Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự tăng trưởng của ngành dệt may tại Việt Nam có sự đóng góp lớn từ công đoạn dệt nhuộm nhằm tạo ra các sản phẩm vải đa dạng về màu sắc, chất liệu và mẫu mã. Tuy nhiên, dưới góc độ môi trường, việc sử dụng ngày càng nhiều hóa chất và thuốc nhuộm có độ bền màu cao đã khiến cho tính chất nước thải ngành dệt nhuộm trở nên phức tạp, làm gia tăng mức độ ô nhiễm và gây khó khăn cho việc nghiên cứu cơ chế cũng như công nghệ xử lý.

Hàng năm, ngành dệt may sử dụng hàng nghìn tấn hóa chất và thuốc nhuộm với hiệu suất gắn màu trung bình chỉ từ 70% đến 80% (tối đa đạt 95%), dẫn đến một lượng lớn hóa chất bị thải trực tiếp ra môi trường. Theo các số liệu thống kê được nhóm tác giả trích dẫn, ngành dệt may phát sinh khoảng 20 – 30 triệu $\text{m}^3$ nước thải mỗi năm, nhưng mới chỉ có khoảng 10% tổng lượng nước thải được xử lý đạt chuẩn trước khi xả thải. Định mức sử dụng nước của công nghệ nhuộm dao động trong khoảng 20 – 100 $\text{m}^3$ nước trên một tấn sản phẩm, tương ứng với lưu lượng phát thải tại các nhà máy từ vài trăm đến hơn 1000 $\text{m}^3/\text{ngày}$.

Trước thực trạng đó, đồ án tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật môi trường với các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Đánh giá tính chất ô nhiễm và đặc trưng nguồn thải từ các công đoạn sản xuất dệt nhuộm và các nhóm thuốc nhuộm sử dụng.
  2. Thiết lập cơ sở lựa chọn công nghệ và đề xuất sơ đồ quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm phù hợp với công suất thiết kế $1000,\text{m}^3/\text{ngày}$.
  3. Tính toán thiết kế chi tiết về mặt công nghệ, thủy lực, kích thước xây dựng và lựa chọn thiết bị cơ khí cho từng công trình đơn vị trong hệ thống xử lý.
  4. Đảm bảo chất lượng nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt nhuộm QCVN 13-MT:2015/BTNMT (Cột B).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải công nghiệp dệt nhuộm có chứa độ màu cao, chất hữu cơ khó phân hủy, chất hoạt động bề mặt và cặn lơ lửng.
  • Phạm vi dữ liệu: Số liệu tính toán thiết kế được thu thập dựa trên đặc tính nước thải thực tế của Nhà máy Dệt nhuộm Thắng Lợi.
  • Địa điểm và thời gian thực hiện: Đồ án bài tập lớn thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, mốc thời gian hoàn thành vào tháng 03/2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung lý thuyết và phân loại dòng thải ô nhiễm

Đồ án phân tích chuyên sâu cơ sở phát sinh dòng thải từ các công đoạn sản xuất và tính chất của từng nhóm thuốc nhuộm:

  • Thuốc nhuộm trực tiếp: Hợp chất hòa tan trong nước, phần lớn chứa nhóm azo, dioazin hoặc flatoxianim. Hiệu suất bắt màu chỉ đạt khoảng 90% ở nồng độ thấp và màu nhạt, còn màu đậm làm phát sinh lượng lớn thuốc nhuộm dư thừa vào dòng thải.
  • Thuốc nhuộm hoạt tính: Là thuốc nhuộm anion có gốc azo, antraquinon, axit chứa kim loại hoặc ftaloxianin. Mức độ không gắn màu cao (khoảng 30%), chứa gốc halogen hữu cơ làm tăng nồng độ chất độc hại (AOX). Việc sử dụng lượng lớn chất điện ly ($\text{NaCl}, \text{Na}_2\text{SO}_4$) trong quá trình nhuộm gây nồng độ muối cao, cản trở trực tiếp đến hoạt động của vi sinh vật trong hệ thống xử lý sinh học.
  • Thuốc nhuộm hoàn nguyên: Không tan trong nước và kiềm, phải khử trong môi trường kiềm bằng chất khử mạnh ($\text{NaHSO}_3, \text{H}_2\text{O}_2, \text{Na}_2\text{SO}_4 + \text{NaOH}$) ở nhiệt độ $50 - 60^\circ\text{C}$. Tỷ lệ bắt màu dao động $70 - 80%$, phần còn lại có cấu trúc phân tử bền vững gây khó khăn cho quá trình phân hủy sinh học.
  • Thuốc nhuộm phân tán và lưu huỳnh: Thuốc nhuộm phân tán có tỷ lệ gắn màu $90 - 95%$; thuốc nhuộm lưu huỳnh có độ hấp thụ $60 - 70%$, phần dư thừa làm phát sinh các hợp chất lưu huỳnh và chất điện ly vào nước thải.
  • Hóa chất phụ trợ: $\text{NaOH}, \text{Na}_2\text{CO}_3$ (nấu tẩy, làm bóng); $\text{H}_2\text{SO}_4$ (trung hòa); $\text{H}_2\text{O}_2, \text{NaOCl}$ (tẩy trắng); chất cầm màu cao phân tử (syntephix, tinofic); chất hoạt động bề mặt; polymer hồ sợi (PAC, polyacrylat); chất làm mềm vải gốc silicon (polisiloxan).

