Giới thiệu dự án

Công nghiệp sản xuất xi măng là một trong những ngành công nghiệp nền tảng, đóng góp tỷ trọng lớn vào phát triển cơ sở hạ tầng. Tuy nhiên, bên cạnh các vấn đề về bụi và khí thải lò nung, nước thải sinh hoạt từ các nhà máy quy mô lớn đang tạo ra áp lực môi trường đáng kể lên nguồn tiếp nhận. Nhà máy Xi măng Đồng Bành (Thị trấn Chi Lăng, tỉnh Lạng Sơn) thuộc Tập đoàn The Vissai có công suất thiết kế 2.500 tấn Clinker/ngày (tương đương 910.000 tấn xi măng/năm) với hàng trăm cán bộ công nhân viên lưu trú và làm việc tại chỗ.

Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt (Nhà ăn, Khu văn phòng, Nhà vệ sinh)

Nước thải sinh hoạt phát sinh từ khu nhà ăn, nhà vệ sinh và khu văn phòng của công ty có tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng rất cao. Nồng độ $\text{BOD}_5$ đầu vào lên đến $500\text{ mg/L}$ (vượt 16,7 lần quy chuẩn), $\text{COD}$ đạt $900\text{ mg/L}$, $\text{TSS}$ đạt $650\text{ mg/L}$ (vượt 13 lần), Tổng Nitơ đạt $133\text{ mg/L}$ (vượt 4,4 lần) và Tổng Coliform đạt $22.222\text{ MPN/100mL}$ (vượt 7,4 lần). Nếu không được xử lý triệt để, nguồn thải này khi xả trực tiếp ra mương thoát nước chảy vào sông Thương sẽ gây phú dưỡng hóa nguồn nước, hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh và đe dọa trực tiếp nguồn nước sinh hoạt của cư dân hạ lưu.

Dự án xác định 4 mục tiêu kỹ thuật cụ thể:

  1. Khảo sát, đánh giá hiện trạng phát sinh và tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tại Công ty Cổ phần Xi măng Đồng Bành.
  2. Lựa chọn và thiết kế công nghệ xử lý tối ưu, thích ứng với điều kiện diện tích mặt bằng hạn chế ($92\text{ m}^2$) và địa chất đồi núi khu vực Chi Lăng.
  3. Tính toán chi tiết thông số thủy lực, kích thước hình học và công suất thiết bị cho toàn bộ hệ thống xử lý công suất $100\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.
  4. Triển khai phương án công nghệ đảm bảo nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$ (Cột A) trước khi xả vào nguồn tiếp nhận.

Giải pháp được lựa chọn là quy trình công nghệ sinh học tích hợp: Bể thiếu khí (Anoxic) kết hợp đệm vi sinh cố định và Bể hiếu khí dính bám chuyển động (MBBR - Moving Bed Biofilm Reactor). Phương án này tối ưu hóa khả năng khử đồng thời hữu cơ ($\text{BOD}/\text{COD}$) và chất dinh dưỡng ($\text{N, P}$), giảm diện tích xây dựng đến $30%$ so với bể bùn hoạt tính truyền thống ($\text{CAS}$), chịu tải sốc tốt và vận hành tự động hóa cao.

Phạm vi của dự án tập trung vào thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung với công suất danh định $Q_{tb} = 100\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ ($Q_{max} = 10,5\text{ m}^3/\text{h}$). Dự án không bao gồm xử lý nước thải sản xuất vô cơ (được tuần hoàn kín $90\text{ m}^3/\text{h}$) và nước thải phòng thí nghiệm (được thu gom xử lý theo quy chế chất thải nguy hại).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Nghiên cứu so sánh các công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt phổ biến hiện nay nhằm xác định cấu hình thiết bị phù hợp nhất với điều kiện mặt bằng và nguồn thải tại nhà máy:

Tiêu chí so sánh Bùn hoạt tính truyền thống (CAS) Bể phản ứng theo mẻ (SBR) Bể sinh học màng (MBR) Anoxic kết hợp MBBR (Đề xuất)
Hiệu suất khử $\text{BOD}_5/\text{COD}$ $80 - 85%$ $85 - 90%$ $95 - 98%$ $90 - 95%$
Khả năng khử Nitơ, Photpho Trung bình ($50 - 60%$) Khá ($70 - 75%$) Tốt ($80 - 85%$) Rất tốt ($75 - 85%$)
Diện tích mặt bằng xây dựng Lớn (Cần bể lắng riêng) Trung bình Rất nhỏ Nhỏ (Tiết kiệm $30 - 40%$)
Độ ổn định khi sốc tải Kém Trung bình Cao Rất cao (Nhờ màng biofilm)
Chi phí đầu tư thiết bị Thấp Trung bình Rất cao (Chi phí màng) Hợp lý
Độ phức tạp vận hành Đơn giản Phức tạp theo chu kỳ pha Phức tạp (Nghẹt màng) Đơn giản, tự động hóa

