Đồ án thiết kế hệ thống xử lý nước thải thủy sản Minh Phú Hậu Giang

Nghiên cứu chi tiết đồ án thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản. Phân tích công nghệ xử lý tiên tiến và hiệu quả kinh tế môi trường.

• Tác giả: Ngô Thị Thảo Nhi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thu Hiền
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ môi trường
• Đề tài: Thiết kế quy trình công nghệ xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy sản
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy chế biến thủy sản

Đồ án thiết kế hệ thống xử lý nước thải (XLNT) nhà máy chế biến thủy sản đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và tuân thủ pháp luật. Hệ thống XLNT được thiết kế nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật và kim loại nặng phát sinh từ quy trình sản xuất. Đối tượng nghiên cứu chính là nước thải từ chế biến tôm đông lạnh, bao gồm các dòng thải từ rửa nguyên liệu, chế biến, vệ sinh thiết bị và sinh hoạt. Thành phần nước thải đặc trưng bởi hàm lượng BOD5, COD, TSS, nitơ, photpho và vi sinh vật cao, đòi hỏi công nghệ XLNT phù hợp. Mục tiêu của đồ án là đề xuất giải pháp XLNT hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 11-MT:2015/BTNMT.

1.1. Thành phần đặc trưng của nước thải chế biến thủy sản

Nước thải chế biến thủy sản chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như protein, lipid và carbohydrate, cùng với các chất vô cơ như muối, kim loại nặng (chì, thủy ngân, cadimi) và vi sinh vật gây bệnh. Theo nghiên cứu, BOD5 dao động 1.000-3.000 mg/L, COD 2.000-6.000 mg/L, TSS 500-1.500 mg/L, nitơ tổng 50-150 mg/L, photpho 10-30 mg/L. Nước thải sinh hoạt từ nhà máy bổ sung thêm vi sinh vật, chất tẩy rửa và dầu mỡ. Đặc biệt, chất thải rắn như đầu tôm, vỏ tôm, ruột tôm chiếm tỷ lệ lớn trong dòng thải, cần được xử lý riêng biệt.

1.2. Cơ sở pháp lý và tiêu chuẩn xả thải

Quy định pháp lý về XLNT chế biến thủy sản bao gồm QCVN 11-MT:2015/BTNMT (cột B), QCVN 40:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp, và Luật Bảo vệ môi trường 2020. Nhà máy phải tuân thủ quy định về giám sát, báo cáo và xử lý nước thải định kỳ. Theo QCVN 11-MT:2015/BTNMT, các thông số chính phải đạt gồm BOD5 ≤ 50 mg/L, COD ≤ 100 mg/L, TSS ≤ 50 mg/L, nitơ amoni ≤ 5 mg/L, pH 5,5-9,0. Đối với hệ thống XLNT mới, cần đăng ký hoạt động môi trường và xin giấy phép xả thải từ cơ quan chức năng.

II. Phân tích hiện trạng và vấn đề môi trường trong chế biến thủy sản

Ngành chế biến thủy sản Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức môi trường do tình trạng ô nhiễm nước thải chưa được kiểm soát triệt để. Theo thống kê, 60% nhà máy chế biến thủy sản chưa lắp đặt hệ thống XLNT đạt tiêu chuẩn, dẫn đến ô nhiễm nguồn nước mặt và đất. Tại công ty Minh Phú Hậu Giang, lưu lượng nước thải sản xuất đạt 1.000 m3/ngày đêm, trong đó 70% từ quy trình chế biến tôm đông lạnh. Các vấn đề chính bao gồm: nồng độ BOD5, COD vượt ngưỡng cho phép 3-5 lần, vi sinh vật gây bệnh tồn tại trong nước thải, và hệ thống XLNT cũ kỹ không đáp ứng nhu cầu. Ngoài ra, chất thải rắn nguy hại từ sản xuất chưa được xử lý đúng cách, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

2.1. Đánh giá tác động môi trường từ hoạt động sản xuất

Hoạt động chế biến thủy sản phát sinh nhiều tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm nguồn nước do xả thải trực tiếp, suy thoái đất do lắng đọng chất thải rắn, và ô nhiễm không khí từ mùi hôi và khí thải. Nước thải chưa xử lý chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, gây cạn kiệt oxy hòa tan trong nước, dẫn đến chết cá và suy giảm đa dạng sinh học. Theo nghiên cứu, mỗi tấn tôm chế biến thải ra 15-20 m3 nước thải, chứa 1,5-3 kg BOD5. Nếu không được xử lý, nước thải sẽ gây hại cho hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe cộng đồng.

