Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chế biến mủ cao su thiên nhiên đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp - công nghiệp tại Việt Nam. Tuy nhiên, đặc thù công nghệ chế biến và nguyên liệu khiến nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất có mức độ ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng rất cao. Nước thải thường có độ pH thấp, nồng độ Nitơ Amôni, Nitơ hữu cơ, COD và BOD5 vượt chuẩn cho phép nhiều lần. Khi xả thải trực tiếp vào môi trường, các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học sẽ bị vi sinh vật tự nhiên phân giải, làm suy giảm nghiêm trọng lượng oxy hòa tan trong thủy vực tiếp nhận, gây chết thủy sinh và phát sinh hiện tượng phú dưỡng hóa. Đồng thời, lượng hạt mủ cao su chưa đông tụ bị thất thoát theo dòng nước thải vừa gây cản trở dòng chảy, hư hại cơ khí trong các công trình xử lý, vừa gây lãng phí kinh tế cho doanh nghiệp.

Thực tế tại Việt Nam cho thấy nhiều hệ thống xử lý nước thải cao su chưa đáp ứng được quy chuẩn kỹ thuật quốc gia do tải lượng ô nhiễm biến động lớn, công nghệ nhập ngoại (như mô hình chuỗi hồ sinh học kỵ khí hở của Malaysia) không phù hợp với điều kiện địa hình và khoảng cách dân cư tại Việt Nam do phát tán mùi hôi thối. Đề tài khóa luận tập trung nghiên cứu, đánh giá thực trạng hệ thống xử lý nước thải hiện hữu và đề xuất phương án cải tiến kỹ thuật tại Công ty TNHH Đại Phước Tài.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Khái quát về Công ty TNHH Cổ phần Môi trường Rồng Tiến (đơn vị thiết kế trạm xử lý và là cơ sở thực tập).
  2. Giới thiệu tổng quan về Công ty TNHH Đại Phước Tài.
  3. Tìm hiểu quy trình sản xuất mủ cao su tại Công ty Đại Phước Tài.
  4. Xác định thành phần, tính chất nước thải mủ cao su phát sinh từ quá trình sản xuất.
  5. Khảo sát cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống xử lý nước thải hiện hữu tại nhà máy.
  6. Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý của hệ thống hiện tại so với quy chuẩn tiếp nhận.
  7. Nghiên cứu đề xuất phương án cải tiến hệ thống theo 2 hướng: cải tiến quy trình công nghệ sản xuất mủ và cải tiến hệ thống xử lý nước thải (bằng biện pháp hóa lý kết hợp sinh học).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình chế biến mủ cốm và hệ thống xử lý nước thải công suất thiết kế 700 m³/ngày đêm tại Công ty TNHH Đại Phước Tài.
  • Phạm vi không gian: Nhà máy chế biến mủ cao su Đại Phước Tài và trạm xử lý nước thải xả ra nguồn tiếp nhận là sông Thị Tĩnh; phối hợp nghiên cứu kỹ thuật tại Công ty TNHH Cổ phần Môi trường Rồng Tiến (Quận Gò Vấp, TP. Hồ Chí Minh).
  • Phạm vi thời gian: Quá trình thu thập số liệu, khảo sát thực địa và hoàn thiện đề tài diễn ra từ ngày 13/02/2012 đến ngày 13/08/2012.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận sử dụng khung lý thuyết chuyên ngành công nghệ môi trường và sinh học ứng dụng, bao gồm:

  • Lý thuyết thành phần hóa sinh mủ cao su: Cấu trúc hệ keo phân tán của mủ tươi gồm hạt cao su (chiếm 30% - 45%, kích thước 50 Å đến 30 μm, bao bọc bởi màng protein và lipid mang điện tích âm), hạt lutoid (chiếm 10% - 20%, kích thước 2 - 5 μm, chứa dịch B-serum gây đông tụ theo cơ chế đẳng điện), hạt Frey-Wyssling (1% - 3%, kích thước 3 - 6 μm) và dung dịch serum chứa khoáng chất (K, Mg, P, Ca).
  • Cơ sở chuyển hóa sinh học kỵ khí và hiếu khí: Cơ chế phân hủy yếm khí 3 giai đoạn (thủy phân hợp chất cao phân tử, axit hóa tạo axit béo bay hơi, metan hóa chuyển hóa axetat và hydro thành CH4 và CO2) ứng dụng trong bể UASB; cơ chế oxy hóa sinh hóa hiếu khí 3 giai đoạn của bùn hoạt tính (oxy hóa cơ chất, tổng hợp sinh khối mới, phân hủy nội bào) ứng dụng trong bể Aerotank và Biofor.
  • Quy chuẩn pháp lý tham chiếu: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945:1995, TCVN 7586:2006 và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến cao su thiên nhiên QCVN 01:2008/BTNMT (Cột B).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp tổng quan tài liệu: Thu thập, phân tích tài liệu lý thuyết, công nghệ xử lý nước thải cao su trong nước và quốc tế; tham khảo công trình nghiên cứu và tài liệu thiết kế của các chuyên gia đầu ngành (TS. Lê Văn Cát, GS.TS. Lâm Minh Triết, ThS. Lâm Vĩnh Sơn, ThS. Nguyễn Ngọc Bích).
  • Phương pháp khảo sát thực địa và ghi nhận kỹ thuật: Trực tiếp quan sát, chụp ảnh hiện trường, ghi chép dây chuyền công nghệ cán băm, mương đánh đông, lò sấy và vận hành các bể xử lý tại nhà máy Đại Phước Tài.
  • Phương pháp xử lý và phân tích số liệu kỹ thuật: Phân tích bản vẽ thiết kế công nghệ của Công ty Rồng Tiến; đối chiếu lưu lượng vận hành thực tế (lên đến gần 1000 m³/ngày đêm vào mùa cao điểm) với công suất thiết kế (700 m³/ngày đêm); tổng hợp số liệu kiểm tra chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra.
  • Phương pháp thiết kế và cải tiến công nghệ: Ứng dụng mô hình tính toán bổ sung bể bẫy mủ, nâng chiều cao thành bể để tăng thời gian lưu nước, tích hợp giá thể xơ dừa thô vào bể kỵ khí và thiết lập hồ sinh học nuôi tảo Chlorella, bèo tây.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong báo cáo gồm: số liệu thiết kế, hồ sơ nghiệm thu kỹ thuật và kết quả phân tích mẫu nước thải do Công ty Cổ phần Môi trường Rồng Tiến cung cấp năm 2010 - 2011; số liệu khảo sát thực tế tại nhà máy Đại Phước Tài năm 2012; số liệu thí nghiệm thực nghiệm giá thể xơ dừa từ Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Phần mở đầu

Chương 1 trình bày tính cấp bách của đề tài xuất phát từ tác hại môi trường của nước thải cao su (thiếu hụt oxy thủy vực, phú dưỡng hóa nguồn tiếp nhận, mùi hôi phân hủy axit hữu cơ) và sự thất thoát kinh tế do mủ cao su chưa đông tụ trôi theo dòng thải. Tác giả xây dựng kế hoạch tiến độ gồm 5 giai đoạn từ tháng 2 đến tháng 8/2012 và giới thiệu cơ cấu tổ chức, nguồn nhân lực trình độ cao, các dịch vụ tư vấn môi trường của đơn vị thực tập - Công ty TNHH Cổ phần Rồng Tiến.

