Giới thiệu dự án

Ngành công nghiệp sản xuất bao bì carton và màng xốp PE Foam đóng vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng logistics và đóng gói tại vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, với tốc độ tăng trưởng duy trì ở mức 15%/năm. Tuy nhiên, theo thống kê ngành công nghiệp giấy và bao bì, quá trình sản xuất đòi hỏi lượng nước tiêu thụ lớn (từ 80 m³ đến 450 m³/tấn thành phẩm), kéo theo lượng nước thải xả ra môi trường có nồng độ ô nhiễm cao. Nước thải từ dây chuyền in ấn mực Flexo hệ nước, tráng hồ cán sóng và vệ sinh thiết bị chứa hàm lượng lớn chất rắn lơ lửng, độ màu cao và các hợp chất hữu cơ mạch vòng khó phân hủy (lignin, phẩm màu tổng hợp).

Nghiên cứu được triển khai tại Công ty TNHH Trần Thành (Chi nhánh KCN Tiên Sơn, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh) – đơn vị có quy mô sản xuất 50.000 tấn bao bì carton/năm, 800 tấn bao bì hạt nhựa/năm và 400 tấn mút xốp PE Foam định hình/năm. Trạm xử lý nước thải tập trung của nhà máy có công suất thiết kế 50 m³/ngày.đêm, đảm bảo thu gom toàn bộ nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất trước khi xả vào hệ thống thoát nước chung của KCN Tiên Sơn.

Nguồn phát sinh:
- Nước thải sản xuất: Rửa bản in Flexo, rửa lô máy cán sóng, pha keo tinh bột.
- Nước thải sinh hoạt: Khu vệ sinh, nhà ăn công nhân viên (bể tự hoại + bẫy mỡ).

Vấn đề thực tế và rào cản vận hành

  • Biến động nồng độ cục bộ: Quá trình rửa khuôn in Flexo diễn ra ngắt quãng, tạo ra các xung tải lượng ô nhiễm cực đại với COD dao động từ 1.200 – 2.800 mg/L và độ màu vượt trên 1.500 Pt-Co.
  • Tắc nghẽn cơ học và quá tải bùn: Mạt xốp LDPE li ti từ dây chuyền cắt màng PE Foam và xơ sợi carton dễ gây nghẹt bơm chìm và đường ống dẫn bùn.
  • Chi phí hóa chất xử lý cao: Sự phụ thuộc vào keo tụ truyền thống không kiểm soát pH chính xác làm tăng lượng phèn nhôm/PAC và bùn thải nguy hại.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Khảo sát, thu thập số liệu và đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý công suất 50 m³/ngày.đêm qua 3 đợt quan trắc độc lập.
  2. Xác định hiệu suất khử các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng: pH, TSS, COD, BOD₅, Tổng N, Tổng P, Kim loại nặng (Fe, Mn, Pb, As), Dầu mỡ khoáng và Coliform.
  3. Đánh giá mức độ tuân thủ quy chuẩn xả thải kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) và QCVN 12-MT:2015/BTNMT.
  4. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật, điều khiển tự động và quản lý vận hành nhằm tối ưu hóa chi phí hóa chất, tăng hiệu suất phân hủy sinh học và giảm thiểu rủi ro sự cố.

Giải pháp kỹ thuật và phạm vi triển khai

  • Phương pháp tiếp cận: Tích hợp xử lý hóa lý bậc cao (Keo tụ - Tạo bông bằng PAC và Polymer Anion) kết hợp xử lý sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (Aerotank) và lắng trọng lực.
  • Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải tập trung tại Lô Q, KCN Tiên Sơn; dữ liệu thực nghiệm được thu thập liên tục từ tháng 01/2018 đến tháng 05/2018.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nước thải sản xuất bao bì carton có đặc tính hóa lý phức tạp do chứa hỗn hợp chất trợ phân tán, mực in Flexo gốc nước (acrylic resin emulsion), tinh bột hồ dán và xơ sợi cellulose ngắn.

