Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nước thải bệnh viện là nguồn thải chứa nhiều yếu tố ô nhiễm đặc thù, bao gồm các hợp chất hữu cơ, dinh dưỡng, hóa chất y tế và mật độ cao các vi sinh vật gây bệnh. Việc xả thải không qua xử lý đạt chuẩn đe dọa trực tiếp đến môi trường tiếp nhận và sức khỏe cộng đồng. Nhằm giải quyết yêu cầu kỹ thuật trên, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế trạm xử lý nước thải y tế với các nội dung cụ thể:

  • Lý do chọn đề tài: Nước thải bệnh viện gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và nguy hiểm đến tính mạng con người. Nhu cầu tìm kiếm giải pháp công nghệ phù hợp, xử lý triệt để nước thải bệnh viện đạt tiêu chuẩn cho phép trước khi xả ra nguồn tiếp nhận là đòi hỏi cấp thiết từ thực tiễn quản lý môi trường. Trong các công nghệ hiện hành, công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến nhất.
  • Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải bệnh viện đạt tiêu chuẩn Việt Nam loại A với công suất 500 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ để xả vào nguồn tiếp nhận.
  • Nhiệm vụ nghiên cứu:
    1. Đánh giá về thành phần, tính chất nước thải bệnh viện.
    2. Nêu và phân tích các phương pháp, công nghệ xử lý nước thải bệnh viện hiện hành.
    3. Đề xuất các phương án công nghệ, lựa chọn phương án tối ưu và tính toán chi tiết các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý được chọn.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
    • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải phát sinh từ các hoạt động y tế và sinh hoạt của bệnh viện (số liệu phân tích cụ thể lấy từ Trung tâm Phục hồi chức năng).
    • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn công suất thiết kế trạm xử lý ở mức $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, quy chuẩn nước đầu ra hướng tới đạt loại A theo tiêu chuẩn Việt Nam để xả vào nguồn tiếp nhận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học (hiếu khí, kỵ khí, thiếu khí) kết hợp xử lý cơ học và khử trùng hóa chất.

  • Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng:
    • Cơ chế phân hủy kỵ khí dòng chảy ngược qua tầng bùn (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB) và cơ chế oxy hóa sinh hóa hiếu khí lơ lửng của bùn hoạt tính (Aerotank).
    • Các mô hình công nghệ tham chiếu: Hệ thống xử lý phân tán DEWATS của Hiệp hội BORDA (Đức); công nghệ xử lý hợp khối V-69 và CN-2000 của Trung tâm Tư vấn - Chuyển giao công nghệ nước sạch và môi trường (CTC); hệ thống module BIOFAST Serie ATC của PETECH Corp.
    • Văn bản tiêu chuẩn, quy chuẩn viện dẫn: TCVN 6772-2000 (Mức I) đối với chất lượng nước thải sinh hoạt/y tế; TCVN 5945-2005 (Loại A) đối với nước thải công nghiệp; Tiêu chuẩn thiết kế TCXD-51-84 (các điều khoản 6.a, 6.2, 6.3, 6.5 liên quan đến thiết kế bể lắng cát, bể lắng hai vỏ và công trình xử lý sinh học); tài liệu kỹ thuật Industrial Water Pollution Control (W. Wesley Eckenfelder, 1989).
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp thu thập số liệu và tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu lý thuyết, giáo trình chuyên ngành và các tiêu chuẩn môi trường hiện hành.
    • Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát quy trình công nghệ và thiết bị xử lý nước thải thực tế tại ba bệnh viện: Bệnh viện Chợ Rẫy, Bệnh viện Nhân dân Gia Định và Bệnh viện Ung Bướu.
    • Phương pháp tính toán kỹ thuật: Ứng dụng các công thức tính toán thủy lực, động học phản ứng sinh hóa và thông số thực nghiệm pilot (đối với bể UASB) để xác định kích thước công trình, thiết bị phụ trợ và lượng bùn, khí sinh học phát sinh.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thành phần hóa lý và vi sinh của nước thải thô được trích xuất từ kết quả đo đạc tại Trung tâm Phục hồi chức năng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nước thải bệnh viện

Chương 1 trình bày nguồn gốc phát sinh và bản chất ô nhiễm của nước thải y tế:

  • Nguồn gốc: Nước thải bắt nguồn từ hoạt động sinh hoạt của bệnh nhân, người nuôi bệnh, cán bộ công nhân viên; nước thải từ phòng pha chế thuốc, tẩy khuẩn, lau chùi phòng làm việc và phòng bệnh nhân.
  • Thành phần và tính chất: Nước thải chứa nồng độ cao các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng (N, P), chất rắn lơ lửng (TSS) và nhiều vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm như Salmonella, tụ cầu, liên cầu, virus đường tiêu hóa, bại liệt, amip, nấm, ký sinh trùng cùng các mầm bệnh trong máu, mủ, dịch, đờm, phân. Phân tích chỉ ra rằng 80% lượng nước thải mang tính chất tương tự nước thải sinh hoạt thông thường, trong khi 20% còn lại là chất thải nguy hại (hóa chất phẫu thuật, lọc máu, bảo quản xét nghiệm, thuốc ung thư có khả năng gây quái thai, biến dị).
STT Thông số ô nhiễm Đơn vị Kết quả phân tích TCVN 6772-2000 (Mức I)
1 pH - 6,0 5 - 9
2 $\text{BOD}_5$ $\text{mg O}_2/\text{l}$ 493 30
3 COD $\text{mg O}_2/\text{l}$ 420 -
4 TSS $\text{mg/l}$ 263 50
5 Tổng Nitơ Kjeldahl ($\text{N}_K$) $\text{mg/l}$ 65 -
6 Tổng Photpho (P) $\text{mg/l}$ 12 -
7 $\text{NO}_3^-$ $\text{mg/l}$ 0,18 30
8 Tổng Coliforms $\text{KL}/100\text{ml}$ $4,9 \times 10^6$ 1.000

Chương 2: Một số công nghệ xử lý nước thải bệnh viện đã được áp dụng

Tác giả khảo cứu 6 nhóm giải pháp kỹ thuật đã và đang ứng dụng trong xử lý nước thải bệnh viện:

  1. Ao hồ sinh học: Dựa vào khả năng tự làm sạch tự nhiên của nước và thủy sinh. Bao gồm:
    • Hồ kỵ khí: Sâu 2,4 - 3,6 m, đặt cách ly khu dân cư 1,5 - 2 km, có 2 ngăn làm việc luân phiên để xả bùn.
    • Hồ hiếu - kỵ khí (Facultative): Sâu 0,9 - 1,5 m, tỷ lệ dài:rộng từ 1:1 đến 2:1, gồm 3 vùng phân tầng (hiếu khí mặt, trung gian, kỵ khí đáy). Đáy thấm cần phủ đất sét dày 15 cm.
    • Hồ hiếu khí: Loại thoáng tự nhiên sâu 30 - 40 cm, tải trọng 250 - 300 $\text{kg BOD/ha}$, thời gian lưu 3 - 12 ngày; loại làm thoáng nhân tạo sâu 2 - 4,5 m, tải trọng 400 $\text{kg BOD/ha}$, lưu 1 - 3 ngày.
  2. Bể phản ứng sinh học hiếu khí (Aeroten): Quá trình xử lý bùn hoạt tính lơ lửng, thời gian lưu nước 4 - 8 giờ (không quá 12 giờ). Quá trình oxy hóa diễn ra qua 3 giai đoạn: giai đoạn 1 tiêu thụ oxy mạnh (gấp 3 lần giai đoạn 2); giai đoạn 2 phân hủy hữu cơ ổn định với hoạt lực enzym cực đại; giai đoạn 3 nitrat hóa muối amon. Hiệu quả xử lý BOD đạt 80 - 95%. Độ ẩm bùn từ 98 - 99%, trong đó sinh khối vi sinh vật chiếm 70% cặn bùn và hàm lượng protein tế bào chiếm 60 - 80% chất khô.
  3. Công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt (Biofilter): Bể lọc vật liệu tiếp xúc không ngập nước, đường kính hạt vật liệu 25 - 30 mm, tải trọng tưới 0,5 - 1,0 $\text{m}^3/(\text{m}^3.\text{VLL})$. Đáy kép cao 0,4 - 0,6 m, độ dốc máng thu $I \ge 0,01$. Nước sau xử lý có $\text{BOD} \le 15\text{ mg/l}$, nồng độ cặn bùn thấp hơn Aeroten ($< 500\text{ mg/l}$), tải trọng bề mặt bể lắng 2 đạt 16 - 25 $\text{m}^3/\text{m}^2$.
  4. Công nghệ xử lý theo nguyên lý hợp khối: Tích hợp quá trình thiếu khí, hiếu khí và lắng lamen bản mỏng; sử dụng chất keo tụ PACN-95 và chế phẩm vi sinh DW-97-H (tổ hợp vi khuẩn, nấm sợi, nấm men, xạ khuẩn cùng enzym protease, amylase, cellulase giúp tăng tốc độ phân hủy hữu cơ 7 - 9 lần). Trung tâm CTC chế tạo 2 dòng thiết bị: model V-69 (thiết kế từ năm 1997 tại Viện V-69 thuộc Bộ Tư lệnh Bảo vệ Lăng) và model CN-2000 (tháp sinh học cấp khí ngắt quãng, công suất 120 - 150 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, xử lý dòng vào có $\text{BOD}_5/\text{COD} \ge 0,5$ và $\text{BOD} \le 350\text{ mg/l}$).
  5. Mô hình DEWATS (BORDA): Hệ thống phân tán cho quy mô dưới 1000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ với 4 bậc: lắng sơ bộ bậc 1; xử lý bậc 2 kỵ khí gồm bể phản ứng vách ngăn (BR) và bể lắng kỵ khí (AF) ngầm dưới đất; xử lý bậc 3 hiếu khí bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang; bậc 4 khử trùng bằng hồ chỉ thị hoặc hóa chất. Nước ra đạt TCVN 5945-2005 Loại A.
  6. Hệ thống BIOFAST Serie ATC (PETECH Corp): Chế tạo dạng container thép không gỉ SUS 304 hoặc composite, phục vụ bệnh viện 30 - 1000 giường. Tích hợp 4 công nghệ: cơ cấu vi sinh nhiều ngăn EMPerfect (tăng hiệu quả gấp 6 lần, giảm 75% diện tích mặt bằng, thu gom khí hôi khử bằng ozone); bể siêu sục khí SupAero với máy đánh bọt 2000 vòng/phút (hiệu ứng Bio-Kinetic tăng oxy hóa 5 - 10 lần, giảm 80% thể tích bể và tiết kiệm 20% điện); hệ thống ozone thông minh SmartO3 Serie Z (tiết kiệm 30% điện); hệ thống điều khiển và giám sát từ xa RmS (Remote mini SCADA).

