Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản đông lạnh xuất khẩu tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, đặc biệt là tỉnh An Giang, ghi nhận sự phát triển vượt bậc với kim ngạch xuất khẩu đạt gần 50,5 triệu USD chỉ trong tháng 2 năm 2008, tương ứng sản lượng xuất khẩu trên 20.000 tấn sản phẩm. Song hành cùng sự tăng trưởng diện tích nuôi trồng đạt 1.392 ha là áp lực ô nhiễm môi trường nghiêm trọng từ nguồn nước thải hữu cơ chưa qua xử lý triệt để. Tại Xí nghiệp Đông lạnh Thủy sản AGF8 thuộc Công ty Cổ phần Xuất nhập khẩu Thủy sản An Giang (AGIFISH Co.), nhu cầu mở rộng quy mô sản xuất từ 70 tấn nguyên liệu/ngày lên 200 tấn nguyên liệu/ngày đã khiến trạm xử lý nước thải hiện hữu công suất 700 m3/ngày rơi vào tình trạng quá tải nghiêm trọng. Nước thải sau xử lý của hệ thống cũ có nồng độ COD vượt 1,38 lần và Tổng Phốt pho vượt 1,8 lần so với giới hạn xả thải cho phép.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết mâu thuẫn giữa việc gia tăng công suất chế biến thủy sản và yêu cầu kiểm soát ô nhiễm nguồn nước mặt sông Hậu. Mục tiêu cụ thể của đề tài là đánh giá toàn diện hiện trạng môi trường xí nghiệp, tính toán công nghệ và đề xuất phương án cải tạo, nâng công suất trạm xử lý nước thải lên 1300 m3/ngày (lưu lượng đỉnh 135,42 m3/h). Nghiên cứu được thực hiện tại thị trấn An Châu, huyện Châu Thành, tỉnh An Giang trong khoảng thời gian từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2008. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp giải pháp kỹ thuật tái sử dụng công trình hiện hữu, cắt giảm 30% đến 40% chi phí xây mới, đồng thời đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra đạt chuẩn TCVN 5945-2005 Cột A, bảo vệ nguồn lợi thủy sản và hệ sinh thái lưu vực sông Mê Kông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng kết hợp các nguyên lý thủy lực, hóa lý và kỹ thuật xử lý sinh học nước thải công nghiệp. Khung lý thuyết vận dụng phương trình dòng chảy Manning trong kênh hở với hệ số nhám n = 0,012 và bán kính thủy lực R = 0,42 m nhằm tính toán vận tốc tự lắng cặn trong mương dẫn đạt v > 0,7 m/s. Định luật Stokes và lý thuyết tuyển nổi phân tán được áp dụng để xác định vận tốc nổi của hạt dầu mỡ trong khoảng 0,4 đến 0,6 mm/s, làm cơ sở tính toán bể tách mỡ trọng lực và bể tuyển nổi áp lực (DAF).

Về mặt sinh học, nghiên cứu ứng dụng mô hình động học bùn hoạt tính hiếu khí và quá trình phản ứng sinh hóa theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) ở nhiệt độ 20°C. Các khái niệm học thuật cốt lõi bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD), Nhu cầu oxy sinh học (BOD5), Tỷ số thức ăn trên vi sinh vật (F/M), Chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng (MLSS/MLVSS) và Thời gian lưu bùn (SRT). Mô hình SBR tích hợp chu trình sục khí, lắng tĩnh và chắt nước trong cùng một bể giúp kiểm soát quá trình nitrat hóa và khử nitơ, loại bỏ triệt để các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như protein, lipid và carbohydrate từ phụ phẩm cá tra, cá basa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu thứ cấp từ Báo cáo thống kê nông nghiệp tỉnh An Giang, hồ sơ kỹ thuật vận hành Xí nghiệp AGF8 và các tài liệu quan trắc môi trường giai đoạn 2004 - 2008. Dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua 3 đợt lấy mẫu tổ hợp đại diện vào tháng 6 năm 2007 và tháng 7 năm 2008 do Trung tâm Dịch vụ Phân tích Thí nghiệm TP.HCM và Trung tâm Ứng dụng Tiến bộ Khoa học Công nghệ An Giang phân tích. Cỡ mẫu bao gồm 3 mẫu nước thải thô tại các công đoạn rửa fillet, định cỡ, vệ sinh nhà xưởng và 2 vị trí đo đạc vi khí hậu, tiếng ồn (vị trí cổng trước cách Quốc lộ 91 khoảng 60m ghi nhận mức ồn 79 - 83 dBA và vị trí nội bộ ghi nhận 60 - 65 dBA). Phương pháp lấy mẫu tổ hợp theo thời gian được lựa chọn nhằm phản ánh chính xác biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo ca sản xuất.

Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm tuân thủ các tiêu chuẩn quốc gia TCVN đối với các chỉ tiêu pH, SS, COD, BOD5, Tổng Nitơ, Tổng Phốt pho, Dầu mỡ động thực vật và Coliform. Nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán cân bằng vật chất kết hợp phương trình Becnulli để xác định cột áp bơm H = 6,8 m và công suất động cơ bơm 3,7 kW (5,0 HP). Phương pháp phân tích hồi cứu và so sánh công nghệ cũng được triển khai nhằm đối chiếu mô hình xử lý của các đơn vị cùng ngành như Công ty Nam Việt, Camimex và Xí nghiệp AGF9. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu và tính toán thiết kế hoàn thành trong khung thời gian 3 tháng thực địa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu phát hiện sự gia tăng đột biến của lưu lượng nước thải từ 528 m3/ngày (năm 2006) lên 1300 m3/ngày (năm 2008) do sản lượng chế biến tăng lên 200 tấn nguyên liệu/ngày, mặc dù định mức tiêu thụ nước trên mỗi tấn thành phẩm đã giảm từ 33,94 m3 xuống còn 19,0 m3 nhờ chương trình sản xuất sạch hơn.

Thứ hai, thành phần nước thải đầu vào xí nghiệp có nồng độ ô nhiễm hữu cơ và dầu mỡ rất cao: nồng độ COD trung bình đạt 1201,33 mg/L (tối đa 1340 mg/L), BOD5 đạt 1200 mg/L, hàm lượng chất rắn lơ lửng SS đạt 539 mg/L (tối đa 710 mg/L), Tổng Nitơ đạt 119,55 mg/L, Tổng Phốt pho đạt 25,3 mg/L và đặc biệt nồng độ dầu mỡ động vật trung bình lên tới 1193,1 mg/L (tối đa 1241,4 mg/L), mật độ Coliform ở mức 3,5x10^6 MPN/100ml.

Thứ ba, kết quả đánh giá hệ thống xử lý 700 m3/ngày cũ cho thấy hiệu quả khử chất dinh dưỡng và chất hữu cơ hòa tan không đạt yêu cầu. Nước thải sau xử lý có hàm lượng COD còn lại là 69 mg/L (vượt 1,38 lần chuẩn A) và Tổng Phốt pho là 7,2 mg/L (vượt 1,8 lần chuẩn A theo TCVN 5945-2005), trong khi chỉ tiêu SS (48 mg/L) và BOD5 (22 mg/L) đạt chuẩn xấp xỉ ngưỡng giới hạn.

Thứ tư, nghiên cứu xác định khối lượng phụ phẩm rắn phát sinh từ quá trình fillet, lột da, bỏ nội tạng lên tới 140 tấn/ngày, cùng với 1000 kg rác thải sinh hoạt mỗi ngày từ 2000 cán bộ công nhân viên (ước tính 0,5 kg/người/ngày).

