Nghiên cứu ứng dụng mô hình ADM1 và ASM xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao dễ phân hủy sinh học
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.24 MB, 91 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
***
NGUYỄN ĐÌNH MÃI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ADM1 VÀ ASM XỬ LÝ NƯỚC
THẢI CHỨA HÀM LƯỢNG CHẤT HỮU CƠ DỄ PHÂN HỦY SINH HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: KĨ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. TRỊNH THÀNH
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình ADM1 và
ASM xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh
học” được hoàn thành sau thời một thời gian làm việc nghiệm túc, với nỗ
lực nghiên cứu, học hỏi của bản thân và sự hướng dẫn tận tình, mang tính
khoa học cao của thầy giáo Trịnh Thành – Viện khoa học và công nghệ môi
trường – Đại học bách khoa Hà Nội. Những kết quả được trình bày trong
luận văn là hết sức trung thực và rõ ràng.
Tôi xin chịu trách nhiệm trước Viện và Nhà trường về luận văn của tôi.
Học viên
Nguyễn Đình Mãi
LỜI CẢM ƠN
i
Lời đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trịnh Thành, người
đã dành nhiều thời gian để định hướng và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt
quá trình thực hiện. Xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học, Viện
Khoa học và Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện tốt nhất để các học
viên như tôi hoàn thành chương trình cao học. Tôi cũng muốn nói lời cảm
ơnđến cán bộ công nhân Nhà máy xử lý nước thải Kim Liên – Xí nghiệp xử
lý nước thải – Công ty thoát nước Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá
trình tôi thực tập tại nhà máy.
Tôi không quên gia đình, người thân và bạn bè cũng như công ty tôi làm
việc đã động viên giúp đỡ để tôi có động lực học tập hoàn thành chương
trình cao học.
Tuy nhiên, luận văn này đã không đạt được mục tiêu mà thầy giáo
hướng dẫn và bản thân người thực hiện đặt ra ban đầu là tự xây dựng các
chương trình tính toán. Để thực hiện được điều đó bản thân tôi phải nỗ lực
bổi dưỡng thêm nhiều kiến thức và tiếp tục theo đuổi trong quá trình tiếp
theo.
Học viên
Nguyễn Đình Mãi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
ASMs
ASM1
–
–
Activated Sludgle Models (Mô hình bùn hoạt tính).
Activated Sludgle Model No.1 (Mô hình bùn hoạt tính số1).
ii
ASM2
ASM2d
–
Activated Sludgle Model No.2 (Mô hình bùn hoạt tính số 2).
–
ActivatedSludgle Model No.2_deni (Mô hình bùn hoạt tính số 2
có khử nitơrát của PAO).
ASM3
–
Activated Sludgle Model No.3 (Mô hình bùn hoạt tính số 3).
ASIM
–
Activeted Sludge SIMulation Programe (Chương trình mô phỏng
bùn hoạt tính).
ADM1 –
Anaerobic Digestion Model (Mô hình phân hủy yếm khí số 1).
AAO
–
Anaerobic Anoxic Aerobic (Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí).
BNRAS –
Biological Nito Removal Activated Sludge (Bùn hoạt tính khử
nitơ sinh học).
BOD
–
Biologycal Oxy Demand (Nhu cầu oxi sinh hóa).
COD
–
Chemical Oxy Demand (Nhu cầu oxi hóa hóa học).
DO
–
DissolvedOxy (Oxy hòa tan).
EBPR
–
Enhanced Biological Phosphorus Removal (Loại bỏ phốtpho sinh
học).
M[M(BOD)]-1 – Mass[Mass(BOD)]-1 (Khối lượng trên khối lượng BOD).
MLR
–
Mixed Liquid Return (Tuần hoàn hỗn hợp lỏng).
2 -1
–
Lengh2Time-1 (Bình phương độ dài trên thời gian).
LT
–
Oxygen Transfer Rate – Clean (Vận tốc vận chuyển oxy trong
OTRC
nước sạch).
Oxygen Transfer Rate – Activated Sludge (Vận tốc vận chuyển
OTRAS –
oxy trong bể bùn hoạt tính).
PAOs
–
Phosphoruse Accumulating Oganic (Tích lũy phốtpho hữu cơ).
PE
Parameters are Estimated (Thông số tính toán).
PHA
–
Poly Hydroxy Alkanoates.
PP
–
Poly Phosphate.
IAWPRC –
International Association on Water Polllultion Research and
Control (Hiệp hội nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước quốc tế).
RAS
–
Return Activated Sludge (Tuần hoàn bùn hoạt tính).
SRT
–
Solid Retention Time (Thời gian lưu chất rắn/Tuổi của bùn).
VSS
–
Volatile Subpended Solid (Chất rắn bay hơi).
UASB
–
Upflow Anaerobic Sludge Blanket(Chảy ngược qua lớp bùn yếm
khí).
XLNT
–
Xử lý nước thải.