Chương 3: Hình ảnh thực tế trạm xử lý nước thải tại một số bệnh viện

Tác giả ghi nhận hiện trạng trang thiết bị tại ba cơ sở y tế:

  • Bệnh viện Chợ Rẫy: Bồn chứa dung dịch khử trùng clo.
  • Bệnh viện Nhân dân Gia Định: Máy cấp khí, bình sục khí clo, nhà điều hành trạm xử lý và bể tiếp xúc clo.
  • Bệnh viện Ung Bướu: Bồn pha trộn hóa chất, máy cấp khí, hầm chứa nước thải sau xử lý. Dây chuyền công nghệ gồm chuỗi công trình: Bể tiếp nhận $\rightarrow$ Tháp sinh học $\rightarrow$ Bể lọc khử Nitơ $\rightarrow$ Bể lọc áp lực $\rightarrow$ Bể lọc than hoạt tính (THT) $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.

Chương 4: Đề xuất các phương án xử lý nước thải bệnh viện

Căn cứ vào lưu lượng $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, chất lượng nước thải đầu vào, yêu cầu nước đầu ra đạt loại A, tác giả thiết lập và so sánh 3 phương án công nghệ:

Tiêu chí so sánh Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3 (Được chọn)
Dây chuyền công nghệ Song chắn rác $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 1 $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Bể khử trùng. Song chắn rác $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 1 $\rightarrow$ Bể UASB $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Bể khử trùng. Song chắn rác $\rightarrow$ Bể lắng cát $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 2 vỏ $\rightarrow$ Bể UASB $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Bể khử trùng.
Xử lý bùn Lắng 2 tuần hoàn, bùn dư qua Bể nén bùn $\rightarrow$ Sân phơi bùn. Lắng 2 tuần hoàn, bùn dư qua Bể nén bùn $\rightarrow$ Sân phơi bùn. Bùn lắng 2 vỏ chôn lấp; bùn lắng 2 tuần hoàn một phần về Aerotank, phần dư qua Bể nén bùn $\rightarrow$ san lấp/làm phân bón.
Ưu điểm Công nghệ và vận hành đơn giản; chi phí đầu tư ban đầu thấp (bê tông cốt thép). Vận hành đơn giản; chi phí đầu tư thấp; thu hồi được khí $\text{CH}_4$ (70 - 80%). Hiệu quả xử lý cao do kết hợp kỵ khí và hiếu khí; tiêu hao ít năng lượng; chi phí vận hành thấp; ít sinh bùn dư; thu hồi khí $\text{CH}_4$.
Khuyết điểm Vi sinh vật phát triển chậm, sinh khối thấp; hiệu quả xử lý hữu cơ không cao. Thời gian khởi động bể UASB lâu; khó kiểm soát trạng thái bùn hạt; hiệu quả tổng thể thấp. Thời gian khởi động bể UASB lâu; đòi hỏi kiểm soát kỹ trạng thái và kích thước hạt bùn.

Lựa chọn phương án: Phương án 3 được chọn là giải pháp tối ưu vì đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại A, cân đối giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí vận hành.

Chương 5: Tính toán các công trình đơn vị phương án 3

Chương 5 tập trung tính toán kích thước hình học, thông số công nghệ và thiết bị cho từng công trình đơn vị thuộc Phương án 3 với lưu lượng $Q = 500\text{ m}^3/\text{ngày đêm} = 20,8\text{ m}^3/\text{h} = 0,0058\text{ m}^3/\text{s}$.