Thảo luận kết quả

Nồng độ chất hữu cơ và dầu mỡ cao xuất phát trực tiếp từ các công đoạn cắt tiết, lạng da, sửa cá fillet bằng nước lạnh ở nhiệt độ 15 - 25°C và rửa sau kiểm ở 4 - 8°C. Lượng mỡ cá tồn tại ở hai dạng chính là cặn lơ lửng tự do và nhũ tương huyền phù, dẫn đến việc các bể lắng trọng lực thông thường không thể tách triệt để nếu không có giải pháp tuyển nổi bọt khí. Sự thiếu hụt các ngăn thiếu khí - kỵ khí trong dây chuyền Aeroten truyền thống trước đây là nguyên nhân trực tiếp khiến hàm lượng phốt pho và COD không thể đạt quy chuẩn loại A.

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm có thể được hệ thống hóa trực quan thông qua bảng so sánh hiệu suất khử ô nhiễm qua từng công trình đơn vị và biểu đồ đường thể hiện xu hướng suy giảm nồng độ COD từ 1340 mg/L xuống ≤ 50 mg/L, dầu mỡ từ 1190 mg/L xuống ≤ 10 mg/L sau lọc áp lực và khử trùng. So sánh với mô hình xử lý bằng hồ sinh học kỵ khí kết hợp hồ tùy nghi của Camimex (đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn) hoặc bể UASB của Nam Việt, việc lựa chọn bể tuyển nổi áp lực DAF kết hợp bể sinh học mẻ SBR cho AGF8 là giải pháp vượt trội. Phương án này tiết kiệm diện tích xây dựng trên khuôn viên mặt bằng 12.680 m2 của nhà máy, đồng thời đạt hiệu suất khử COD > 96% và khử dầu mỡ > 99%. Điều này mang ý nghĩa quyết định trong việc ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước mặt và bảo tồn hệ vi sinh vật sông Hậu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, cải tạo bể Aeroten hiện hữu (kích thước 28,5m x 9,5m x 4,5m) thành bể tách mỡ cơ học dạng lắng ngang gồm 2 đơn nguyên, dung tích hữu ích 301,53 m3, thời gian lưu nước 2,22 giờ. Lắp đặt lưới chắn rác tinh cố định (khe hở 1,0 mm) và cụm tuyển nổi áp lực DAF nhằm giữ lại 70% lượng dầu mỡ và 60% chất rắn lơ lửng. Mục tiêu kỹ thuật là giảm nồng độ dầu mỡ xuống dưới 145 mg/L trước khi vào khối sinh học. Thời gian thi công dự kiến 2 tháng do Ban Quản lý Dự án và nhà thầu xây dựng môi trường chủ trì.

Thứ hai, chuyển đổi và xây dựng mới đơn nguyên xử lý sinh học công nghệ SBR (Sequencing Batch Reactor) vận hành theo chu kỳ 4 pha: nạp nước - sục khí phản ứng - lắng tĩnh - chắt nước trong. Đơn nguyên này đảm bảo hiệu suất xử lý BOD5 đạt ≤ 30 mg/L, COD ≤ 50 mg/L, Tổng Nitơ ≤ 15 mg/L và Tổng Phốt pho ≤ 4,0 mg/L trước khi qua bể lọc cát áp lực. Thời gian hoàn thành trong vòng 3 đến 4 tháng dưới sự giám sát của Đội ngũ Kỹ sư Vận hành.

Thứ ba, hoàn thiện hệ thống xử lý bùn và thu hồi mỡ cá tập trung. Bùn hoạt tính dư được đưa về bể nén bùn đạt nồng độ 22.000 mg/L trước khi ép qua máy ép bùn băng tải thành bánh bùn khô phục vụ làm phân bón hữu cơ. Váng mỡ thu từ bể DAF được gom về bể chứa mỡ dung tích 30 ngày để chuyển giao làm nguyên liệu sản xuất dầu mỡ công nghiệp hoặc nhiên liệu sinh học. Mục tiêu xử lý đạt 100% lượng bùn cặn phát sinh, giao Đội Kỹ thuật Cơ điện và Xí nghiệp F10 thực hiện liên tục.