Dòng thải dệt nhuộm được chia làm hai nhóm chính cần lưu ý: (1) Nhóm hóa chất, phụ gia vô cơ và hữu cơ dễ phân hủy; (2) Nhóm thuốc nhuộm dư thừa mang cấu trúc hữu cơ mạch vòng khó phân hủy sinh học.

Phương pháp nghiên cứu và cơ sở dữ liệu tính toán

  • Phương pháp tính toán công nghệ và thủy lực: Áp dụng các công thức tính toán kinh điển trong kỹ thuật xử lý nước thải để xác định thể tích, diện tích bề mặt, thời gian lưu nước, tổn thất áp lực, hệ thống phân phối khí, hệ số truyền động cơ khí và thủy lực máng tràn răng cưa.
  • Phương pháp so sánh lựa chọn công nghệ: Đánh giá đa tiêu chí giữa công nghệ hóa lý kết hợp oxy hóa nâng cao (AOPs) và công nghệ hóa lý bậc một kết hợp sinh học hiếu khí truyền thống (Aerotank) dựa trên hiệu quả kỹ thuật và chi phí vận hành.
  • Thông số nước thải đầu vào và tiêu chuẩn đầu ra:
Thông số Đơn vị Giá trị tính toán đầu vào QCVN 13-MT:2015/BTNMT (Cột B)
Lưu lượng ($Q$) $\text{m}^3/\text{ngày}$ $1000$ —
$\text{pH}$ — $5,6$ $5,5 - 9,0$
Độ màu $\text{Pt-Co}$ $1250$ $150$
$\text{BOD}_5$ $\text{mg/L}$ $350$ $50$
$\text{COD}$ $\text{mg/L}$ $630$ $200$
Chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$) $\text{mg/L}$ $95$ $150$
$\text{SO}_4^{2-}$ $\text{mg/L}$ $76$ —
$\text{PO}_4^{3-}$ $\text{mg/L}$ $1,31$ —

Các thông số cơ sở theo thời gian:

  • Lưu lượng trung bình ngày: $Q_{\text{TBngày}} = 1000,\text{m}^3/\text{ngày}$.
  • Lưu lượng trung bình giờ: $Q_{\text{TBh}} = 41,67,\text{m}^3/\text{h}$.
  • Hệ số không điều hòa chung: $K_{\text{CH}} = 2,7$.
  • Lưu lượng giờ lớn nhất: $Q_{\text{maxh}} = 112,5,\text{m}^3/\text{h}$.

Phân tích và lựa chọn sơ đồ công nghệ

Tác giả tiến hành phân tích hai phương án dây chuyền công nghệ xử lý:

Mô tả hai phương án công nghệ

  • Sơ đồ công nghệ 1: Nguồn thải $\rightarrow$ Song chắn rác thô $\rightarrow$ Hố gom $\rightarrow$ Song chắn rác mịn $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể tuyển nổi $\rightarrow$ Bể lắng 1 $\rightarrow$ Thiết bị xử lý sinh học hiếu khí $\rightarrow$ Bể cô đặc bùn $\rightarrow$ Bể Metan $\rightarrow$ Máy ép bùn $\rightarrow$ Thiết bị oxy hóa nâng cao (AOPs) $\rightarrow$ Tháp hấp phụ $\rightarrow$ Nước thải đạt Cột B QCVN 13-MT:2015/BTNMT.
  • Sơ đồ công nghệ 2: Nguồn thải $\rightarrow$ Song chắn rác thô $\rightarrow$ Hố gom $\rightarrow$ Ngăn tách rác mịn $\rightarrow$ Bể điều hòa (sục khí) $\rightarrow$ Bể keo tụ/tạo bông (châm hóa chất $\text{PAC}, \text{PAA}, \text{NaOH}$) $\rightarrow$ Bể lắng 1 $\rightarrow$ Bể Aerotank khuấy trộn hoàn toàn $\rightarrow$ Bể lắng 2 (tuần hoàn bùn vi sinh) $\rightarrow$ Bể khử trùng (châm $\text{Clo}$) $\rightarrow$ Nước thải đạt Cột B QCVN 13-MT:2015/BTNMT; bùn từ Bể lắng 1 và bùn dư Bể lắng 2 được đưa về Bể cô đặc bùn $\rightarrow$ Bể Metan $\rightarrow$ Máy ép bùn $\rightarrow$ Thu gom bãi chôn lấp.