DANH MỤC BẢNG
iii
Bảng 2. 1 Các thành phần của mô hình ADM1 ........................................................28
Bảng 2. 2 Ma trận hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj cho các hợp chất
hữu cơ dạng hạt, cation và anion của mô hình ADM1 (Batstone et al, 2002; Rosen và
Jeppsson, 2005). ........................................................................................................30
Bảng 2. 3 Ma trận hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj cho các hợp chất
hữu cơ dạng hạt, cation và anion của mô hình ADM1 (Batstone et al, 2002; Rosen và
Jeppsson, 2005) .........................................................................................................31
Bảng 2. 4 Hệ số tỷ lượng (υi,j) và phương trình động học rj các thành phần trong phản
ứng axit-bazơ của mô hình ADM1 (Rosen và Jeppson, 2005). ................................33
Bảng 2. 5 Ma trận tỷ lượng υji, và ma trận thành phần lk,i của ASM2d ....................43
Bảng 2. 6 Bảng tính bổ sung một số vị trí điển hình cho ma trận tỷ lượng của ASM2d
...................................................................................................................................46
Bảng 2. 7 Biểu thức động học của ASM2d, ∀ rj ≥ 0................................................47
Bảng 3. 1 Các thông số động học ở mô hình ASM2d được hiệu chỉnh phù hợp ở nhiệt
độ 17OC và 29 OC để phù hợp với trường hợp mô phỏng .........................................58
Bảng 3. 2 Thông tin sơ bộ về nhà máy xử lý nước thải Kim Liên............................60
Bảng 3. 3 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào tại bể lắng sơ cấp ........................61
Bảng 3. 4 Kết quả đo nồng độ oxi hòa tan trong các bể ...........................................62
Bảng 3. 5 Kết quả đo lưu lượng các dòng chính trong nhà máy...............................62
Bảng 3. 6 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đánh giá sinh khối ....................................62
Bảng 3. 7 Kết quả phân tích nước sau xử lý tại bể lắng thứ cấp...............................63
Bảng 3. 8 Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mô hình .................................63
Bảng 4. 1 Kết quả mô phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 17oC .......65
Bảng 4. 2 So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng một số thông số đầu ra của..........67
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
iv
Hình 1. 1 So sánh mô hình ASM 1 và ASM3 [15-tr.37] ..........................................17
Hình 1. 2 Dòng vật chất cho tích lũy và phát triển của PAOs trong mô hình ASM2 [1tr.768] ........................................................................................................................18
Hình 1. 3 Mô tả vai trò của PAOs trong hệ thống AAO thông qua mô hình ASM2d
[15-tr.39] ...................................................................................................................19
Hình 1. 4 Sơ đồ mô tả sự phát triển của các mô hình động học phức tạp của hệ thống
bùn hoạt tính [15]. .....................................................................................................19
Hình 1. 5 Định nghĩa về hệ thống [21] ....................................................................20
Hình 1. 6 Sơ lược về quá trình tìm kiếm mô hình (mô hình hóa) [21] ....................21
Hình 1. 7 Vòng lặp điều khiển dòng hồi lưu nội bộ để duy trì nồng độ nitrat ở mức
thấp [10] ....................................................................................................................25
Hình 1. 8 Vòng lặp điều khiển nồng độ amôni thông qua điểm đặt DO [10]..........26
Hình 1. 9 Vòng lặp điều khiển nồng độ sinh khối [10]............................................26
Hình 1. 10 Vòng lặp điều khiển dòng cacbon bên ngoài để kiểm soát nồng độ nitrat [4]
...................................................................................................................................26
Hình 2. 1 Quá trình biến đổi sinh học theo mô hình ADM1 [7]...............................27
Hình 2. 2 Mô tả cách đặc tính hóa nước thải dòng vào cho mô hình ADM1[23] ....38
Hình 2. 3 Sơ đồ mô tả lý thuyết hai lớp màng đối với quá trình hấp thụ oxi từ pha khí
vào pha lỏng ..............................................................................................................49
Hình 2. 4 Sơ đồ cấu trúc dòng khuấy trộn hoàn toàn cho thống bùn hoạt tính.........50
Hình 2. 5 Đặc tính của các thành phần hữu cơ trong nhà máy xử lý nước thải đô thị ở
Đan Mạch [15] ..........................................................................................................52
Hình 2. 6 Các thành phần COD trong nước thải và các kỹ thuật phân tích để đo đạc các
phần trong CODtổng ...................................................................................................53
Hình 2. 7 Các thành phần của Nitơ trong nước thải ................................................55
Hình 2. 8 Các thành phần của phốt pho trong nước thải...........................................55
Hình 4. 1 Cấu hình của nhà máy xử lý nước thải Kim Liên .....................................65
v
Hình 4. 2 Đồ thị so sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng ở trạng thái ổn định của nhà máy
cho các thông số NH4, NO3 và thành phần hữu cơ hòa tan không phân hủy sinh học SI.
...................................................................................................................................67
Hình 4. 3 Hàm lượng amôni trong các phản ứng và so sánh giá trị đo tại bể lắng thứ
cấp .............................................................................................................................68
Hình 4. 4 Diễn biến hàm lượng nirtrat trong các phản ứng và kết quả đo tại bể lắng thứ
cấp .............................................................................................................................68
Hình 4. 5 Diễn biến hàm lượng phốt pho trong các phản ứng và so sánh kết quả đo tại
bể lắng thứ cấp ..........................................................................................................69
Hình 4. 6 Hàm lượng TSS trong các phản ứng........................................................69
Hình 4. 7 Diễn biến PO43- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l ..........71
Hình 4. 8 Diễn biến PO43- - khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l...........71
Hình 4. 9 Diễn biến NH4+ khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l ..........71
Hình 4. 10 Diễn biến NH4+ khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l .........71
Hình 4. 11 Diễn biến NO3- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,08mg/l.........71
Hình 4. 12 Diễn biến NO3- khi duy trì DO trong bể yếm khí ở mức 0,0mg/l.........71
Hình 4. 13 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng thiếu khí 0,2mg/l...........................73
Hình 4. 14 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng thiếu khí 0,1mg/l..........................73
Hình 4. 15 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 0,2mg/l...........................73
Hình 4. 16 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 0,1mg/l...........................73
Hình 4. 18 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng hiếu khí 2,5mg/l............................74
Hình 4. 19 Hàm lượng NH4 khi DO trong vùng hiếu khí 2,0mg/l............................74
Hình 4. 20 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng thiếu khí 2,5mg/l...........................74
Hình 4. 21 Hàm lượng NO3 khi DO trong vùng hiếu khí 2,0mg/l............................74
Hình 4. 22 Diễn biến TSS khi lưu lượng dòng vào tăng 25% trong 5 ngày liên tục 75
Hình 4. 23Diễn biến TSS khi lưu lượng dòng vào trở lại ổn định kể từ ngày thứ 6.75
Hình 4. 24 Diễn biến NH4 tkhi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40% trong vòng 1 ngày76
Hình 4. 25 Diễn biến NH4 trong phản ứng khi tải lượng NH4 đầu vào trở về ổn định76
Hình 4. 26 Diễn biến NO3 khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40% trong vòng 1 ngày76
Hình 4. 27 Diễn biến NO3 khi tải lượng NH4 đầu vào trở về trạng thái ổn định ......76
vi
Hình 4. 28 Diễn biến của sinh khối tự dưỡng khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 40%76
Hình 4. 29 Diễn biến SF khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% .............................77
Hình 4. 30 Diễn biến NH4 khi tải lượng COD dòng vào tăng 40%..........................77
