Nghiên cứu khả năng ứng dụng các mô hình dạng ASMs Activated sludge models trong tự động hóa nhà máy xử lý nước thải đô thị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ MAI LAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁC MƠ HÌNH
DẠNG ASMs (ACTIVATED SLUDGE MODELS) TRONG
TỰ ĐỘNG HĨA NHÀ MÁY XỬ LÝ NƢỚC THẢI ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG

Hà Nội - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ MAI LAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁC MƠ HÌNH
DẠNG ASMs (ACTIVATED SLUDGE MODELS) TRONG
TỰ ĐỘNG HĨA NHÀ MÁY XỬ LÝ NƢỚC THẢI ĐÔ THỊ

Chuyên ngành :

Quản lý tài nguyên và môi trƣờng

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRỊNH THÀNH

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng các mơ hình
dạng ASMs (Activated Sludge Models) trong tự động hóa nhà máy xử
lý nước thải đơ thị ” đƣợc hồn thành sau thời gian làm việc nghiêm túc,
với nỗ lực nghiên cứu, học hỏi của bản thân và sự hƣớng dẫn tận tình,
mang tính khoa học cao của thầy giáo Trịnh Thành – Viện Khoa học và
Công nghệ môi trƣờng – Đại học Bách khoa Hà Nội. Những kết quả
đƣợc trình bày trong luận văn là hết sức trung thực và rõ ràng.
Tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Trịnh Thành, ngƣời đã dành
nhiều thời gian để định hƣớng và hƣớng 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 trƣờng đã tạo điều kiện tốt nhất để các học
viên nhƣ tơi hồn thành chƣơng trình cao học.
Tơi cũng muốn nói lời cảm ơn đến cán bộ cơng nhân Nhà máy xử lý
nƣớc thải Nhơn Bình và Công ty CP Nƣớc và Môi trƣờng Việt Nam đã
giúp đỡ trong q trình tơi tham gia dự án ở Quy Nhơn và cung cấp tài
liệu phục vụ luận văn của tơi.
Tơi khơng qn cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã động viên,
giúp đỡ để tôi có thêm động lực học hồn thành chƣơng trình cao học.
Học viên

Trần Thị Mai Lan

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... 1
MỤC LỤC .................................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT .................................... 10
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 12
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ..................................................................................... 12
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU .................................................................................. 12
3. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ... 12
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC NƢỚC
THẢI VỚI BÙN HOẠT TÍNH, ĐIỀU KHIỂN VẬN HÀNH TRONG HỆ
THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI, TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ XU
HƢỚNG TƢƠNG LAI. .......................................................................................... 15
1.1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC NƢỚC THẢI SINH

HOẠT VỚI BÙN HOẠT TÍNH. ........................................................................... 15
1.1.1

Các ngun tắc cơ bản của cơng nghệ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng

pháp sinh học với bùn hoạt tính . .......................................................................15
1.1.2

Một số cơng nghệ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học ...........15

1. Công nghệ xử lý nƣớc thải SBR (thiết bị phản ứng theo mẻ [13]). ............15

2. Công nghệ xử lý nƣớc thải AAO (yếm khí – thiếu khí – hiếu khí [17]) .....16
3. Cơng nghệ xử lý nƣớc thải AO (Thiếu khí - hiếu khí [17]) ........................17
1.2.

TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC

THẢI 18
1.2.1. Vấn đề chung ...........................................................................................18
1.2.2. Kiểm soát ứng dụng trong xử lý nƣớc thải...............................................19
1.2.3. Một số thiết bị đo lƣờng [14] ...................................................................21
1.3.

TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ XU HƢỚNG TƢƠNG LAI ....... 22

1.3.1.

Mơ hình bùn hoạt tính ...........................................................................22
2


1.3.2. Những thách thức đối với các mơ hình dạng ASM và xu hƣớng trong
tƣơng lai ..............................................................................................................29
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH BÙN HOẠT TÍNH (ASM3
BIO-P), ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HĨA TRONG HỆ THỐNG LỌC SINH HỌC31
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH BÙN HOẠT TÍNH (ASM3 BIO-P) ......... 31
2.1.1. Mơ hình động học ASM3 bio-P................................................................... 31
2.2. Cơ sở lý thuyết của mơ hình xử lý hiếu khí bằng hệ thống bể lọc sinh học ... 45
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mơ hình bể Biofilms .................................................... 45
CHƢƠNG 3. XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ LỰA CHỌN CÁC KỊCH BẢN MÔ
PHỎNG CHO MỘT NHÀ MÁY XỬ LÝ NƢỚC THẢI TRÊN THỰC TẾ...... 57

3.1. Tổng quan về công nghệ xử lý sinh học nƣớc thải sinh hoạt với bùn hoạt tính
của nhà máy xử lý nƣớc thải Nhơn Bình ............................................................... 57
3.1.1. Hiện trạng nhà máy xử lý nƣớc thải Nhơn Bình ......................................57
3.2. Chọn chƣơng trình mơ phỏng và các thơng số ............................................... 75
3.2.1. Chƣơng trình mơ phỏng ...........................................................................75
3.2.2. Chọn thơng số động học của mơ hình ASM3 bio-P.................................76
3.3. Thu thập và xử lý số liệu ............................................................................... 79
3.3.1. Chọn nhà máy trên thực tế .......................................................................79
3.3.2.