Đánh giá so sánh và quyết định lựa chọn

Tiêu chí Sơ đồ công nghệ 1 (AOPs + Hấp phụ) Sơ đồ công nghệ 2 (Hóa lý + Aerotank + Khử trùng)
Hiệu quả xử lý Rất cao, loại bỏ nhanh chất độc và màu khó phân hủy Cao, loại bỏ triệt để chất hữu cơ và cặn lơ lửng
Thời gian xử lý Nhanh, tải trọng xử lý cao Cần thời gian lưu sinh học dài hơn
Diện tích xây dựng Nhỏ gọn, thiết bị hợp khối dễ di chuyển Yêu cầu mặt bằng xây dựng lớn hơn cho các cụm bể
Chi phí vận hành Rất cao do tiêu tốn tác nhân oxy hóa nâng cao và than hoạt tính Tiết kiệm, sử dụng hóa chất keo tụ thông dụng và bùn hoạt tính
Tính thân thiện môi trường Tiềm ẩn phát sinh sản phẩm phụ oxy hóa Thân thiện hơn, quy trình sinh học tự nhiên ổn định

Nhóm tác giả lựa chọn Sơ đồ công nghệ 2 làm cơ sở tính toán thiết kế chi tiết do tính khả thi kinh tế cao hơn, giảm thiểu chi phí hóa chất vận hành lâu dài và phù hợp với điều kiện vận hành tại các nhà máy dệt nhuộm ở Việt Nam.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật các công trình đơn vị

1. Song chắn rác và mương dẫn

  • Nhiệm vụ: Loại bỏ rác thô, xơ sợi có kích thước lớn nhằm chống tắc nghẽn bơm và đường ống.
  • Mương dẫn: Tiết diện hình chữ nhật ($b = 2h$), vận tốc dòng chảy $v = 0,6,\text{m/s}$, độ dốc mương $i = 0,0008$. Chiều rộng mương $B = 0,3,\text{m}$, chiều cao lớp nước $h = 0,17,\text{m}$, chiều cao xây dựng $H = 0,3,\text{m}$ (chiều cao bảo vệ $h' = 0,2,\text{m}$).
  • Song chắn rác: Đặt nghiêng một góc $\alpha = 60^\circ$, bề dày thanh song chắn $s = 0,008,\text{m}$ (thanh tiết diện kiểu "b", hệ số hình dạng $\beta = 1,83$), khoảng cách giữa các khe hở $l = 0,016,\text{m}$ ($16,\text{mm}$). Số khe hở tính toán $n = 26$ (số thanh song chắn là 19 thanh), chiều rộng song chắn $B_s = 0,62,\text{m}$. Tổn thất áp lực qua song chắn $h_A = 0,04,\text{m}$ ($4,\text{cm}$). Chiều dài xây dựng mương lắp song chắn $L = 0,95,\text{m}$, chiều sâu xây dựng mương $H = 0,67,\text{m}$.

2. Hố thu gom và trạm bơm nước thải

  • Nhiệm vụ: Tập trung nước thải từ mương dẫn và duy trì dung tích dự trữ cho máy bơm hoạt động ổn định.
  • Kích thước hố: Thời gian lưu nước $t = 10,\text{phút}$, thể tích hữu ích $V_{\text{hi}} = 18,75,\text{m}^3$. Chiều sâu hữu ích $H_{\text{hi}} = 2,5,\text{m}$, chiều cao an toàn $0,5,\text{m} \Rightarrow$ Chiều sâu tổng cộng $H = 3,0,\text{m}$. Chiều dài $L = 3,0,\text{m}$, chiều rộng $B = 2,5,\text{m}$.
  • Thiết bị bơm và phụ trợ: Lắp đặt 2 bơm chìm (1 hoạt động, 1 dự phòng) TSURUMI 80PU23.7, công suất định mức $3,7,\text{kW}$, điện áp $380,\text{V}$. Trang bị 1 giỏ lọc mắt lưới $1,\text{mm}$ để giữ xơ sợi dệt trước khi vào guồng bơm. Đường ống đẩy từ hố gom sang bể điều hòa sử dụng ống nhựa HDPE PE100 DN 160 PN 10 (vận tốc chảy trong ống $v = 1,5,\text{m/s}$).

3. Bể điều hòa và hệ thống cấp khí

  • Nhiệm vụ: Điều hòa lưu lượng và nồng độ ô nhiễm, sục khí sơ bộ để chống lắng cặn hữu cơ và giảm sốc tải trọng cho các công trình phía sau.
  • Kích thước bể: Thời gian lưu nước $t = 8,\text{h}$, thể tích hữu ích $V = 900,\text{m}^3$. Kích thước mặt bằng $L \times B = 15,\text{m} \times 10,\text{m}$, chiều sâu hữu ích $H_h = 6,0,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $H_{\text{bv}} = 0,5,\text{m} \Rightarrow$ Chiều cao tổng thể tích $H = 6,5,\text{m}$ ($V_{\text{xây dựng}} = 975,\text{m}^3$).
  • Hệ thống cấp khí: Cường độ cấp khí $I = 0,015,\text{m}^3\text{ khí}/\text{m}^3\text{ bể}\cdot\text{phút}$. Lắp đặt 70 đĩa phân phối khí Jaeger - HD340 (đường kính $0,295,\text{m}$, lưu lượng đĩa $q = 8,\text{m}^3/\text{h}$), bố trí 10 hàng đĩa (mỗi hàng 7 đĩa). Hệ thống ống dẫn gồm 1 ống chính bằng sắt tráng kẽm Hòa Phát $\phi 113,5,\text{mm}$ và 10 ống nhánh $\phi 42,2,\text{mm}$.
  • Thiết bị máy nén khí và bơm trung chuyển: Sử dụng 2 máy nén khí Puma PK100300 công suất $7,5,\text{kW}$ (1 hoạt động, 1 dự phòng). Bơm nước thải từ bể điều hòa sang bể hòa trộn cơ khí sử dụng 2 bơm TSURUMI 80PU22.2 công suất $2,2,\text{kW}$, tuyến ống HDPE PE100 DN 90 PN 10 ($v = 1,8,\text{m/s}$).