Chương II: Tìm hiểu về quy trình sản xuất và hệ thống xử lý nước thải mủ cao su Đại Phước Tài

Chương này đi sâu mô tả quy trình công nghệ sản xuất và phân tích chi tiết trạm xử lý hiện hữu:

  • Quy trình sản xuất: Nhà máy áp dụng dây chuyền chế biến mủ cốm qua 4 công đoạn chính:
    1. Xử lý nguyên liệu: Tiếp nhận mủ nước, pha loãng với axit 1% tại mương đánh đông để đạt hàm lượng cao su khô 25%, pH từ 4 - 5.
    2. Gia công cơ học: Sau 6 - 8 giờ đông tụ, xả nước cho mủ nổi lên, đưa qua máy cán Crepper để cán mỏng loại bỏ axit serum; tiếp tục qua máy cán băm liên hợp tạo hạt cốm kích thước trung bình 3 - 6 mm, rửa tại hồ nước và hút qua bơm Vortex lên sàn rung tách nước.
    3. Gia công nhiệt: Sấy mủ trong lò ở nhiệt độ 100 - 110°C trong thời gian 13 - 17 phút, sau đó làm nguội.
    4. Hoàn chỉnh sản phẩm: Cân khối lượng định mức 33,3 kg/bánh, ép kiện, bọc màng PE và đóng pallet xuất xưởng.
  • Nguồn phát sinh và tính chất nước thải: Nước thải sinh ra từ mương đánh đông (chứa nhiều serum, axit axetic, protein, keo mủ thừa, pH 4,5 - 5,5), nước rửa máy cán băm và nước ngâm rửa mủ tạp.
  • Cấu tạo trạm xử lý nước thải hiện hữu: Quy trình xử lý gồm: Song chắn rác → Bể lắng cát sục khí → Bể điều hòa kết hợp cụm tách mủ 1 & 2 (sử dụng keo tụ PAC và chỉnh pH bằng NaOH đạt 6,2 - 9) → Bể UASB → Bể Biofor (lọc sinh học dính bám hiếu khí dòng chảy ngược) → Bể lắng đứng → Cụm oxy hóa nâng cao (mương than hoạt tính/sỏi và bể thoáng diện tích gần 300 m²) → Ngăn khử trùng bằng Ozon (H2O2) → Bãi lọc sinh học → Xả ra sông Thị Tĩnh.
  • Đánh giá hạn chế kỹ thuật: Nước thải sau xử lý chưa đạt QCVN 01:2008/BTNMT cột B; BOD5 và COD vẫn vượt chuẩn; mủ còn sót gây tắc nghẽn. Các nguyên nhân chính được xác định gồm:
    1. Trạm xử lý bị quá tải lưu lượng (thiết kế 700 m³/ngày đêm nhưng cao điểm đạt gần 1000 m³/ngày đêm).
    2. Bể gạn mủ hoạt động kém hiệu quả, mủ trôi sang các công trình sau.
    3. Thời gian lưu nước thực tế tại hồ sinh học chỉ đạt 20 - 30 ngày (trong khi yêu cầu kỹ thuật cần 60 ngày).
    4. Máy thổi khí không vận hành 24/24 do tiết kiệm điện.
    5. Bơm bùn thường xuyên tắc nghẽn do tự ý tăng chu kỳ bơm.
    6. Công nhân vận hành thiếu chuyên môn nghiệp vụ hóa chất và công nghệ sinh học.

Chương III: Đề xuất hướng cải tiến hệ thống xử lý nước thải Đại Phước Tài

Tác giả đề xuất 3 nhóm giải pháp kỹ thuật nhằm khắc phục các hạn chế trên:

  • Cải tiến quy trình sản xuất: Tối ưu hóa khâu đánh đông và rửa hạt mủ để giảm lượng mủ thất thoát vào dòng thải.
  • Cải tiến hóa lý: Nâng chiều cao thành của các bể hố âm nhằm tăng dung tích chứa và kéo dài thời gian lưu nước; xây dựng thêm bể bẫy mủ kết cấu dòng chảy gấp khúc kết hợp tuyển nổi bọt khí; lắp đặt hệ thống tự động định lượng châm hóa chất PAC và bổ sung Polymer trợ keo tụ.
  • Cải tiến sinh học:
    • Ứng dụng giá thể xơ dừa thô trong bể kỵ khí: Dựa trên nghiên cứu của ThS. Nguyễn Ngọc Bích (Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam), sử dụng chuỗi xơ dừa thô không phủ cao su có đường kính 20 cm, chiều dài 200 cm buộc song song trên khung chữ nhật đặt trong bể kỵ khí. Với cấu tạo 80% cellulose và 18% lignin, xơ dừa không bị phân hủy sinh học, có tuổi thọ khoảng 5 năm, giúp tăng mật độ vi sinh dính bám, đạt hiệu suất xử lý COD và BOD5 khoảng 90% ở thời gian lưu 2 ngày, không gây tắc dòng chảy và chi phí thấp hơn nhiều so với giá thể nhựa (75 - 200 USD/m³).
    • Ứng dụng nuôi tảo và bèo tây trong hồ sinh học: Nuôi cấy tảo lục (Chlorella) và bèo tây để hấp thụ các ion Nitơ, Photpho và chất hữu cơ hòa tan còn sót lại, đồng thời cung cấp oxy tự nhiên nhờ quá trình quang hợp.
  • Quy trình công nghệ mới: Tích hợp bể bẫy mủ cải tiến, bể kỵ khí đệm xơ dừa và chuỗi hồ sinh học nuôi tảo bèo trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Chương IV: Tổng kết

Tổng kết các kết luận về giải pháp kỹ thuật, khẳng định tính khả thi của việc kết hợp nâng cao dung tích bể, sử dụng giá thể xơ dừa và hồ sinh học thực vật; đưa ra các kiến nghị về đào tạo công nhân vận hành, kiểm soát định lượng hóa chất và bảo dưỡng thiết bị sục khí liên tục.

Chương V: Phụ lục

Bao gồm bảng tổng hợp khối lượng các hạng mục xây dựng, phụ lục hình ảnh chụp thực địa các công trình và các bản vẽ kỹ thuật của trạm xử lý nước thải.

Kết quả và đóng góp

Kết quả khảo sát và số liệu chất lượng nước

Khóa luận đã tổng hợp thông số ô nhiễm nước thải đầu vào tại Công ty Đại Phước Tài và đối chiếu với tiêu chuẩn xả thải bắt buộc:

STT Thông số ô nhiễm Đơn vị Giá trị nước thải đầu vào (Đại Phước Tài) Quy chuẩn QCVN 01:2008/BTNMT (Cột B)
1 pH - 4,5 - 5 6 - 9
2 Tổng chất rắn lơ lửng (SS/TSS) mg/l 200 - 300 100
3 COD mg/l 1500 - 3000 250
4 BOD5 mg/l 2500 - 4000 50
5 Nitrat (tính theo N) mg/l 110 - 150 -
6 Nitơ tổng mg/l - 60
7 Amoni (tính theo N) mg/l - 40
8 Cảm quan mùi - Mùi hôi -
9 Cảm quan màu - Trắng đục -

Tỷ lệ BOD5/COD của nước thải đạt xấp xỉ 0,7, chứng minh nước thải có khả năng phân hủy sinh học cao, rất thích hợp cho việc áp dụng kết hợp công nghệ xử lý kỵ khí (UASB/giá thể xơ dừa) và hiếu khí (Biofor/Aerotank).

