Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh của các khu công nghiệp tại Việt Nam đi kèm với áp lực lớn lên nguồn nước và môi trường tự nhiên. Theo số liệu được tác giả trích dẫn, trong tổng số hơn 600 khu công nghiệp trên cả nước có trên 60% khu công nghiệp chưa hoàn thiện hoặc chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung đạt chuẩn; tại các đô thị chỉ khoảng 60% - 70% chất thải rắn được thu gom. Nước thải công nghiệp phát sinh từ các ngành như dệt nhuộm, thuộc da, sản xuất giấy, cơ khí, xi mạ, hóa chất và thuốc bảo vệ thực vật chứa nhiều thành phần ô nhiễm phức tạp (kim loại nặng, hợp chất hữu cơ khó phân hủy, hóa chất bảo vệ thực vật, nitơ, phospho, dầu mỡ). Khi các nhà máy mở rộng quy mô, lượng nước thải vượt quá công suất thiết kế ban đầu của các trạm xử lý hiện hữu, đòi hỏi phải nâng công suất và cải tiến quy trình công nghệ để đáp ứng tiêu chuẩn xả thải ra nguồn tiếp nhận.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm:

  1. Đưa ra giải pháp công nghệ nâng cấp, cải tạo hệ thống xử lý nước thải tập trung của Khu công nghiệp Hiệp Phước từ công suất 3000 m³/ngày đêm lên 4300 m³/ngày đêm nhằm đáp ứng lưu lượng gia tăng khi hoạt động sản xuất mở rộng.
  2. Thiết lập phương án kỹ thuật để xử lý nước thải đạt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT, Cột B) trước khi xả ra Rạch Dinh Ông, đồng thời tích hợp hạng mục tái sử dụng một phần nguồn nước sau xử lý.
  3. Vận dụng lý thuyết chuyên ngành để tính toán kích thước công trình đơn vị, lựa chọn thiết bị công nghệ, thể hiện bản vẽ kỹ thuật trên phần mềm đồ họa chuyên dụng và lập dự toán khai toán chi phí đầu tư, vận hành hệ thống.
  4. Rèn luyện kỹ năng thực tế, phương pháp làm việc và đánh giá năng lực cá nhân qua quá trình thực tập tại trạm xử lý.

Đối tượng nghiên cứu là Trạm xử lý nước thải tập trung Khu công nghiệp Hiệp Phước (tập trung khảo sát sâu Module 3 công suất 3000 m³/ngày đêm). Phạm vi không gian đặt tại Khu B, Đường số 1, Khu công nghiệp Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện đề tài diễn ra từ tháng 02/2019 đến tháng 06/2019.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng khung quy chuẩn môi trường bắt buộc gồm QCVN 40:2011/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, Cột B). Cơ sở lý thuyết công nghệ dựa trên dây chuyền xử lý tích hợp đa bậc:

  • Xử lý cơ học: Tách rác thô, lược rác tinh bằng khe lưới chắn, tách dầu mỡ theo nguyên lý trọng lực và điều hòa lưu lượng/nồng độ chất ô nhiễm.
  • Xử lý hóa lý: Quá trình keo tụ - tạo bông bằng hóa chất (phèn sắt III, Polymer Anion, điều chỉnh pH bằng NaOH 32% và H₂SO₄) kết hợp lắng hóa lý sơ cấp để loại bỏ chất rắn lơ lửng (TSS) và một phần COD/BOD.
  • Xử lý sinh học: Quy trình kết hợp thiếu khí - hiếu khí (Anoxic - Aerotank) để khử đồng thời hợp chất hữu cơ, nitơ (quá trình khử nitrat/nitrit bởi vi sinh vật dị dưỡng kỵ khí tùy tiện với cơ chất bổ sung là methanol CH₃OH) và phospho (nhờ hoạt động tích lũy polyphosphate của vi khuẩn Acinetobacter).
  • Xử lý bùn và khử trùng: Lắng sinh học ly tâm, gom bùn hóa lý/sinh học qua máy ép bùn băng tải, sân phơi bùn và khử trùng nước sau xử lý trước khi xả thải.