4. Bể hòa trộn cơ khí và hệ thống châm hóa chất

  • Liều lượng hóa chất keo tụ PAC: Xác định theo công thức thực nghiệm dựa vào độ màu $P_p = 4 \times \sqrt{M} = 4 \times \sqrt{1250} = 141,4,\text{mg/L}$ (lớn hơn liều lượng tính theo hàm lượng cặn $25,\text{mg/L}$).
  • Điều chỉnh $\text{pH}$ bằng kiềm ($\text{NaOH}$): Nâng $\text{pH}$ từ $5,6$ lên mức tối ưu $7,0$ cho quá trình tạo bông và vi sinh vật. Lượng $\text{NaOH}$ khan cần châm mỗi ngày $M_{\text{NaOH}} = 96,8,\text{g/ngày}$.
  • Kích thước bể: Thời gian khuấy trộn nhanh $t = 120,\text{s}$, thể tích thực $V_{\text{tt}} = 1,6,\text{m}^3$. Tiết diện vuông $L \times B = 0,9,\text{m} \times 0,9,\text{m}$, chiều sâu nước $1,5,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $0,5,\text{m} \Rightarrow H = 2,0,\text{m}$.
  • Hệ thống cánh khuấy cơ khí: Cánh khuấy tuabin 4 cánh nghiêng $45^\circ$ hướng xuống, đường kính cánh $D = 0,35,\text{m}$, chiều rộng bản cánh $0,07,\text{m}$, chiều dài cánh $0,175,\text{m}$. Gradient vận tốc $G = 700,\text{s}^{-1}$, công suất tiêu thụ $0,697,\text{kW}$, chọn động cơ khuấy công suất $1,12,\text{kW}$ với tốc độ quay $300,\text{vòng/phút}$. Tuyến ống tự chảy sang bể tạo bông là HDPE PE100 DN 225 PN 10 ($v = 0,29,\text{m/s}$).

5. Bể phản ứng keo tụ tạo bông

  • Chất trợ tạo bông Polymer PAA: Châm dung dịch PAA nồng độ $0,5%$ với liều lượng $1,5,\text{mg/L}$ ($M_{\text{PAA}} = 1,5,\text{kg/ngày}$, lưu lượng dung dịch $12,5,\text{L/h}$). Sử dụng bơm định lượng Blue-White series C660P (lưu lượng $14,\text{L/h}$, áp lực $4,2,\text{kg/cm}^2$, công suất $45,\text{W}$).
  • Kích thước bể: Thời gian lưu nước $t = 15,\text{phút} = 0,25,\text{h}$, thể tích tổng $V = 10,42,\text{m}^3$. Bể chia thành 3 buồng phản ứng nối tiếp (thể tích mỗi buồng $V_b = 3,48,\text{m}^3$). Kích thước thực tế: $B \times H \times L = 1,5,\text{m} \times 2,0,\text{m} \times 4,8,\text{m}$ (chiều dài mỗi buồng $l = 1,6,\text{m}$, chiều cao mức nước $1,5,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $0,5,\text{m}$).
  • Động học khuấy trộn đa tầng: Cánh khuấy tuabin 4 cánh nghiêng $45^\circ$ hướng lên, đường kính $D = 0,75,\text{m}$. Giá trị gradient vận tốc giảm dần qua từng buồng:
    • Buồng 1: $G_1 = 60,\text{s}^{-1} \Rightarrow$ Chọn động cơ $200,\text{W}$, tốc độ quay $55,\text{vòng/phút}$ ($v = 0,69,\text{m/s}$).
    • Buồng 2: $G_2 = 40,\text{s}^{-1} \Rightarrow$ Chọn động cơ $60,\text{W}$, tốc độ quay $42,\text{vòng/phút}$ ($v = 0,34,\text{m/s}$).
    • Buồng 3: $G_3 = 25,\text{s}^{-1} \Rightarrow$ Chọn động cơ $30,\text{W}$, tốc độ quay $30,\text{vòng/phút}$ ($v = 0,25,\text{m/s}$).
  • Đường ống tự chảy sang bể lắng 1 sử dụng ống HDPE PE100 DN 225 PN 10. Hàm lượng cặn đi vào bể lắng 1 sau keo tụ đạt $SS = 548,6,\text{mg/L}$.