2.2. Hạn chế của hệ thống xử lý nước thải hiện tại

Hệ thống XLNT tại nhà máy chế biến thủy sản thường sử dụng công nghệ truyền thống như bể lắng, bể aeroten đơn giản, không đủ khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm. Các hạn chế chính bao gồm: hiệu suất xử lý BOD5, COD thấp (chỉ đạt 60-70%), thiếu hệ thống khử trùng, không xử lý triệt để nitơ và photpho, và không có hệ thống thu gom khí thải. Ngoài ra, hệ thống quản lý chất thải rắn còn yếu kém, dẫn đến tình trạng xả thải bừa bãi. Việc thiếu đầu tư nâng cấp hệ thống XLNT khiến nhà máy đối mặt với nguy cơ bị phạt hành chính và đình chỉ hoạt động.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống xử lý nước thải tối ưu

Để giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải trong chế biến thủy sản, đồ án đề xuất hệ thống XLNT đa cấp bao gồm tiền xử lý, xử lý sinh học, xử lý hóa lý và khử trùng. Hệ thống được thiết kế với công suất 1.000 m3/ngày đêm, đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 11-MT:2015/BTNMT. Quy trình XLNT bắt đầu bằng bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ chất thải, tiếp theo là bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) để xử lý sinh học kỵ khí, loại bỏ 70-80% BOD5, COD. Sau đó, nước thải được đưa qua bể aeroten để xử lý hiếu khí, kết hợp với hệ thống lắng ly tâm và khử trùng bằng chlorine. Bùn thải được xử lý bằng máy ép bùn dây đai, đảm bảo an toàn môi trường.

3.1. Lựa chọn công nghệ xử lý sinh học kỵ khí UASB

Công nghệ UASB được lựa chọn do ưu điểm vượt trội như hiệu suất xử lý cao (70-80% BOD5, COD), tiết kiệm diện tích, chi phí vận hành thấp và khả năng sinh khí metan (có thể tái sử dụng làm nhiên liệu). Bể UASB hoạt động theo nguyên lý dòng chảy ngược, với lớp bùn kỵ khí hạt có khả năng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao. Thiết kế bể UASB với tải trọng hữu cơ 5-10 kgCOD/m3.ngày, thể tích bể 300 m3, chiều cao 5 m, đảm bảo thời gian lưu thủy lực 8-12 giờ. Hiệu quả xử lý đạt 80% BOD5, 75% COD.

3.2. Tối ưu hóa quá trình xử lý hiếu khí Aeroten

Bể aeroten được thiết kế với hệ thống sục khí xáo trộn hoàn toàn, sử dụng bùn hoạt tính để xử lý triệt để các chất hữu cơ còn lại. Thông số thiết kế gồm thể tích bể 500 m3, chiều cao lớp nước 4,62 m, hàm lượng bùn hoạt tính (MLVSS) 3.000 mg/L, thời gian lưu thủy lực 10-12 giờ. Hệ thống sục khí sử dụng máy thổi khí công suất 15 kW, đảm bảo nồng độ oxy hòa tan ≥ 2 mg/L. Hiệu quả xử lý đạt 90% BOD5, 85% COD, đồng thời loại bỏ 50-70% nitơ và photpho thông qua quá trình nitrat hóa-denitrat hóa.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của hệ thống XLNT

Hệ thống XLNT được thiết kế trong đồ án mang lại hiệu quả vượt trội trong xử lý nước thải chế biến thủy sản, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải QCVN 11-MT:2015/BTNMT. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất xử lý BOD5 đạt 97%, COD 95%, TSS 98%, nitơ 85%, photpho 80%. Hệ thống cũng tiết kiệm 30% chi phí vận hành nhờ tận dụng khí metan từ bể UASB và tối ưu hóa quá trình sục khí. Ứng dụng thực tiễn tại nhà máy chế biến thủy sản sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao uy tín doanh nghiệp. Ngoài ra, hệ thống có khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu sản xuất tăng trong tương lai.

