôi lợn, phổ biến nhất là phương pháp xử lý sinh học yếm khí, trong đó kĩ thuật UASB hay kĩ thuật IC có thể giải quyết tốt vấn đề trên. Tuy nhiên, 2 kĩ thuật này có những hạn chế cần phải cải tiến và khắc phục để phù hợp hơn với đối tượng nước thải giàu hữu cơ và nhiều cặn như nước thải chăn nuôi lợn. Vì vậy, hệ IC cần được cải tiến theo hướng chia cột phản ứng để hạ thấp chiều cao hệ phản ứng nhằm khắc phục hạn chế khi chế tạo và vận hành. Đối với kĩ thuật UASB khi vận hành ở mật độ bùn vi sinh lơ lửng quá cao (trên 10 g/l) thì bùn dễ bị rửa trôi ra ngoài, nên để khắc phục vấn đề này là sử dụng vật liệu mang vi sinh.
Để hiểu rõ hơn về bản chất quá trình chuyển hóa, diễn biến của quá trình và hiệu suất xử lý của các kĩ thuật này thì cần phải nghiên cứu áp dụng mô hình hóa và sử dụng phần mềm tính toán để mô phỏng các quá trình yếm khí, sau đó kiểm chứng lại bằng các kết quả thực nghiệm sẽ tiết kiệm được thời gian và giảm chi phí vận hành các hệ thống thí nghiệm.