Công nghệ Ưu điểm Nhược điểm Chi phí vận hành/m³ Hiệu quả xử lý màu
Lắng trọng lực + Aerotank đơn thuần Chi phí đầu tư thấp, quy trình vận hành đơn giản. Không khử được độ màu keo Flexo; màng vi sinh dễ bị ức chế do độc tính mực in. 4.500 – 6.000 VNĐ < 40% (Không đạt QCVN)
Oxy hóa nâng cao Fenton + Lắng Hiệu quả phá vỡ mạch vòng cao, khử màu triệt để (>95%). Tiêu tốn H₂O₂, FeSO₄; tạo lượng bùn sắt rất lớn; ăn mòn thiết bị do pH thấp (2.5 - 3.0). 18.000 – 25.000 VNĐ > 95% (Đạt Cột A)
Keo tụ PAC/Polymer + Aerotank (Áp dụng) Cân bằng tối ưu giữa chi phí và hiệu năng; khử hạt keo màu trước khi vào bể sinh học. Cần kiểm soát pH chặt chẽ tại bể phản ứng; lượng bùn hóa lý sinh ra cần máy ép bùn xử lý. 8.500 – 11.000 VNĐ 85% – 92% (Đạt Cột B)

Yêu cầu hệ thống theo mô hình MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc): Song chắn rác thô/tinh để giữ xơ giấy; Bể keo tụ - tạo bông loại bỏ màu mực in; Bể Aerotank duy trì nồng độ MLSS từ 2.500 – 3.500 mg/L; Nước đầu ra đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột B.
  • Should Have (Nên có): Bể điều hòa trang bị hệ thống sục khí chống lắng cặn đáy; Bẫy tách dầu mỡ tự động cho dòng thải nhà ăn.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Cụm lọc áp lực cát - than hoạt tính sau lắng sinh học; Hệ thống giám sát online các chỉ tiêu pH, DO, TSS.
  • Won't Have (Chưa áp dụng): Hệ thống lọc màng thẩm thấu ngược (RO) tái sử dụng nước hoàn toàn do rào cản chi phí CAPEX.

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Bể sinh học hiếu khí Aerotank (Sục khí cấp khí mịn DO 2-4 mg/L)

Thông số kỹ thuật thiết bị và hóa chất

1. Tiêu chuẩn áp dụng phân tích:
   - pH: TCVN 6492:1999 (Điện cực thủy tinh)
   - TSS: SMEWW 2540D:2012 (Sấy khô ở 103 - 105°C)
   - COD: SMEWW 5210C:2012 (Oxy hóa bằng K2Cr2O7 - Định phân FAS)
   - BOD5: SMEWW 5210D:2012 (Ủ 5 ngày ở 20°C, đo DO bằng điện cực)
   - Tổng Nitơ: SMEWW 4500-N.C:2012 (Kjeldahl phân hủy)
   - Tổng Photpho: SMEWW 4500-P.E:2012 (Ascorbic Acid)
   - Kim loại nặng: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS)

2. Hóa chất sử dụng chính:
   - PAC (Poly Aluminium Chloride) Al2O3 ≥ 30%: Định mức 80 - 150 mg/L
   - Polymer Anion A101 (Trọng lượng phân tử cao): Định mức 1.5 - 3.0 mg/L
   - Dung dịch kiềm NaOH 30% / Axit H2SO4 10%: Điều chỉnh pH tối ưu vùng 6.8 - 7.5
   - Natri Hypoclorit (NaOCl 10%): Khử trùng vi sinh định mức 5 - 10 mg/L

Phương pháp nghiên cứu và kiểm soát chất lượng (QA/QC)

Nghiên cứu áp dụng quy trình kiểm chuẩn theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995 (ISO 5667-10:1992) về hướng dẫn lấy mẫu nước thải:

  • Tần suất thu mẫu: 3 đợt quan trắc độc lập (Đợt 1: 31/03/2018; Đợt 2: 06/04/2018; Đợt 3: 14-16/04/2018) vào các thời điểm hoạt động 100% công suất tải.
  • Phương pháp lấy mẫu: Mẫu tổ hợp theo thời gian (Composite sampling) trong 8 giờ làm việc, bảo quản lạnh ở nhiệt độ 4°C và cố định mẫu theo SMEWW trước khi chuyển đến phòng thí nghiệm đạt chuẩn VILAS.

Implementation và kết quả

Quy trình tính toán và thuật toán kiểm soát liều lượng hóa chất

Để đảm bảo hiệu quả keo tụ nồng độ hạt keo mực in Flexo và tối ưu hóa chi phí vận hành, nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình thuật toán tính toán động tải lượng hóa chất PAC và chất dinh dưỡng bổ sung cho bể vi sinh Aerotank (tỷ lệ cân bằng dinh dưỡng $BOD_5 : N : P = 100 : 5 : 1$).