4.1. Đánh giá hiệu quả kinh tế và môi trường

Hệ thống XLNT đề xuất có chi phí đầu tư ban đầu khoảng 5 tỷ đồng, nhưng tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành nhờ tận dụng khí metan (20 triệu đồng/năm) và giảm thiểu nguy cơ phạt môi trường (50-100 triệu đồng/năm). Theo đánh giáLifecycle Cost, hệ thống hoàn vốn sau 4-5 năm hoạt động. Về mặt môi trường, hệ thống giảm thiểu 95% lượng chất ô nhiễm thải ra môi trường, góp phần bảo vệ nguồn nước mặt và đất. Đồng thời, nhà máy có thể thu hồi 15-20% nước thải sau xử lý để tái sử dụng trong sản xuất, tiết kiệm 300 triệu đồng/năm chi phí nước.

4.2. Khuyến nghị triển khai và nâng cấp

Để triển khai thành công hệ thống XLNT, nhà máy cần đầu tư đồng bộ từ khâu thiết kế, thi công đến vận hành. Khuyến nghị xây dựng nhà máy XLNT riêng biệt, lắp đặt hệ thống giám sát tự động (online) để theo dõi chất lượng nước thải theo thời gian thực. Ngoài ra, cần đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì định kỳ hệ thống. Trong tương lai, có thể nâng cấp hệ thống bằng công nghệ tiên tiến như màng lọc sinh học (MBR) để xử lý triệt để vi sinh vật và kim loại nặng, hoặc ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để tối ưu hóa quá trình vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGÀNH THỦY SẢN VIỆT NAM 1. Tình hình phát triển của ngành chế biến và xuất khẩu thủy sản Từ 1995 – 2020: Sản lượng thủy sản VN tăng mạnh, tăng gấp hơn 6 lần, từ 1,3 triệu tấn năm 1995 lên 8,4 triệu tấn năm 2020, tăng trưởng trung bình hàng năm 8%. Trong đó, sản lượng NTTS chiếm 54%, khai thác chiếm 46%.[1] ❖ Nuôi trồng thủy sản Sản lượng nuôi trồng thủy sản của Việt Nam tăng gấp 11 lần, tăng trưởng TB hàng năm 10% từ 415 nghìn tấn lên gần 4,6 triệu tấn. Nuôi trồng thủy sản phục vụ cho xuất khẩu tập trung chủ yếu ở ĐBSCL (chiếm 95% tổng sản lượng cá tra và 80% sản lượng tôm)[1] ❖ Khai thác Sản lượng khai thác thủy sản của Việt Nam tăng gấp hơn 4 lần, tăng trường trung bình năm 6% từ 929 nghìn tấn lên 3,85 triệu tấn.[1] ❖ Xuất khẩu thủy sản Từ 1997-2020: xuất khẩu tăng gấp 11 lần, tăng trưởng trung bình hàng năm 10% từ 758 triệu USD lên 8,5 tỷ USD.

Thủy sản nuôi để XK chủ yếu là tôm và cá tra XK tôm chiếm tỷ trọng cao nhất, tăng trưởng cao nhất và ổn định nhất. Từ 1998- 2020: XK tăng gấp hơn 8 lần từ 457 triệu USD lên 3,73 tỷ USD năm; tăng trưởng TB hàng năm 10%. Tỷ lệ trong tổng TS ngày càng gia tăng: từ 36% đến 50%. XK cá tra tăng gấp 162 lần từ 9,3 triệu USD lên 1,5 tỷ USD; tăng trưởng TB hàng năm 26%.

Tuy nhiên, tỷ lệ giảm từ 32% xuống 18%. XK hải sản chiếm 30- 35% tổng XK thủy sản. Từ 1998 – 2020: Kim ngạch tăng gấp 10 lần 315 triệu USD lên 3,2 tỷ USD; tăng trưởng TB hàng năm 11%.[1] ❖ Thị trường xuất khẩu Việt Nam XK thủy sản sang hơn 160 thị trường trên thế giới. Trong đó top 10 thị trường gồm: Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, ASEAN, Australia, Anh, Canada, Nga, chiếm khoảng 92-93% tổng XK thủy sản của Việt Nam.