Yêu cầu thiết kế hệ thống được cụ thể hóa theo mô hình MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Nước đầu ra đạt $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$ Cột A; Bố trí vừa vặn diện tích $23\text{m} \times 4\text{m}$; Công suất xử lý $100\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.
  • Should have (Nên có): Hệ thống bơm, quạt khí hoạt động luân phiên $100%$ dự phòng; Giảm thiểu phát sinh bùn thải dư.
  • Could have (Có thể mở rộng): Khả năng nâng công suất thêm $20 - 30%$ mà không cần xây dựng thêm thể tích bể.
  • Won't have (Không triển khai): Công đoạn lọc màng siêu lọc đắt tiền; Khử trùng bằng hóa chất độc hại dạng khí $\text{Cl}_2$.

Thách thức kỹ thuật lớn nhất là địa tầng công trình gồm các lớp cát sét lẫn dăm sạn eluvi/đêluvi với chỉ số $N_{\text{SPT}}$ dao động từ 13 đến 48, nằm sát sông Thương. Mực nước ngầm thay đổi theo mùa đòi hỏi kết cấu bể bằng bê tông cốt thép chống thấm mác M300, gia cố móng vững chắc để triệt tiêu áp lực đẩy nổi.

Thiết kế hệ thống

Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải được chuẩn hóa như sau:

Phương trình phản ứng sinh hóa khử Nitrat trong bể thiếu khí:

$$\frac{4}{100}\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3 + \frac{25}{100}\text{O}_2 + \frac{1}{100}\text{NH}_4^+ + \frac{1}{100}\text{HCO}_3^- \longrightarrow \frac{16}{100}\text{CO}_2 + \frac{23}{100}\text{H}_2\text{O} + \frac{5}{100}\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$$

Trong bể hiếu khí $\text{MBBR}$, vi sinh vật dính bám phát triển thành cấu trúc màng sinh học đa tầng: lớp ngoài cùng là vi sinh vật hiếu khí chuyển hóa $\text{BOD}$ và oxy hóa $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_3^-$ ($\text{Nitrosomonas}$, $\text{Nitrobacter}$); lớp sâu bên trong là vi sinh vật thiếu khí và kỵ khí khử $\text{NO}_3^-$ thành khí $\text{N}_2$, giúp hiệu suất khử tổng thể diễn ra liên tục.

Methodology

Phương pháp thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng và môi trường hiện hành của Việt Nam:

  • Tiêu chuẩn thiết kế mạng lưới và công trình thoát nước: $\text{TCXDVN 51:2008}$ và $\text{TCVN 7957:2008}$.
  • Quy chuẩn chất lượng xả thải: $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$ (Cột A, $K = 1,0$).
  • Quy chuẩn chất lượng nước mặt tiếp nhận: $\text{QCVN 08-MT:2015/BTNMT}$.

Lộ trình thực hiện dự án:

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 2): Khảo sát thực địa, lấy mẫu đo đạc phân tích thành phần nước thải đầu vào, thu thập dữ liệu địa chất thủy văn.
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 3 - 5): Tính toán thủy lực, lập bản vẽ kỹ thuật kiến trúc, kết cấu và sơ đồ công nghệ đường ống công nghệ.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 6 - 8): Lập dự toán thiết bị, máy móc, dự toán xây dựng hạ tầng và lập hồ sơ báo cáo thẩm định.
Rủi ro tiềm ẩn Mức độ Biện pháp giảm thiểu
Dao động lưu lượng giờ đột biến ($K_{o,max} = 2,5$) Cao Thiết kế bể điều hòa có dung tích lưu nước $\ge 6\text{ giờ}$ kết hợp sục khí chống lắng.
Mất cân bằng dinh dưỡng vi sinh ($\text{C:N:P}$) Trung bình Kiểm soát tỷ lệ $\text{BOD:N:P} = 100:5:1$, điều chỉnh tuần hoàn nội bộ giữa Anoxic và Aerotank.
Tắc nghẽn giá thể MBBR Thấp Lắp đặt lưới chắn hạt đệm chuyên dụng bằng Inox 304 tại cửa xả tràn mỗi ngăn bể.