Các phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp khảo sát và nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát thực địa tại Trạm xử lý nước thải tập trung KCN Hiệp Phước; thu thập dữ liệu về các nhà máy đang hoạt động, lưu lượng, tính chất nước thải đầu vào và quy trình vận hành trạm.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng các công thức tính toán thủy lực, thông số tải trọng, thời gian lưu nước, lượng khí cấp và lượng bùn tuần hoàn; thiết kế các hạng mục công trình đơn vị.
  • Phương pháp mô hình hóa kỹ thuật: Sử dụng phần mềm AutoCAD 2016 để thiết lập bản vẽ quy trình công nghệ và mặt bằng các hạng mục xử lý.
  • Phương pháp chuyên gia và tổng hợp dữ liệu: Tham khảo ý kiến hướng dẫn của cán bộ kỹ thuật tại trạm xử lý và giảng viên hướng dẫn chuyên ngành.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong khóa luận gồm: Tài liệu hướng dẫn vận hành - bảo dưỡng thiết bị công trình Module 1 và Module 3 Nhà máy xử lý nước thải tập trung KCN Hiệp Phước; số liệu quan trắc tự động của KCN và Trạm quan trắc tự động của Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM; số liệu quy hoạch và hồ sơ kỹ thuật từ Công ty Cổ phần Khu công nghiệp Hiệp Phước.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về KCN Hiệp Phước

Chương này trình bày lịch sử hình thành, vị trí địa lý và quy mô hạ tầng của Khu công nghiệp Hiệp Phước. KCN được thành lập vào tháng 06/2007 từ dự án trực thuộc Công ty TNHH MTV Phát triển Công nghiệp Tân Thuận (IPC) kết hợp cùng Quỹ đầu tư Jaccar (Pháp). Tổng diện tích KCN khoảng 2000 ha, chia làm 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (311.4 ha) tiếp nhận công nghiệp hóa chất, dệt nhuộm, cơ khí, vật liệu xây dựng; Giai đoạn 2 (597 ha) thu hút công nghệ cao, cơ khí chính xác, điện tử, chế biến thực phẩm; Giai đoạn 3 (trên 1000 ha) phát triển công nghiệp cảng biển và logistics. Về giao thông, KCN tiếp giáp hệ thống đường vành đai 3, 4 TP.HCM và hệ thống luồng thủy sâu sông Soài Rạp (với Cảng SPCT tiếp nhận tàu trên 50.000 DWT, Cảng Tân Cảng - Hiệp Phước tiếp nhận tàu 30.000 DWT), kết nối thuận lợi với miền Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Tác giả hệ thống hóa các bước triển khai đề tài, phân định 4 phương pháp trọng tâm (khảo sát lý thuyết, tính toán thiết kế kỹ thuật, tham vấn chuyên gia và trình bày báo cáo/bản vẽ kỹ thuật bằng AutoCAD 2016). Kế hoạch nghiên cứu chia làm các mốc: Tháng 02/2019 thu thập số liệu nhà máy, khảo sát quy trình công nghệ và đặc tính nước thải; Tháng 03/2019 tính toán các chỉ số và thiết lập mô hình nâng cấp trạm công suất 4300 m³/ngày đêm; Tháng 06/2019 hoàn thiện thuyết minh, bản vẽ và báo cáo tổng kết.

Chương 3: Khảo sát hệ thống xử lý nước thải tập trung Khu công nghiệp Hiệp Phước

Nội dung chương mô tả chi tiết hiện trạng Trạm xử lý nước thải tập trung KCN Hiệp Phước với tổng công suất thiết kế 9000 m³/ngày đêm chia thành 3 module (mỗi module 3000 m³/ngày đêm). Đề tài tập trung phân tích Module 3 với quy trình công nghệ: Tuyến cống tự chảy $\rightarrow$ Trạm bơm $\rightarrow$ Bể gom $\rightarrow$ Thiết bị lược rác tinh $\rightarrow$ Bể tách dầu mỡ $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể phản ứng $\rightarrow$ Bể tạo bông $\rightarrow$ Bể lắng hóa lý $\rightarrow$ Bể trung hòa $\rightarrow$ 2 Bể Anoxic $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng sinh học $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Rạch Dinh Ông.