  1. Song chắn rác:
    • Độ dốc mương $I = 0,008$, chiều rộng mương $B = 0,2\text{ m}$, vận tốc dòng chảy trước song chắn $v = 0,6\text{ m/s}$, độ sâu dòng nước $h_1 = 0,1\text{ m}$.
    • Khe hở song chắn $b = 16\text{ mm}$, bề dày thanh chắn $s = 8\text{ mm}$, góc nghiêng $\alpha = 45^\circ$, hệ số cản $\xi = 0,679$ (với $\beta = 2,42$).
    • Số khe hở tính toán: $n = 6$ khe; số thanh chắn $m = 5$ thanh; chiều rộng song chắn $B_s = 0,152\text{ m}$. Vận tốc kiểm tra đạt $0,42\text{ m/s} > 0,4\text{ m/s}$ (tránh lắng đọng cặn).
    • Tổn thất áp lực $h_s = 0,044\text{ m}$ ($4,4\text{ cm}$). Chiều dài mương đặt song chắn $L = 0,605\text{ m}$; chiều sâu xây dựng mương $H = 0,644\text{ m}$ (chiều cao bảo vệ $h_{bv} = 0,5\text{ m}$).
    • Lượng rác giữ lại: $0,076\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ ($54,75\text{ kg/ngày đêm}$, tỷ trọng $750\text{ kg/m}^3$), vớt rác thủ công đem chôn lấp. Hiệu suất giảm 4% TSS và $\text{BOD}_5$ (TSS còn $252,48\text{ mg/l}$; $\text{BOD}_5$ còn $473,3\text{ mg/l}$).
  2. Bể lắng cát ngang:
    • Thời gian lưu nước $t = 60\text{ s}$, thể tích hữu ích $W_b = 0,348\text{ m}^3$.
    • Đường kính hạt cát cần giữ $d = 0,2\text{ mm}$ (độ thô thủy lực $U_0 = 18,7\text{ mm/s}$), chiều sâu công tác $H_{tt} = 0,25\text{ m}$. Chiều dài bể $L = 6,82\text{ m}$.
    • Bể chia thành 2 đơn nguyên hoạt động luân phiên, chiều rộng mỗi đơn nguyên $B = 0,08\text{ m}$. Thể tích ngăn chứa cặn $W_c = 0,14\text{ m}^3$ (chu kỳ xả cát 2 ngày, tiêu chuẩn $P = 0,02\text{ l/người.ngày}$, dân số tính toán $N = 3500$ người). Chiều cao lớp cát $h_c = 0,26\text{ m}$; chiều cao xây dựng tổng thể $H_{xd} = 1,76\text{ m}$.
    • Hiệu suất giảm 5% TSS và $\text{BOD}_5$ (TSS còn $239,98\text{ mg/l}$; $\text{BOD}_5$ còn $449,64\text{ mg/l}$).
  3. Bể điều hòa:
    • Thời gian lưu nước $t = 8\text{ h}$, thể tích bể $W = 166,4\text{ m}^3$. Chiều sâu công tác $h = 4\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $h_{bv} = 0,5\text{ m}$, chiều cao xây dựng $H = 4,5\text{ m}$. Diện tích mặt bằng $F = 37\text{ m}^2$. Chia làm 2 ngăn thông nhau, kích thước mỗi ngăn: dài 5 m, rộng 3,5 m, sâu 4,5 m.
    • Hệ thống cấp khí xáo trộn: Suất cấp khí $a = 3,74\text{ m}^3\text{ khí/m}^3\text{ nước thải}$, lưu lượng khí cần cấp $L_{\text{khí}} = 77,79\text{ m}^3/\text{h}$. Mỗi ngăn bố trí 2 ống thép đục lỗ đặt dọc bể, đường kính ống $\Phi 21\text{ mm}$. Đường kính lỗ đục $d = 4\text{ mm}$, vận tốc khí qua lỗ $15\text{ m/s}$, bố trí 12 lỗ/ống (mật độ 3 lỗ/m chiều dài).
    • Hàm lượng $\text{BOD}_5$ giảm 5%, còn lại $427,15\text{ mg/l}$.
  4. Bể lắng hai vỏ (Bể Imhoff):
    • Máng lắng: Thời gian lắng $t = 1,5\text{ h}$, thể tích máng lắng $W_m = 31,32\text{ m}^3$. Tiết diện ướt máng hình chữ nhật kết hợp đáy nghiêng $50^\circ$: chiều rộng $b = 2\text{ m}$, chiều cao phần chữ nhật $h_1 = 0,5\text{ m}$, chiều cao phần tam giác $h_2 = 1,2\text{ m}$. Chiều dài máng bằng đường kính bể hình tròn $D = L = 7,12\text{ m}$. Tốc độ lắng $u = 0,55\text{ m/h} = 0,2\text{ mm/s}$. Tỷ lệ diện tích mặt thoáng tự do đạt 28% (thỏa mãn quy chuẩn 20 - 50%).
    • Ngăn bùn: Thể tích tính toán $W = 45,5\text{ m}^3$ (ở $25^\circ\text{C}$, định mức $10\text{ l/người}$, hệ số mở rộng $K = 1,3$). Lượng bùn khô sinh ra mỗi ngày $M_{\text{bùn}} = 47,99\text{ kg/ngày}$; thể tích bùn ướt $V_{\text{bùn}} = 0,6\text{ m}^3/\text{ngày}$ (hàm lượng cặn $80\text{ kg/m}^3$). Đáy hình nón góc nghiêng $30^\circ$, chiều cao nón $h_n = 1,9\text{ m}$, đường kính đáy nhỏ $d = 0,54\text{ m}$, thể tích nón $W_n = 27,3\text{ m}^3$.