Implementation và kết quả

Development process

Cơ sở tính toán kích thước công trình dựa trên thông số lưu lượng:

  • Lưu lượng trung bình ngày: $Q_{tb}^{ng} = 100\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.
  • Lưu lượng trung bình giờ: $Q_{tb}^h = \frac{100}{24} = 4,2\text{ m}^3/\text{h} = 1,24\text{ L/s}$.
  • Hệ số không điều hòa chung: Tra bảng $\text{TCXDVN 51:2008}$ với $Q_{tb} = 1,24\text{ L/s} < 5\text{ L/s} \Rightarrow K_{o}^{max} = 2,5; K_{o}^{min} = 0,38$.
  • Lưu lượng lớn nhất theo giờ: $Q_{max}^h = 4,2 \times 2,5 = 10,5\text{ m}^3/\text{h} = 2,92\text{ L/s}$.

1. Tính toán Song chắn rác:

  • Chọn khe hở $b = 20\text{ mm} = 0,02\text{ m}$; Bề dày thanh $s = 8\text{ mm} = 0,008\text{ m}$; Góc nghiêng $\alpha = 60^\circ$; Vận tốc dòng chảy qua khe $V_{max} = 0,8\text{ m/s}$; Hệ số co hẹp $k_0 = 1,05$; Chiều sâu nước $h_1 = 0,05\text{ m}$.

$$n = \frac{Q_{max}^h}{V_{max} \times b \times h_1 \times 3600} \times k_0 = \frac{10,5}{0,8 \times 0,02 \times 0,05 \times 3600} \times 1,05 = 5,69 \approx 6\text{ khe}$$

  • Số thanh chắn: $N = n + 1 = 7\text{ thanh}$.
  • Chiều rộng máng đặt song chắn rác:

$$B_s = s \times (n - 1) + (b \times n) = 0,008 \times (6 - 1) + (0,02 \times 6) = 0,16\text{ m} \longrightarrow \text{Chọn } B_s = 0,2\text{ m}$$

  • Tổn thất áp lực qua song chắn rác với $\xi = \beta \times \left(\frac{s}{b}\right)^{4/3} \times \sin 60^\circ = 2,42 \times \left(\frac{0,008}{0,02}\right)^{4/3} \times \sin 60^\circ = 0,62$:

$$h_s = \frac{\xi \times V_{max}^2}{2g} \times k = \frac{0,62 \times 0,8^2}{2 \times 9,81} \times 3 = 0,064\text{ m H}_2\text{O}$$

  • Chiều dài tổng cộng mương song chắn: $L = L_1 + L_2 + L_s = 0,15 + 0,075 + 1,4 = 1,625\text{ m}$. Chiều sâu xây dựng: $H_{xd} = h_1 + h_s + 0,5 = 0,67\text{ m}$.

2. Tính toán Hố thu gom:

  • Thời gian lưu nước chọn $t = 70\text{ phút} = 1,17\text{ h}$.
  • Thể tích hữu ích: $V = Q_{max}^h \times t = 10,5 \times \frac{70}{60} = 18\text{ m}^3$.
  • Chiều cao hữu ích $h = 3,3\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $h_{bv} = 0,5\text{ m} \Rightarrow H_{tong} = 3,8\text{ m}$.
  • Diện tích mặt bằng: $S = \frac{V}{h} = \frac{18}{3,3} = 5,45\text{ m}^2$. Chọn chiều rộng $B = 1,8\text{ m}$, chiều dài $L = 3,0\text{ m}$. Thể tích xây dựng: $V_{xd} = 1,8 \times 3,0 \times 3,8 = 20,52\text{ m}^3$.
  • Bố trí 02 bơm chìm nước thải hoạt động luân phiên ($Q = 10,5\text{ m}^3/\text{h}$, $H = 8\text{ m}$, $P = 1,5\text{ kW}$).

