Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa thúc đẩy sự phát triển của các ngành sản xuất, song cũng gia tăng áp lực đáng kể lên môi trường nước nếu không được quản lý và xử lý thích đáng. Trong ngành chế biến gỗ và sản xuất đồ nội thất, nước thải phát sinh chủ yếu từ công đoạn hấp thụ bụi sơn tại các buồng sơn và hoạt động sinh hoạt của cán bộ công nhân viên. Nước thải này mang hàm lượng lớn các chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) cùng các hợp chất hữu cơ bay hơi và dung môi độc hại. Nếu xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận mà không qua xử lý, lượng chất ô nhiễm sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước mặt, cản trở sự sinh trưởng của hệ sinh thái thủy sinh và đe dọa sức khỏe cộng đồng dân cư xung quanh.

Nhằm hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và tuân thủ các quy định bảo vệ môi trường trên địa bàn tỉnh Đồng Nai, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho cơ sở sản xuất đồ gỗ nội thất Hợp tác xã Vĩnh Thành, công suất 75 m³/ngày đêm" được thực hiện bởi sinh viên Lê Ngọc Thuận (ngành Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM) dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Văn Huy.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho cơ sở sản xuất đồ gỗ nội thất Hợp tác xã Vĩnh Thành với công suất 75 m³/ngày đêm, đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT, cột A.
  2. Hoàn thành hồ sơ tính toán kỹ thuật và triển khai các bản vẽ thiết kế trạm xử lý nước thải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ lượng nước thải phát sinh từ hoạt động sản xuất (phun sơn) và sinh hoạt của Hợp tác xã Vĩnh Thành.
  • Phạm vi không gian: Cơ sở sản xuất đồ gỗ nội thất Hợp tác xã Vĩnh Thành tại ấp Ông Hường, xã Thiện Tân, huyện Vĩnh Cửu, tỉnh Đồng Nai (tổng diện tích đất 31.000 m², diện tích kho bãi nhà xưởng 19.600 m²).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 08/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật môi trường, các tiêu chuẩn xả thải hiện hành của Việt Nam và các phương pháp tính toán công trình xử lý nước thải:

  • Khung pháp lý và tiêu chuẩn áp dụng: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT (cột A); các tiêu chuẩn xây dựng công trình cấp thoát nước.
  • Cơ sở lý thuyết công nghệ:
    • Phương pháp cơ học: Sử dụng thiết bị chắn rác, bể điều hòa, bể lắng, bể lọc nhằm tách tạp chất phân tán thô, đồng hòa lưu lượng và nồng độ dòng thải.
    • Phương pháp hóa lý: Quá trình keo tụ và tạo bông thông qua bổ sung phèn PAC (Poly Aluminium Chloride) và chất trợ keo tụ Polymer nhằm phá vỡ độ bền của hạt keo và liên kết cặn lơ lửng nhỏ thành bông cặn có kích thước lớn dễ lắng.
    • Phương pháp sinh học: Phối hợp xử lý thiếu khí (Anoxic) thực hiện quá trình khử nitrat nhằm loại bỏ Nitơ và hiếu khí (Aerotank / màng MBR) sử dụng bùn hoạt tính lơ lửng để oxy hóa các chất hữu cơ chứa Carbon và nitrat hóa Amoni.
  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện:
    1. Phương pháp thu thập và tổng quan tài liệu: Khảo sát tài liệu công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất gỗ, các quy định pháp luật liên quan và giáo trình chuyên ngành (giáo trình Công nghệ xử lý nước thải của GS.TS. Trần Văn Nhân & PGS.TS. Ngô Thị Nga).
    2. Phương pháp khảo sát thực địa: Thu thập số liệu vận hành thực tế tại Hợp tác xã Vĩnh Thành, xác định lưu lượng cấp nước và nguồn xả thải.
    3. Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến hướng dẫn chuyên môn từ ThS. Nguyễn Văn Huy.
    4. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu: Thống kê lưu lượng, lập bảng cân bằng vật chất, tính toán kích thước hình học và công suất thiết bị trên phần mềm Microsoft Excel; lập hồ sơ kỹ thuật trên Microsoft Word và thiết kế bản vẽ thi công bằng phần mềm AutoCAD.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu định mức sử dụng nước, số lượng lao động (1.330 người), quy mô thiết bị xưởng sơn và thông số tải lượng ô nhiễm đặc trưng của cơ sở sản xuất đồ gỗ nội thất.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế với tổng công suất 75 m³/ngày đêm, chia thành 2 dòng thải riêng biệt ở giai đoạn tiền xử lý nhằm tối ưu hóa hóa chất và diện tích xây dựng:

Dòng thải Lưu lượng ($m^3/\text{ngày}$) Thành phần ô nhiễm chính Biện pháp tiền xử lý
Nước thải sinh hoạt 60 Cặn bã hữu cơ, vi sinh vật, Nitơ, Phốt pho Bể tự hoại $\rightarrow$ Bể điều hòa 2
Nước thải sản xuất 15 Bụi sơn, dung môi, COD cao, TSS cao Bể điều hòa 1 $\rightarrow$ Keo tụ tạo bông $\rightarrow$ Lắng hóa lý

Nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và tiêu chuẩn đầu ra

Chỉ tiêu Nước thải sinh hoạt ($mg/l$) Nước thải sản xuất ($mg/l$) Hỗn hợp sau hòa trộn ($mg/l$) QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A)
pH 6,8 7 - 8 6,8 - 8,0 6 - 9
$\text{BOD}_5$ 250 400 224 $\le 30$
$\text{COD}$ 500 700 456 $\le 75$
$\text{SS}$ 150 500 150 (sau lắng hóa lý) $\le 50$
Amoni ($\text{N-NH}_4^+$) 30 3 24,6 $\le 5$
Tổng Nitơ (TN) 40 18 35,6 $\le 20$
Tổng Phốt pho (TP) 8 10 8,4 $\le 4$
Coliform ($MPN/100ml$) $10^6$ - - $\le 3.000$

Nồng độ các chất trong dòng hỗn hợp được xác định qua công thức hòa trộn dòng: $$C_{hh} = \frac{C_{sh} \cdot Q_{sh} + C_{sx} \cdot Q_{sx}}{Q_{sh} + Q_{sx}}$$

So sánh hai phương án công nghệ

Tác giả xây dựng và so sánh 2 phương án quy trình công nghệ:

  1. Phương án 1 (Công nghệ sinh học truyền thống kết hợp lọc áp lực):
    • Dòng sản xuất $\rightarrow$ Bể điều hòa 1 $\rightarrow$ Bể keo tụ tạo bông $\rightarrow$ Bể lắng hóa lý.
    • Dòng sinh hoạt + Nước sau lắng hóa lý $\rightarrow$ Bể điều hòa 2 $\rightarrow$ Bể Anoxic $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng sinh học $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Bể trung gian $\rightarrow$ Bể lọc áp lực $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.
  2. Phương án 2 (Công nghệ màng vi lọc MBR):
    • Dòng sản xuất $\rightarrow$ Bể điều hòa 1 $\rightarrow$ Bể keo tụ tạo bông $\rightarrow$ Bể lắng hóa lý.
    • Dòng sinh hoạt + Nước sau lắng hóa lý $\rightarrow$ Bể điều hòa 2 $\rightarrow$ Bể Anoxic $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể MBR $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.

Thông số kỹ thuật các hạng mục công trình đơn vị được tính toán

Dựa trên kết quả tính toán chi tiết, các công trình đơn vị được lựa chọn thiết kế như sau:

Tên công trình đơn vị Kích thước xây dựng ($D \times R \times C$, $m$) Thể tích ($m^3$) Vật liệu Thiết bị chính đi kèm
Bể điều hòa 1 $6,0 \times 3,0 \times 2,5$ 45,0 Bê tông cốt thép 12 đĩa phân phối khí Jager HD 270, bơm chìm Pentax DP 40G
Bể keo tụ $0,5 \times 0,35 \times 1,3$ 0,228 Composite Cánh khuấy turbine 4 cánh phẳng ($d=0,175m$), motor Wanshin 6W, bơm định lượng Blue White C-600P
Bể tạo bông $0,5 \times 0,4 \times 1,3$ 0,260 Composite Cánh khuấy turbine 4 cánh ($d=0,2m$), motor Wanhsin 15W, bơm định lượng Blue White C-600P
Bể lắng hóa lý $0,75 \times 0,5 \times 3,1$ 0,938 Composite Máng răng cưa thu nước ($0,1 \times 0,2m$), ống trung tâm phân phối nước
Bể điều hòa 2 Tính toán theo phụ lục - Bê tông cốt thép Hệ thống phân phối khí chống lắng cặn
Bể Anoxic Tính toán theo phụ lục - Bê tông cốt thép Máy khuấy chìm tạo môi trường thiếu khí
Bể Aerotank & MBR Tính toán theo phụ lục - Bê tông cốt thép Hệ thống phân phối khí mịn, cụm màng sợi rỗng MBR, bơm hút màng
Bể khử trùng Tính toán theo phụ lục - Bê tông cốt thép Bơm định lượng dung dịch hóa chất $\text{Ca(OCl)}_2$
Bể chứa bùn Tính toán theo phụ lục - Bê tông cốt thép Thu gom bùn từ lắng hóa lý và bùn dư sinh học

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải chế biến gỗ tại Đồng Nai; xác định rõ mục tiêu thiết kế trạm xử lý nước thải $75\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ đạt chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cột A; phân định phạm vi, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa môi trường - xã hội đối với Hợp tác xã Vĩnh Thành.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng kết bối cảnh ngành công nghiệp đồ gỗ trên thế giới (giá trị sản xuất đạt 500 tỷ USD vào năm 2021) và Việt Nam (kim ngạch xuất khẩu gỗ 7 tháng đầu năm 2021 đạt 9,58 tỷ USD). Tác giả phân tích chi tiết quy trình công nghệ 8 bước tại Hợp tác xã Vĩnh Thành: Tạo phôi $\rightarrow$ Cắt tinh, định hình $\rightarrow$ Chà nhám $\rightarrow$ Lắp ráp $\rightarrow$ Sơn $\rightarrow$ Sấy sơn $\rightarrow$ Làm nguội $\rightarrow$ Đóng gói.