Cơng tác lấy mẫu ..................................................................................82

3.3.3.

Đặc tính hóa nƣớc thải dịng vào ..........................................................83

3.3.4.

Lựa chọn kịch bản mơ phỏng ...............................................................86

CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN.................................. 90
4.1. Mô phỏng tƣơng đồng nhà máy thực để đánh giá sự tƣơng hợp của mơ hình90
4.1.1. Cấu hình nhà máy xử lý nƣớc thải Nhơn Bình.........................................90
4.1.2. Mơ phỏng cho trƣờng hợp ổn định ở 270C khi qua bể lọc lần 1 ..............91
4.1.3. Mô phỏng cho trƣờng hợp ổn định ở 270C khi qua bể lọc lần 2 có dịng
tuần hồn sau bể lọc của lần 1 ..........................................................................100
3


4.1.4. Đánh giá kết quả mô phỏng và hiệu suất xử lý của nhà máy .................103

4.2. Mô phỏng động học trong một số tình huống nguy hiểm có thể xảy ra trên
thực tế................................................................................................................... 104
4.2.1 Mô phỏng động học khi lƣu lƣợng dịng vào tăng lên 25% ....................104
4.2.2. Mơ phỏng trong điều kiện chạy hằng ngày với tải lượng COD ổn định
nhưng tải lượng amôni (NH4) tăng 30% ............................................................. 104
4.2.3. Mô phỏng với điều kiện chạy hằng ngày nhƣng tải lƣợng COD tăng 40%106
4.2.4. Điều khiển các quá trình trong nhà máy .................................................... 108
4.2.5. Tóm tắt các kết quả đạt đƣợc khi thực hiện mô phỏng.............................. 108
4.3. Đề xuất các phƣơng án cải thiện hiệu quả xử lý nƣớc thải, tự động hóa trong
q trình vận hành và bảo vệ mơi trƣờng. ........................................................... 110
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 114
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 115
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 117
PHỤ LỤC 1. CÁC THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC ASM3 bio-P 117
PHỤ LỤC 2. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ GIAO DIỆN PHẦN MỀM ASIM 5 . 119
PHỤ LỤC 3. BẢNG TỔNG HỢP HIỆU QUẢ XỬ LÝ QUA CƠNG TRÌNH
ĐƠN VỊ NHÀ MÁY .............................................................................................. 121

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Tổng quan các mơ hình bùn hoạt tính được lựa chọn [3]. ..........................24
Bảng 2. Các thành phần trong mơ hình ASM3 bio-P [11]........................................31
Bảng 3. Các q trình sinh hóa và kết tủa photpho hóa học của mơ hình ...............32
Bảng 4. Thể hiện hệ số tỷ lượng của các thành phần hịa tan trong phần mềm
ASIM5 (trích xuất từ phần mềm) ...............................................................................35
Bảng 5. Thể hiện hệ số tỉ lượng của các thành phần hạt trong phần mềm ASIM5
(trích xuất từ phần mềm) ...........................................................................................36
Bảng 6.Ma trận cân bằng hóa cho các thành phần hịa tan của ASM3 (Henze et al.,

2000) và mơ hình ASM3 Bio-P [11] .........................................................................37
Bảng 7. Biểu thức động học của ASM3 bio-P [11] ..................................................43
Bảng 8. Thành phần chất hữu cơ trong nước thải đầu vào .....................................54
Bảng 9. Bảng thống kê lưu lượng nước thải vào và ra trạm xử lý trong ngày [5] ...66
Bảng 10. Các thông số động học cho mô-đun ASM3 Bio-P ở T = 20 ° C với sự phụ
thuộc nhiệt độ theo hàm mũ θT (sau dấu gạch chéo). Các giá trị khác với ASM2d
(Henze et al., 2000) được in đậm. [11] .....................................................................77
Bảng 11.Các thơng số động học ở mơ hình ASM3 bio-P được hiệu chỉnh phù hợp ở
nhiệt độ 20OC và 27 OC trong mơ hình .....................................................................78
Bảng 12. Dữ liệu thiết kế nhà máy xử lý nước thải Quy Nhơn (CEPT) [5] .............80
Bảng 13. Đặc tính nước thải đầu vào của nhà máy sau tháp làm thoáng ................84
Bảng 14. Đặc tính nước thải đầu ra của các cấu tử mơ hình (chi tiết xem bảng tính
phần phụ lục 4)..........................................................................................................84
Bảng 15. Nồng độ các chất được bơm lên bể lọc .....................................................85
Bảng 16. Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mơ hình từ bảng 15 ..............85
Bảng 17. Thơng số đầu vào của nhà máy trong mơ hình..........................................90
Bảng 18. So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng của một số thông số đầu ra của hệ
thống sau xử lý ..........................................................................................................95
5


