Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp sản xuất bao bì carton và mút xốp định hình tại Việt Nam đang duy trì tốc độ tăng trưởng ấn tượng, đạt bình quân 15%/năm trong giai đoạn 2010–2020 tại vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc. Tỉnh Bắc Ninh là một trong những trung tâm thu hút vốn đầu tư công nghiệp hàng đầu với hàng loạt khu công nghiệp (KCN) tập trung. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của các nhà máy sản xuất giấy bao bì kéo theo lượng nước thải công nghiệp khổng lồ, trung bình tiêu thụ từ $80\text{ m}^3$ đến $450\text{ m}^3$ nước cho mỗi tấn sản phẩm hoàn thiện.

       NƯỚC THẢI PHÁT SINH

Công ty TNHH Trần Thành đã đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất bao bì carton (công suất 50.000 tấn/năm), xốp PE Foam định hình ($400\text{ tấn/năm}$) và bao bì hạt nhựa LDPE ($800\text{ tấn/năm}$) tại Lô Q, KCN Tiên Sơn, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh. Nước thải phát sinh từ quá trình vệ sinh máy in Flexo hệ nước, tráng phủ keo dán, nước làm mát máy thổi xốp và nước thải sinh hoạt của cán bộ công nhân viên chứa nồng độ ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng rất cao. Để giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm trước khi xả ra mạng lưới thu gom của KCN, công ty đã xây dựng Trạm xử lý nước thải (XLNT) tập trung công suất $50\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Khảo sát toàn diện quy trình công nghệ sản xuất bao bì carton, tấm xốp định hình PE Foam và đánh giá thực trạng phát sinh dòng thải ô nhiễm.
  2. Đánh giá thực nghiệm hiệu quả xử lý các thông số hóa lý ($COD$, $BOD_5$, $TSS$, $pH$, Độ màu, Tổng $N$, Tổng $P$, Kim loại nặng, $Coliform$) qua 3 đợt quan trắc độc lập.
  3. So sánh các chỉ tiêu xả thải đầu ra với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B) và $QCVN\ 12-MT:2015/BTNMT$.
  4. Xác định các điểm nghẽn kỹ thuật trong vận hành và đề xuất giải pháp tối ưu hóa công nghệ, nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí hóa chất.

Phương pháp tiếp cận và Phạm vi

Đề tài tích hợp giải pháp hóa lý (Keo tụ PAC kết hợp trợ keo tụ Polymer Anion) và công nghệ sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (Aerotank) nhằm triệt tiêu các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và chất tạo màu gốc mực in Flexo. Phạm vi nghiên cứu giới hạn tại Trạm XLNT $50\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ của Công ty TNHH Trần Thành (KCN Tiên Sơn, Bắc Ninh) trong thời gian thực nghiệm từ ngày 15/01/2018 đến ngày 30/05/2018.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nước thải sản xuất bao bì carton có đặc tính phức tạp do chứa hỗn hợp tinh bột biến tính, phẩm màu azo, chất phân tán, chất ổn định bề mặt và hợp chất lignin mạch vòng.

Giải pháp công nghệ Ưu điểm Nhược điểm Chi phí vận hành ($/\text{m}^3$)
Hóa lý bậc cao (Fenton + Lắng) Khử màu tuyệt đối ($>98%$), phân hủy chất khó tan Lượng bùn thải sắt lớn, tiêu tốn $H_2SO_4$ và $H_2O_2$ Cao ($18.000 - 25.000\text{ VNĐ}$)
Kỵ khí UASB đơn thuần Tải trọng hữu cơ cao, sinh khí Biogas Hiệu quả khử màu thấp ($<40%$), nhạy cảm với chất ức chế Trung bình ($8.000 - 12.000\text{ VNĐ}$)
Keo tụ PAC + Aerotank (Hệ thống nghiên cứu) Xử lý đa năng ($BOD$, $COD$, $TSS$, Màu), bùn dễ ép, vận hành ổn định Cần diện tích lắng 2 bậc, kiểm soát vi sinh hiếu khí Thấp - Tối ưu ($5.500 - 7.500\text{ VNĐ}$)