Hình 4. 31 Diễn biến XH khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% ............................77
Hình 4. 32 Diễn biến XAUT khi tải lượng COD dòng vào tăng 40%.........................77
Hình 4. 33 Diễn biến của NH4 khi ngừng cấp khí vào hệ thống...............................79
Hình 4. 34 Diễn biến của SA khi ngừng cấp khí vào hệ thống..................................79
Hình 4. 35 KLa khi điều khiển duy trì DO ở mức 2mg/l...........................................80
Hình 4. 36 Kla khi điều khiển cấp khí gián đoạn ......................................................80
MỤC LỤC
vii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT ..........................................ii
DANH MỤC BẢNG................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ..............................................................................iv
MỤC LỤC.................................................................................................................vii
MỞ ĐẦU...................................................................................................................11
Chương 1_TỔNG QUAN .........................................................................................14
1.1.Sơ lược quá trình phát triển của mô hình phân hủy yếm khí ..............................14
1.2.Sơ lược sự phát triển của mô hình bùn hoạt tính ................................................14
1.2.1.Giai đoạn đầu tiên ............................................................................................14
1.2.2.Giai đoạn thứ hai ..............................................................................................15
1.2.3.Giai đoạn thứ ba ...............................................................................................16
1.3.Các định nghĩa cơ bản về mô hình hóa toán học và tính toán mô phỏng ...........20
1.3.1.Hệ thống và trạng thái ......................................................................................20
1.3.2.Thực nghiệm ....................................................................................................20
1.3.3.Mô hình và mô hình hóa ..................................................................................21
1.3.4.Mô phỏng .........................................................................................................21
1.3.5.Ưu, nhược điểm của mô hình toán học và tính toán mô phỏng .......................22
1.4.Điều khiển trong các nhà máy xử lý nước thải ...................................................23
1.4.1.Vấn đề chung....................................................................................................23
1.4.2.Một số trường hợp điều khiển tự động điển hình trong nhà máy xử lý nước thải25
Chương 2_LỰA CHỌN MÔ HÌNH..........................................................................27
2.1. Lựa chọn mô hình cho hệ thống phân hủy yếm khí và đặc tính nước thải đầu vào
...................................................................................................................................27
2.1.1Lựa chọn mô hình .............................................................................................27
2.1.1.1. Chọn mô hình động học ...............................................................................27
2.1.1.2. Mô hình cấu trúc dòng .................................................................................36
2.1.2. Đặc tính hóa nước thải dòng vào cho mô hình ADM1 ...................................38
viii
2.2. Lựa chọn mô hình cho hệ thống bùn hoạt tính và đặc tính hóa nước thải dòng vào
...................................................................................................................................39
2.2.1. Lựa chọn mô hình ...........................................................................................39
2.2.1.1. Mô hình động học ........................................................................................39
2.2.1.2. Mô hình cấu trúc dòng .................................................................................49
2.2.2. Đặc tính hóa nước thải dòng vào ....................................................................52
Chương 3_ CHUẨN BỊ DỮ LIỆU VÀ CHỌN MÔI TRƯỜNG MÔ PHỎNG .....57
3.1.Chọn môi trường và các mục tiêu mô phỏng ......................................................57
3.1.1. Môi trường mô phỏng .....................................................................................57
3.1.2.Các thông số động học của mô hình ................................................................57
3.2 Chuẩn bị dữ liệu ..................................................................................................60
3.2.1. Chọn nhà máy trên thực tế ..............................................................................60
3.2.2. Thu thập và xử lý số liệu.................................................................................60
3.2.3.Đặc tính hóa nước thải dòng vào .....................................................................63
3.3. Các mục tiêu mô phỏng......................................................................................64
Chương 4_KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ..........................................65
4.1. Mô phỏng tương đồng nhà máy thực để đánh giá mô hình ...............................65
4.1.1. Cấu hình nhà máy xử lý nước thải Kim Liên..................................................65
4.4.2. Kết quả mô phỏng cho trường hợp ổn định ở 17oC ........................................65
4.1.3. Kết quả mô phỏng động học cho ở 17oC và so sánh giá trị đo sau xử lý .......68
4.1.4Đánh giá kết quả mô phỏng và hiệu suất xử lý của nhà máy............................70
4.2. Mô phỏng động với các trường hợp hiệu chỉnh DO khác với thực tế để tăng hiệu
suất xử lý ...................................................................................................................70
4.2.1 Mô phỏng với trường hợp duy trì DO thấp trong bể yếm khí để nâng cao hiệu quả
khử phốt pho sinh học ...............................................................................................70
4.2.2Mô phỏng động học diễn biến của Nitrat và Amôni trong trường hợp duy trì nồng
độ oxi hòa tan trong trong vùng thiếu khí 0,1mg/l....................................................72
4.2.3Mô tả động học diễn biến của Nitrat và Amôni trong trường hợp duy trì nồng độ
oxi hòa tan trong trong vùng sục khí 2,0mg/L..........................................................73
ix
4.3 Mô phỏng động học trong một số tình huống nguy hiểm có thể xảy ra trên thực tế
...................................................................................................................................74
4.3.1 Mô phỏng động học khi lưu lượng dòng vào tăng lên 25%.............................74
4.3.2. Mô phỏng trong điều kiện chạy hằng ngày với tải lượng COD ổn định nhưng tải
lượng amôni (NH4) tăng 40% ...................................................................................75
4.3.3. Mô phỏng với điều kiện chạy hằng ngày nhưng tải lượng COD tăng 40%....77
4.5. Điều khiển các quá trình trong nhà máy ............................................................77
4.5.1 Điều khiển quá trình cấp khí ............................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................82
PHỤ LỤC..................................................................................................................85
Phụ lục A_CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ASM2d....................85
Phụ lục B_CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ADM1 .....................86
Phụ lục C_MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ NHÀ MÁY XLNT KIM LIÊN ....................88
Phụ lục D_MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM ASIM 4.............89
x
Mở đầu
MỞ ĐẦU
Ngày nay các mô hình trở thành một phần không thể thiếu trong việc thiết kế
và vận hành các nhà máy xử lý nước thải có quy mô lớn trên thế giới. Ở Việt
Nam, việc tiếp cận các mô hình toán học để tự động hóa và điều khiển quá trình
vẫn còn nhiều hạn chế vì nhiều lý do khác nhau. Tuy nhiên, với xu thế phát triển
bắt buộc các kỹ sư công nghệ phải sử dụng các mô hình tiên tiến nhằm giảm chi
phí trong thiết kế, vận hành, tối ưu hóa quá trình để đạt hiệu quả cao nhất đồng
thời góp phần loại bỏ các rủi ro cho các nhà máy xử lý nước thải.