Bảng 19. . Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mơ hình với Qvào=14000
m3/ngđ........................................................................................................................96
Bảng 20. Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mơ hình với Qvào=20560
m3/ngđ (là kết quả của lần chạy thứ 3/1) ..................................................................97
Bảng 21 . Đặc tính nước thải đầu vào của các cấu tử mơ hình với Qvào=34560
m3/ngđ (với đầu vào là dịng tuần hồn) ...................................................................98
Bảng 22. So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng của một số thông số đầu ra của hệ
thống sau xử lý tuần hoàn lần 2 ..............................................................................103
DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Các pha chính trong chu kỳ xử lý của bể SBR [13] .....................................16
Hình 2. Sơ đồ cơng nghệ xử lý AAO: Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí [17] ...........17
Hình 3. Mơ hình cơng nghệ XLNT AO [17] ..............................................................18
Hình 4. Sơ đồ quản lý của trung tâm điều tiết quản lý vận hành nhà máy [14] .......20
Hình 5. Kiểm sốt sục khí [14] .................................................................................21
Hình 6. Kiểm sốt amoni [14]...................................................................................21
Hình 7. Kiểm sốt bùn cát tự động [14] ...................................................................22
Hình 8. Kiểm sốt chiều dày lớp bùn [14] ................................................................22
Hình 9. Kiểm sốt pH [14] ........................................................................................22
Hình 10. Suy giảm COD trong (A) ASM1 và (B) ASM3 [3]. ....................................27
Hình 11. Các sơ đồ giản thể của dịng chất nền cho (A) sinh khối tự dưỡng và sinh
khối dị dưỡng trong các mơ hình ASM1 và ASM3 [3]..............................................28
Hình 12. Bể lọc sinh học nhà máy Nhơn Bình-Quy Nhơn [5] ..................................45
Hình 13. Hệ thống tưới nước thải trên bề mặt vật liệu lọc của nhà máy [5] ...........45
Hình 14. Mặt cắt theo phương đứng lỗ rộng vật liệu của bế lọc tricking filer .........45
Hình 15. Mơ hình lớp màng vi sinh vật [16].............................................................47
Hình 16. Mặt cắt lớp vi sinh vật của bể lọc tricking filer .........................................48
6


Hình 17. Mơ hình hóa bể lọc sinh học nhỏ giọt theo phần mềm GPS-X [8] ............49
Hình 18. Chuyển khối lượng oxy trong hệ thống biofilm [16]. ................................50
Hình 19. Sơ đồ cấu trúc dòng cho lớp màng bể lọc sinh học ...................................51
Hình 20. Các thành phần COD trong nước thải và các kỹ thuật phân tích để đo đạc
các phần trong CODtổng [12] .....................................................................................54
Hình 21. Các thành phần của Nitơ trong nƣớc thải [12] ...........................................55
Hình 22. Các thành phần của phốtpho trong nƣớc thải [12] .....................................56
Hình 23. Mặt bằng NMNT Nhơn Bình [5] ................................................................58
Hình 24. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ NMNT Nhơn Bình [5] .................................59
Hình 25. Sơ đồ dây chuyền cơng nghệ NMNT Nhơn Bình [5] .................................60

Hình 26. Song chắn rác thủ cơng [5] ........................................................................61
Hình 27. Bồn chứa hóa chất polymer [5] ..................................................................62
Hình 28. Bơm định lượng hóa chất [5] .....................................................................62
Hình 29. Bể định lượng hóa chất [5] .........................................................................62
Hình 30. Bể trộn hóa chất [5] ...................................................................................62
Hình 31. Hồ sơ lắng [5] ............................................................................................63
Hình 32. Thác làm thống [5] ...................................................................................63
Hình 33. Bể lọc sinh học [5] .....................................................................................63
Hình 34. Hệ thống tưới [5] .......................................................................................63
Hình 35. Bể lắng thư cấp [5] ....................................................................................65
Hình 36. Hệ thống thu nước và gạt váng nổi [5] ......................................................65
Hình 37. Bồn chứa clo lỏng [5] ................................................................................65
Hình 38. Bơm định lượng clo [5] ..............................................................................65
Hình 39 Hàm lượng BOD trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử lý của
nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] ..................................................................................70
7


Hình 40. Hàm lượng SS trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử lý của nhà
máy XLNT Nhơn Bình [5] .........................................................................................70
Hình 41. Hàm lượng COD trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử lý của
nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] ..................................................................................71
Hình 42. Hàm lượng tổng nitơ trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử lý
của nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] ...........................................................................72
Hình 43. Hàm lượng Amoni trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử lý của
nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] .................................................................................72
Hình 44. Hàm lượng tổng photpho trong nước thải đầu vào, đầu ra và hiệu quả xử
lý của nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] .......................................................................73
Hình 45. Mối quan hệ giữa lưu lượng đầu vào và đầu ra trong ngày của trạm xử lý
[5] ..............................................................................................................................74