8 Trong top 6 thị trường lớn (Mỹ, EU, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc và ASEAN), trong những năm gần đây, XK sang EU chững lại, sang ASEAN, Hàn Quốc ổn định, trong khi XK sang Trung Quốc tăng trưởng mạnh nhất, XK sang Mỹ và Nhật Bản cũng duy trì tăng trưởng khả quan. Tình hình phát triển của ngành chế biến tôm ❖ Sản lượng Việt Nam có hơn 600.000 ha nuôi tôm với hai loài tôm sú và tôm trắng. Việt Nam là nước sản xuất tôm sú hàng đầu thế giới với sản lượng 300. Đây là loài nuôi truyền thống của Việt Nam trong khi tôm trắng được nuôi ở nhiều tỉnh trong nước kể từ năm 2008.

Các vùng nuôi chính tập trung ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long. 5 tỉnh có diện tích nuôi tôm lớn nhất gồm Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Bến Tre và Kiên Giang.[2] ❖ Chế biến và xuất khẩu Ngành tôm đóng vai trò quan trọng trong xuất khẩu thủy sản Việt Nam ra thế giới trong suốt 2 thập kỷ qua. Hàng năm, ngành tôm đóng góp khoảng 40- 45% tổng giá trị XK thủy sản, tương đương 3,5- 4 tỷ USD. Hiện tôm Việt Nam được xuất khẩu đến 100 quốc gia, trong đó 5 thị trường lớn nhất gồm: Châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc.

Với những nỗ lực không ngừng, Việt Nam đã trở thành nước cung cấp tôm đứng thứ hai thế giới với giá trị XK chiếm 13-14% tổng giá trị XK tôm của toàn thế giới. Việt Nam có nhiều lợi thế để phát triển ngành tôm, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long, nơi chiếm 95% sản lượng tôm và cũng là trung tâm của các nhà máy chế biến tôm. Cho đến nay, có khoảng 200 nhà máy chế biến tôm được Ủy ban Châu Âu phê duyệt với các cuộc kiểm tra thực địa định kỳ ngay tại Việt Nam. Các vấn đề môi trường của ngành chế biến thủy sản Chế biến Thủy sản cũng là một trong những ngành gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường.

Ảnh hưởng của ngành chế biến thủy sản đến môi trường có sự khác nhau đáng kể, không chỉ phụ thuộc vào loại hình chế biến, mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như quy mô sản xuất, sản phẩm, nguyên liệu đầu vào, mùa vụ, trình độ công nghệ sản xuất, trình độ tổ chức quản lý sản xuất…, trong đó yếu tố kỹ thuật, công nghệ và tổ chức quản lý sản xuất có ảnh hưởng quyết định đến vấn đề bảo vệ môi trường của từng doanh nghiệp. 9 Một số tác động đặc trưng của ngành Chế biến Thuỷ sản gây ảnh hưởng đến môi trường có thể kể đến như sau: − Ô nhiễm không khí: mùi hôi phát sinh từ việc lưu trữ các phế thải trong quá trình sản xuất, khí thải từ các máy phát điện dự phòng. Trong các nguồn ô nhiễm không khí, mùi là vấn đề chính đối với các nhà máy chế biến thủy sản. − Chất thải rắn phát sinh chủ yếu từ quá trình chế biến bao gồm các loại đầu vỏ tôm, vỏ nghêu, da/mai mực, nội tạng mực và cá,.

− Nước thải sản xuất trong chế biến thủy sản chiếm 85-90% tổng lượng nước thải, chủ yếu từ các công đoạn: rửa trong xử lý nguyên liệu, chế biến, hoàn tất sản phẩm, vệ sinh nhà xưởng và dụng cụ, thiết bị, và nước thải sinh hoạt.[3] Trong các nguồn phát sinh ô nhiễm, nước thải là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường bởi phát sinh thể tích nước thải lớn với nồng độ ô nhiễm cao nếu không được xử lý thích hợp. Công nghệ chế biến tôm đông lạnh Đối với quy trình chế biến tôm công đoạn rửa tôm và ngâm tôm tạo ra nước dịch tôm và nước thải có thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm cao. Trong quá trình chế biến tôm, một số công ty sử dụng dung dịch tripolyphotphat để ngâm tôm và sau đó dung dịch này được thải bỏ vì thế nước thải thường có nồng độ photpho cao. Ngoài ra, theo yêu cầu sản xuất quá trình vệ sinh thiết bị và khu vực sản xuất cũng phát sinh một lượng lớn nước thải chứa các chất khử trùng.