Trên thế giới có các tổ chức, công ty nghiên cứu chuyên sâu và triển khai
ứng dụng mô hình một cách rộng rãi, mang lại hiệu quả cao trong lĩnh vực xử lý
nước thảinhư Viện khoa học và kỹ thuật nước Thụy Sĩ (Eawag) với phần mềm
ASIM, Công ty Envirosim - Canada với phần mềm BioWin và PetWin; Công
ty Hydromantis - Canada có phần mềm GPS-X, Viện tự động hóa và truyền
thông Magdeburg - Đức (IFAK) có phần mềm SIMBA, Công ty WRc plc - Anh
cóSTOAT, hay như Công ty MOST for Water-Vương quốc Bỉ với WEST.
Hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho thiết kế, vận hành, tối ưu hóa và tự động
hóa nhà máy xử lý nước thải nói trên đều dựa trên cơ sở mô hình động học của
quá trình bùn hoạt tính - ASMs và mô hình phân hủy yếm khí số 1 – ADM1
được các nhà khoa học thuộc hiệp hội nước Quốc tế dành nhiều công sức để
nghiên cứu phát triển trong một thời gian dài, được giới khoa học thừa nhận
rộng rãi và sử dụng nhiều nhất.
Trong khuôn khổ nội dung luận văn này người thực hiện giới hạn xung quanh
việc tìm hiểu sâu về mô hình động học ASM và ADM, tìm hiểu các bước để xây
dựng mô hình tính toán dựa trên phương thức ghép nối các mô hình động học,
mô hình cấu trúc dòng, cuối cùng ứng dụng một mô hình được xây dựng sẵn để
tính toán mô phỏng cho một nhà máy xử lý nước thải cụ thể. Đây là một công
việc nhỏ nhưng kết quả của nó sẽ làm tiền đề cho việc nghiên cứu ở mức độ sâu
hơn hay mở rộng xây dựng một chương trình tính toán lớn về sau. Đồng thời góp
11
Mở đầu
phần nhân rộng xu thế mô hình hóa, hiệu chỉnh các thông số của mô hình cho
phù hợp với điều kiện xử lý nước thải ở Việt Nam.
Nội dung của luận văn được chia thành 4 chương.
Chương 1: Tổng quan
Sơ lược về lịch sử phát triển mô hình bùn hoạt tính và mô hình phân hủy yếm
khí. Các khái niệm liên quan đến công việc mô hình hóa và ưu nhược điểm của
mô hình cũng như kết quả mô phỏng. Tóm lược chung về điều khiển trong các
nhà máy xử lý nước thải và một số ví dụ điển hình về các vòng lặp điều khiển.
Chương 2: Lựa chọn mô hình và đặc tính hóa nước thải dòng vào
Muốn có được các mô hình toán cuối cùng để có thể giải được bằng phương
pháp toán, người thực hiện phải lựa chọn các mô hình con khác nhau (bao gồm
mô hình động học và mô hình cấu trúc dòng) để ghép nối lại thành các hệ
phương trình cuối cùng.
Một phần quan trọng nữa đối với công việc mô hình hóa và mô phỏng là xác
định được giá trị của cấu tử (cấu tử mô hình) bằng việc đo đạc và tính toán thông
qua các phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi thường được gọi
là đặc tính hóa nước thải dòng vào.
Chương 3:Chuẩn bị dữ liệu và lựa chọn môi trường mô phỏng
Chuẩn bị dữ liệu phù hợp với mô hình ASM2d và lựa chọn môi trường mô
phỏng đã được xây dựng sẵn.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận
Chương quan trọng nhất của luận văn. Nội dung chính của chương này là sử
dụng một chương trình mô phỏng đã được xây dựng sẵn – phần mềm ASIM 4 để
mô phỏng vận hành cho nhà máy xử lý nước thải Kim Liên đặt tại phương Kim
Liên- quận Đống Đa – Hà Nội có công suất 3700m3/ngàyđêm.
12
Mở đầu
Khi áp dụng các thông số vận hành của hệ thống trên thực tế vào mô hình
cho kết quả tương đồng nhau, kết luận mô hình động học ASM2d là thích hợp để
mô phỏng cho công nghệ AAO.
Mô phỏng cho các tình huống có thể xảy ra trên thực tế của nhà máy xử lý
nước thải Kim Liên nhằm đánh giá diễn biến của hệ thống để kịp thời điều chỉnh
nhằm đưa hệ thống về trạng thái ổn định. Áp dụng một số chu trình điều khiển
điển hình cho nhà máy.
13
Chương 1: Tổng quan
Chương 1_TỔNG QUAN
1.1 Sơ lược quá trình phát triển của mô hình phân hủy yếm khí
Phân hủy yếm khí là quá trình phù hợp và có nhiều lợi ích nhất được áp dụng để xử
lý các loại nước thải khác nhau có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ dễ phân hủy
sinh học bởi vì nó kết hợp được việc sản sinh năng lượng đồng thời làm giảm ô nhiễm
trong các dòng thải có hàm lượng các chất hữu cơ cao.
Với mục đích hỗ trợcho thiết kế các nhà máy công nghiệp, để mô phỏng tính toán
tải lượng và tính chất của các dạng ô nhiễm hữu cơ khác nhau đồng thời trợ giúp cho
việc quản lý hoạt động các nhà máy, một vài mô hình động học cộng với mô hình tĩnh
liên quan đến quá trình phân hủy yếm khí được phát triển trong vòng 30 năm cuối thể
kỷ XX.