import numpy as np

def calculate_chemical_dosing(flow_rate_m3_day: float, cod_inlet_mg_l: float, bod_inlet_mg_l: float):
    """
    Tính toán lượng hóa chất PAC, Polymer và Dinh dưỡng Urea/DAP cần cấp cho hệ thống.
    Flow rate: m3/ngày.đêm
    COD, BOD: mg/L
    """
    # 1. Liều lượng PAC dựa trên hàm lượng COD và độ màu keo
    if cod_inlet_mg_l > 1500:
        pac_ppm = 150.0  # mg/L
    elif cod_inlet_mg_l > 800:
        pac_ppm = 100.0
    else:
        pac_ppm = 60.0
        
    polymer_ppm = pac_ppm * 0.02  # Tỷ lệ Polymer Anion ~2% so với PAC
    
    # Tổng khối lượng hóa chất nguyên chất (kg/ngày)
    pac_mass_kg = (flow_rate_m3_day * pac_ppm) / 1000.0
    polymer_mass_kg = (flow_rate_m3_day * polymer_ppm) / 1000.0
    
    # 2. Cân bằng dinh dưỡng cho Bể Aerotank: BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1
    # Giả định sau keo tụ COD/BOD giảm 50% trước khi vào Aerotank
    bod_aerotank = bod_inlet_mg_l * 0.5
    n_required_kg = (flow_rate_m3_day * bod_aerotank * (5 / 100.0)) / 1000.0
    p_required_kg = (flow_rate_m3_day * bod_aerotank * (1 / 100.0)) / 1000.0
    
    return {
        "PAC_kg_per_day": round(pac_mass_kg, 2),
        "Polymer_kg_per_day": round(polymer_mass_kg, 3),
        "N_supplement_kg_per_day": round(n_required_kg, 2),
        "P_supplement_kg_per_day": round(p_required_kg, 2)
    }

# Chạy tính toán với công suất trạm xử lý tại Nhà máy Trần Thành (Q = 50 m3/ngày)
results = calculate_chemical_dosing(flow_rate_m3_day=50.0, cod_inlet_mg_l=1250.0, bod_inlet_mg_l=620.0)
print(f"PAC 30%: {results['PAC_kg_per_day']} kg/day | Polymer: {results['Polymer_kg_per_day']} kg/day")

Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau xử lý

Dữ liệu quan trắc trung bình qua 3 đợt thử nghiệm thực tế (Mẫu đầu vào lấy tại hố gom; Mẫu đầu ra lấy tại hố ga xả thải sau khử trùng) được tổng hợp chi tiết:

STT Thông số phân tích Đơn vị đo Nước thải đầu vào (Trước XL) Nước thải đầu ra (Sau XL) QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) Hiệu suất xử lý (%)
1 pH - 8.85 – 9.20 7.15 – 7.42 5.5 – 9.0 -
2 Độ màu Pt-Co 820 – 1.450 38 – 45 150 96.2%
3 BOD₅ (20°C) mg/L 580 – 720 28 – 35 50 95.1%
4 COD mg/L 1.150 – 1.680 82 – 115 150 92.6%
5 TSS mg/L 380 – 520 32 – 44 100 91.5%
6 Tổng Nitơ mg/L 35.4 – 48.2 14.8 – 18.2 40 61.8%
7 Tổng Photpho mg/L 6.8 – 9.5 2.1 – 3.4 6 66.7%
8 Amoni (NH₄⁺) mg/L 18.2 – 24.5 4.2 – 6.1 10 75.5%
9 Dầu mỡ khoáng mg/L 12.5 – 18.0 1.2 – 1.8 10 89.6%
10 Chì (Pb) mg/L 0.082 – 0.120 0.012 – 0.018 0.5 85.0%
11 Sắt (Fe) mg/L 4.25 – 6.80 0.65 – 0.88 5 86.2%
12 Coliform MPN/100mL 4.6 × 10⁵ 1.2 × 10³ 5.000 99.7%
BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CÁC CHỈ TIÊU CHÍNH (%)
Độ màu        [███████████████████████████████████████] 96.2%
BOD5          [██████████████████████████████████████ ] 95.1%
COD           [███████████████████████████████████    ] 92.6%
TSS           [██████████████████████████████████     ] 91.5%
Coliform      [███████████████████████████████████████] 99.7%
Tổng N        [█████████████████████                  ] 61.8%
Tổng P        [██████████████████████                 ] 66.7%

Đánh giá hiệu năng chi tiết

  • Hiệu quả khử màu và chất rắn: Quá trình keo tụ bằng PAC (nồng độ tối ưu 120 mg/L) kết hợp trợ lắng Polymer Anion (2.5 mg/L) tại pH 7.2 đã loại bỏ 96.2% độ màu và 91.5% TSS, giải quyết dứt điểm các phức màu phân tán từ mực in Flexo.
  • Hiệu quả oxy hóa chất hữu cơ: Bể bùn hoạt tính Aerotank với thời gian lưu nước (HRT) 10 giờ, nồng độ MLSS duy trì ở 3.200 mg/L và DO từ 2.5 – 3.5 mg/L đã hạ nồng độ COD từ 1.680 mg/L xuống dưới 115 mg/L (đạt mức an toàn so với ngưỡng giới hạn 150 mg/L của QCVN 40:2011/BTNMT Cột B).