6. Bể lắng đợt 1 (Lắng hóa lý)

  • Nhiệm vụ: Lắng và tách toàn bộ bông cặn keo tụ đã hình thành ra khỏi dòng nước thải.
  • Kích thước hình học: Bể lắng ly tâm kiểu dòng chảy đứng - xuyên tâm, tải trọng bề mặt $L_A = 40,\text{m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$. Đường kính bể $D = 5,7,\text{m}$, chiều sâu hữu ích $H = 3,0,\text{m}$, chiều cao lớp bùn $H_b = 0,7,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $H_{\text{bv}} = 0,3,\text{m}$, chiều cao lớp trung hòa $H_{\text{th}} = 0,2,\text{m} \Rightarrow$ Chiều cao tổng cộng $H_{\text{TC}} = 4,2,\text{m}$. Độ dốc đáy $5%$. Ống trung tâm có đường kính $d = 1,14,\text{m}$, chiều cao $h_{\text{tt}} = 1,8,\text{m}$.
  • Đặc tính thủy lực và máng thu nước: Thời gian lưu nước $\tau = 1,76,\text{h}$. Máng thu nước bê tông bề rộng $0,3,\text{m}$, đường kính máng $d_m = 4,9,\text{m}$, chiều dài máng $L_m = 15,4,\text{m}$, tải trọng máng tràn $a = 65,\text{m}^3/\text{m}\cdot\text{ngày}$. Máng răng cưa bằng thép không gỉ dày $3,\text{mm}$ gồm 85 răng cưa chữ V ($90^\circ$), độ ngập nước đỉnh răng $0,025,\text{m}$.
  • Hiệu suất xử lý sau bể lắng 1:
    • $\text{BOD}_5$ giảm $30%$, còn lại $245,\text{mg/L}$.
    • $\text{COD}$ giảm $50%$, còn lại $315,\text{mg/L}$.
    • $\text{SS}$ giảm $80%$, còn lại $109,72,\text{mg/L}$.
    • Độ màu giảm $90%$, còn lại $125,\text{Pt-Co}$.
  • Lượng bùn và thiết bị bơm bùn: Lượng bùn khô sinh ra $438,\text{kg/ngày}$, tương ứng thể tích bùn tươi $20,85,\text{m}^3/\text{ngày}$ (độ ẩm $98%$, khối lượng riêng $1,05,\text{kg/L}$). Sử dụng 2 máy bơm đầu rời trục Ebara 65x40 GS 40-125/0.75 công suất $0,75,\text{kW}$ (1 hoạt động, 1 dự phòng), ống hút bùn HDPE PE100 DN 50 PN 10.

7. Bể xử lý sinh học hiếu khí Aerotank khuấy trộn hoàn toàn

  • Thông số động học và vận hành:
    • Tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD} = 0,56$ (thuận lợi cho phân hủy sinh học).
    • Thời gian lưu bùn $\theta_c = 15,\text{ngày}$.
    • Nồng độ bùn hoạt tính duy trì trong bể $X = 3000,\text{mg MLVSS/L}$.
    • Nồng độ bùn tuần hoàn $X_{\text{th}} = 7000,\text{mg MLVSS/L}$ ($10000,\text{mg MLSS/L}$).
    • Tỷ số bùn tuần hoàn $\alpha = 0,75 \Rightarrow$ Lưu lượng bùn tuần hoàn $Q_{\text{th}} = 750,\text{m}^3/\text{ngày}$ ($31,25,\text{m}^3/\text{h}$).
    • Tải trọng thể tích bùn: Tỷ số $F/M = 0,27,\text{kg BOD}_5/\text{kg MLVSS}\cdot\text{ngày}$ (nằm trong dải thiết kế $0,2 - 0,6$).
    • Nhu cầu dinh dưỡng bổ sung đảm bảo tỷ lệ $\text{BOD}:\text{N}:\text{P} = 100:5:1$ ($N_{\text{cần thiết}} = 10,05,\text{mg/L}$).
    • Hiệu suất phân hủy $\text{BOD}_5$ hòa tan đạt $90%$, $\text{BOD}_5$ sau xử lý đạt $24,14,\text{mg/L}$.
  • Kích thước bể Aerotank: Thể tích tính toán $V = 251,\text{m}^3$. Chiều sâu hữu ích $H_h = 4,5,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $0,5,\text{m} \Rightarrow H = 5,0,\text{m}$. Mặt bằng hình vuông với chiều rộng $B = 7,5,\text{m}$, chiều dài $L = 7,5,\text{m}$. Thể tích thực tế $V_{\text{tt}} = 253,125,\text{m}^3$. Thời gian lưu nước trong bể $\theta = 6,024,\text{h}$.
  • Lượng bùn thải sinh học: Tốc độ tạo bùn $P_x = 50,8,\text{kg VSS/ngày}$, lượng bùn thải bỏ mỗi ngày $M_{\text{bùn thải}} = 44,1,\text{kg/ngày}$ ($Q_w = 4,32,\text{m}^3/\text{ngày}$).
  • Hệ thống cấp khí và sục khí:
    • Nhu cầu oxy tính toán duy trì $\text{DO} = 2,\text{mg/L}$ là $OC_t = 439,67,\text{kg O}_2/\text{ngày}$.
    • Thiết bị thổi khí: Chọn máy thổi khí TRUDEAN Model TH-150 lưu lượng $20,\text{m}^3/\text{phút}$, công suất lắp đặt $25,\text{kW}$ (tính toán mở rộng dự phòng đến $37,\text{kW}$).
    • Phân phối khí: Lắp đặt 100 đĩa phân phối khí bọt mịn OXYFLEX (kích thước $300 - 350,\text{mm}$, lưu lượng $12,\text{m}^3/\text{h}\cdot\text{đĩa}$, màng EPDM/Silicon). Ống cấp khí chính bằng inox đúc DN200 ($\phi 219,\text{mm}$), 10 ống nhánh inox DN40 ($\phi 48,\text{mm}$).
    • Tuyến ống dẫn bùn tuần hoàn bằng nhựa PVC đường kính $\phi 75,\text{mm}$. Tuyến ống dẫn nước sang bể lắng 2 bằng nhựa uPVC đường kính $\phi 200,\text{mm}$.