Các mô hình đầu tiên rất đơn giản và bao gồm số ít các công thức như mô hình của
Andrews và Graefm 1971; Hill, 1982,vv. Sau đó nhiều mô hình tinh vi hơn được phát
triển để đạt được mức độ có thể đáp ứng các khía cạnh phức tạp của quá trình phân hủy
yếm khí như mô hình thuộc nhóm của Costllo, 1991a,b; Siegrist và cộng sự, 1993,
2002; Angelidaki, 1993, 1997, 1999; Batstone, 2000. Trong những năm tiếp theo sau
đó, nhờ sự nghiên cứu chuyên sâu, sự hợp tác giữa nhiều tổ chức ở nhiều quốc gia
khác nhau thì việc phân tích quá trình yếm khí, mô hình hóa- mô phỏng đã thành công
và đang phát triển nhiều mô hình động học tinh vi được biết đến như mô hình phân hủy
yếm khí số 1 (ADM1), mô hình này mô tả gần như hoàn chỉnh cơ chất bằng các thành
phần hữu cơ và vô cơ.
Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã cài đặt mô hình động học mạnh
mẽ này để mô phỏng thành công quá trình xử lý các chất thải hữu cơ khác nhau như:
Xử lý bùn thải trong nhà máy xử lý nước thải đô thị (Blumensaat và Keller, 2005;
Parker, 2005), xử lý bột giấy thải(Stamatelatou et al., 2006)…
1.2
Sơ lược sự phát triển của mô hình bùn hoạt tính
1.2.1 Giai đoạn đầu tiên
Giai đoạn này kéo dài đến đầu những năm 1950, có thể gọi là giai đoạn “thiết kế
thực nghiệm, làm thử và phỏng đoán”. Các phương pháp thiết kế hệ thống bùn hoạt
tính trong giai đoạn này rất đơn giản, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. Các thông số được
quan tâm đề xuất nhiều trong giai đoạn này là thời gian cần thiết để làm sạch nước thải
sinh hoạt trong vòng 3-4 giờ còn đối với nước thải công nghiệp 6-8 giờ.O’Connor
14
Chương 1: Tổng quan
(1954) cho rằng “hiệu suất của quá trình bùn hoạt tính trong xử lý các chất hữu cơ là
một hàm của thời gian sục khí, nồng độ bùn và tải lượng BOD”. Báo cáo của Garrett và
Sawyer (1952) cho rằng tải lượng BOD của hệ thống bùn hoạt tính trong khoảng từ
0,25 đến 0,5 kg BOD/(kg SS*ngày).Cũng trong thời điểm này có nhiều công bố cho
rằng, thời gian sục khí biến đổi từ 1-8 giờ và nồng độ hỗn hợp bùn hoạt tính (MLSS)
dao động từ 1000-4000 mg/L [15].
Các nhà khoa học trong giai đoạn này cũng đưa ra các định nghĩa khác nhau về tuổi
của bùn.
Eckenfelder và Porfes (1957) đưa ra một số công thức thực nghiệm đơn giản để
đánh giá lượng bùn thừa và nhu cầu oxi cần thiết.
Lượng bùn thừa có thể đánh giá được theo công thức cân bằng vật liệu:
Bùn sinh học thừa = a.Lr – b.S + C
(1.1)
Trong đó:
a – phần BOD được sử dụng cho tổng hợp sinh khối, M[M(BOD)]-1 (a=0,50-0,75)
Lr– tổng BOD được loại bỏ (giả thuyết không tích lũy), M(BOD)L-3
b – vận tốc hô hấp nội bào (ngày-1)
S – nồng độ bùn, ML-3
C – nồng độ các chất rắn không phân hủy sinh học.
Cuối cùng, nhu cầu oxi được tính dựa trên lượng chất hữu cơ được loại bỏ và nồng
động bùn hoạt tính trong bể:
Nhu cầu oxi = (1-a).Lr +b.S
(1.2)
1.2.2 Giai đoạn thứ hai
Giai đoạn thứ hai trong quá trình phát triển của mô hình bùn hoạt tính là áp dụng
các dạng động học phản ứng hóa học tương tự cho sự phát triển của vi sinh vật và sử
dụng cơ chất hữu cơ dưới điều kiện hiếu khí [15].
Nhìn chung ở thời điểm này chấp nhận nguyên tắc động học cho sự phát triển của vi
sinh vật được đề xuất đầu tiên bởi Penfod và Norris (1912), người đã nghiên cứu trên
chủng vi sinh vật Eberthellatyphosa như là một chức năng của peptone (có và không
có glucose). Dựa trên các kết quả thực nghiệm của mình, ông đã đưa ra mối quan hệ
giữa hằng số vận tốc phát triển riêng của vi sinh vật (µ)với nồng độ cơ chất (S).
15
Chương 1: Tổng quan
Đến Monod (1942) , đã nghiên cứu mối quan hệ giữa vận tốc phát triển với nồng độ
cơ chất của chủng vi khuẩn Escherichia coli và Bacillus subtilis. Monod đã chứng minh
mối quan hệ đơn giản giữa µ và S là quan hệ tỷ lệ thuận khi nồng độ cơ chất thấp
nhưng đạt đến giới hạn giá trị bão hòa (µmax) khi nồng độ cơ chất cao qua công thức:
(1.3)
Đồng thời Monod cũng đưa ra mối quan hệ giữa sự phát và sử dụng cơ chất
(1.4)
Trong đó:
Y – hệ số hiệu suất.
Các công thức Monod là những công thức cơ bản được chấp nhận rộng rãi trong các
mô hình bùn hoạt tính.
Ba thập tiếp theo kể từ nghiên cứu của Monod có rất nhiều biểu thức toán khác nhau
được đưa ra để bổ sung cho phương trình của ông.
1.2.3 Giai đoạn thứ ba
Ở giai đoạn thứ 3 của quá trình phát triển các mô hình bùn hoạt tính có thể xem là
áp dụng các nguyên tắc của kỹ thuật phản ứng kết hợp với ma trận lớn các biểu thức
động học và hệ số tỷ lượng. Giai đoạn này ra đời một lượng lớn các mô hình phức tạp
là kết quả từ khả năng xác định đầy đủ tính chất của nước thải đầu vào (ví dụ: các chất
hữu cơ, thành phần nitơ, phốt pho) và thành phần của sinh khối (ví dụ: vi sinh vật dị
dưỡng, vi sinh vật khử nitơ, Vi sinh vật tích lũy phốt pho hữu cơ - PAOs) cùng với hệ
số tỷ lượng, phương trình động học các phản ứng [15-tr32].