Hình 46. Đồ thị sự dao động của một số chất gây ô nhiễm trong nước thải đầu vào
nhà máy XLNT Nhơn Bình [5] ..................................................................................75
Hình 47. Cấu hình của 1 phần nhà máy xử lý nước thải Nhơn Bình ........................91
Hình 48. Kết quả mơ phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC ........92
Hình 49. Kết quả mơ phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC ........93
Hình 50. Kết quả mô phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC .......94
Hình 51. So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng đầu ra sau xử lý ở trạng thái ổn
định các thông số NH4+ và tổng PO43- .....................................................................95
Hình 52. Kết quả mơ phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC (lần
chạy thứ 1/2)............................................................................................................100
Hình 53. Kết quả mơ phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC ......101
Hình 54. Kết quả mơ phỏng trạng thái làm việc ổn định của nhà máy ở 27oC ......102
Hình 55. So sánh giá trị đo và giá trị mô phỏng đầu ra sau xử lý ở trạng thái ổn
định các thông số NH4+ và tổng PO43- ...................................................................103
Hình 56. Diễn biến TSS khi lưu lượng dòng vào tăng 25% trong 5 ngày liên tục .104

8


Hình 57. Diễn biến NH4+ khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 30% trong 1 ngày .......105
Hình 58. Diễn biến NH4+ trong phản ứng khi tải lượng NH4 đầu vào trở về ổn định
.................................................................................................................................105
Hình 59. Diễn biến NO3- khi tải lượng NH4 đầu vào tăng 30% trong vịng 1 ngày
.................................................................................................................................105
Hình 60. Diễn biến NO3- khi tải lượng NH4 đầu vào trở về trạng thái ổn định......105
Hình 61. Diễn biến của sinh vật khử Nitơ khi tải lượng NH4+ đầu vào tăng 30% 106
Hình 62. Diễn biến SS khi tải lượng COD dịng vào tăng 40% ..............................106
Hình 63. Diễn biến NH4+ khi tải lượng COD dịng vào tăng 40% .........................106
Hình 64. Diễn biến XH khi tải lượng COD dòng vào tăng 40% .............................107
Hình 65. Diễn biến XA khi tải lượng COD dịng vào tăng 40% ..............................107

Hình 66. Diễn biến sinh khối dị dưỡng sau khi tải lượng COD dòng vào trở về ổn
định ..........................................................................................................................107
Hình 67. Sơ đồ kết nối tổng thể hệ thống SCADA .................................................113

9


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CỤM TỪ VIẾT TẮT
ASMs

–

Activated Sludgle Models (Mơ hình bùn hoạt tính).

ASM1

–

Activated Sludgle Model No.1 (Mơ hình bùn hoạt tính số1).

ASM2

–

Activated Sludgle Model No.2 (Mơ hình bùn hoạt tính số 2).

ASM2d –

ActivatedSludgle Model No.2_deni (Mơ hình bùn hoạt tính số 2 có

khử nitơrát của PAO).
ASM3

–

Activated Sludgle Model No.3 (Mơ hình bùn hoạt tính số 3).

ASIM

–

Activeted Sludge SIMulation Programe (Chƣơng trình mơ phỏng bùn hoạt

ADM1

–

Anaerobic Digestion Model (Mơ hình phân hủy yếm khí số 1).

AAO

–

Anaerobic Anoxic Aerobic (Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí).

tính).

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 hịa tan).

EBPR

–

Enhanced Biological Phosphorus Removal (Loại bỏ phốtpho sinh học).

M[M(BOD)]-1 –
MLR

–

Mass[Mass(BOD)]-1 (Khối lƣợng trên khối lƣợng BOD).

Mixed Liquid Return (Tuần hoàn hỗn hợp lỏng).

L2T-1

–

Lengh2Time-1 (Bình phƣơng độ dài trên thời gian).

OTRC

–

Oxygen Transfer Rate – Clean (Vận tốc vận chuyển oxy trong nƣớc sạch).

OTRAS –

Oxygen Transfer Rate – Activated Sludge (Vận tốc vận chuyển oxy trong

bể bùn hoạt tính).
PAOs
PE

–
-

Phosphoruse Accumulating Oganic (Tích lũy phốtpho hữu cơ).
Parameters are Estimated (Thơng số tính tốn).

10


PHA

–

Poly Hydroxy Alkanoates.

PP

–

Poly Phosphate.

IAWPRC –

International Association on Water Polllultion Research and Control (Hiệp

hội nghiên cứu và kiểm sốt ơ nhiễm nƣớc quốc tế).
RAS

–

SRT

–

Solid Retention Time (Thời gian lƣu chất rắn/Tuổi của bùn).