Nước thải được phân loại theo 6 bể gom riêng biệt:

  • Bể gom 1 ($79\text{ m}^3$): Doanh nghiệp xi mạ.
  • Bể gom 2 ($78\text{ m}^3$): Công ty sản xuất giấy (Công ty giấy Xuân Mai).
  • Bể gom 3 ($60\text{ m}^3$): Công ty thuốc bảo vệ thực vật Sài Gòn.
  • Bể gom 4 ($162\text{ m}^3$): Doanh nghiệp dệt nhuộm.
  • Bể gom 5 ($110\text{ m}^3$): Nước thải sinh hoạt và doanh nghiệp chế biến thủy sản.
  • Bể gom 6 ($126\text{ m}^3$): Công ty thuộc da.

Các thông số kích thước và thiết bị của công trình hiện hữu được ghi nhận: Bể tách dầu mỡ ($6\text{ m} \times 3\text{ m} \times 3.5\text{ m}$), bể điều hòa ($17\text{ m} \times 9.5\text{ m}$, thời gian lưu 7 giờ, 2 máy thổi khí $26\text{ m}^3/\text{phút}/\text{m}^3$, 64 đĩa phân phối khí thô đường kính $20\text{ cm}$, 2 bơm nước thải $150\text{ m}^3/\text{h}$), bể phản ứng ($3.5\text{ m} \times 3.5\text{ m} \times 3.5\text{ m}$, máy khuấy 90 vòng/phút, thời gian lưu 20 phút), bể tạo bông (dài $4.5\text{ m}$, máy khuấy $30 - 40\text{ vòng/phút}$, thời gian lưu 20 phút), bể lắng hóa lý ($10\text{ m} \times 10\text{ m} \times 5.5\text{ m}$, thời gian lưu 1 giờ 30 phút, gạt bùn $0.1\text{ vòng/phút}$), 2 bể Anoxic ($10\text{ m} \times 7.5\text{ m}$, thời gian lưu $4 - 6\text{ giờ}$, 4 máy khuấy chìm $1.5\text{ kW/h}$). Hệ thống bùn được xử lý qua bể chứa bùn hóa lý ($4\text{ m} \times 12.5\text{ m}$), bơm trục vít $10 - 15\text{ m}^3/\text{h}$ áp lực 1 bar, máy ép bùn băng tải và sân phơi bùn. Hệ thống được kiểm soát tự động qua màn hình SCADA, tủ điện điều khiển và hai trạm quan trắc tự động (trạm nội bộ KCN và trạm độc lập của Sở Tài nguyên Môi trường TP.HCM).

Chương 4: Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải và đề xuất

Dựa trên phân tích lưu lượng cần nâng cấp lên 4300 m³/ngày đêm và đặc tính ô nhiễm thực tế từ các phân ngành trong KCN, chương này phân tích mức độ cần thiết phải xử lý nước thải và đề xuất sơ đồ công nghệ cải tạo mở rộng, bổ sung các công trình đơn vị xử lý nâng cao.

Chương 5: Tính toán thiết kế các công trình

Tác giả thực hiện tính toán kích thước hình học, thông số vận hành và thủy lực chi tiết cho từng hạng mục nâng cấp: Bể tách cát và dầu mỡ; Bể keo tụ tạo bông; Tính lưu lượng không khí cung cấp và lượng bùn hoạt tính tuần hoàn; Bể lắng sinh học; Bể khử trùng; Bể bùn sinh học; Bổ sung Bể lọc áp lực, Bể trung gian và Bể tái sử dụng nước sau xử lý.

Chương 6: Mô tả công trình thiết bị, khai toán công trình

Chương này tổng hợp danh mục thiết bị, công nghệ thi công và lập bảng khai toán tổng mức đầu tư gồm chi phí đầu tư thiết bị - phụ kiện, chi phí xây dựng thi công công trình và chi phí vận hành thường xuyên (điện năng, hóa chất, nhân công, bảo dưỡng).