Trong giai đoạn này sự gia tăng mở rộng các hệ phương trình toán học theo không
gian và thời gian rất lớn nên không thể tính toán bằng tay mà phải xây dựng các mô
hình toán mô phỏng và cài đặt để giải trên máy tính điện tử thông qua các ngôn ngữ lập
trình.
Những tiến bộ đáng chú ý trong những năm 1917-1980 liên quan đến mô hình động
học đạt được trong một thời gian rất ngắn xoay quanh các vấn đề oxi hóa cacbon, nitrat
hóa và khử nitrat, một số cơ chế khác thì bổ sung thêm động học của oxi hòa tan (DO),
nồng độ bùn và loại bỏphốt pho sinh học.
16
Chương 1: Tổng quan
Các lợi ích đạt được nhờ áp dụng phổ biến mô hình bùn hoạt tính được khuyến cáo
bởi hiệp hội nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm nước quốc tế (IAWPRC/IAWA/IWA).
Năm 1983, IAWPRC thành lập nhóm phát triển mô hình toán ứng dụng cho thiết kế và
vận hành các nhà máy xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học.
Năm 1986, IAWPRC công bố mô hình bùn hoạt tính số 1- ASM1. Mở rộng sử dụng
ASM1 trong nghiên cứu và trên thực tế các nhà khoa học đã phát hiện một số thiếu sót
của mô hình. Để chỉnh sửa ASM1, năm 1999 IAWPRC công bố mô hình ASM3. Hai
mô hình này đều mô tả quá trình sinh học giống nhau và có các thành phần tương tự
nhưng cũng tồn tại sự khác nhau ở một số điểm (Hình 1.1). Điểm khác nhau cơ bản
nhất là việc sử dụng trực tiếp cơ chất bên ngoài của vi sinh vật dị dưỡng theo mô tả
trong ASM1 không lặp lại trong ASM3. Trong mô hình sau cơ chất dễ phân hủy sinh
học (Ss) trước tiên được các vi sinh vật dị dưỡng sử dụng và tích lũy bên trong dưới
dạng thành phần tế bào (SXTO).
Hình 1. 1 So sánh mô hình ASM 1 và ASM3 [15-tr.37]
Một số tính năng quan trọng khác của ASM3 khác với ASM1 có thể được tóm tắt:
- Quá trình thủy phân phụ không thuộc vào chất cho electron và xảy ra với vận tốc
như nhau dưới điều kiện hiếu khí và thiếu khí;
17
Chương 1: Tổng quan
- Tổn thất sinh khối tự dưỡng và dị dưỡng bị giảm dưới điều kiện thiếu khí;
- Hai thành phần của chất rắn không phân hủy sinh học phụ thuộc vào nguồn gốc
của nó, ví dụ: dòng vào, sinh khối chết;
- Amôn hóa và thủy phân các chất dễ phân hủy sinh học, nitơ dạng hạt được bỏ qua;
- Dung dịch COD giả thiết chỉ là cơ chất dễ phân hủy sinh học và hòa tan, không có
thành phần không phân hủy sinh học.
Qua nhiều nghiên cứu Koch và cộng sự (2000b) kết luận rằng ASM1 và ASM3 đều
cho những kết quả tương tự nhau khi mô phỏng động học cho các nhà máy xử lý nước
thải đô thị, tuy nhiên ASM3 ứng dụng tốt hơn cho các nhà máy có thể tích vùng không
sục khí lớn hoặc trong tình huống tích trữ cơ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trở
thành quá trình chiếm ưu thế (ví dụ các nhà máy xử lý nước thải công nghiệp có hàm
lượng COD dễ phân hủy sinh học cao).
Tuy nhiên hạn chế của ASM1 và ASM3 là đều không tích hợp quá trình xử lý nâng
cao khửphốt pho sinh học. Tám năm sau khi công bố mô hình ASM1, nhóm của IAWQ
đưa ra phiên bản tiếp theo của gọi là ASM2 bao gồm quá trình xử lý phốt pho, phiên
bản tiếp theo của ASM2 lấy tên là ASM2d.
Hình 1. 2 Dòng vật chất cho tích lũy và phát triển của PAOs trong mô hình ASM2 [1tr.768]
Hình 1.2 mô tả dòng vật chất của quá trình khử phốt pho sinh học. Trong vùng yếm
khí phốt pho sẽ được phân giải từ các sản phẩm lên men (SA) và poly-phốt phát, đồng
thời sản phẩm tích lũy nội bào trong giai đoạn này là PHA. Đến vùng hiếu khí các vi
sinh vật sử dụng sản phẩn tích lũy nội bào ở giai đoạn trước đồng thời hấp thụ oxi và
PO4 để phát triển tế bào. PO43-
18
Chương 1: Tổng quan
Đến mô hình ASM2d, các PAO tham gia vào quá trình khử nitrat trong vùng thiếu
khí được bổ sung (Hình 1.3)
Hình 1. 3 Mô tả vai trò của PAOs trong hệ thống AAO thông qua mô hình ASM2d [15tr.39]
Trong giai đoạn này có rất nhiều mô hình động học được phát triển độc lập hoặc
dựa trên các mô hình của IAWQ như hình 1.4. Tuy nhiên, loạt các mô hình bùn hoạt
tính của IWA (ASM1, ASM2, ASM2d,ASM3) được giới các nhà khoa học thừa nhận
và ứng dụng rộng rãi nhất.
Hình 1. 4 Sơ đồ mô tả sự phát triển của các mô hình động học phức tạp của hệ thống
bùn hoạt tính [15].
Trên cơ sở khái quát các mô hình như trên ta có thể thấy việc vận dụng hợp lý mô
hình bùn hoạt tính cho từng trường hợp cụ thểtrên thực tế là hết sức quan trọng và đòi
hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bản chất và cơ chế động học của từng mô hình.
19
Chương 1: Tổng quan
1.3 Các định nghĩa cơ bản về mô hình hóa toán học và tính toán mô phỏng
1.3.1 Hệ thống và trạng thái
Có nhiều cách định nghĩa về hệ thống nhưng định nghĩa đơn giản, tổng quát và dễ
hiểu nhất là xem hệ thống như một chiếc hộp có biến vào và biến ra [21,26].