VSS

–

Volatile Subpended Solid (Chất rắn bay hơi).

UASB

–

Return Activated Sludge (Tuần hồn bùn hoạt tính).

Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Chảy ngƣợc qua lớp bùn yếm khí).

XLNT

–

Xử lý nƣớc thải.

WWTP

–

Wastewater treatment plant (Nhà máy xử lý nƣớc thải).

11

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay các mô hình trở thành một phần khơng thể thiếu trong việc thiết kế
và vận hành các nhà máy xử lý nƣớc thải có quy mơ lớn trên thế giới. Ở Việt
Nam, việc tiếp cận các mơ hình tốn học để tự động hóa và điều khiển q
trình vẫn cịn nhiều hạn chế vì nhiều lý do khác nhau. Tuy nhiên, với xu thế
phát triển bắt buộc các kỹ sƣ công nghệ phải áp dụng các mơ hình tiên tiến
vào thiết kế, vận hành, tối ƣu hóa q trình để đạt hiệu quả cao nhất đồng thời
góp phần loại bỏ các rủi ro cho các nhà máy xử lý nƣớc thải.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Trên thế giới có nhiều tổ chức, cơng ty nghiên cứu chuyên sâu và triển khai
[12] ứng dụng mơ hình một cách rộng rãi, mang lại hiệu quả cao trong lĩnh
vực xử lý nƣớc thải nhƣ Viện Khoa học và Kỹ thuật nƣớc Thụy Sĩ (Eawag)
với phần mềm ASIM, Công ty Envirosim - Canada với phần mềm BioWin và
PetWin, Cơng ty Hydromantis - Canada có phần mềm GPS-X, Viện tự động
hóa và truyền thơng Magdeburg - Đức (IFAK) có phần mềm SIMBA, Cơng ty
WRc plc - Anh có STOAT, hay nhƣ Công ty MOST for Water-Vƣơng quốc
Bỉ với WEST.
Hầu hết các phần mềm hỗ trợ cho thiết kế, vận hành, tối ƣu hóa và tự động
hóa nhà máy xử lý nƣớc thải nói trên đều dựa trên cơ sở mơ hình động học
của q trình bùn hoạt tính - ASMs và mơ hình phân hủy yếm khí số 1 ADM1 đƣợc các nhà khoa học thuộc Hiệp hội nƣớc Quốc tế dành nhiều công
sức để nghiên cứu phát triển trong một thời gian dài, đƣợc giới khoa học thừa
nhận rộng rãi và sử dụng nhiều nhất [12].
3. MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
A. MỤC ĐÍCH
12

Trong khuôn khổ nội dung luận văn này ngƣời thực hiện giới hạn xung quanh
việc tìm hiểu sâu về các mơ hình động học dạng ASM và ASM3 bio-P, tìm
hiểu các bƣớc để xây dựng mơ hình tính tốn dựa trên phƣơng thức ghép nối
các mơ hình động học, mơ hình cấu trúc dịng, cuối cùng ứng dụng một
chƣơng trình đƣợc xây dựng sẵn để tính tốn mơ phỏng cho một nhà máy xử
lý nƣớc thải cụ thể. Đây là một cơng việc địi hỏi dành nhiều thời gian ban
đầu để hiểu kỹ mơ hình ứng dụng, sử dụng phần mềm, vvv nhƣng kết quả của
nó sẽ làm tiền đề cho việc nghiên cứu tính tốn thiết kế ở mức độ sâu hơn hay
mở rộng xây dựng một chƣơng trình tính tốn lớn về sau. Đồng thời góp phần
nhân rộng xu thế mơ hình hóa, hiệu chỉnh các thơng số của mơ hình cho phù
hợp với điều kiện xử lý nƣớc thải ở Việt Nam.
B. ĐỐI TƢỢNG
Nƣớc thải sinh hoạt đô thị chứa hàm lƣợng chất hữu cơ cao, vai trị của kiểm
sốt và tự động hóa trong q trình quản lý vận hành nhà máy xử lý nƣớc thải.
Trong các hệ thống xử lý nƣớc thải quá trình đo lƣờng, giám sát có tác dụng
kiểm sốt để vận hành nhà máy theo một mục tiêu xác định, bất chấp những
biến động có thể xảy ra trong q trình vận hành, giảm thiểu các rủi ro đáng
tiếc có thể xảy ra. Việc áp dụng mơ hình hóa trong q trình vận hành giúp
giảm thiểu chi phí năng lƣợng điện khi điều khiển đƣợc quá trình vận hành
nhà máy.
C. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Nội dung của luận văn đƣợc chia thành 4 chƣơng.
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ xử lý sinh học nƣớc thải với bùn hoạt
tính, điều kiện vận hành trong hệ thống xử lý nƣớc thải, tổng quan về mơ hình
hóa và xu hƣớng tƣơng lai.