    • Chiều cao xây dựng tổng cộng $H_{xd} = 6,5\text{ m}$ (gồm $h_1=0,5\text{ m}$, $h_2=1,2\text{ m}$, lớp trung hòa $h_3=0,5\text{ m}$, khoảng vượt $h_4=0,4\text{ m}$, chiều cao phần trụ $h_{tr}=2\text{ m}$, chiều cao đáy nón $h_n=1,9\text{ m}$).
    • Hiệu quả: TSS giảm 40% (còn $144\text{ mg/l} < 150\text{ mg/l}$, đáp ứng điều kiện nạp vào công trình sinh học); $\text{BOD}_5$ giảm 15% (còn $363,1\text{ mg/l}$).
  5. Bể UASB:
    • Thông số thực nghiệm pilot: Tải trọng thể tích $L_0 = 3\text{ kg COD/m}^3.\text{ngày}$, tải trọng bề mặt lắng $12\text{ m}^3/\text{m}^2.\text{ngày}$, nồng độ bùn ban đầu $30\text{ kg SS/m}^3$ (tỷ lệ $\text{MLVSS/MLSS} = 0,75$), hệ số sản sinh tế bào $Y = 0,04\text{ g VSS/g COD}$, hệ số phân hủy nội sinh $k_d = 0,025\text{ ngày}^{-1}$, thời gian lưu bùn $t_c = 60\text{ ngày}$.
    • Kích thước: Diện tích mặt bằng $F = 35\text{ m}^2$ (vận tốc dâng bùn $0,6\text{ m/h}$), thể tích vùng phản ứng $V_r = 70\text{ m}^3$. Bể chia 2 đơn nguyên hình vuông, cạnh mỗi đơn nguyên $W = 4,6\text{ m}$. Chiều cao vùng phản ứng $H = 1,7\text{ m}$, chiều cao phễu thu khí $h_p = 1,5\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $h_{bv} = 0,3\text{ m}$; tổng chiều cao xây dựng $H_{tc} = 3,5\text{ m}$. Thời gian lưu nước trong bể là 6 giờ.
    • Lượng bùn nuôi cấy ban đầu nạp vào ($TS = 5%$): $42.000\text{ kg}$ (42 tấn).
    • Ngăn lắng và tách khí: Chiều cao ngăn lắng $H_{\text{lắng}} = 1,4\text{ m}$ (chiếm 40% tổng chiều cao bể), thời gian lưu nước trong ngăn lắng $t = 1,5\text{ h} > 1\text{ h}$. Bố trí 2 phễu thu khí (kích thước đáy $4,6 \times 1,9\text{ m}$, khe hở thu khí rộng $0,19\text{ m}$, chiếm 17% diện tích mặt bằng) và 4 tấm hướng dòng nghiêng $60^\circ$ so với phương ngang.
    • Sản phẩm phụ: Sinh khối tế bào $P_x = 2,2\text{ kg VS/ngày}$; lượng bùn dư $Q_w = 0,1\text{ m}^3/\text{ngày}$ ($3\text{ kg SS/ngày}$); lượng khí metan sinh ra lý thuyết $V_{\text{CH}_4} = 46,793\text{ m}^3/\text{ngày}$.
    • Hệ thống đường ống và lấy mẫu: Ống chính PVC $\Phi 110\text{ mm}$ ($v = 1\text{ m/s}$), 2 ống nhánh $\Phi 63\text{ mm}$, 4 ống nhánh nhỏ $\Phi 40\text{ mm}$, ống dẫn sang Aerotank $\Phi 125\text{ mm}$ ($v = 0,5\text{ m/s}$). Dọc chiều cao bể lắp 5 van lấy mẫu PVC $\Phi 25\text{ mm}$ đặt cách nhau $0,7\text{ m}$ (van đáy cách đáy $0,5\text{ m}$).
    • Hiệu quả khử: COD giảm 65% (còn $147\text{ mg/l}$); $\text{BOD}_5$ đầu vào $363,1\text{ mg/l}$, hiệu suất xử lý $75%$, giá trị tính toán đầu ra của bể UASB được văn bản ghi nhận là $272,31\text{ mg/l}$.
  6. Bể Aerotank:
    • Nhiệm vụ: Phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan và lơ lửng còn lại.
    • Thông số đầu vào: Lưu lượng $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, $\text{BOD}_5 = 272,31\text{ mg/l}$, $\text{COD} = 147\text{ mg/l}$, $\text{SS} = 144\text{ mg/l}$.
    • Hiệu quả xử lý BOD thiết kế đạt 90%, nồng độ $\text{BOD}_5$ sau xử lý đạt $27,231\text{ mg/l}$ (đáp ứng tiêu chuẩn xả thải loại A: $\text{BOD}_5 \le 30\text{ mg/l}$).
    • Thông số công nghệ định mức cho Aerotank xáo trộn hoàn toàn: Thời gian lưu bùn $\theta_c = 5 - 15\text{ ngày}$; nồng độ bùn hoạt tính $\text{MLSS} = 2500 - 4000\text{ mg/l}$; thời gian lưu nước $W/Q = 3 - 5\text{ h}$; tỷ số tuần hoàn bùn hoạt tính $Q_{th}/Q = 0,8$.
  7. Khử trùng: Nước sau bể lắng 2 được dẫn qua bể khử trùng bằng dung dịch Chlorine 5% với liều lượng cung cấp ổn định từ 3 - 15 mg/l qua bơm định lượng hóa chất, đảm bảo tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh và hạn chế mùi hôi.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Hệ thống xử lý nước thải bệnh viện công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ được thiết lập theo chuỗi dây chuyền kỹ thuật khép kín, phân bổ cụ thể theo bảng tổng hợp kích thước và thông số vận hành dưới đây:

Hạng mục công trình Số đơn nguyên Kích thước hình học ($L \times B \times H$ hoặc $D \times H$) Thông số kỹ thuật / Thiết bị đi kèm
Mương song chắn rác 1 $0,605\text{ m} \times 0,20\text{ m} \times 0,644\text{ m}$ 5 thanh chắn chữ nhật ($s=8\text{ mm}$, nghiêng $45^\circ$, 6 khe hở $16\text{ mm}$); cào rác thủ công.
Bể lắng cát ngang 2 $6,82\text{ m} \times 0,08\text{ m} \times 1,76\text{ m}$ Vận tốc $0,15\text{ m/s}$; chu kỳ xả cát 2 ngày; thể tích cặn cát $0,14\text{ m}^3$.
Bể điều hòa 2 ngăn $5,0\text{ m} \times 3,5\text{ m} \times 4,5\text{ m}$ Thể tích $166,4\text{ m}^3$; cấp khí xáo trộn $77,79\text{ m}^3/\text{h}$ qua 4 ống thép $\Phi 21\text{ mm}$ đục lỗ $\Phi 4\text{ mm}$.
Bể lắng hai vỏ 1 Đường kính $D = 7,12\text{ m}$, chiều cao $H_{xd} = 6,5\text{ m}$ 2 máng lắng rộng $2\text{ m}$; ngăn bùn đáy nón $30^\circ$ ($h_n=1,9\text{ m}$); thể tích bùn ướt $0,6\text{ m}^3/\text{ngày}$.
Bể UASB 2 Mỗi đơn nguyên $4,6\text{ m} \times 4,6\text{ m} \times 3,5\text{ m}$ Tải trọng $3\text{ kg COD/m}^3.\text{ngày}$; 2 phễu thu khí đáy $4,6 \times 1,9\text{ m}$; 4 tấm hướng dòng $60^\circ$; thu $46,793\text{ m}^3\text{ CH}_4/\text{ngày}$; 5 van lấy mẫu $\Phi 25\text{ mm}$.
Bể Aerotank 1 trạm Tính toán xáo trộn hoàn toàn Hiệu suất khử BOD 90%; $\text{MLSS} = 2500 - 4000\text{ mg/l}$; tỷ số tuần hoàn bùn 0,8.
Hệ thống khử trùng 1 Bể tiếp xúc khử trùng Bơm định lượng dung dịch Chlorine nồng độ 5%, liều lượng hóa chất châm từ 3 - 15 mg/l.

