Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, nước thải từ các nhà máy gạch ceramic chứa hàm lượng cặn vô cơ lơ lửng và chất ô nhiễm đặc thù rất cao. Tại Công ty Cổ phần Gạch men Thanh Thanh thuộc Khu công nghiệp Biên Hòa 1, tỉnh Đồng Nai, quy mô nhà máy rộng 65.836 m2 với đội ngũ 650 cán bộ công nhân viên tạo ra lưu lượng xả thải sản xuất trung bình 500 m3/ngày.đêm cùng 39 m3/ngày nước thải sinh hoạt. Nguồn thải sản xuất phát sinh chủ yếu từ các công đoạn nghiền nguyên liệu, lọc ép bột xương gạch, chuẩn bị nước cốt men và vệ sinh thiết bị định kỳ. Các khảo sát thực tế chỉ ra rằng nồng độ chất rắn lơ lửng trong dòng thải phân xưởng dao động từ 1.758 mg/l đến 12.348 mg/l, tổng nhu cầu oxy hóa học COD đạt 613 mg/l và nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 lên tới 225 mg/l. Dây chuyền xử lý hiện hữu tại nhà máy chỉ áp dụng quy trình keo tụ và lắng cơ học đơn thuần, khiến nước đầu ra vẫn tồn đọng lượng lớn chất hữu cơ hòa tan, chưa đạt tiêu chuẩn xả thải loại A và không thể tái sử dụng cho các công đoạn sản xuất men tinh xảo. Đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán và đề xuất phương án cải tiến công nghệ trạm xử lý nước thải công suất 500 m3/ngày.đêm trong giai đoạn từ tháng 10 năm 2007 đến tháng 01 năm 2008. Mục tiêu trọng tâm là nâng cấp hiệu quả xử lý nhằm đưa chất lượng nước sau lọc đạt tiêu chuẩn loại A theo quy chuẩn TCVN 5945-2005 với hàm lượng chất rắn lơ lửng dưới 50 mg/l, COD dưới 50 mg/l và BOD5 dưới 30 mg/l. Việc hoàn thiện hệ thống cho phép tái tuần hoàn 100% lượng nước thải vào chu trình sản xuất, giúp nhà máy tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí cấp nước thô hàng năm và ngăn ngừa triệt để nguy cơ gây suy thoái môi trường nước lưu vực sông Đồng Nai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết keo tụ và tạo bông nhằm trung hòa điện tích bề mặt của các hạt keo khoáng vô cơ dạng huyền phù. Khi châm phèn polyaluminium chloride nồng độ 12% kết hợp chất trợ keo polymer nồng độ 0,1%, thế zeta của các hạt sét và cao lanh giảm nhanh chóng, thúc đẩy các vi hạt liên kết thành bông cặn có kích thước từ 0,1 mm lên trên 2,5 mm giúp tăng tốc độ lắng trọng lực.

Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng lý thuyết phân hủy sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính lơ lửng trong bể làm thoáng Aeroten. Dưới điều kiện cấp khí liên tục duy trì oxy hòa tan từ 2,0 đến 4,0 mg/l, quần thể vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa các hợp chất carbon hữu cơ hòa tan từ chất phụ gia thành khí carbonic, nước và sinh khối vi khuẩn mới. Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm tải trọng bề mặt thủy lực dao động 32 đến 48 m3/m2.ngày, chỉ số thể tích bùn SVI duy trì ở mức 80 đến 120 ml/g, tỷ số cơ chất trên vi sinh vật F/M và hàm lượng cặn lơ lửng bay hơi trong hỗn hợp bùn lỏng MLVSS.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập dữ liệu dựa trên việc lấy mẫu tổ hợp định kỳ tại 3 phân xưởng sản xuất chính và dòng thải chung theo tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 6663-1:2002. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 15 đợt quan trắc xuyên suốt các ca vận hành sản xuất thực tế nhằm đảm bảo tính đại diện cho mức độ dao động nồng độ chất ô nhiễm.

Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm được chọn lọc nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc gia: xác định COD bằng phương pháp chuẩn độ oxy hóa kali dicromat trong môi trường axit mạnh, xác định BOD5 qua phương pháp ủ chai đo oxy hòa tan sau 5 ngày ở 20 độ C, xác định chất rắn lơ lửng bằng phương pháp sấy khô màng lọc sợi thủy tinh ở nhiệt độ 105 độ C, và xác định hàm lượng kim loại nặng bằng quang phổ hấp thu nguyên tử. Thí nghiệm Jartest được triển khai với 6 cấp độ khuấy nhằm xác định chính xác liều lượng hóa chất tối ưu gồm 65 kg phèn và 0,5 kg polymer mỗi ngày. Lý do chọn lựa các phương pháp này là nhờ độ tin cậy cao, tính lặp lại chuẩn xác và khả năng ứng dụng thực tế vào quy mô công nghiệp. Toàn bộ quá trình tính toán thủy lực và mô phỏng thiết kế được thực hiện tập trung từ tháng 10 năm 2007 đến tháng 01 năm 2008.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích mẫu nước thải ghi nhận sự chênh lệch tải lượng ô nhiễm rất lớn giữa các công đoạn sản xuất. Tại phân xưởng 3, nơi tập trung khâu rửa máy nghiền và lọc ép men, hàm lượng chất rắn lơ lửng đạt mức đỉnh điểm 12.348 mg/l, cao gấp 7,02 lần so với phân xưởng 1 (1.758 mg/l) và gấp 4,5 lần so với phân xưởng 2 (2.740 mg/l).

Quá trình tính toán công trình đơn vị cho thấy bể lắng ly tâm đợt 1 với đường kính 4 m và chiều cao 4,3 m đạt hiệu suất khử cặn sơ bộ 55%, làm giảm nồng độ chất rắn lơ lửng từ 14.319,1 mg/l xuống còn 6.443,6 mg/l với thời gian lưu nước 1,74 giờ. Lượng bùn khô tách ra mỗi ngày đạt 1.772 kg, tương đương 32,75 m3 bùn tươi có độ ẩm 95% được xả về sân phơi.

Việc tích hợp thêm cụm bể sinh học hiếu khí Aeroten kết hợp bể lắng ly tâm đợt 2 mang lại bước đột phá trong việc khử chất hữu cơ. Tổng hàm lượng COD đầu vào ở mức 613 mg/l được xử lý triệt để xuống dưới 45 mg/l, tương ứng hiệu suất loại bỏ đạt 92,6%. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 giảm từ 225 mg/l xuống dưới 20 mg/l, đạt hiệu suất xử lý 91,1%.

Các chỉ tiêu kim loại nặng độc hại như thủy ngân, chì, asen và cadimi tại cả 3 phân xưởng đều nằm dưới ngưỡng phát hiện quy định (thủy ngân dưới 0,005 mg/l, chì dưới 0,1 mg/l, asen dưới 0,05 mg/l và cadimi dưới 0,005 mg/l), khẳng định nguồn thải hoàn toàn phù hợp để xử lý bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học thông thường.

Thảo luận kết quả

Sự cố quá tải và tắc nghẽn ở hệ thống cũ bắt nguồn từ việc lưu lượng cặn thô quá lớn trong khi đường ống xả đáy có tiết diện nhỏ, đồng thời thiếu giai đoạn oxy hóa sinh học khiến chất hữu cơ hòa tan từ men màu không được bẻ gãy. So với các công trình xử lý nước thải gốm sứ truyền thống thường chỉ đạt tiêu chuẩn loại B với COD trên 80 mg/l, việc bổ sung cụm xử lý sinh học hiếu khí giúp nâng chất lượng nước sau lọc qua lớp cát thạch anh và than hoạt tính đạt mức độ tinh sạch tuyệt đối.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được hệ thống hóa qua biểu đồ cột thể hiện mức độ suy giảm từng bậc của các chỉ số ô nhiễm chính từ cửa vào mương dẫn, qua bể lắng sơ cấp, cụm keo tụ tạo bông, bể sinh học cho đến bể lọc áp lực. Đi kèm với đó là bảng cân bằng vật chất thể hiện rõ dòng bùn tươi 32,75 m3/ngày được tách riêng và dòng nước sau xử lý 500 m3/ngày được đưa về tháp chứa, minh chứng cho sự tối ưu vượt bậc về mặt kỹ thuật và vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành thi công lắp đặt bổ sung cụm bể Aeroten dung tích công tác 150 m3 và bể lắng ly tâm đợt 2 đường kính 4 m nhằm duy trì nồng độ bùn hoạt tính MLSS ở mức 2.500 đến 3.500 mg/l, thời gian hoàn thành dự kiến trong 6 tháng do Ban Quản lý Dự án Môi trường công ty chỉ đạo thực hiện.