Chương 7: Kết luận – Kiến nghị

Đưa ra kết luận tổng hợp về tính khả thi của phương án nâng cấp công suất trạm xử lý lên 4300 m³/ngày đêm và đề xuất các kiến nghị quản lý vận hành đối với Ban quản lý KCN Hiệp Phước.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc khảo sát toàn diện hệ thống xử lý Module 3 hiện hữu và thiết lập các thông số kỹ thuật đầu vào, đầu ra đối chiếu với tiêu chuẩn môi trường.

STT Thông số ô nhiễm Đơn vị Nước thải đầu vào Nước thải đầu ra Module QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)
1 Nhiệt độ °C 45 40 40
2 Độ màu Pt/Co 200 150 150
3 pH - 5 – 9 5.5 – 9 5.5 – 9
4 $\text{BOD}_5$ ($20^\circ\text{C}$) mg/L 500 50 50
5 COD mg/L 600 150 150
6 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L 200 81 100
7 Asen (As) mg/L 0.1 0.05 0.1
8 Crom (VI) mg/L 0.05 0.05 0.1
9 Tổng Cyanua mg/L 0.1 0.1 0.1
10 Tổng Phenol mg/L 0.5 0.5 0.5
11 Tổng dầu mỡ khoáng mg/L 10 8.1 10
12 Sunfua mg/L 0.1 0.1 0.5
13 $\text{NH}_3-\text{N}$ mg/L 50 10 10
14 Tổng Nitơ (TN) mg/L 90 32.4 40
15 Tổng Photpho (TP) mg/L 10 4.86 6
16 Clorua mg/L 810 810 1000
17 Clo dư mg/L 1.08 1.62 2
18 Hóa chất BVTV Clo hữu cơ mg/L 0.1 0.08 0.1
19 Hóa chất BVTV Photpho hữu cơ mg/L 1.0 0.81 1.0
20 Tổng PCB mg/L 0.01 0.01 0.01
21 Tổng Coliform MPN/100mL 5000 5000 5000
22 Tổng hoạt độ phóng xạ $\alpha$ Bq/L 0.1 0.1 0.1
23 Tổng hoạt độ phóng xạ $\beta$ Bq/L 1.0 1.0 1.0

Về mặt giải pháp và đóng góp thực tiễn, tác giả đã:

  • Đề xuất phương án công nghệ mở rộng công suất từ 3000 m³/ngày đêm lên 4300 m³/ngày đêm dựa trên việc tận dụng dây chuyền hóa lý kết hợp sinh học Anoxic - Aerotank hiện hữu.
  • Bổ sung cụm công trình xử lý nâng cao gồm bể lọc áp lực, bể trung gian và bể tái sử dụng nước sau xử lý nhằm phục vụ mục đích tưới cây, vệ sinh nội bộ trong KCN, giảm áp lực khai thác nước sạch.
  • Tính toán đầy đủ kích thước công trình, thông số thiết bị, lưu lượng khí cấp, tỷ lệ bùn tuần hoàn và bảng khai toán chi phí đầu tư xây dựng, mua sắm máy móc và vận hành hệ thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu: Phạm vi khảo sát thực nghiệm tập trung vào số liệu vận hành của Module 3 tại KCN Hiệp Phước trong khoảng thời gian từ tháng 02 đến tháng 06/2019; các số liệu đầu vào phụ thuộc vào báo cáo vận hành và đặc thù nước thải của các doanh nghiệp hiện hữu tại thời điểm khảo sát.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiếp tục theo dõi thực nghiệm chất lượng nước khi triển khai thi công mở rộng thực tế ở mức công suất 4300 m³/ngày đêm; nghiên cứu tối ưu hóa liều lượng hóa chất châm tại bể phản ứng/bể tạo bông và nghiên cứu công nghệ thu hồi, xử lý bùn thải hóa lý chứa kim loại nặng đạt hiệu quả kinh tế cao hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu này hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, Công nghệ Sinh học trong việc tham khảo phương pháp tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp đa ngành quy mô từ 3000 m³/ngày đêm đến 4300 m³/ngày đêm.
  • Kỹ sư vận hành và cán bộ quản lý môi trường tại các khu công nghiệp cần tài liệu tham khảo thực tế về cấu tạo thiết bị (máy khuấy, máy thổi khí, đĩa phân phối khí, bơm trục vít, hệ thống SCADA), quy trình vận hành và kiểm soát phân loại nguồn thải theo từng bể gom.