Hình 1. 5 Định nghĩa về hệ thống [21]
Quan hệ giữa biến ra y và biến vào x có dạng f(x,y) = 0
Hệ thống có thể là:
+ Hộp đen: khi không biết tý gì về bản chất của hệ;
+ Hộp trắng: biết hoàn toàn bản chất của hệ;
+ Hộp xám: chỉ biết một phần bản chất của hệ.
Trạng thái của hệ ở thời điểm t là tập hợp tất cả [x(t), y(t)], trạng thái luôn gắn liền
với hệ thống, khi t thay đổi thì trạng thái cũng thay đổi.
Khi nghiên cứu trạng thái là đề cập đến:
+ Giá trị trung bình, giá trị lớn nhất, nhỏ nhất;
+ Trạng thái nguy hiểm;
+ Và phải luôn tính toán được trạng thái ở thời điểm bất kỳ.
1.3.2 Thực nghiệm
Thực nghiệm là quá trình làm rõ (giải thích) dữ liệu từ một hệ thống thông qua việc
áp dụng điều kiện bên ngoài đến đầu vào của hệ thống, quan sát các phản ứng của hệ
thống và ghi lại trạng thái của biến đầu ra. Thông qua thực nghiệm để hiểu biết hơn hệ
thống một cách tổng thể. Ban đầu, những hiểu biết có thể là ở phi cấu trúc. Tuy nhiên,
thông qua việc hiểu các quan hệ nhân quả và quan sát theo thời gian không gian, những
kiến thức thu thập được trong thực nghiệm trở nên có tổ chức.
Trường hợp cơ bản nhất, một khung thực nghiệm bao gồm các điều kiện theo trạng
thái hệ thống, hai bộ biến đầu vào và đầu ra, thông qua đó hệ thống tương tác với môi
trường xung quanh. Đầu vào và đầu ra có thể bao gồm các biến như: nguồn nguyên
20
Chương 1: Tổng quan
liệu, năng lượng, thông tin. Đầu vào được tạo ra bởi môi trường sẽ ảnh hưởng đến
trạng thái của hệ thống.
1.3.3 Mô hình và mô hình hóa
Mô hình có nhiều dạng khác nhau như mô hình vật lý, mô hình nghệ thuật, mô hình
ngẫu nhiên và mô hình tất định…nhưng trong trường hợp này chỉ nói đến mô hình toán
học của một hệ thống đã xác định.
Mô hình toán học có thể biểu diễn: φ(x, u, p,y) = 0[21,26]
Trong đó: x-vectơ biến vào, u-vectơ biến điều khiển, p-vetơ thông số, y-vectơ biến
ra.
Mô hình hóa là tìm kiếm mô hình, đây là công việc lâu dài và gắn liền với phương
pháp luận chặt chẽ.
Đích
Phân tích hệ thống
Thực nghiệm
sơ bộ
Có hiểu biết
trước
Đề xuất dạng công
thức mô hình
Kiểm tra
Đúng
Xác định các thông
số (p) của mô hình
Kiểm tra sự
tương hợp
Đúng
Mô hình
Hình 1. 6 Sơ lược về quá trình tìm kiếm mô hình (mô hình hóa) [21]
Hình 1.6 mô tả quy trình tìm kiếm mô hình, qua đó ta có thể thấy đây là quá trình
lâu dài và tốn nhiều thời gian và đòi hỏi người làm phải tập trung cao độ.
1.3.4 Mô phỏng
Là công việc giải tìm y = f(x) ở dạng số khi đã biết x.
21
Chương 1: Tổng quan
Khi đã có mô hình, chỉ cần giải bài toán theo đúng nghĩa bài toán thuần túy toán
học. Độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc vào:
+ Độ chính xác của mô hình;
+ Độ chính xác của phương pháp giải về toán
+ Độ chính xác của dữ liệu vào;
+ Độ nhạy của mô hình.
1.3.5 Ưu, nhược điểm của mô hình toán học và tính toán mô phỏng
• Sự phát triển của mô hình toán và về sau là tính toán mô phỏng dẫn đến mô hình
hóa có nhiều ưu điểm so với thực nghiệm trên hệ thống thực [15].
-
Thực nghiệm không thể tiến hành được nếu hệ thống không tồn tại (do đó việc
thử nghiệm một ý tưởng mới là không thể);
-
Mô hình hóa giúp thử nghiệm, mô phỏng một bộ phận trong giai đoạn lắp đặt,
nhờ đó có thể thấy được những khe hở không lường trước trong quá trình thiết kế;
-
Phát hiện những vấn đề hoặc những lỗi không lường trước, những điều này có
thể tồn tại trong thiết kế của hệ thống hoặc khi hoạt động;
-
Tăng sự hiểu biết đối với hệ thống;
-
Mô hình có khả năng phân tích nhanh hơn rất nhiều so với thực nghiệm trên hệ
thống thực (điều này quan trọng đối với hệ thống xử lý nước thải vì thực nghiệm của
quá trình sinh học và vật lý diễn ra rất chậm có thể cần đến hàng tuần thậm chí hàng
tháng);
-
Nâng cao khả năng sáng tạo.
• Tuy nhiên tính toán mô phỏng được coi là phương pháp phân tích mạnh, nhưng
vẫn tồn tại những giới hạn và nhược điểm.
-
Mô hình không phải rẻ tiền mà cũng không dễ dàng áp dụng đúng và hiệu quả.