Đổi mới và đóng góp

  1. Chuỗi công nghệ tách pha thông minh: Tách riêng dòng thải đậm đặc (rửa máng mực, rửa khuôn in Flexo) vào bể điều hòa phụ trước khi đưa vào hệ keo tụ, giúp chống sốc tải thủy lực và tải lượng hữu cơ cho toàn hệ thống.
  2. Cơ chế keo tụ - tạo bông cải tiến: Sử dụng chất keo tụ PAC cao phân tử thay thế cho phèn nhôm kép $Al_2(SO_4)_3$. Phương pháp này giúp hạn chế suy giảm pH của nước thải, giảm 35% lượng kiềm NaOH cần bổ sung để trung hòa và giảm 25% thể tích bùn ẩm sinh ra.
  3. Cân bằng tải sinh học ổn định: Tận dụng nguồn dinh dưỡng N, P hữu cơ từ dòng thải sinh hoạt (sau khi qua bể tự hoại 3 ngăn và bẫy mỡ) hòa trộn với dòng nước thải sản xuất nghèo dinh dưỡng, tiết kiệm 60% chi phí mua hóa chất dinh dưỡng (Urea/DAP) nhân tạo để nuôi cấy bùn vi sinh Aerotank.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế tại nhà máy

+ Ca ngày (7h30 - 16h30): Dây chuyền in Flexo và cán sóng hoạt động hết công suất.
  -> Nước thải sản xuất liên tục đổ về hố gom: Bật tự động 02 bơm chìm luân phiên.
  -> Bơm định lượng hóa chất PAC/Polymer hoạt động theo tín hiệu cảm biến lưu lượng.

+ Ca đêm (16h30 - 7h30 sáng hôm sau): Dừng in ấn, lưu lượng nước thải giảm 80%.
  -> Chuyển hệ thống cấp khí bể Aerotank sang chế độ tuần hoàn ngắt quãng (15 phút chạy / 15 phút nghỉ).
  -> Tiết kiệm 45% điện năng tiêu thụ cho máy thổi khí mà không làm suy giảm sinh khối bùn vi sinh.

Phân tích chi phí vận hành (OPEX) trên 1 m³ nước thải

Hạng mục chi phí Chi tiết tiêu hao / Đơn giá Thành tiền (VNĐ/m³) Tỷ trọng (%)
Điện năng tiêu thụ 1.8 kWh/m³ × 2.000 VNĐ/kWh (Bơm, máy thổi khí, motor khuấy) 3.600 38.3%
Hóa chất PAC (30%) 0.12 kg/m³ × 14.000 VNĐ/kg 1.680 17.9%
Hóa chất Polymer A101 0.0025 kg/m³ × 95.000 VNĐ/kg 238 2.5%
Kiềm NaOH & Axit H2SO4 Dung dịch điều chỉnh pH tự động 850 9.0%
Hóa chất khử trùng (NaOCl) 0.015 kg/m³ × 12.000 VNĐ/kg 180 1.9%
Xử lý bùn thải & Nhân công Thu gom bùn ép định kỳ + Nhân công vận hành 2.850 30.4%
TỔNG CHI PHÍ VẬN HÀNH Tính trên 1.0 m³ nước thải đạt chuẩn Cột B 9.398 VNĐ/m³ 100.0%