Thứ hai, cải tạo toàn bộ hệ thống ống xả bùn đáy từ đường kính cũ lên kích thước ống nhựa chịu lực đường kính 90 mm kết hợp trang bị máy bơm màng khí nén lưu lượng 11,45 m3/h với công suất động cơ 0,33 kW để chống đóng cặn đáy bể lắng, thực hiện dứt điểm trong 30 ngày do Đội Bảo trì Cơ điện đảm nhiệm.

Thứ ba, mở rộng diện tích sân phơi bùn thêm 4 ô mới với tổng diện tích mặt bằng 150 m2 nhằm tiếp nhận và làm khô nhanh chóng lượng bùn tươi 32,75 m3 sinh ra mỗi ngày, giao cho Phòng Xây dựng cơ bản hoàn tất trong quý 2 năm kế hoạch.

Thứ tư, thiết lập trạm pha chế và châm hóa chất tự động định lượng chuẩn xác 65 kg phèn polyaluminium chloride và 0,5 kg polymer mỗi ngày, kiểm soát độ pH ổn định ở mức 7,0 trước khi vào bể lắng hóa lý, phân công Kỹ sư vận hành trạm quan trắc liên tục hàng ngày.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư công nghệ môi trường và cán bộ vận hành trạm xử lý nước thải có thể khai thác toàn bộ chuỗi công thức tính toán thủy lực, kích thước hình học bể lắng ly tâm, công suất máy thổi khí 1,06 kW và hệ thống cánh khuấy để ứng dụng trực tiếp vào việc cải tạo các trạm xử lý nước thải công nghiệp chịu tải lượng chất rắn cao.

Ban Giám đốc và cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà máy gạch ốp lát tìm thấy trong tài liệu này bài toán kinh tế rõ ràng về mô hình tuần hoàn khép kín, giúp tái sử dụng toàn bộ 500 m3 nước thải mỗi ngày nhằm cắt giảm chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh xanh cho doanh nghiệp.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường có thể sử dụng công trình như một nghiên cứu điển hình về phương pháp chuyển đổi dây chuyền xử lý nước thải từ tiêu chuẩn loại B lên tiêu chuẩn loại A theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam.

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên môi trường và Ban quản lý các khu công nghiệp có thêm cơ sở dữ liệu thực chứng về hệ số phát thải chất rắn lơ lửng từ 1.758 đến 12.348 mg/l để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và cấp phép xả thải cho ngành gốm sứ.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải sản xuất gạch men phát sinh hàm lượng chất rắn lơ lửng rất cao do đâu và có chứa độc chất không?

Nước thải phát sinh chủ yếu từ khâu nghiền nguyên liệu, tráng men và mài bóng gạch, lôi kéo một lượng lớn bột đất sét, thạch anh và cao lanh vô cơ khiến hàm lượng chất rắn lơ lửng tại phân xưởng 3 lên tới 12.348 mg/l. Tuy nhiên, các kết quả xét nghiệm cho thấy nồng độ kim loại nặng như chì dưới 0,1 mg/l và thủy ngân dưới 0,005 mg/l, hoàn toàn an toàn đối với các công trình xử lý sinh học.

Bể lắng ly tâm đợt 1 mang lại hiệu quả xử lý như thế nào đối với dòng thải ô nhiễm?