Dây chuyền kỹ thuật vận hành theo nguyên lý trọng lực kết hợp bơm cưỡng bức: nước thải qua mương chắn rác và bể lắng cát loại bỏ rác thô và cặn vô cơ nặng; qua bể điều hòa để ổn định nồng độ và lưu lượng bằng hệ thống sục khí nén; lắng sơ bộ và lên men kỵ khí một phần bùn tại bể lắng hai vỏ; đi vào đáy bể UASB phân hủy kỵ khí sâu; tiếp tục qua bể Aerotank phân hủy hiếu khí triệt để; lắng bùn sinh học tại bể lắng đợt 2 (tuần hoàn 80% bùn về Aerotank) và khử trùng bằng Chlorine trước khi xả ra môi trường.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả đạt được:
    • Xác định rõ đặc tính ô nhiễm của dòng thải y tế với hàm lượng chất hữu cơ cao ($\text{BOD}_5 = 493\text{ mg/l}$, $\text{COD} = 420\text{ mg/l}$) và mật độ vi khuẩn Coliforms lên tới $4,9 \times 10^6\text{ KL/100ml}$.
    • Tính toán hoàn chỉnh kích thước xây dựng, thông số thủy lực và thiết bị cho hệ thống xử lý công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, đưa nồng độ $\text{BOD}_5$ từ $493\text{ mg/l}$ qua các bậc xử lý giảm dần xuống $473,3\text{ mg/l}$ (sau song chắn rác), $449,64\text{ mg/l}$ (sau lắng cát), $427,15\text{ mg/l}$ (sau bể điều hòa), $363,1\text{ mg/l}$ (sau lắng hai vỏ), $272,31\text{ mg/l}$ (sau bể UASB) và kết thúc tại bể Aerotank đạt $27,231\text{ mg/l}$ ($< 30\text{ mg/l}$, thỏa mãn TCVN loại A).
    • Xác lập chi tiết các thông số phát thải thứ cấp: lượng rác giữ lại $54,75\text{ kg/ngày đêm}$, thể tích cát lắng $0,14\text{ m}^3/2\text{ ngày}$, lượng bùn sinh học kỵ khí $0,1\text{ m}^3/\text{ngày}$ ($3\text{ kg SS/ngày}$) và sản lượng khí metan thu hồi đạt $46,793\text{ m}^3/\text{ngày}$.
  • Đóng góp về mặt giải pháp:
    • Chứng minh tính hợp lý của phương án kết hợp quá trình kỵ khí UASB trước quá trình hiếu khí Aerotank cho nước thải y tế, giúp giảm áp lực cấp khí cho Aerotank, tiết kiệm năng lượng điện và giảm khối lượng bùn dư phát sinh.
    • Đề xuất giải pháp quản lý chất thải khép kín: thu gom khí $\text{CH}_4$ phục vụ nhu cầu năng lượng; tận dụng bùn hữu cơ sau khi nén tách nước làm phân bón hoặc san lấp; nước tách bùn được tuần hoàn trở lại bể điều hòa để xử lý triệt để, không xả thải trực tiếp ra ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Thời gian khởi động ban đầu của bể UASB kéo dài; việc kiểm soát kích thước, mật độ và sự ổn định của hạt bùn kỵ khí trong thực tế vận hành phức tạp, dễ bị ảnh hưởng nếu nồng độ chất độc hại trong nước thải biến động.
    • Số liệu khảo sát đầu vào mới dừng lại ở một cơ sở đặc thù (Trung tâm Phục hồi chức năng), chưa phản ánh toàn diện sự biến thiên của nước thải ở các bệnh viện đa khoa lớn có quy mô phẫu thuật và xét nghiệm chuyên sâu.
    • Nội dung đồ án tập trung vào tính toán công nghệ các đơn vị chính; các hạng mục phụ trợ như bể lắng đợt 2, bể nén bùn và sân phơi bùn chưa được thể hiện đầy đủ các bước tính toán chi tiết trong văn bản.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu ứng dụng các chế phẩm vi sinh chuyên dụng nhằm rút ngắn thời gian khởi động và đẩy nhanh quá trình tạo hạt bùn hoạt tính trong bể UASB đối với nước thải y tế.
    • Khảo sát bổ sung các giải pháp tiền xử lý hoặc tách riêng 20% dòng thải nguy hại (chứa dư lượng thuốc kháng sinh, thuốc ung thư, hóa chất xét nghiệm, chất phóng xạ) ngay tại nguồn phát sinh trước khi đưa vào hệ thống xử lý sinh học tập trung.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật phù hợp cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường, Kỹ thuật hạ tầng đô thị cũng như các kỹ sư thiết kế công trình xử lý nước thải y tế. Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật bao gồm:

  1. Quy trình tính toán thủy lực bể lắng hai vỏ (Imhoff): Cung cấp đầy đủ công thức xác định kích thước máng lắng, diện tích mặt thoáng tự do (đạt 28%), chiều cao hình nón đáy nghiêng $30^\circ$ và thể tích ngăn lên men cặn kỵ khí theo tiêu chuẩn TCXD-51-84.
  2. Phương pháp thiết kế bể UASB xử lý nước thải bệnh viện: Toàn bộ quá trình tính toán diện tích vùng phản ứng, hệ thống phễu tách khí hai tầng, tấm hướng dòng nghiêng $60^\circ$, hệ thống dàn ống phân phối nước đục lỗ PVC và công thức xác định lưu lượng khí $\text{CH}_4$ thu hồi dựa trên phương trình chuyển hóa lý thuyết.
  3. Tài liệu tổng quan công nghệ y tế: Phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống xử lý nước thải tiên tiến (DEWATS, BIOFAST Serie ATC với bể SupAero và hệ khử trùng ozone SmartO3, công nghệ hợp khối V-69 và CN-2000).

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải bệnh viện trong nghiên cứu có những đặc trưng ô nhiễm nào đáng lưu ý so với nước thải sinh hoạt thông thường?
Theo kết quả phân tích tại Trung tâm Phục hồi chức năng, nước thải có độ bẩn hữu cơ cao với $\text{BOD}_5$ đạt $493\text{ mg/l}$ (vượt xa tiêu chuẩn TCVN 6772-2000 Mức I là $30\text{ mg/l}$), $\text{COD}$ đạt $420\text{ mg/l}$, $\text{TSS}$ là $263\text{ mg/l}$ và đặc biệt Coliforms đạt mức $4,9 \times 10^6\text{ KL/100ml}$ (tiêu chuẩn cho phép là $1000\text{ KL/100ml}$). Dù 80% lưu lượng có tính chất tương tự nước thải sinh hoạt, 20% lượng nước thải nguy hại còn lại chứa nhiều mầm bệnh lây nhiễm, hóa chất điều trị và chế phẩm thuốc ung thư có nguy cơ gây đột biến nếu không được xử lý triệt để.

2. Tại sao tác giả lựa chọn Phương án 3 (kết hợp kỵ khí UASB và hiếu khí Aerotank) thay vì chỉ sử dụng một bậc sinh học hiếu khí như Phương án 1?
Phương án 1 (chỉ dùng Aerotank) có khuyết điểm là sinh khối phát triển chậm, hiệu quả xử lý hữu cơ không cao khi tải lượng ô nhiễm lớn và tiêu tốn nhiều năng lượng sục khí. Phương án 3 kết hợp bể UASB phía trước giúp phân hủy phần lớn nồng độ COD/BOD (khử 65% COD), giảm tải trọng hữu cơ nạp vào bể Aerotank phía sau, sinh ra ít bùn dư hơn nhiều so với hệ hiếu khí, tiết kiệm chi phí điện năng vận hành và tận dụng được $46,793\text{ m}^3\text{ CH}_4/\text{ngày}$ làm năng lượng.

3. Bể lắng hai vỏ trong hệ thống đóng vai trò gì và kích thước xây dựng được xác định ra sao?
Bể lắng hai vỏ đảm nhiệm hai chức năng: lắng cơ học chất lơ lửng ở máng lắng phía trên và lên men phân hủy kỵ khí cặn lắng ở ngăn bùn đáy nón phía dưới. Với công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, bể được thiết kế dạng tròn đường kính $7,12\text{ m}$, chiều cao xây dựng $6,5\text{ m}$, gồm 2 máng lắng rộng $2\text{ m}$ (nghiêng $50^\circ$, vận tốc lắng $0,55\text{ m/h}$) và ngăn bùn đáy nón nghiêng $30^\circ$ (chiều cao nón $1,9\text{ m}$, thể tích nón $27,3\text{ m}^3$). Bể giúp giảm 40% TSS (đưa nồng độ xuống $144\text{ mg/l} < 150\text{ mg/l}$) và giảm 15% $\text{BOD}_5$.

4. Thiết kế công nghệ của bể UASB trong đồ án có các thông số kỹ thuật đặc thù nào?
Bể UASB gồm 2 đơn nguyên vuông cạnh $4,6\text{ m}$, chiều cao xây dựng $3,5\text{ m}$ (chiều cao vùng phản ứng $1,7\text{ m}$, vùng lắng $1,4\text{ m}$), nạp ban đầu 42 tấn bùn kỵ khí. Bể duy trì tốc độ dâng bùn $0,6\text{ m/h}$, thời gian lưu nước 6 giờ, trang bị 2 phễu thu khí (khe thu chiếm 17% diện tích mặt bằng), 4 tấm hướng dòng nghiêng $60^\circ$ và 5 van lấy mẫu kiểm tra bùn $\Phi 25\text{ mm}$ đặt cách nhau $0,7\text{ m}$ dọc chiều cao thân bể.

5. Giải pháp khử trùng nước thải trước khi thải ra nguồn tiếp nhận được thiết kế như thế nào?
Nước thải sau khi qua bể lắng 2 được dẫn sang bể khử trùng để tiêu diệt triệt để các vi khuẩn đường ruột và mầm bệnh lây nhiễm. Tác giả đề xuất sử dụng dung dịch Chlorine nồng độ 5%, châm ổn định vào dòng nước qua bơm định lượng hóa chất với liều lượng từ 3 - 15 mg/l. Phương pháp này vừa đảm bảo loại bỏ Coliforms đạt chuẩn loại A, vừa hỗ trợ khử mùi hôi tồn đọng trước khi xả ra môi trường tiếp nhận.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế hệ thống xử lý nước thải bệnh viện công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ đạt tiêu chuẩn Việt Nam loại A trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Thông qua việc phân tích toàn diện thành phần ô nhiễm và đánh giá các công nghệ thực tế, tác giả đã lựa chọn và chứng minh tính ưu việt của dây chuyền kết hợp cơ học, kỵ khí (UASB), hiếu khí (Aerotank) và khử trùng bằng clo. Toàn bộ các công trình đơn vị từ song chắn rác, bể lắng cát, bể điều hòa, bể lắng hai vỏ đến bể UASB và Aerotank đều được tính toán kích thước, thủy lực và thiết bị phụ trợ đầy đủ. Đây là tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy và giá trị thực tiễn cao, đóng góp giải pháp công nghệ rõ ràng cho công tác quản lý và xử lý nước thải y tế tại Việt Nam.