Hạn chế và hướng phát triển

  • Rủi ro tạo bọt trong Aerotank: Khi máy in xả rửa các loại mực có hàm lượng chất tạo màng cao, chất hoạt động bề mặt tồn dư có thể gây bọt trắng cục bộ trên bề mặt bể Aerotank.
  • Hạn chế về xử lý Ni-tơ triệt để: Công nghệ Aerotank truyền thống không có vùng thiếu khí (Anoxic) chuyên biệt, do đó hiệu suất loại bỏ Tổng Ni-tơ mới dừng lại ở mức 61.8%.
  • Giải pháp nâng cấp đề xuất:
    1. Lắp đặt thêm ngăn thiếu khí Anoxic trước bể Aerotank (Công nghệ AO - Anoxic/Oxic) kết hợp bơm tuần hoàn dòng nitrate để tăng hiệu suất khử Ni-tơ lên trên 85%.
    2. Bổ sung cụm lọc màng MBR (Membrane Bioreactor) hoặc modul lọc áp lực than hoạt tính nhằm tái sử dụng 50% lưu lượng nước sau xử lý cho việc vệ sinh công nghiệp và tưới cây xanh nhà máy.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Môi trường: Tài liệu tham khảo thực tế về số liệu vận hành, tính toán hóa lý kết hợp sinh học cho nước thải ngành công nghiệp in bao bì.
  • Kỹ sư vận hành hệ thống: Quy trình pha hóa chất PAC/Polymer chuẩn hóa, công thức tính tải dinh dưỡng và kỹ thuật kiểm soát vi sinh bùn hoạt tính.
  • Chủ doanh nghiệp & Quản lý sản xuất: Báo cáo dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự tuân thủ nghiêm ngặt Luật Bảo vệ Môi trường, tối ưu hóa chi phí vận hành dưới 10.000 VNĐ/m³, phòng tránh rủi ro xử phạt hành chính.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT, BQL KCN): Cung cấp hồ sơ cơ sở dữ liệu quan trắc minh bạch phục vụ công tác thanh tra, hậu kiểm xả thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải sản xuất bao bì carton có thể xả trực tiếp vào hệ thống sinh học Aerotank không?

Không thể xả trực tiếp. Nước thải từ mực in Flexo có độ màu rất cao (lên đến 1.450 Pt-Co) và chứa các hạt nhựa emulsion không tan. Nếu không qua công đoạn keo tụ - lắng hóa lý để tách hạt keo, các phân tử màu và kim loại nặng sẽ bao bọc bùn hoạt tính, ức chế vi sinh vật hiếu khí và làm chết men vi sinh.

2. Định mức sử dụng hóa chất PAC và Polymer tối ưu là bao nhiêu?

Qua thực nghiệm tại nhà máy, liều lượng PAC 30% tối ưu dao động từ 100 – 120 mg/L và Polymer Anion A101 là 2.0 – 2.5 mg/L tại dải pH phản ứng 7.0 – 7.5. Liều lượng này cho phép loại bỏ >95% cặn lơ lửng và độ màu mà không gây lãng phí hóa chất.

3. Quy chuẩn nào được dùng làm căn cứ kiểm tra chất lượng nước đầu ra?

Nước thải đầu ra của Công ty Trần Thành tại KCN Tiên Sơn phải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B - Áp dụng cho cơ sở xả thải vào hệ thống thu gom tập trung của Khu công nghiệp).

4. Cách khắc phục hiện tượng bùn vi sinh bị trôi ra ngoài tại bể lắng 2?

Cần kiểm tra chỉ số thể tích bùn (SVI). Nếu SVI > 150 mL/g (hiện tượng bùn khó lắng), cần tăng tỷ lệ bùn tuần hoàn (RAS) lên 80 - 100%, kiểm tra bổ sung dinh dưỡng N:P, đồng thời điều chỉnh lưu lượng sục khí để duy trì DO trong khoảng 2.0 – 3.0 mg/L.

5. Hệ thống 50 m³/ngày.đêm có khả năng mở rộng khi nhà máy nâng công suất không?

Hệ thống được thiết kế theo dạng modul bể bê tông cốt thép ngầm. Khi nâng công suất lên 70 – 80 m³/ngày.đêm, chỉ cần thay thế giá thể vi sinh di động MBBR vào bể Aerotank và thay bơm cấp nước có lưu lượng lớn hơn mà không cần xây dựng thêm thể tích bể.


Kết luận

Đề tài nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiệu quả thực tế của hệ thống xử lý nước thải tập trung công suất 50 m³/ngày.đêm tại Công ty TNHH Trần Thành (KCN Tiên Sơn, Bắc Ninh). Kết quả quan trắc 3 đợt độc lập chứng minh quy trình tích hợp Keo tụ hóa lý (PAC/Polymer) + Sinh học hiếu khí (Aerotank) + Khử trùng (NaOCl) đạt hiệu suất xử lý vượt trội: COD đạt 92.6%, BOD₅ đạt 95.1%, TSS đạt 91.5%, độ màu đạt 96.2% và Coliform đạt 99.7%. Mọi thông số phân tích nước thải đầu ra đều nằm trong ngưỡng cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B), đảm bảo an toàn sinh thái cho nguồn tiếp nhận và khẳng định tính khả thi cao về cả mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế cho các nhà máy sản xuất bao bì carton quy mô công nghiệp.