Bể lắng ly tâm đợt 1 với đường kính 4 m và chiều cao 4,3 m giúp giữ lại 55% lượng chất rắn lơ lửng và 33% nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 trong thời gian lưu nước 1,74 giờ. Công trình này giúp giảm nồng độ cặn từ 14.319,1 mg/l xuống 6.443,6 mg/l, ngăn chặn triệt để tình trạng bồi lắng làm hỏng máy bơm bể điều hòa.

Lượng bùn thải phát sinh hàng ngày được thu gom và tái sử dụng ra sao?

Mỗi ngày trạm xử lý sinh ra 1.772 kg bùn khô, tương đương 32,75 m3 bùn tươi ở độ ẩm 95%. Lượng bùn này được bơm màng công suất 11,45 m3/h đưa sang sân phơi bùn để tách nước tự nhiên. Bùn sau khi khô ráo được kiểm định an toàn và tái sử dụng làm nguyên liệu phối trộn gạch lát vỉa hè hoặc san lấp mặt bằng khuôn viên nhà máy.

Tại sao quy trình công nghệ cải tiến bắt buộc phải bổ sung bể Aeroten và bể lắng 2?

Công nghệ cũ chỉ xử lý được cặn thô, để lại lượng COD 613 mg/l và BOD5 225 mg/l vượt xa giới hạn cho phép. Bể sinh học hiếu khí Aeroten sử dụng bùn hoạt tính giúp oxy hóa 92,6% chất hữu cơ hòa tan, đưa COD về dưới 45 mg/l và BOD5 dưới 20 mg/l, giúp nước sau xử lý đạt chuẩn loại A để cấp lại cho sản xuất.

Định mức tiêu hao hóa chất hàng ngày cho trạm xử lý công suất 500 m3/ngày được tính toán ra sao?

Dựa trên kết quả thí nghiệm Jartest, hệ thống tiêu thụ chính xác 65 kg phèn polyaluminium chloride nồng độ 12% để keo tụ cặn khoáng, 12,5 kg xút nồng độ 2,5% nhằm cân bằng độ pH về mức trung tính 7,0, và 0,5 kg chất trợ keo polymer nồng độ 0,1% để tạo bông cặn lắng nhanh.

Kết luận

  • Đề tài đã đánh giá toàn diện hiện trạng ô nhiễm nước thải sản xuất của nhà máy gạch men với lưu lượng 500 m3/ngày, nồng độ chất rắn lơ lửng đỉnh điểm 12.348 mg/l và COD tổng 613 mg/l.
  • Thiết kế cải tiến công đoạn lắng sơ cấp bằng bể lắng ly tâm đường kính 4 m, giúp khử 55% chất rắn lơ lửng và 33% BOD5 ngay trong 1,74 giờ lưu nước đầu tiên.
  • Xác lập định mức hóa chất tối ưu gồm 65 kg phèn polyaluminium chloride và 0,5 kg polymer mỗi ngày, giúp tách lọc hiệu quả trên 95% cặn lơ lửng khó lắng.
  • Bổ sung hoàn chỉnh cụm xử lý sinh học hiếu khí Aeroten kết hợp bể lắng ly tâm đợt 2, nâng hiệu suất xử lý COD đạt 92,6% và BOD5 đạt 91,1%, đưa nước thải đạt chuẩn xả thải loại A theo TCVN 5945-2005.
  • Thiết lập giải pháp thu hồi 1.772 kg bùn khô mỗi ngày để sản xuất gạch không nung và tái sử dụng toàn bộ 500 m3 nước thải sạch phục vụ sản xuất tuần hoàn.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một giải pháp công nghệ đồng bộ từ cơ học, hóa lý đến sinh học, giúp giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm chất rắn và chất hữu cơ trong ngành gạch men. Lộ trình triển khai nâng cấp hệ thống được phân kỳ trong 6 tháng, bắt đầu từ việc cải tạo đường ống cơ điện trong 30 ngày đầu và hoàn thiện xây dựng, nuôi cấy vi sinh trong các tháng tiếp theo. Các doanh nghiệp sản xuất gốm sứ và vật liệu xây dựng nên sớm ứng dụng mô hình cải tiến này để hiện thực hóa mục tiêu sản xuất sạch hơn và phát triển công nghiệp bền vững.