Yêu cầu kỹ thuật hệ thống được phân cấp theo mô hình MoSCoW:

  • Must-have: 100% mẫu nước sau xử lý đạt $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B); vận hành ổn định tại dải tải trọng thủy lực $40 - 55\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$; khử triệt để độ màu mực in flexo ($<50\text{ Pt-Co}$).
  • Should-have: Nồng độ bùn hoạt tính $MLSS$ trong Aerotank duy trì tối ưu $2.800 - 3.500\text{ mg/L}$; chỉ số thể tích bùn $SVI$ đạt $80 - 120\text{ mL/g}$.
  • Could-have: Tự động hóa kiểm soát liều lượng hóa chất châm theo $pH$ và lưu lượng dòng chảy.
  • Won't-have: Công đoạn phân màng đắt tiền $UF/RO$ (không cần thiết đối với yêu cầu xả thải KCN).

Thiết kế hệ thống

Thông số thiết bị và vật tư công nghệ (Technology Stack)

  • Hóa chất keo tụ: Poly Aluminium Chloride ($PAC$ $10%$, công thức $[Al_2(OH)nCl{6-n}]_m$) kết hợp Polymer Anionic (A101, nồng độ $0,1%$).
  • Bơm định lượng hóa chất: Milton Roy GM0050 (Áp lực $7\text{ bar}$, lưu lượng tối đa $50\text{ L/h}$).
  • Bơm chìm nước thải: Ebara DML 50 (Công suất $2,2\text{ kW}$, lưu lượng $15\text{ m}^3/\text{h}$, xuất xứ Nhật Bản).
  • Hệ thống cấp khí: Máy thổi khí cạn Heywel RST-050 ($Q = 1,85\text{ m}^3/\text{phút}$, $P = 3,7\text{ kW}$) kết hợp đĩa tán khí tinh bọt mịn Jaeger TD-63 ($D = 270\text{ mm}$).
  • Kích thước các đơn nguyên:
    • Bể điều hòa: $V = 25,0\text{ m}^3$ (Thời gian lưu $HRT = 12\text{ h}$, sục khí xáo trộn tránh lắng cặn).
    • Cụm Keo tụ - Tạo bông: $V = 3,5\text{ m}^3$ ($HRT = 40\text{ phút}$, motor khuấy tốc độ $60 - 120\text{ rpm}$).
    • Bể lắng I & Lắng II: Dạng trục đứng, đường kính $D = 2,4\text{ m}$, tải trọng bề mặt $q = 0,8\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{h}$.
    • Bể Aerotank: $V = 45,0\text{ m}^3$ ($HRT = 21,6\text{ h}$, tải trọng hữu cơ $0,45\text{ kg } BOD_5/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$).
    • Bể khử trùng: $V = 3,2\text{ m}^3$ ($HRT = 1,5\text{ h}$, nồng độ Clo hoạt tính $3 - 5\text{ mg/L}$).

Phương pháp luận (Methodology)

Quy trình nghiên cứu áp dụng chu trình DMAIC (Define - Measure - Analyze - Improve - Control) kết hợp tiêu chuẩn lấy mẫu quốc tế ISO 5667-10:1992 và TCVN 5999-1995:

  • Lấy mẫu: Thực hiện 3 đợt quan trắc độc lập (Đợt 1: 31/03/2018; Đợt 2: 06/04/2018; Đợt 3: 14/04/2018). Mẫu được lấy theo phương pháp tổ hợp tỷ lệ lưu lượng tại cửa xả trước xử lý và hố ga sau lắng khử trùng.
  • Tiêu chuẩn phân tích phòng thí nghiệm (QA/QC):
    • $pH$: TCVN 6492-1999 (Đo bằng máy Hanna HI98107).
    • Độ màu: SMEWW 2120BC:2012 (Phương pháp so màu bạch kim - coban).
    • $BOD_5$: SMEWW 5210D:2012 (Ủ nhiệt 5 ngày ở $20^\circ\text{C}$).
    • $COD$: SMEWW 5210C:2012 (Chuẩn độ hồi lưu kín Kali Dicromat $K_2Cr_2O_7$).
    • $TSS$: SMEWW 2540 D:2012 (Sấy ở $103 - 105^\circ\text{C}$ trên màng lọc sợi thủy tinh).
    • Tổng Nito & Tổng Photpho: SMEWW 4500-N.C & SMEWW 4500-P.

Implementation và kết quả

Quá trình triển khai kỹ thuật

Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm ($E$) và động học tăng trưởng vi sinh Monod được kiểm soát thông qua mô hình toán kỹ thuật môi trường:

$$\mu = \mu_{max} \frac{S}{K_s + S} - k_d$$

Trong đó:

  • $\mu$: Tốc độ tăng trưởng riêng của sinh khối vi sinh hiếu khí ($\text{ngày}^{-1}$).
  • $S$: Nồng độ cơ chất hữu cơ ($BOD_5$) còn lại trong bể Aerotank ($\text{mg/L}$).
  • $K_s$: Hằng số bán bão hòa cơ chất ($K_s \approx 60\text{ mg/L } BOD_5$).
  • $k_d$: Hệ số phân hủy nội bào vi sinh ($k_d \approx 0,05\text{ ngày}^{-1}$).
import numpy as np
import pandas as pd

def calculate_treatment_performance(influent_data, effluent_data):
    """
    Tính toán hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm trung bình và độ lệch chuẩn
    qua 3 đợt quan trắc độc lập tại Trạm XLNT Công ty Trần Thành.
    """
    results = {}
    for param in influent_data.keys():
        cin = np.array(influent_data[param])
        cout = np.array(effluent_data[param])
        efficiency = ((cin - cout) / cin) * 100
        results[param] = {
            "Mean_In": np.mean(cin),
            "Mean_Out": np.mean(cout),
            "Mean_Eff (%)": np.mean(efficiency),
            "Std_Eff (%)": np.std(efficiency)
        }
    return pd.DataFrame(results).T

# Dữ liệu thực nghiệm thu thập qua 3 đợt (31/03/2018, 06/04/2018, 14/04/2018)
raw_in = {
    "Color (Pt-Co)": [850, 920, 780],
    "BOD5 (mg/L)": [520, 580, 470],
    "COD (mg/L)": [1050, 1180, 940],
    "TSS (mg/L)": [440, 490, 390],
    "Total N (mg/L)": [42.5, 46.2, 39.1],
    "Total P (mg/L)": [10.2, 11.5, 8.8]
}
treated_out = {
    "Color (Pt-Co)": [42, 45, 38],
    "BOD5 (mg/L)": [32, 36, 29],
    "COD (mg/L)": [95, 110, 84],
    "TSS (mg/L)": [36, 42, 32],
    "Total N (mg/L)": [14.1, 15.8, 12.8],
    "Total P (mg/L)": [2.8, 3.4, 2.3]
}

df_summary = calculate_treatment_performance(raw_in, treated_out)

Dữ liệu thực nghiệm và Đánh giá kết quả

Dữ liệu quan trắc qua 3 đợt khảo sát thực tế được tổng hợp và đối chiếu với tiêu chuẩn môi trường hiện hành:

Thông số phân tích Đơn vị tính Nước thải thô (Đầu vào TB) Nước thải sau XL (Đầu ra TB) Hiệu suất loại bỏ TB (%) QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) Đánh giá tuân thủ
$pH$ - $6,42 \pm 0,2$ $7,25 \pm 0,15$ - $5,5 - 9,0$ Đạt chuẩn
Độ màu Pt-Co $850,0 \pm 70,0$ $41,7 \pm 3,5$ $95,09 \pm 0,3%$ $150$ Vượt chuẩn $3,6$ lần
$BOD_5$ ($20^\circ\text{C}$) mg/L $523,3 \pm 55,1$ $32,3 \pm 3,5$ $93,82 \pm 0,4%$ $50$ Đạt chuẩn
$COD$ mg/L $1.056,7 \pm 120,1$ $96,3 \pm 13,1$ $90,91 \pm 0,6%$ $150$ Đạt chuẩn
$TSS$ mg/L $440,0 \pm 50,0$ $36,7 \pm 5,0$ $91,68 \pm 0,5%$ $100$ Đạt chuẩn
Tổng Nitơ mg/L $42,6 \pm 3,6$ $14,2 \pm 1,5$ $66,57 \pm 1,2%$ $40$ Đạt chuẩn
Tổng Photpho mg/L $10,17 \pm 1,3$ $2,83 \pm 0,5$ $72,13 \pm 1,8%$ $6,0$ Đạt chuẩn
Dầu mỡ khoáng mg/L $12,4 \pm 2,1$ $1,1 \pm 0,3$ $91,13 \pm 1,5%$ $10,0$ Đạt chuẩn
$Coliform$ MPN/100mL $3,1 \times 10^5$ $1.850$ $99,40%$ $5.000$ Đạt chuẩn

Các chỉ tiêu kim loại nặng đặc thù từ mực in như Chì ($Pb < 0,02\text{ mg/L}$), Cadimi ($Cd < 0,005\text{ mg/L}$), Sắt tổng ($Fe = 0,42\text{ mg/L}$) đều nằm trong ngưỡng an toàn tuyệt đối so với quy chuẩn cho phép.

BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT XỬ LÝ TRUNG BÌNH (%)
Độ màu       [██████████████████████████████] 95.09%
BOD5         [████████████████████████████▌ ] 93.82%
TSS          [████████████████████████████  ] 91.68%
COD          [███████████████████████████▋  ] 90.91%
Coliform     [██████████████████████████████] 99.40%
Tổng P       [█████████████████████▊        ] 72.13%
Tổng N       [████████████████████          ] 66.57%

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng hóa lý keo tụ PAC tối ưu hóa: Thay thế phèn nhôm truyền thống ($Al_2(SO_4)_3$) bằng Poly Aluminium Chloride ($PAC$) nồng độ định lượng $10%$ giúp giảm $35%$ thể tích bùn ướt sinh ra, hạn chế tụt $pH$ bể phản ứng, loại bỏ $95,09%$ độ màu ngay tại cụm hóa lý bậc I.
  2. Kiểm soát động học bùn sinh học ổn định: Tỷ lệ hồi lưu bùn hoạt tính từ Lắng II về Aerotank duy trì ở mức $75%$ giúp bùn duy trì mật độ $MLSS = 3.200\text{ mg/L}$, hệ số tải trọng chất bẩn $F/M = 0,22\text{ kg } BOD_5/\text{kg } MLSS\cdot\text{ngày}$, triệt tiêu hiện tượng nổi bọt và bùn xốp khó lắng ($Bulking Sludge$).
  3. Mô hình hóa dữ liệu xả thải bao bì: Cung cấp bộ thông số thực nghiệm đầy đủ về hệ số ô nhiễm trên đơn vị sản phẩm carton/xốp PE Foam cho ngành công nghiệp phụ trợ tại tỉnh Bắc Ninh.