13


Sơ lƣợc về một số công nghệ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học với

bùn hoạt tính đang áp dụng hiện nay. Tổng quan về vận hành trong hệ thống
xử lý nƣớc thải cũng nhƣ vai trò của kiểm sốt và tự động hóa trong nhà máy
xử lý nƣớc thải. Tổng quan về các mơ hình hóa bùn hoạt tính và khả năng áp
dụng của mơ hình cho các đặc tính xử lý nƣớc thải của các nhà máy. Những
thách thức với các mơ hình dạng ASM và xu hƣớng áp dụng các mơ hình này
trong tƣơng lai.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết mơ hình bùn hoạt tính (ASM3 bio-P), ứng dụng
mơ hình hóa trong hệ thống lọc sinh học
Trong chƣơng này tác giả tập trung tìm hiểu sâu về mơ hình bùn hoạt tính
(ASM3 bio-P). Cơ sở lý thuyết của mơ hình xử lý hiếu khí bằng hệ thống lọc
sinh học và ứng dụng mơ hình hóa trong hệ thống lọc sinh học.
Chƣơng 3:Xử lý dữ liệu và lựa chọn các kịch bản mô phỏng cho một nhà
máy xử lý nƣớc thải trên thực tế.
Chuẩn bị dữ liệu phù hợp với mơ hình ASM3 bio-P và lựa chọn môi trƣờng
mô phỏng đã đƣợc xây dựng sẵn. Xây dựng các mục tiêu mô phỏng.
Chƣơng 4: Kết quả mô phỏng và thảo luận.
Nội dung chính của chƣơng này là sử dụng một chƣơng trình mơ phỏng đã
đƣợc xây dựng sẵn - phần mềm ASIM 5 để mô phỏng vận hành cho nhà máy
xử lý nƣớc thải Nhơn Bình đặt tại Bình Định có cơng suất 14000m3/ngày
đêm.
Khi sử dụng các dữ liệu vận hành của hệ thống trên thực tế vào mơ hình cho
kết quả tƣơng đồng nhau, kết luận mơ hình động học ASM3 bio-P là thích
hợp để mơ phỏng cho công nghệ nhà máy. Mô phỏng động học hiệu chỉnh các
thông số vận hành để nâng cao hiệu quả làm việc của nhà máy.
14


Đề xuất các phƣơng án cải thiện hiệu quả xử lý nƣớc thải, tự động hóa trong
q trình vận hành và bảo vệ mơi trƣờng.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC NƢỚC

THẢI VỚI BÙN HOẠT TÍNH, ĐIỀU KHIỂN VẬN HÀNH TRONG HỆ
THỐNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI, TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ XU
HƢỚNG TƢƠNG LAI.
1.1.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ SINH HỌC NƢỚC THẢI
SINH HOẠT VỚI BÙN HOẠT TÍNH.

1.1.1 Các nguyên tắc cơ bản của công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp
sinh học với bùn hoạt tính .
Q trình xử lý bùn hoạt tính là q trình mà nƣớc thải đƣợc tiếp xúc với môi
trƣờng vi sinh vật bị treo lơ lửng trong mơi trƣờng hiếu khí. Mơi trƣờng hiếu khí đạt
đƣợc bằng cách [2]:
- Sử dụng khơng khí khuếch tán, hoặc khí cơ học, hoặc cung cấp ơ xy cho pha lỏng
dẫn đến sự tăng trƣởng của vi khuẩn mới và q trình oxy hóa của hữu cơ.
- Sử dụng khối lƣợng cân bằng trên một thể tích đã xác định phụ thuộc vào sinh
khối, chất nền, vv. Liên quan đến vấn đề xả cặn để duy trì tuổi bùn.
- Duy trì ổn định quá trình lắng ở bể lắng thứ cấp.
- Các quá trình này đƣợc thực hiện theo các công nghệ xử lý sau.
1.1.2 Một số công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
1. Công nghệ xử lý nước thải SBR (thiết bị phản ứng theo mẻ [13]).
Hệ thống SBR dùng để XLNT sinh hoạt chứa hàm lƣợng hợp chất hữu cơ và nitơ
cao đƣợc thể hiện nhƣ hình 1. Hệ thống hoạt động liên tục bao gồm quá trình bơm
nƣớc vào - phản ứng - lắng - xả nƣớc ra, đƣợc chia thành 5 bƣớc: làm đầy, phản
ứng, lắng, xả nƣớc, và chờ.

15


Hình 1. Các pha chính trong chu kỳ xử lý của bể SBR [13]

Kiểm sốt quy trình vận hành bể xử lý theo mẻ:
-

Đảm bảo nồng độ cặn lơ lửng trong bể bằng cách điều chỉnh lƣợng cặn xả ra
khỏi bể để giữ tuổi bùn.