Giải pháp và đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Giải quyết bài toán quá tải thủy lực: Đề xuất phương án nâng cao thành bể hố âm hiện hữu và xây dựng thêm bể bẫy mủ mới, khắc phục tình trạng quá tải từ 700 m³/ngày đêm lên 1000 m³/ngày đêm mà không cần đập bỏ hoặc mở rộng diện tích xây dựng mới quá lớn.
  • Tối ưu hóa khâu tách mủ: Đề xuất cải tiến bể tuyển nổi bằng cách kéo dài đường đi dòng chảy ziczac, chuẩn hóa lượng châm PAC và bổ sung Polymer trợ keo tụ nhằm thu hồi triệt để mủ cao su tái sinh, bảo vệ các thiết bị cơ khí và giảm tải cơ chất cho các bể sinh học.
  • Ứng dụng vật liệu địa phương rẻ tiền làm giá thể vi sinh: Khóa luận chứng minh việc ứng dụng giá thể xơ dừa thô dạng chuỗi (Ø20 cm x 200 cm) trong bể kỵ khí mang lại hiệu quả khử COD/BOD5 đạt 90%, thời gian lưu 2 ngày, không tắc nghẽn, tuổi thọ 5 năm, tiết kiệm chi phí lớn so với giá thể nhựa nhập khẩu (75 - 200 USD/m³).
  • Hoàn thiện chuỗi hồ sinh học tự nhiên: Ứng dụng hệ thực vật tự nhiên (tảo Chlorella, bèo tây) tại hồ sinh học cuối quy trình để xử lý triệt để Nitơ, Photpho mà không tiêu tốn điện năng, phù hợp với quỹ đất hiện có của công ty trước khi xả ra sông Thị Tĩnh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của khóa luận:
    • Nghiên cứu đề xuất cải tiến dựa trên các số liệu kiểm tra mẫu của công ty thiết kế (năm 2010 - 2011), khảo sát thực địa hiện trạng năm 2012 và số liệu thực nghiệm giá thể xơ dừa của Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam; đề tài chưa tiến hành lắp đặt trực tiếp mô hình pilot cải tiến tại chỗ để thu thập chuỗi dữ liệu phân tích hóa lý mới sau cải tiến.
    • Giải pháp nuôi cấy tảo và bèo trong hồ sinh học mới dừng ở mức phân tích cơ chế lý thuyết và tổng quan các mô hình đã thử nghiệm tại Việt Nam, chưa có tính toán chi tiết về mật độ sinh khối và chu kỳ vớt sinh khối bèo định kỳ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tính toán kết cấu cơ khí, thủy lực chi tiết và lập dự toán chi phí đầu tư cụ thể cho việc nâng chiều cao thành bể và lắp đặt hệ thống định lượng Polymer/PAC tự động.
    • Triển khai mô hình pilot kỵ khí sử dụng xơ dừa xử lý trực tiếp nước thải mủ cốm tại chỗ để xác định chính xác tải trọng hữu cơ cực đại và độ suy giảm hoạt tính của màng vi sinh theo thời gian.
    • Xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn (SOP) và tài liệu đào tạo kỹ thuật cho đội ngũ công nhân vận hành trạm xử lý tại nhà máy Đại Phước Tài.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Môi trường, Công nghệ Sinh học: Nguồn tài liệu tham khảo chi tiết về công nghệ chế biến mủ cao su (mủ ly tâm, mủ tờ, mủ cốm), đặc trưng dòng thải và các tính toán công nghệ trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế và cán bộ quản lý môi trường: Cung cấp tư liệu thực tế về các lỗi vận hành phổ biến ở các trạm xử lý nước thải mủ cao su (nghẽn bơm, thiếu khí, quá tải mùa vụ, hóa chất không đồng đều) và phương án xử lý sự cố.
  • Các doanh nghiệp chế biến mủ cao su vừa và nhỏ: Cung cấp giải pháp kỹ thuật nâng công suất trạm xử lý với chi phí thấp thông qua việc sử dụng giá thể xơ dừa địa phương và hồ sinh học tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

1. Dây chuyền sản xuất chính tại Công ty TNHH Đại Phước Tài là gì và quy cách sản phẩm cuối cùng như thế nào?

Công ty Đại Phước Tài áp dụng công nghệ chế biến mủ cốm. Quy trình gồm tiếp nhận mủ đánh đông bằng axit 1% (hàm lượng mủ khô 25%, pH 4 - 5), gia công cơ học qua máy cán Crepper và cán băm liên hợp tạo hạt cốm đường kính 3 - 6 mm, sấy trong lò ở nhiệt độ 100 - 110°C trong 13 - 17 phút, sau đó ép thành từng bánh có khối lượng 33,3 kg, bọc bao PE và đóng pallet xuất xưởng.

2. Thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm chính trong nước thải đầu vào tại Đại Phước Tài là bao nhiêu?

Theo kết quả phân tích do Công ty Rồng Tiến cung cấp, nước thải đầu vào có pH từ 4,5 - 5; chất rắn lơ lửng (SS) từ 200 - 300 mg/l; COD dao động từ 1500 - 3000 mg/l; BOD5 từ 2500 - 4000 mg/l; Nitrat từ 110 - 150 mg/l; nước có màu trắng đục và mùi hôi thối do protein bị phân hủy trong môi trường axit tạo thành các khí NH3, H2S, CH3COOH, CH4.

3. Những nguyên nhân chính nào khiến hệ thống xử lý nước thải hiện hữu tại Đại Phước Tài chưa đạt chuẩn đầu ra QCVN 01:2008/BTNMT?

Hệ thống không đạt chuẩn do 6 nguyên nhân: quá tải lưu lượng mùa cao điểm (đạt gần 1000 m³/ngày đêm so với thiết kế 700 m³/ngày đêm); các bể gạn mủ hoạt động kém hiệu quả làm mủ cao su trôi sang các bể sinh học; thời gian lưu nước tại hồ sinh học chỉ đạt 20 - 30 ngày (yêu cầu cần 60 ngày); máy thổi khí vận hành ngắt quãng để tiết kiệm điện; bơm hút bùn bị tắc nghẽn do tự ý tăng chu kỳ bơm; công nhân vận hành thiếu chuyên môn nghiệp vụ hóa chất và kỹ thuật vi sinh.

4. Giá thể xơ dừa được đề xuất ứng dụng trong bể xử lý kỵ khí có đặc tính kỹ thuật và hiệu suất ra sao?

Giá thể xơ dừa thô được kết thành chuỗi tròn đường kính 20 cm, dài 200 cm, buộc song song trên khung chữ nhật đặt trong bể kỵ khí. Xơ dừa chứa 80% cellulose và 18% lignin nên khó bị vi sinh vật phân hủy, có tuổi thọ ước tính khoảng 5 năm. Với thời gian lưu nước 2 ngày, mô hình giúp loại bỏ khoảng 90% nồng độ COD và BOD5 trong nước thải mủ cao su mà không gây tắc nghẽn dòng chảy.

5. Nước thải sau xử lý của nhà máy Đại Phước Tài được thải ra nguồn tiếp nhận nào và dùng tác nhân gì để khử trùng?

Nước thải sau khi qua các bậc xử lý hóa lý, sinh học và bãi lọc sinh học sẽ được xả vào nguồn tiếp nhận là sông Thị Tĩnh. Hệ thống sử dụng Ozon (H2O2) làm tác nhân khử trùng nhằm tiêu diệt vi sinh vật gây hại (như Coliform) trước khi đưa ra hồ sinh học, hạn chế nguy cơ phát sinh phụ phẩm độc hại so với hóa chất khử trùng gốc Clo.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Phạm Xuân Tư đã phản ánh toàn diện hiện trạng công nghệ sản xuất mủ cốm và những bất cập kỹ thuật trong trạm xử lý nước thải công suất 700 m³/ngày đêm tại Công ty TNHH Đại Phước Tài. Tác giả đã xác định rõ nguyên nhân quá tải và đề xuất phương án cải tiến đồng bộ từ việc xây thêm bể bẫy mủ, nâng cao thành bể để tăng thời gian lưu, đến việc tích hợp giá thể xơ dừa thô trong bể kỵ khí và hoàn thiện hồ sinh học nuôi tảo, bèo tây. Đây là công trình nghiên cứu mang tính ứng dụng kỹ thuật cao, đưa ra giải pháp xử lý ô nhiễm nước thải cao su hiệu quả, chi phí thấp và phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại các nhà máy chế biến cao su Việt Nam.