Riêng quá trình lột vỏ, ngắt đầu tôm tạo nên một lượng chất thải rắn lớn và có kích thước nhỏ, khó thu gom. Quy trình công nghệ chế biến tôm được mô tả như trong Hình 1.Quy trình tổng quát chế biến tôm đông lạnh[3] 10 1. Lưu lượng và thành phần nước thải chế biến tôm đông lạnh Trong quá trình chế biến thủy sản, sự khác biệt trong nguyên liệu thô và sản phẩm cuối liên quan đến sự khác nhau trong quá trình sản xuất, dẫn đến tiêu thụ nước khác nhau tôm đông lạnh: 4-6 m3/tấn sản phẩm Bảng 1. Thành phần nước thải chế biến tôm đông lạnh Chỉ tiêu Đơn vị Nồng độ pH - 6,5-9 SS mg/L 100-300 COD mgO2/L 800-2000 BOD mgO2/L 500-1500 Ntổng mg/L 50-200 Ptổng mg/L 10-120 Dầu mỡ mg/L - Nguồn: Tổng cục Môi trường, 2009 Dựa vào Bảng 1.1 cho thấy thành phần nước thải phát sinh từ chế biến tôm có nồng độ COD, BOD5, chất rắn lơ lửng, tổng nitơ và photpho cao.

Nước thải có khả năng phân thủy sinh học cao thể hiện qua tỉ lệ BOD/COD, tỷ lệ này thường dao động từ 0,6 đến 0,9. Nồng độ photpho trong nước thải chế biến tôm rất cao có thể lên đến trên 120 mg/L. Công cụ pháp lý về nước thải chế biến thủy sản − Luật thủy sản 2017: chương VII – Mua, bán, sơ chế, chế biến, xuất khẩu, nhập khẩu thủy sản, sản phẩm thủy sản. − Luật bảo vệ môi trường 2014 số 55/2014/QH13 có hiệu lực từ ngày 01/01/2015.

Quy định về quy hoạch bảo vệ môi trường, đánh giá môi trường chiến lược, đánh giá tác động môi trường và kế hoạch bảo vệ môi trường. − Luật bảo vệ môi trường 2020 có hiệu lực từ ngày 01/01/2022. − Thông tư 35/2015/TT-BTNMT, hướng dẫn về bảo vệ môi trường khu kinh tế, khu công nghiệp, khu chế xuất, khu công nghệ cao có hiệu lực từ ngày 17/08/2015 thay thế thông tư số 08/2009/TT-BTNMT. − QCVN 11-MT:2015/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến thủy sản (thay thế QCVN 11:2008/BTNMT từ ngày 31/12/2015.

11 − QCVN 40:2011/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp − TCVN 5945:2005 Nước thải công nghiệp, tiêu chuẩn thải. − TCVN 6772:2000 Chất lượng nước – Nước thải sinh hoạt giới hạn ô nhiễm cho phép. − QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt 1. Cơ sở lý thuyết về xử lý nước thải sản xuất ❖ Phương pháp xử lý cơ học: Tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải thường sử dụng các quá trình thủy cơ như: lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc − Lọc qua song/lưới chắn − Bể lắng cát − Bể tách dầu mỡ − Điều hòa lưu lượng − Quá trình lắng − Lọc ❖ Phương pháp xử lý hóa lý: tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng.

Bản chất là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây ô nhiễm môi trường. Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh. Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là : − Phương pháp đông tụ và keo tụ − Tuyển nổi − Hấp phụ − Phương pháp trao đổi ion − Các quá trình tách bằng màng − Phương pháp điện hóa ❖ Phương pháp hóa học: dùng tác nhân hóa học nên là phương pháp đắt tiền. Người ta sử dụng phương pháp này để khử các chất hòa tan và trong các hệ thống cấp nước khép kín.

Đôi khi các phương pháp này còn được dùng để xử lý sơ bộ trước XLSH hay sau công đoạn này như là một phương pháp XLNT lần cuối để thải vào nguồn nước − Trung hòa − Oxy hóa và khử ❖ Phương pháp xử lý sinh học 12 VSV có trong nước thải sử dụng các hớp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Sản phẩm của các quá trình phân hủy: CO,H2O,N2, ion sulfite Mục đích: xử lý các chất hữu cơ BOD, COD,.