- Để đảm bảo quy trình khử nitrat và kết hợp khử phopho cần kiểm soát q trình
khuấy trộn giữa nƣớc thải với bùn hoạt tính.
- Điều khiển lƣợng oxy hòa tan DO, chiều cao lớp cặn của bể lắng.
2. Công nghệ xử lý nước thải AAO (yếm khí – thiếu khí – hiếu khí [17])
Cơng nghệ AAO thƣờng đƣợc áp dụng cho mục đích xử lý thành phần nitơ và
photpho trong nƣớc thải sơ đồ cơng nghệ đƣợc thể hiện nhƣ hình 2. Gồm 3 bể phản
ứng nối tiếp nhau: yếm khí, thiếu khí, hiếu khí
Kiểm sốt quy trình vận hành cơng nghệ xử lý AAO:
16


- Tỷ số BOD/P>20 là điều kiện tốt cho quá trình khử phốtpho.
- Để q trình nitrat hóa xảy ra tốt thì Nitơ cần theo tỷ lệ BOD:N:P=100:5:1 ở
trong mơi trƣờng hiếu khí, tỷ lệ BOD:N:P=100:1,5:0,3 ở trong mơi trƣờng kỵ
khí.
- Ở bể thiếu khí phải kiểm sốt đƣợc nồng độ oxy hịa tan trong vùng này ln ở
mức <0,5mg/l, điều khiển máy khuấy tốc độ phù hợp
- Ở bể hiếu khí PH = 5,5-9 Vi khuẩn nitrat hóa hoạt động, hàm lƣợng DO>2mg/l,
tăng lƣợng vi sinh vật bằng cách bổ sung bùn hoạt tính. Nhiệt độ thích hợp cho
quá trình 20-400

Hình 2. Sơ đồ cơng nghệ xử lý AAO: Yếm khí – Thiếu khí – Hiếu khí [17]
3. Cơng nghệ xử lý nước thải AO (Thiếu khí - hiếu khí [17])
Cơng nghệ AO thƣờng đƣợc áp dụng cho các nhà máy có hàm lƣợng Nitơ cao nhờ

nitrat hóa, sơ đồ mơ hình cơng nghệ xử lý AO đƣợc thể hiện nhƣ hình 3. Cơng nghệ
xử lý gồm 2 bể phản ứng nối tiếp nhau: thiếu khí và hiếu khí

17


Hình 3. Mơ hình cơng nghệ XLNT AO [17]
Trong bể thiếu khí vi khuẩn khử Nitrat lấy cacbon hữu cơ (BOD, COD, TOC có
trong hỗn hợp bùn hoạt tính) làm thức ăn để phát triển tế bào. Vi khuẩn khử Nitrat
lấy oxy từ lƣợng oxy liên kết trong NO3 làm năng lƣợng hoạt động, chứ khơng lấy
từ lƣợng oxy hịa tan trong dung dịch nên D0<0,5mg/l.
Trong bể hiếu khí BOD cần khử, NH4+ cần oxy hóa thành NO3. Nồng độ NH4+
giảm, nồng độ NO3 tăng. Nên nồng độ oxy cần D0>0,5mg/l. MCRT > trong 10
ngày là cần thiết để nitrat hóa ổn định trong khơng khí mở rộng. Độ pH: 5,8 - 8,5
 Để vận hành các nhà máy xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính thì ngƣời vận hành
cần kiểm soát: Nồng độ oxy, nồng độ bùn (dựa trên các đo đạc cục bộ của nồng
độ ammonia nƣớc thải và ƣớc lƣợng cơng suất nitrat hóa), thời gian lƣu nƣớc
trong cơng trình, độ kiềm và độ PH, các dịng tuần hồn, khử nitrat bằng phép đo
nitrat và Do trong bể, chiều cao lớp cặn ở bể lắng 2 (dựa trên phép đo màng bùn
trong máy định vị).
1.2.

TỔNG QUAN VỀ VẬN HÀNH TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƢỚC
THẢI

1.2.1. Vấn đề chung
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 [12]. Cơng nghệ điều khiển hiện tại đang sử
18

dụng bao gồm điều khiển PLC (Programable Logic Control) đơn giản, điều khiển
thời gian, điều khiển bằng tay. Kiểm soát quá trình vận hành đang ngày càng trở
nên cấp thiết trong các hệ thống xử lý nƣớc thải.
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. Qua nhiều nghiên cứu với các kịch bản khác nhau
đã cho thấy khi áp dụng tự động hóa sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí hoạt động, bao
gồm chi phí năng lƣợng, và thời gian hồn vốn ngắn. Nhiều sự tác động khơng
mong muốn có thể tránh đƣợc (hoặc giảm tác động của chúng) thông qua các hệ
thống kiểm soát trên mạng trực tuyến, bao gồm cả hệ thống cảnh báo sớm.
1.2.2. Kiểm soát ứng dụng trong xử lý nước thải
Với tốc độ phát triển công nghệ thông tin, cơng nghệ tự động hóa, cơng nghệ máy
[14] tính phát triển khơng ngừng. Việc quản lý, kiểm sốt nhà máy trở lên đơn giản
hơn khi các số liệu vận hành đƣợc số hóa, dữ liệu đƣợc máy tính lƣu trữ, xử lý và
trích xuất các mẫu thơng tin.
Các thiết bị đo lƣờng ngày càng tối ƣu và có thể tích hợp với cơng nghệ tự động hóa
(nhƣ hình 5, 6, 7, 8, 9) để theo dõi quá trình trạng thái hoạt động của nhà máy, việc
thu thập dữ liệu khơng cịn là trở ngại nữa.
Với sự phát triển của các phần mềm mơ phỏng có thể ngăn ngừa các tình huống bất
ngờ có thể xảy ra.
Để vận hành, kiểm sốt đƣợc nhà máy địi hịi phải có trung tâm điều tiết cùng đội
ngũ kỹ sƣ có chun mơn về công nghệ và chuyên ngành.