Ứng dụng thực tế và triển khai

SƠ ĐỒ CÂN BẰNG TÀI CHÍNH & VẬN HÀNH (1 m³ NƯỚC THẢI)
  • Mặt bằng lắp đặt: Trạm xử lý chiếm diện tích xây dựng gọn $120\text{ m}^2$ tại góc Tây Nam nhà máy, tận dụng tối đa dòng chảy trọng lực giữa các bể.
  • Khả năng mở rộng (Scalability): Thiết kế sẵn module chờ mở rộng công suất lên $80 - 100\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ khi công ty nâng công suất xưởng mút xốp PE Foam định hình lên gấp đôi.
  • Hiệu quả kinh tế & Pháp lý:
    • Chi phí vận hành chỉ $6.500\text{ VNĐ/m}^3$, tương đương $325.000\text{ VNĐ/ngày}$.
    • Tránh hoàn toàn mức phạt vi phạm hành chính về môi trường (Nghị định 155/2016/NĐ-CP, mức phạt có thể lên tới $200 - 500\text{ triệu VNĐ}$ nếu xả thải vượt chuẩn).
    • Đảm bảo $100%$ điều kiện pháp lý đấu nối với Ban Quản lý KCN Tiên Sơn và Sở Tài nguyên Môi trường Bắc Ninh.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Hiệu suất loại bỏ Tổng Nitơ ($66,57%$) và Tổng Photpho ($72,13%$) ở mức trung bình do hệ thống chỉ sử dụng Aerotank đơn thuần, chưa tích hợp vùng thiếu khí Anoxic để diễn ra quá trình khử Nitrat hóa ($Denitrification$).
  • Hệ thống châm hóa chất PAC và Polymer vẫn căn cứ theo kiểm tra mẻ thủ công, chưa trang bị cảm biến đo độ màu/đục trực tuyến (Online Turbidity Sensor) để tự động điều biến bơm định lượng.

Hướng phát triển đề xuất

  • Nâng cấp công nghệ AO/A2O: Chuyển đổi một ngăn bể điều hòa thành bể thiếu khí Anoxic có đệm vi sinh lưu động MBBR nhằm nâng hiệu suất khử Nitơ lên $>85%$.
  • Tái sử dụng nước thải (Water Reuse): Lắp đặt module lọc cát áp lực và cột hấp phụ than hoạt tính khử mùi sau bể khử trùng để tái sử dụng $40%$ lượng nước phục vụ khâu vệ sinh nhà xưởng và tưới cây xanh cảnh quan khuôn viên.

Đối tượng hưởng lợi

                 GIÁ TRỊ MANG LẠI CHO CÁC NHÓM ĐỐI TƯỢNG
  • Sinh viên & Học viên chuyên ngành Môi trường: Tiếp cận số liệu thực tế về thành phần nước thải bao bì carton, nắm vững quy trình kiểm nghiệm theo chuẩn $SMEWW$ và phương pháp tính toán tải trọng Aerotank.
  • Kỹ sư vận hành HTXLNT: Sở hữu cẩm nang thông số kiểm soát liều lượng keo tụ $PAC$, tỷ lệ hồi lưu bùn vi sinh, giải pháp khắc phục sự cố sốc tải khi nhà máy vệ sinh đồng loạt giàn máy in.
  • Doanh nghiệp sản xuất bao bì giấy & hạt nhựa: Có được mô hình xử lý hiệu quả kinh tế cao, suất đầu tư hợp lý, tối ưu chi phí hóa chất vận hành hàng tháng.
  • Cơ quan Quản lý Môi trường KCN Tiên Sơn: Yên tâm về chất lượng nước thải đầu nối tại Lô Q, bảo vệ môi trường tiếp nhận lưu vực Sông Cầu và Sông Đuống.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải rửa mực in flexo có gây ức chế vi sinh trong bể Aerotank không?

Có nguy cơ nếu xả trực tiếp. Tuy nhiên, trong quy trình này, $95%$ màu và cặn keo mực in đã được tách loại triệt để tại cụm phản ứng keo tụ $PAC$ và bể lắng I. Nước thải đi vào Aerotank chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan dễ phân hủy sinh học ($BOD_5/COD \approx 0,55$), rất thuận lợi cho vi sinh vật hiếu khí phát triển.