Câu hỏi thường gặp

1. Trạm xử lý nước thải tập trung KCN Hiệp Phước có quy mô và phân chia module như thế nào?
Trạm xử lý có tổng công suất 9000 m³/ngày đêm, được chia thành 3 module vận hành song song với công suất mỗi module là 3000 m³/ngày đêm. Đề tài tập trung khảo sát chi tiết Module 3 là module mới nhất được đưa vào vận hành.

2. Hệ thống thu gom đầu vào phân chia các loại nước thải như thế nào qua các bể gom?
Hệ thống sử dụng 6 bể gom riêng biệt: Bể 1 ($79\text{ m}^3$) nhận nước thải xi mạ; Bể 2 ($78\text{ m}^3$) nhận nước thải sản xuất giấy; Bể 3 ($60\text{ m}^3$) nhận nước thải sản xuất thuốc BVTV; Bể 4 ($162\text{ m}^3$) nhận nước thải dệt nhuộm; Bể 5 ($110\text{ m}^3$) nhận nước thải sinh hoạt và chế biến thủy sản; Bể 6 ($126\text{ m}^3$) nhận nước thải thuộc da. Các bể có ống thông nhau để chống tràn tải.

3. Cơ chế khử nitơ và photpho trong cụm bể xử lý sinh học diễn ra như thế nào?
Tại bể Anoxic (thiếu khí), vi sinh vật kỵ khí tùy tiện sử dụng methanol ($\text{CH}_3\text{OH}$) làm cơ chất để khử $\text{NO}_3^-$ và $\text{NO}_2^-$ thành khí nitơ ($\text{N}_2$) tự do. Đồng thời, vi khuẩn Acinetobacter hấp thụ và tích lũy photpho dưới dạng polyphosphate trong sinh khối bùn hoạt tính trước khi chuyển qua bể lắng sinh học.

4. Nước thải sau xử lý của trạm được giám sát bằng cách nào và xả vào nguồn tiếp nhận nào?
Chất lượng nước thải sau xử lý được giám sát qua hai trạm quan trắc tự động liên tục: một trạm của nội bộ KCN Hiệp Phước và một trạm quan trắc tự động độc lập của Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM. Nước sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) được xả thải trực tiếp ra Rạch Dinh Ông.

5. Đề tài bổ sung những hạng mục công trình nào để tái sử dụng nước sau xử lý?
Trong phương án cải tạo nâng công suất lên 4300 m³/ngày đêm, đề tài tính toán thiết kế bổ sung cụm công trình gồm Bể lọc áp lực, Bể trung gian và Bể tái sử dụng để làm sạch sâu nước sau lắng sinh học/khử trùng, phục vụ cấp nước tưới cây và rửa đường nội khu.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đỗ Đức Đăng Khoa đã hoàn thành việc khảo sát, phân tích hiện trạng công nghệ xử lý nước thải Module 3 tại KCN Hiệp Phước và đề xuất phương án nâng cấp công suất từ 3000 m³/ngày đêm lên 4300 m³/ngày đêm. Tác giả đã tính toán chi tiết kích thước các công trình đơn vị từ xử lý cơ học, hóa lý, sinh học Anoxic - Aerotank đến cụm lọc áp lực và tái sử dụng nước thải. Hồ sơ tính toán kỹ thuật, bản vẽ AutoCAD và bảng khai toán kinh phí cung cấp nguồn tài liệu tham khảo có cơ sở khoa học cho công tác cải tạo hệ thống xử lý nước thải khu công nghiệp.