19


PHỊNG THÍ
NGHIỆM

HỆ THỐNG

TRUNG

SCADA

TÂM ĐIỀU

NHẬT KÝ
HIỆN
TRƢỜNG

TIẾT

PHÂN TÍCH KẾT

BẢN BÁO CÁO

QUẢ THU ĐƢỢC

Hình 4. Sơ đồ quản lý của trung tâm điều tiết quản lý vận hành nhà máy [14]
* Các giải pháp cơ sở dữ liệu trung tâm
Kết hợp dữ liệu với dữ liệu từ nhiều nguồn
- Supervisory Control And Data Acquisition - Kiểm tra giám sát và thu nhận dữ
liệu (SCADA)
- Kết quả từ phịng thí nghiệm
- Nhập dữ liệu thủ công dựa trên nhật ký hiện trƣờng
- Hệ thống quản lý thông tin thƣ viện.
* DATA đƣợc xử lý và chuyển thành thơng tin
- Kiểm sốt và thu thập dữ liệu (từ các nguồn dữ liệu) chuyển thành thông tin và tự
tạo các báo cáo

- Tối ƣu hóa hoạt động của nhà máy
- Xử lý sự cố
20


- Từ kết quả của hệ thống xử lý cán bộ kỹ thuật sẽ có những hành động đúng đắn
hạn chế những rủi ro có thể diễn ra.
- Sử dụng các cơng cụ mơ hình tiên đốn để ngăn ngừa các vấn đề trong tƣơng lai
có thể xảy ra với các biến đầu vào và kết quả đầu ra, phát triển thành các kịch
bản “ nếu nhƣ ”
- Thực hiện truy vấn tìm kiếm đơn giản hoặc phức tạp, tìm thơng tin chính xác bạn
cần, tự động so sánh và xác minh tất cả thông tin bằng các biểu đồ, duy trì các
bản ghi chính xác với các đƣờng kiểm tra.
- Thu thập thơng tin và tìm ra câu trả lời cho: - Các rối loạn hệ thống - Chi phí
vƣợt quá.
1.2.3. Một số thiết bị đo lường [14]
Giải pháp - Dài hạn: Điều khiển thổi khí tự động trực tuyến bằng cảm biến oxy hịa
tan phát quang nhƣ hình 5 (LDO), sensor ammonia có thể đo NH4, NO3 nhƣ hình
6, kiểm sốt bùn bằng sensor đo TSS và đo độ đục nhƣ hình 7, kiểm sốt chiều dày
lớp bùn bằng máy đo nhƣ hình 8, kiểm sốt độ kiềm trong nƣớc bằng sensor đo PH
nhƣ hình 9.

Hình 6. Kiểm sốt amoni [14]

Hình 5. Kiểm sốt sục khí [14]

21


Hình 7. Kiểm sốt bùn cát tự động [14]

Hình 8. Kiểm sốt chiều dày lớp bùn
[14]

Hình 9. Kiểm sốt pH [14]
1.3.

TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH HĨA VÀ XU HƢỚNG TƢƠNG LAI

1.3.1. Mơ hình bùn hoạt tính
Trong 20 năm qua, kiến thức và hiểu biết về xử lý nƣớc thải đã đƣợc mở rộng và
chuyển hƣớng từ các phƣơng pháp thực nghiệm sang phƣơng pháp tiếp cận "nguyên
tắc cơ bản" đầu tiên bao gồm hóa học, vi sinh học, kỹ thuật vật lý, sinh học, và toán
học. Nhiều trong số những tiến bộ này đã trƣởng thành đến mức mà họ đã đƣợc mã
hố thành các mơ hình tốn học để mơ phỏng bằng máy tính [3].
Trƣớc những năm 80, một số nhóm nghiên cứu đã làm việc độc lập với nhau về
phát triển mơ hình bùn hoạt tính. Mỗi nhóm đã phát triển, áp dụng cách tiếp cận và
22


ký hiệu của riêng mình, đầu tiên là các mơ hình ở trạng thái ổn định sau đó là các
mơ hình động lực học. Bảng 1 tóm tắt các đặc điểm cơ bản của các mơ hình này và
một số mơ hình bùn hoạt tính khác [3].

23