2. Chi phí tiêu hao hóa chất keo tụ PAC chiếm bao nhiêu phần trăm tổng chi phí?

Hóa chất $PAC\ 10%$ và $Polymer\ A101$ chiếm khoảng $32,3%$ tổng chi phí vận hành (tương đương $2.100\text{ VNĐ/m}^3$). Việc dùng $PAC$ thay cho phèn nhôm giúp tiết kiệm được vôi/xút nâng $pH$, từ đó tối ưu đáng kể ngân sách hóa chất.

3. Khi nhà máy nâng công suất từ 50 lên 80 m³/ngày thì hệ thống xử lý có bị quá tải không?

Bể điều hòa ($V = 25\text{ m}^3$) và bể Aerotank ($V = 45\text{ m}^3$) hiện tại có hệ số dự phòng tải trọng $25%$. Khi nâng công suất lên $80\text{ m}^3/\text{ngày}$, chỉ cần bổ sung giá thể vi sinh dính bám cố định hoặc đệm vi sinh lưu động (MBBR) vào Aerotank để tăng mật độ sinh khối lên $MLSS = 5.000\text{ mg/L}$ mà không cần đập phá mở rộng thể tích xây dựng.

4. Bùn thải sau hệ thống lắng được xử lý và quản lý như thế nào?

Bùn hóa lý từ bể lắng I và bùn sinh học dư từ bể lắng II được bơm về bể chứa bùn có sục khí, sau đó bơm sang máy ép bùn khung bản có châm Polymer Cation. Bánh bùn khô có độ ẩm $<75%$ được lưu trữ tại kho chất thải nguy hại và định kỳ chuyển giao cho đơn vị có chức năng xử lý theo đúng Thông tư 36/2015/TT-BTNMT.

5. Tại sao cần tách riêng dòng nước thải sinh hoạt qua bể tự hoại 3 ngăn trước khi hòa trộn?

Nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng cặn thô, giấy vệ sinh và chất béo cao. Bể tự hoại 3 ngăn thực hiện phân hủy kỵ khí sơ bộ chất rắn, giảm $40%$ $BOD$ và giữ lại cặn lắng; hố ga tách mỡ loại bỏ dầu mỡ động thực vật để tránh gây tắc nghẽn màng vi sinh và làm giảm hiệu quả truyền oxy của đĩa phân phối khí trong Aerotank.

Kết luận

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Đánh giá hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải tập trung của công ty bao bì carton Trần Thành tại KCN Tiên Sơn, Bắc Ninh" đã chứng minh tính đúng đắn và hiệu quả vượt trội của mô hình công nghệ tích hợp Hóa lý Keo tụ $PAC$ + Sinh học hiếu khí $Aerotank$. Với công suất thiết kế $50\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$, hệ thống xử lý xuất sắc các thông số ô nhiễm chính: Độ màu đạt $41,7\text{ Pt-Co}$ (hiệu suất $95,09%$), $BOD_5$ đạt $32,3\text{ mg/L}$ (hiệu suất $93,82%$), $COD$ đạt $96,3\text{ mg/L}$ (hiệu suất $90,91%$), $TSS$ đạt $36,7\text{ mg/L}$ (hiệu suất $91,68%$), $100%$ mẫu đầu ra đạt tiêu chuẩn $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B).

Công trình không chỉ mang lại giá trị bảo vệ môi trường to lớn cho lưu vực KCN Tiên Sơn và tỉnh Bắc Ninh mà còn cung cấp một phương án kỹ thuật khả thi, chi phí thấp ($6.500\text{ VNĐ/m}^3$) cho toàn ngành sản xuất bao bì giấy carton. Các nhà máy bao bì carton có nhu cầu chuyển đổi công nghệ hoặc tối ưu hóa trạm XLNT hiện hữu có thể liên hệ áp dụng quy trình công nghệ này để nâng cao năng lực sản xuất xanh và phát triển bền vững.