8. Bể lắng đợt 2 (Lắng sinh học ly tâm)

  • Nhiệm vụ: Tách bùn hoạt tính ra khỏi nước sau khi qua Aerotank, thu gom bùn để tuần hoàn và xả bỏ bùn dư.
  • Kích thước tính toán: Lựa chọn diện tích bể theo tải trọng chất rắn $L_S = 5,\text{kg}/\text{m}^2\cdot\text{h}$ ($A_s = 41,7,\text{m}^2$). Đường kính bể lắng $D = 7,3,\text{m}$. Chiều cao hữu ích $H = 3,0,\text{m}$, chiều cao lớp bùn $0,7,\text{m}$, lớp bảo vệ $0,3,\text{m}$, lớp trung hòa $0,2,\text{m} \Rightarrow$ Chiều cao tổng $H_{\text{TC}} = 4,2,\text{m}$. Ống trung tâm có đường kính $d = 1,46,\text{m}$, chiều cao $1,8,\text{m}$. Độ dốc đáy bể $5%$.
  • Thủy lực lắng và máng tràn: Thời gian lưu nước $\tau = 1,65,\text{h}$. Máng thu nước có đường kính $d_m = 6,5,\text{m}$, chiều dài $L_m = 20,4,\text{m}$, tải trọng máng tràn $a = 86,\text{m}^3/\text{m}\cdot\text{ngày}$. Lắp đặt 113 răng cưa chữ V ($90^\circ$), cánh gạt bùn quay với tốc độ $0,3,\text{vòng/phút}$ kèm cơ cấu gạt bọt váng bề mặt.

9. Các hạng mục công trình phụ trợ và xử lý bùn

Trong danh mục và nội dung thiết kế, hệ thống còn bao gồm các công trình đơn vị hoàn thiện:

  • Bể khử trùng: Tiếp xúc dòng thải sau lắng 2 với dung dịch Clo nhằm tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.
  • Bể cô đặc/nén bùn: Thu gom toàn bộ bùn hóa lý (bể lắng 1) và bùn sinh học dư (bể lắng 2) để giảm độ ẩm và thể tích bùn.
  • Bể phân hủy yếm khí Metan: Phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ trong bùn cô đặc, ổn định bùn và thu hồi khí sinh học.
  • Máy ép bùn băng tải Model DDTP-BFA50: Tách nước cơ học, làm khô bùn đạt độ ẩm yêu cầu để chuyển đến bãi chôn lấp hợp vệ sinh.
  • Tính toán cao trình thủy lực: Xác định tổn thất áp lực qua toàn bộ hệ thống từ đầu vào đến đầu ra, đảm bảo nước tự chảy thuận lợi giữa các công trình đơn vị.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Tổng hợp thông số kỹ thuật các công trình xử lý

Công trình đơn vị Loại công trình / Thiết bị chính Kích thước chính ($L \times B \times H$ hoặc $D \times H$) Thông số vận hành đặc trưng
Song chắn rác Thanh thép inox nghiêng $60^\circ$ $B_s = 0,62,\text{m}; h_A = 0,04,\text{m}$ $26$ khe ($16,\text{mm}$), 19 thanh
Hố thu gom Bể bê tông cốt thép ngầm $3,0,\text{m} \times 2,5,\text{m} \times 3,0,\text{m}$ $t = 10,\text{phút}$, 2 bơm Tsurumi $3,7,\text{kW}$
Bể điều hòa Bể sục khí khuấy trộn $15,0,\text{m} \times 10,0,\text{m} \times 6,5,\text{m}$ $t = 8,\text{h}$, 70 đĩa thổi khí Jaeger HD340
Bể trộn cơ khí Khuấy nhanh tuabin 4 cánh $0,9,\text{m} \times 0,9,\text{m} \times 2,0,\text{m}$ $t = 120,\text{s}, G = 700,\text{s}^{-1}, 300,\text{rpm}$
Bể keo tụ tạo bông Bể phản ứng 3 buồng giảm dần $1,5,\text{m} \times 2,0,\text{m} \times 4,8,\text{m}$ $t = 15,\text{phút}, G = 60 \rightarrow 40 \rightarrow 25,\text{s}^{-1}$
Bể lắng 1 Bể lắng ly tâm cơ khí $D = 5,7,\text{m}; H = 4,2,\text{m}$ $t = 1,76,\text{h}$, 85 răng cưa, gạt bùn $0,3,\text{rpm}$
Bể Aerotank Khuấy trộn hoàn toàn, bọt mịn $7,5,\text{m} \times 7,5,\text{m} \times 5,0,\text{m}$ $\theta = 6,02,\text{h}, \theta_c = 15,\text{d}, 100$ đĩa Oxyflex
Bể lắng 2 Bể lắng bùn sinh học ly tâm $D = 7,3,\text{m}; H = 4,2,\text{m}$ $t = 1,65,\text{h}$, 113 răng cưa, $\alpha = 0,75$