Thứ tư, đẩy mạnh áp dụng kiểm toán sản xuất sạch hơn trong toàn bộ dây chuyền chế biến cá đông lạnh. Kiểm soát chặt chẽ định mức dùng nước rửa dưới mức 6,5 m3/tấn nguyên liệu thông qua việc lắp đồng hồ đo lưu lượng tại từng phân xưởng và áp dụng quy trình thu gom mỡ cá khô trên sàn trước khi xịt rửa. Kế hoạch rà soát định kỳ hàng quý do Ban Giám đốc xí nghiệp và Phòng Quản lý Chất lượng (KCS) phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại các nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh cá tra, cá basa, tôm xuất khẩu. Luận văn cung cấp số liệu thực tế về định mức tiêu thụ nước (6,5 m3/tấn), hệ số phát thải và giải pháp cải tạo nâng công suất hệ thống xử lý nước thải từ 700 m3/ngày lên 1300 m3/ngày với mức chi phí tối ưu nhờ tận dụng khối công trình cũ.

Thứ tư, các công ty tư vấn môi trường và kỹ sư thiết kế công nghệ xử lý nước thải công nghiệp. Nhóm đối tượng này có thể sử dụng trực tiếp các thuật toán tính toán thủy lực mương dẫn, thông số thiết kế song chắn rác, kích thước hình học bể tách mỡ 2 đơn nguyên và thông số vận hành bể tuyển nổi áp lực DAF để lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công cho các dự án tương tự.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Tài nguyên. Công trình là tài liệu học thuật giá trị minh họa phương pháp luận đánh giá tác động môi trường, phương pháp tính toán công trình xử lý nước thải và quy trình thực hiện đồ án tốt nghiệp thạc sĩ chuẩn mực.

Thứ tư, cán bộ quản lý môi trường tại Chi cục Bảo vệ Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long. Tài liệu đóng vai trò làm cơ sở khoa học để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), kiểm tra tải lượng ô nhiễm hữu cơ và cấp phép xả thải cho các cơ sở chế biến thủy hải sản ven lưu vực sông lớn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nước thải chế biến cá tra, basa bắt buộc phải qua nhiều cấp tách mỡ trước khi vào bể xử lý sinh học? Nước thải chế biến cá chứa hàm lượng dầu mỡ rất cao, trung bình 1193,1 mg/L dưới dạng lơ lửng và nhũ tương. Nếu không qua mương thu mỡ sơ bộ, bể tách mỡ trọng lực (giảm 70% mỡ) và bể tuyển nổi DAF (giảm tiếp 70% mỡ), các hạt mỡ sẽ bao bọc bùn hoạt tính, làm giảm khả năng chuyển hóa oxy, gây tắc nghẽn đường ống và làm chết vi sinh vật xử lý sinh học trong bể SBR.

Giải pháp cải tạo bể Aeroten cũ thành bể tách mỡ dạng lắng ngang mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật ra sao? Giải pháp tận dụng nguyên vẹn kết cấu bê tông cốt thép của bể cũ kích thước 28,5m x 9,5m x 4,5m, chia thành 2 đơn nguyên với dung tích hữu ích 301,53 m3 và thời gian lưu nước 2,22 giờ. Cách tiếp cận này giúp doanh nghiệp tiết kiệm khoảng 35% chi phí xây lắp so với phá dỡ xây mới, đồng thời duy trì vận tốc nổi hạt mỡ đạt 0,48 mm/s theo tiêu chuẩn TCXD 51-84.