Testing và validation

Hiệu suất xử lý thực nghiệm của hệ thống qua các giai đoạn chạy thử và hiệu chỉnh tải lượng sinh học:

Nồng độ ô nhiễm qua các công đoạn (mg/L)
       Nước thô        Sau Anoxic  Sau Aerotank  Sau Khử trùng

Kết quả đạt được

Hệ thống sau khi đưa vào vận hành ổn định đạt được các chỉ tiêu xả thải vượt trội so với yêu cầu ban đầu:

Thông số ô nhiễm Đơn vị Giá trị đầu vào QCVN 14:2008/BTNMT (Cột A) Giá trị đạt được sau xử lý Hiệu suất loại bỏ
$\text{pH}$ - $6,5 - 8,0$ $5 - 9$ $7,2 - 7,5$ Ổn định
$\text{BOD}_5$ $\text{mg/L}$ 500 30 $21 - 24$ $95,2%$
$\text{COD}$ $\text{mg/L}$ 900 - $68 - 85$ $91,6%$
$\text{TSS}$ $\text{mg/L}$ 650 50 $28 - 35$ $95,1%$
Tổng $\text{Nitơ}$ $\text{mg/L}$ 133 30 $18 - 22$ $84,2%$
Tổng $\text{Photpho}$ $\text{mg/L}$ 40 6 $3,8 - 4,5$ $89,5%$
Tổng $\text{Coliform}$ $\text{MPN/100mL}$ 22.222 3.000 $1.100 - 1.800$ $93,2%$

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu mang lại 3 cải tiến công nghệ then chốt cho xử lý môi trường tại nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng:

  1. Ứng dụng đệm vi sinh lưu động Mutag Biochip diện tích bề mặt cực cao ($> 3000\text{ m}^2/\text{m}^3$): Tăng mật độ vi sinh hoạt tính $\text{MLSS}$ lên mức $6.000 - 8.000\text{ mg/L}$ (gấp đôi so với aerotank thông thường), giúp giảm thể tích bể hiếu khí cần xây dựng tới $40%$.
  2. Cơ chế tuần hoàn nội bộ kết hợp đệm Anoxic cố định ($D = 150\text{ mm}$): Nâng cao hiệu suất phân hủy Nitrat lên $> 80%$, kiểm soát triệt để hiện tượng thiếu hụt nguồn cacbon hữu cơ trong nước thải sinh hoạt bằng cách điều tiết tỷ lệ hồi lưu linh hoạt ($150 - 200%$).
  3. Giảm thiểu phát sinh bùn dư: Thời gian lưu bùn ($\text{SRT}$) kéo dài trong màng biofilm giúp tăng cường quá trình tự phân hủy nội bào của vi sinh vật, giảm thể tích bùn thải cần ép cơ học xuống $30%$, tiết kiệm chi phí thuê đơn vị xử lý bùn công nghiệp.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống được thiết kế đồng bộ theo mô-đun khối bê tông cốt thép nguyên khối đặt chìm một phần, kích thước tổng thể $23\text{m} \times 4\text{m} \times 3,8\text{m}$, diện tích chiếm đất chỉ $92\text{ m}^2$ ngay cạnh khu vực nhà để xe và trạm bảo vệ của nhà máy Xi măng Đồng Bành.

Dự toán kinh phí đầu tư trạm xử lý nước thải 100 m³/ngày (VNĐ)

Chi phí vận hành thường xuyên ($\text{OPEX}$):

  • Chi phí điện năng tiêu thụ: $1,2\text{ kWh/m}^3 \times 100\text{ m}^3/\text{ngày} \times 2.000\text{ đ/kWh} = 240.000\text{ VNĐ/ngày}$.
  • Chi phí hóa chất ($\text{NaOCl}$ khử trùng, Polymer ép bùn): $85.000\text{ VNĐ/ngày}$.
  • Tổng chi phí xử lý trên $1\text{ m}^3$ nước thải: $\approx 4.500\text{ VNĐ/m}^3$, tối ưu hơn mức trung bình ngành ($6.000 - 7.500\text{ VNĐ/m}^3$).

Khả năng mở rộng công suất: Khi lượng công nhân viên tăng lên, trạm có thể nâng công suất lên $120 - 130\text{ m}^3/\text{ngày}$ chỉ bằng cách tăng tỷ lệ lấp đầy hạt đệm $\text{MBBR}$ từ $40%$ lên $60%$ thể tích bể mà không cần xây dựng mở rộng công trình xây dựng.

Hạn chế và hướng phát triển

Dự án ghi nhận các hạn chế kỹ thuật thực tế:

  • Màng vi sinh dính bám $\text{MBBR}$ đòi hỏi thời gian nuôi cấy vi sinh ban đầu kéo dài ($20 - 30\text{ ngày}$) để hình thành lớp màng ổn định trên bề mặt đệm nhựa sinh học.
  • Nồng độ dầu mỡ từ bếp ăn nếu không được thu gom định kỳ tại hố thu sẽ ảnh hưởng đến khả năng trao đổi oxy của đĩa bọt khí mịn.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Tích hợp cụm bồn lọc cát thạch anh kết hợp than hoạt tính áp lực sau bể lắng để tái sử dụng toàn bộ nước thải đã xử lý cho hoạt động dập bụi bãi nguyên liệu clinker và tưới cây khuôn viên $13.794\text{ m}^2$ của nhà máy.
  • Lắp đặt hệ thống cảm biến $\text{DO}$, $\text{pH}$, $\text{ORP}$ kết nối truyền dữ liệu tự động $\text{SCADA/IoT}$ về phòng điều khiển trung tâm để tối ưu hóa năng lượng cấp khí.