Đánh giá chất lượng dòng thải và đóng góp của đồ án

Hệ thống xử lý được thiết kế đảm bảo các chỉ tiêu nước thải đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 13-MT:2015/BTNMT (Cột B):

  • Độ màu: Giảm từ $1250,\text{Pt-Co}$ xuống còn $125,\text{Pt-Co}$ ngay sau cụm keo tụ - lắng 1 (hiệu suất tách màu $90%$), đạt tiêu chuẩn xả thải ($\le 150,\text{Pt-Co}$).
  • $\text{COD}$ và $\text{BOD}_5$: Hàm lượng $\text{COD}$ giảm từ $630,\text{mg/L}$ xuống $315,\text{mg/L}$ sau lắng 1 và tiếp tục được xử lý triệt để trong Aerotank đạt ngưỡng cho phép ($\le 200,\text{mg/L}$). Chỉ tiêu $\text{BOD}_5$ đầu vào từ $350,\text{mg/L}$ giảm còn $245,\text{mg/L}$ sau lắng 1 và đạt $24,14,\text{mg/L}$ sau bể Aerotank (chuẩn cột B $\le 50,\text{mg/L}$).
  • Chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$): Tách bỏ $80%$ cặn qua bể lắng 1, dòng ra sau lắng 2 duy trì ổn định $\le 28,5,\text{mg/L}$ (chuẩn cột B $\le 150,\text{mg/L}$).

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã chứng minh việc kết hợp hóa lý bậc một hiệu quả (dùng công thức liều lượng phèn theo độ màu $P_p = 4\sqrt{M}$ và bố trí buồng tạo bông 3 cấp gradient) giúp loại bỏ phần lớn độ màu và tải lượng hữu cơ nặng, tạo điều kiện tối ưu để áp dụng bể sinh học Aerotank truyền thống đối với nước thải dệt nhuộm mà không cần đầu tư hệ thống oxy hóa nâng cao AOPs đắt đỏ.

Hạn chế và phạm vi ứng dụng

  • Phạm vi dữ liệu: Các tính toán thiết kế được xây dựng dựa trên thông số đặc tính nước thải cụ thể của Nhà máy Dệt nhuộm Thắng Lợi tại thời điểm khảo sát (tháng 03/2021). Khi áp dụng cho các nhà máy dệt nhuộm khác có tỷ lệ thuốc nhuộm hoạt tính mang hàm lượng muối quá cao hoặc công nghệ nhuộm đặc thù, cần khảo sát lại để điều chỉnh liều lượng hóa chất và thời gian lưu bùn.
  • Yêu cầu kiểm soát vận hành: Do sử dụng công nghệ sinh học hiếu khí Aerotank xáo trộn hoàn toàn, hệ thống đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt nồng độ oxy hòa tan ($\text{DO} \ge 2,\text{mg/L}$) và duy trì ổn định chỉ số bùn tuần hoàn nhằm tránh hiện tượng phát triển vi sinh vật dạng sợi gây khó lắng tại bể lắng 2.
  • Diện tích mặt bằng: Sơ đồ công nghệ 2 có thời gian xử lý sinh học dài hơn so với sơ đồ sử dụng công nghệ oxy hóa nâng cao AOPs, dẫn đến thể tích công trình và diện tích chiếm đất của trạm xử lý tương đối lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu chuyên khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn đối với:

  • Sinh viên và học viên: Chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị tham khảo phương pháp tính toán chi tiết, trình tự các bước thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế môi trường: Ứng dụng chuỗi công thức tính toán thực tế cho các công trình đơn vị:
    • Phương pháp xác định liều lượng phèn keo tụ theo độ màu thay vì độ đục ($P_p = 4\sqrt{M}$).
    • Thiết kế buồng phản ứng tạo bông cơ khí đa cấp kiểm soát gradient vận tốc $G$.
    • Tính toán động học bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn có tính đến hệ số phân hủy nội bào và cặn trơ.
    • Thiết kế cấu tạo thủy lực chi tiết của máng thu nước răng cưa chữ V cho bể lắng ly tâm.
  • Doanh nghiệp dệt may: Tham khảo cấu hình công nghệ xử lý nước thải có chi phí đầu tư và vận hành hợp lý nhằm đáp ứng các quy định pháp luật về môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án quyết định lựa chọn Sơ đồ công nghệ 2 thay vì Sơ đồ 1 sử dụng oxy hóa nâng cao (AOPs)?

