CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI .1 Tổng quan về nước thải và sự cần thiết phải xử lý nước thải .2 Xử lý nước thải.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học với quá trình bùn hoạt tính. MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI .1 Mô hình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính .2 Mô hình mô phỏng chuẩn số 1 – BSM1. 8 Nước thải đầu vào.
9 Mô hình các bể xử lý sinh học. 15 Mô hình bể lắng thứ cấp. 20 Mô hình hệ thống BSM1 trên Matlab-Simulink. 22 Các tiêu chí đánh giá hệ thống xử lý nước thải.
MỘT SỐ CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH BSM1 .1 Bộ điều khiển PI mặc định. 27 Cấu trúc điều khiển PI cho nồng độ nitrite. 28 Cấu trúc điều khiển PI cho nồng độ oxy hòa tan .2 Bộ điều khiển PI với giải thuật di truyền. 29 Giải thuật di truyền.
30 Điều khiển phân cấp. 32 Giải thuật di truyền trong BSM1. 33 Kết quả mô phỏng điều khiển phân cấp dựa trên giải thuật di truyền cho BSM1. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI.
40 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 42 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ nguyên lý công nghệ xử lý nước thải[3]. Mối quan hệ giữa chi phí tổng thể với các quá trình xử lý nước thải[5] 4 Hình 1.
Sơ đồ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính. Tổng quan mô hình xử lý nước thải BSM1 [1]. Nồng độ chất nền trong nước thải đầu vào thời tiết khô [1]. Nồng độ sinh khối trong nước thải đầu vào thời tiết khô [1].
Lưu lượng nước thải đầu vào thời tiết khô [1]. Nồng độ chất nền trong nước thải đầu vào thời tiết bão [1]. Nồng độ sinh khối trong nước thải đầu vào thời tiết bão [1]. Lưu lượng nước thải đầu vào thời tiết bão [1].
Nồng độ chất nền trong nước thải đầu vào thời tiết mưa [1]. Nồng độ sinh khối trong nước thải đầu vào thời tiết mưa [1]. Lưu lượng nước thải đầu vào thời tiết mưa [1]. Các hiện tượng sinh học diễn ra ở các bể phản ứng sinh học ASM1 [1].
Sơ đồ bể lắng thứ cấp [2]. Đường cong vận tốc lắng [2]. Mô hình BSM1 triển khai trên Matlab/Simulink. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.
Phương pháp điều khiển PI cho BSM1 [1]. Sơ đồ mô phỏng dùng bộ điều khiển PI cho nồng độ nitrite. Sơ đồ mô phỏng dùng bộ điều khiển PI cho DO. Sơ đồ cấu trúc điều khiển DO.
Lưu đồ thuật toán di truyền [7]. Chiến lược điều khiển phân cấp. Cấu trúc bộ điều khiển cấp trên. Cấu trúc điều khiển được triển khai trên Matlab/Simulink.
Nồng độ SNH tại bể số 4. Nồng độ SO tại bể số 5. Nồng độ SNtot tại đầu ra bể lắng. Nồng độ CODt tại đầu ra bể lắng.
Nồng độ SNH tại đầu ra bể lắng. Nồng độ TSS tại đầu ra bể lắng. Nồng độ BOD5 tại đầu ra bể lắng. 38 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.
Nồng độ trung bình theo trọng số dòng chảy của các thành phần đầu vào đối với ba tệp dữ liệu thời tiết [2]. Các biến trạng thái cho mô hình bùn hoạt tính số 1 IWAQ (ASM1). Các tham số động học của ASM1. Các tham số cân bằng hóa học của ASM1.
Các tham số mô hình bể lắng. Quy định về giới hạn nồng độ các chất trong nước thải sau khi xử lý 24 Bảng 2. Giá trị các trọng số βi. Các giá trị tìm được thông qua giải thuật di truyền.
So sánh các chỉ số EQI và OCI giữa hai chiến lược điều khiển. So sánh nồng độ các chất đầu ra nước thải. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Tổng quan về nước thải và sự cần thiết phải xử lý nước thải Nước là tài sản chung của nhân loại, là nguồn gốc của sự sống, là môi trường trong đó diễn ra các quá tình sống. Nước đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo cuộc sống của con người.
Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng như qua quá trình sinh hoạt của con người hàng ngày, từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp hoặc từ các ngành công nghiệp… Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh của chúng, bao gồm [3]: − Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. − Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. − Nước thấm qua: là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga hay hố người. − Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem như nước thải tự nhiên.
Ở những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát riêng. − Nước thải đô thị: là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải kể trên. Đối với mỗi loại nước thải lại có các thành phần khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của nó.
Tuy nhiên, liên quan đến công nghệ xử lý thì nước thải gồm một số thành phần quan trọng sau[3]: • Chất hữu cơ: Đây là thành phần chính trong nước thải bao gồm cả chất hữu cơ dễ phân hủy (như protein, cacbonhydrat và chất béo) và chất hữu cơ khó phân hủy (như cellulose). Qúa trình ổn định sinh học của chúng có thể dẫn đến giảm lượng oxy trong nước tự nhiên và dẫn đến nguyên nhân gây mùi, vị. • Chất vô cơ: Bao gồm các chất rắn vô cơ hòa tan như canxi, natri, sunfat có mặt nước thải sinh hoạt trong quá trình sử dụng nước và các kim loại nặng như sắt, kẽm, đồng, chì. thường nhiễm vào nguồn nước do các hoạt động công nghiệp.