Đối tượng hưởng lợi

Hồ sơ thiết kế và kết quả nghiên cứu của đồ án mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống MBBR tại vùng miền núi Lạng Sơn là gì?

Cần đặc biệt lưu ý đến kết cấu móng trên nền đất cát sét pha sỏi dăm ($N_{\text{SPT}} \ge 20$), thành bể bê tông cốt thép chống thấm độ dày $\ge 200\text{ mm}$ chịu được biên độ nhiệt độ mùa đông xuống dưới $10^\circ\text{C}$ mà không làm suy giảm hoạt tính của chủng vi sinh hiếu khí.

2. Giới hạn tải trọng của giá thể MBBR và cách khắc phục khi bị sốc tải hữu cơ?

Đệm $\text{MBBR Mutag Biochip}$ chịu được tải nạp hữu cơ lên đến $15 - 25\text{ g BOD/m}^2.\text{ngày}$. Khi xảy ra sốc tải đột biến do mùa cao điểm sản xuất, hệ thống điều khiển tự động tăng cường công suất máy thổi khí dự phòng để duy trì nồng độ oxy hòa tan $\text{DO} \ge 3,0\text{ mg/L}$.

3. Phương án xử lý và quản lý bùn thải phát sinh từ trạm xử lý như thế nào?

Bùn sinh học dư từ bể lắng được bơm định kỳ về bể chứa bùn dung tích $23,75\text{ m}^3$ để nén trọng lực, sau đó qua máy ép bùn cơ học $\text{MPE}$ giảm độ ẩm xuống $\le 75%$. Bùn khô không nguy hại được tận dụng làm phân bón cây xanh hoặc phối trộn sản xuất đất đóng bao.

4. Hệ thống tiêu tốn bao nhiêu điện năng cho 1 mét khối nước thải xử lý?

Mức tiêu hao điện năng trung bình đạt $1,2\text{ kWh/m}^3$, tập trung chủ yếu ở máy thổi khí cấp cho bể $\text{Aerotank}$ ($P = 2,2\text{ kW}$) và máy bơm nước thải chìm ($P = 1,5\text{ kW}$). Hệ thống sử dụng biến tần điều khiển lưu lượng khí theo thời gian thực để tiết kiệm điện.

5. Chi phí đầu tư trạm xử lý nước thải 100 m³/ngày là bao nhiêu và thời gian thu hồi vốn?

Tổng mức đầu tư trọn gói là 1,42 tỷ VNĐ. Dự án giúp nhà máy giảm $100%$ chi phí xử phạt môi trường (khoảng $200 - 300\text{ triệu VNĐ/năm}$), nâng cao chỉ số xếp hạng doanh nghiệp xanh bền vững và hoàn vốn gián tiếp sau $4 - 5\text{ năm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho Công ty Cổ phần Xi măng Đồng Bành với công suất 100 m³/ngày" đã giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm nước thải tại một trong những nhà máy công nghiệp trọng điểm của tỉnh Lạng Sơn. Việc kết hợp sáng tạo giữa công nghệ sinh học thiếu khí $\text{Anoxic}$ và công nghệ màng sinh học lưu động $\text{MBBR}$ không chỉ giải quyết bài toán không gian xây dựng chật hẹp ($92\text{ m}^2$) mà còn đảm bảo chất lượng nước đầu ra ổn định đạt chuẩn $\text{QCVN 14:2008/BTNMT}$ (Cột A).

Giải pháp sở hữu tính khả thi cao, mức đầu tư $1,42\text{ tỷ VNĐ}$ hoàn toàn nằm trong năng lực tài chính của doanh nghiệp, mở ra mô hình xử lý nước thải chuẩn mực có thể nhân rộng cho các nhà máy công nghiệp sản xuất xi măng và khoáng sản trên toàn quốc. Các doanh nghiệp và kỹ sư quan tâm có thể tham khảo đầy đủ tập bản vẽ kỹ thuật thi công và thuyết minh tính toán thủy lực tại Khoa Môi trường - Trường Đại học Mỏ - Địa chất.