Sơ đồ 1 sử dụng thiết bị oxy hóa nâng cao (AOPs) kết hợp tháp hấp phụ than hoạt tính tuy có thời gian xử lý nhanh và diện tích nhỏ gọn nhưng chi phí đầu tư thiết bị và chi phí hóa chất vận hành rất cao. Sơ đồ 2 kết hợp keo tụ tạo bông hóa lý và xử lý sinh học hiếu khí Aerotank vừa đảm bảo chất lượng nước xả thải đạt Cột B QCVN 13-MT:2015/BTNMT, vừa tiết kiệm chi phí vận hành và thân thiện với môi trường hơn.

2. Liều lượng phèn PAC và hóa chất điều chỉnh pH được tính toán dựa trên cơ sở nào?

Liều lượng phèn PAC được lựa chọn dựa trên công thức tính theo độ màu $P_p = 4 \times \sqrt{M} = 4 \times \sqrt{1250} = 141,4,\text{mg/L}$, do giá trị này cao hơn liều lượng tính theo hàm lượng cặn ($25,\text{mg/L}$). Lượng kiềm $\text{NaOH}$ khan bổ sung được tính toán là $96,8,\text{g/ngày}$ để trung hòa lượng ion $\text{H}^+$ và đưa $\text{pH}$ của nước thải từ $5,6$ lên mức tối ưu $7,0$.

3. Nguyên lý phân chia 3 buồng trong bể phản ứng tạo bông cơ khí là gì?

Bể tạo bông được chia làm 3 buồng phản ứng nối tiếp với gradient vận tốc khuấy trộn $G$ giảm dần: Buồng 1 ($G_1 = 60,\text{s}^{-1}$, máy khuấy $55,\text{vòng/phút}$), Buồng 2 ($G_2 = 40,\text{s}^{-1}$, máy khuấy $42,\text{vòng/phút}$) và Buồng 3 ($G_3 = 25,\text{s}^{-1}$, máy khuấy $30,\text{vòng/phút}$). Thiết kế này giúp các hạt keo kết tụ nhanh ở buồng đầu và phát triển kích thước bông cặn lớn dần mà không bị lực cắt cơ học phá vỡ ở các buồng sau.

4. Các thông số vận hành động học chính của bể Aerotank trong đồ án là bao nhiêu?

Bể Aerotank được thiết kế theo kiểu xáo trộn hoàn toàn với thời gian lưu bùn $\theta_c = 15,\text{ngày}$, nồng độ bùn hoạt tính duy trì $X = 3000,\text{mg MLVSS/L}$, nồng độ bùn tuần hoàn $X_{\text{th}} = 7000,\text{mg MLVSS/L}$, tỷ số bùn tuần hoàn $\alpha = 0,75$ ($Q_{\text{th}} = 750,\text{m}^3/\text{ngày}$), tỷ số $F/M = 0,27,\text{kg BOD}_5/\text{kg MLVSS}\cdot\text{ngày}$ và thời gian lưu nước trong bể là $6,024,\text{h}$.

5. Cấu tạo máng thu nước của bể lắng 1 và bể lắng 2 có đặc điểm kỹ thuật gì?

Cả hai bể lắng đều là dạng bể lắng ly tâm sử dụng máng thu nước bê tông gắn máng răng cưa thép không gỉ dày $3,\text{mm}$ hình chữ V góc $90^\circ$ đặt ở mặt trong. Máng thu bể lắng 1 có đường kính $4,9,\text{m}$ gồm 85 răng cưa (độ ngập nước đỉnh răng $0,025,\text{m}$); máng thu bể lắng 2 có đường kính $6,5,\text{m}$ gồm 113 răng cưa với tải trọng máng tràn $86,\text{m}^3/\text{m}\cdot\text{ngày}$ và có tích hợp cánh gạt bọt váng bề mặt.

Kết luận

Đồ án đã giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật trạm xử lý nước thải dệt nhuộm công suất $1000,\text{m}^3/\text{ngày}$ trên cơ sở số liệu thực tế tại Nhà máy Dệt nhuộm Thắng Lợi. Bằng việc ứng dụng quy trình công nghệ kết hợp keo tụ tạo bông hóa lý đa cấp và bùn hoạt tính hiếu khí Aerotank xáo trộn hoàn toàn, hệ thống đảm bảo xử lý triệt để độ màu, $\text{COD}, \text{BOD}_5$ và cặn lơ lửng đạt quy chuẩn QCVN 13-MT:2015/BTNMT (Cột B). Toàn bộ chuỗi tính toán thủy lực, kích thước công trình và danh mục lựa chọn thiết bị cơ khí thương mại đã được hoàn thiện đầy đủ, tạo cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác triển khai thi công và vận hành trạm xử lý.