• Các chất dinh dưỡng: Cả nitơ, photpho và cacbon là những chất dinh dưỡng chính cho sự phát triển của sinh vật. Khi thải chúng vào môi trường nước, các chất dinh dưỡng này có thể dẫn đến sự phát triển của các sinh vật ngoài ý muốn trong môi trường nước. Còn khi thải chúng với một lượng dư vào đất sẽ làm ô nhiễm nước ngầm. 1 • Vi sinh vật: Nước thải chứa một lượng lớn vi khuẩn, virus, nấm, và ký sinh trùng khác, nhiều trong số chúng có thể gây bệnh cho con người và động vật.
• Các chất lơ lửng: Các chất rắn lơ lửng gồm các hạt nhỏ không tan trong nước như cát, bùn, và các hạt vật chất khác có thể dẫn đến tăng khả năng lắng bùn và điều kiện kỵ khí khi thải nước thải không qua xử lý vào môi trường nước. • Chất hóa học khác: Các chất như dầu mỏ, hóa chất công nghiệp, hóa chất bảo vệ trong nông nghiệp, thuốc nhuộm, và chất phóng xạ có thể xuất hiện trong nước thải. Chính vì vậy, nước thải cần phải được xử lý trước khi được xả thải trực tiếp ra môi trường. Tùy theo quy chuẩn của mỗi quốc gia mà giới hạn các thành phần đầu ra trong nước thải sau xử lý sẽ khác nhau.
Để quản lý môi trường nước, các nước trên thế giới đã xây dựng những đạo luật riêng cho vấn đề này. Nếu nước thải không được xử lý hoặc vi phạm giới hạn các thành phần sẽ bị phạt hành chính hoặc xử lý hình sự tùy mức độ vi phạm và độ nghiêm trọng. Hiện nay, ở Việt Nam có hai tiêu chuẩn xử lý nước thải đang được áp dụng: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT (Phụ lục). Dưới đây là một số các chỉ số chủ yếu mà nước thải sinh hoạt và công nghiệp phải đạt trước khi được xả thải ra môi trường: − pH: từ 6÷9.
− Hàm lượng BOD5 (BOD sau 5 ngày): không lớn hơn 50 mg/l. − Hàm lượng COD (yếu tố oxi hóa hóa học): không lớn hơn 200 mg/l. − Tổng hàm lượng Nitrat: không lớn hơn 50 mg/l. − Tổng hàm lượng Phosphat: không lớn hơn 6 mg/l.
− Tổng hàm lượng các kim loại nặng (như As, Cd, Cr, Pb, Hg, Zn): không vượt quá ngưỡng cụ thể đã quy định.2 Xử lý nước thải Xử lý nước thải là quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm và tạp chất có bản chất khác nhau sao cho nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng theo các tiêu chuẩn ở từng quốc gia. Các tiêu chuẩn chất lượng đó thường phụ thuộc vào mục đích và cách thức sử dụng: nước sẽ được tái sử dụng hay thải thẳng vào các nguồn tiếp nhận nước. Để đạt được mục đích trên, trong công nghệ xử lý nước thải đã sử dụng nhiều quá trình khác nhau và được nhóm lại thành các công đoạn được biểu diễn trên Hình 1.1 bao gồm: xử lý cấp I, xử lý cấp II, xử lý cấp III. Sơ đồ nguyên lý công nghệ xử lý nước thải[3] • Xử lý cấp I: gồm các quá trình xử lý sơ bộ và lắng, bắt đầu từ song (hoặc lưới) chắn và kết thúc sau lắng cấp I.
Công đoạn này có nhiệm vụ khử các vật rắn nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn có thể lắng ra khỏi nước thải để bảo vệ bơm và đường ống. Hầu hết các chất rắn lwo lửng lắng ở bể lắng cấp I. Ở đây thường gồm các quá trình lọc qua song (hoặc lưới) chắn, lắng, tuyển nổi, tách dầu mỡ và trung hòa. • Xử lý cấp II: gồm các quá trình sinh học (đôi khi cả quá trình hóa học) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy bằng con đường sinh học, nghĩa là khử BOD.
Đó là các quá trình: hoạt hóa bùn, lọc sinh học hay oxy hóa sinh học trong các hồ (hồ sinh học) và phân hủy yếm khí. Tất cả các quá trình này đều sử dụng khả năng của các vi sinh vật chuyển hóa các chất thải hữu cơ về dạng ổn định và năng lượng thấp. • Xử lý cấp III: thường gồm các quá trình: vi lọc, kết tủa hóa học và đông tụ, hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thấm tích, các quá trình khử các chất dinh dưỡng, clo hóa và ozon hóa.