Hơn nữa cũng không dễ dàng tạo ra một sản phẩm nhanh để giải quyết các vấn đề đặt
ra. Trong nhiều trường hợp, thu thập dữ liệu, phát triển mô hình và thực thi, phân tích
và báo cáo nhìn chung sẽ tốn kém và cần một khoảng thời gian dài;
-
Kết quả mô phỏng phụ thuộc rất lớn vào mô hình mà nó dựa trên. Khi một mô
hình đã được mã hóa thì rất khó để xác định rằng nó đã hoàn chỉnh hay chưa, khi đó rất
dễ tạo ra một mô hình không phù hợp với mục đích trình diễn hệ thống thực. Một hạn
chế khác là độ chính xác và tính tương đối của dữ liệu sẵn có để mô tả tính chất/ trạng
thái của hệ thống. Sự thiếu chính xác và mô hình không hoàn chỉnh và/hoặc dữ liệu
22
Chương 1: Tổng quan
nghèo nàn có thể tạo ra một kết quả mô phỏng với phần lớn vô nghĩa, thiếu chính xác
thậm chí hoàn toàn sai lệch;
-
Do mô hình được tạo ra theo lý thuyết đồng dạng vì nó được làm trước khí có hệ
thống thực, qua đó thấy được rằng hiệu suất mô phỏng cũng rất tương đối;
-
Trong trường hợp xử lý nước thải, tính toán mô phỏng là công việc “sạch sẽ”
hơn nhiều so với thực nghiệm. Yếu tố này rất nguy hiểm vì có thể dẫn đến bỏ qua tính
xác thực của mô hình mô phỏng. Do đó cần kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng và
cải tiến mô hình liên tục.
1.4 Điều khiển trong các nhà máy xử lý nước thải
1.4.1 Vấn đề chung
Mức độ cho phép về nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải sau xử lý ngày càng trở
nên nghiêm ngặt. Đồng thời, với tải trọng ô nhiễm tăng, tải lượng của các nhà máy
XLNT cũng sẽ tăng lên do sự phát triển của các khu đô thị. Tình hình này đòi hỏi các
công nghệ xử lý nước thải phải hiệu quả hơn. Một trong những cách nâng cao hiệu quả
xử lý là xây dựng những bể xử lý mới và rộng hơn, tuy nhiên, rất đắt đỏ và thường
không thực hiện được vì không có đủ diện tích đất cần thiết. Một cách khác là đưa ra
các hệ điều khiển và vận hành nhiều hơn nữa. Nhờ đó có thể giảm được dung tích bể
xử lý, cải thiện được chất lượng nước đầu ra, giảm lượng hóa chất tiêu thụ, tiết kiệm
được năng lượng và chi phí vận hành.
Các giải pháp lâu dài về XLNT cần có sự phát triển đầy đủ về hệ thống thông tin
điều khiển và giám sát quá trình. Hiện nay, có nhiều nhà máy XLNT đang sử dụng các
công nghệ điều khiển rất đơn giản hoặc không hề có tự động hóa. Công nghệ điều
khiển hiện tại đang sử dụng bao gồm điều khiển PLC (Programable Logic Control) đơn
giản, điều khiển thời gian, điều khiển bằng tay, qui luật ngón tay cái hoặc điều khiển tỷ
lệ đơn giản. Các mô hình tiên tiến trong các nhà máy XLNT ví dụ như mô hình ASM1
của Hiệp hội IAWQ đã triển khai nhiều năm qua nhưng vẫn không hề được sử dụng để
triển khai thiết kế điều khiển trong thực tế [4-tr.11]. Thiết kế bộ điều khiển nhạy trên
cơ sở ASM là rất khó, tuy nhiên dựa trên mô hình này có thể đánh giá các chiến lược
điều khiển khác nhau rất hữu hiệu.
Điều khiển hiện đại không được sử dụng rộng rãi bởi một số lý do khác nhau.Tuy
nhiên, mối quan tâm áp dụng điều khiển tinh vi hơn đang phát triển. Đó hầu hết là do
yếu tố kinh tế:
23
Chương 1: Tổng quan
-
Các giải pháp kinh tế hiệu quả đang ngày càng trở nên quan trọng. Tải trọng
dòng vào của các nhà máy hiện có tăng, điều khiển và tối ưu hóa có thể kiểm
soát được sự tăng tải trọng trong cùng một thể tích.
-
Yêu cầu nghiêm ngặt về nước thải sau xử lý.
-
Phí và thuế liên quan đến chất lượng nước đầu ra ngày càng đắt.
-
Nhận thức của cộng đồng về các vấn đề môi trường ngày càng tăng chủ yếu tập
trung vào các vấn đề bền vững và tiêu thụ năng lượng.
-
Các đầu đo và các cơ cấu chấp hành đã được cải tiến ngày càng nhiều.
-
Ngày càng có nhiều quá trình phức tạp khó điều khiển bằng tay được thay thế.
-
Áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại kết hợp với các đầu đo trực tiếp mới và
các bộ phận thích hợp của mô hình tiên tiến là tiềm năng lớn để cải thiện chất
lượng nước đầu ra, giảm sử dụng hóa chất, tiết kiệm năng lượng và chi phí [4].
Đối với một kỹ sư điều khiển thì chu trình bùn hoạt tính trong nhà máy XLNT là
một thách thức vì những nguyên nhân sau:
-
Quá trình thay đổi theo thời gian.
-
Quá trình là phi tuyến và thay đổi theo thời gian.
-
Quá trình gồm các quá trình động học liên quan chặt chẽ.
-
Quá trình là đa biến.
-
Nhiều đầu đo không tin cậy.
-
Các nhiễu ảnh hưởng đến quá trình, đặc biệt là dòng vào và hàm lượng dòng
vào luôn tạo ra thay đổi lớn.
Năm 1995, Nielsen và Onnerth đưa ra một hệ chuyên gia sử dụng đầu đo trực
tiếp để điều khiển và tối ưu hóa đặc tính của nhà máy. Hai ông cũng đưa ra một
khái quát ngắn gọn về sự phát triển các đầu đo trực tiếp trong vòng 25 năm qua.
Việc sử dụng các đầu đo này tăng nhanh chóng trong những năm qua. Khuynh
hướng tăng nhanh sẽ còn tiếp tục do chúng có tiềm năng giảm chi phí lớn khi kết
hợp với điều khiển tự động.Theo thống kê tại các nhà máy xử lý nước thải ở Đan
Mạch đến năm 1994 gần như 100% các nhà máy sử dụng đầu đo DO, khoảng 40 %
sử dụng đầu đo MLSS, 20% sử dụng đầu đo N và P [4-tr.13]. Nhưng xu hướng sử
dụng các đầu đo để lấy tín hiệu cho việc điều khiển đang tăng rất nhanh trong 1
thập kỷ gần đây.
24