Hệ thống xử lý nước thải cải tạo công suất 1300 m3/ngày đảm bảo đạt quy chuẩn xả thải nào? Nước thải sau khi qua toàn bộ dây chuyền xử lý cải tạo (gồm lắng cát, tách mỡ, tuyển nổi DAF, bể sinh học SBR, lọc áp lực và khử trùng bằng Chlorine) được kiểm soát nghiêm ngặt để đạt Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945-2005 Cột A trước khi xả ra sông Hậu, với COD ≤ 50 mg/L, BOD5 ≤ 30 mg/L, SS ≤ 50 mg/L, Dầu mỡ ≤ 10 mg/L và Coliform ≤ 3000 MPN/100ml.

Khối lượng bùn thải sinh học và phụ phẩm phát sinh tại Xí nghiệp AGF8 được thu hồi và xử lý như thế nào? Toàn bộ 140 tấn phụ phẩm mỗi ngày (xương, đầu, da, mỡ) được chuyển giao trực tiếp cho Xí nghiệp F10 để chế biến bột cá thức ăn gia súc và dầu biodiesel. Bùn sinh học từ bể SBR được bơm về bể nén bùn để cô đặc lên nồng độ 22.000 mg/L, sau đó ép qua máy ép bùn băng tải tạo thành bánh bùn khô làm phân bón hữu cơ, không phát sinh chất thải thứ cấp ra môi trường.

Chương trình sản xuất sạch hơn đóng góp gì vào việc giảm tải lượng ô nhiễm nước thải của nhà máy? Nhờ tối ưu hóa các công đoạn rửa fillet và kiểm soát dòng nước chảy tràn, định mức dùng nước của xí nghiệp đã giảm mạnh từ 10,09 m3/tấn năm 2004 xuống còn 6,5 m3/tấn nguyên liệu năm 2008. Việc giảm thiểu lưu lượng nước dùng giúp giảm thể tích công trình thu gom, tiết kiệm hóa chất keo tụ PAC/Polymer và giảm hơn 15% điện năng tiêu thụ cho toàn trạm xử lý.

Kết luận

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng ô nhiễm tại Xí nghiệp Đông lạnh Thủy sản AGF8 khi mở rộng công suất lên 200 tấn nguyên liệu/ngày, làm rõ tính chất nước thải có hàm lượng hữu cơ và dầu mỡ rất cao (COD đạt 1201,33 mg/L, dầu mỡ đạt 1193,1 mg/L).
  • Xác định nguyên nhân quá tải của trạm xử lý 700 m3/ngày cũ khi chỉ tiêu COD vượt 1,38 lần và Tổng Phốt pho vượt 1,8 lần so với giới hạn tiêu chuẩn cho phép.
  • Đề xuất thành công quy trình công nghệ cải tạo nâng công suất lên 1300 m3/ngày thông qua việc tích hợp bể tách mỡ cơ học, thiết bị tuyển nổi áp lực DAF và bể phản ứng sinh học mẻ SBR.
  • Đạt hiệu quả kinh tế kỹ thuật tối ưu nhờ tái sử dụng kết cấu bể Aeroten cũ thành bể tách mỡ 301,53 m3, kết hợp ép bùn sinh học làm phân bón và tái chế 140 tấn phụ phẩm cá/ngày phục vụ sản xuất phụ phẩm.
  • Đảm bảo toàn bộ dòng nước thải sau xử lý đạt chuẩn TCVN 5945-2005 Cột A trước khi xả ra sông Hậu, góp phần bảo vệ bền vững hệ sinh thái thủy vực hạ lưu sông Mê Kông.

Kế hoạch tiếp theo: Đơn vị cần sớm tiến hành lắp đặt thiết bị tuyển nổi DAF, hoàn thiện hệ thống đường ống công nghệ trong vòng 3 đến 6 tháng tới và định kỳ quan trắc chất lượng nước tự động. Hãy tham khảo chi tiết toàn văn đề tài để tiếp cận đầy đủ các bảng thông số thủy lực và giải pháp công nghệ xử lý nước thải thủy sản tiên tiến nhất cho doanh nghiệp!