Cơ sở có 1.330 lao động (tiêu chuẩn $45\text{ l/người/ca}$, nước cấp sinh hoạt $60\text{ m}^3/\text{ngày}$) và 2 buồng sơn trang bị 23 tháp sơn khô (nước cấp xử lý bụi sơn $15\text{ m}^3/\text{ngày}$). Tổng lượng nước thải phát sinh cần xử lý được xác định chính xác là $75\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.

Chương 3: Công nghệ xử lý nước thải sản xuất đồ gỗ

Chương này tổng quan cơ chế của các phương pháp xử lý cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học. Đồng thời, tác giả khảo sát và phân tích ưu - nhược điểm của 3 hệ thống xử lý nước thải chế biến gỗ thực tế đang vận hành:

  • Công ty TNHH Monoland Wood Product Việt Nam: Công suất $40\text{ m}^3/\text{ngày}$, sử dụng công nghệ SBR.
  • Nhà máy Đồ gỗ và Trang trí nội thất Ngô Văn Nhân: Công suất $6,6\text{ m}^3/\text{ngày}$, xử lý sơ bộ keo tụ tạo bông cho nước thải sơn ($3\text{ m}^3/\text{ngày}$) trước khi xả vào Cụm công nghiệp An Lưu.
  • Công ty CP Việt Nam Housewares INT: Công suất $150\text{ m}^3/\text{ngày}$, áp dụng cụm Aerotank kết hợp lắng sinh học truyền thống xả vào KCN Hòa Phú.

Chương 4: Tính toán thiết kế

Chương 4 là nội dung trọng tâm của đồ án, thực hiện tính toán cơ sở kỹ thuật, nồng độ phối trộn, đề xuất 2 sơ đồ dây chuyền công nghệ và tính toán kích thước chi tiết từng hạng mục công trình đơn vị (thể tích, chiều dài, rộng, cao, thời gian lưu nước HRT, hệ thống đường ống dẫn, đĩa thổi khí và bơm định lượng). Tác giả thiết lập bảng dự toán chi phí đầu tư xây dựng, mua sắm thiết bị và chi phí vận hành cho cả hai phương án, làm cơ sở lựa chọn phương án MBR.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 tóm tắt các kết quả kỹ thuật đã đạt được của đồ án; khẳng định phương án công nghệ được lựa chọn hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và môi trường; đồng thời đưa ra các kiến nghị liên quan đến công tác vận hành, bảo trì thiết bị và quản lý bùn thải định kỳ tại trạm xử lý.

Kết quả và đóng góp

Hiệu suất xử lý dự tính của hai phương án

Thông số ô nhiễm Dòng vào hỗn hợp ($mg/l$) Phương án 1 (Aerotank + Lắng + Lọc) Phương án 2 (MBR) Quy chuẩn so sánh QCVN 40:2011/BTNMT, Cột A ($mg/l$)
Nước ra ($mg/l$) Hiệu suất tổng (%) Nước ra ($mg/l$) Hiệu suất tổng (%)
$\text{BOD}_5$ 224 14,56 93,5% 11,20 95,0% $\le 30$
$\text{COD}$ 456 47,88 89,5% 22,80 95,0% $\le 75$
$\text{SS}$ 150 11,25 92,5% 7,50 95,0% $\le 50$
$\text{N-NH}_4^+$ 24,6 4,92 80,0% 3,69 85,0% $\le 5$
$\text{TN}$ 35,6 5,34 85,0% 3,56 90,0% $\le 20$
$\text{TP}$ 8,4 3,36 60,0% 3,36 60,0% $\le 4$
Coliform ($MPN/100ml$) $10^6$ 2.000 99,8% 2.000 99,8% $\le 3.000$

Quyết định lựa chọn giải pháp kỹ thuật

Qua phân tích kinh tế - kỹ thuật, tác giả quyết định chọn Phương án 2 (Công nghệ màng lọc MBR) làm phương án thiết kế chính thức.

  • Ưu thế công nghệ: MBR tích hợp quá trình phân hủy sinh học hiếu khí và phân tách pha rắn - lỏng bằng màng lọc, thay thế hoàn toàn bể lắng sinh học đợt 2, bể trung gian và bể lọc áp lực. Hệ thống giúp giảm 30 - 40% diện tích mặt bằng xây dựng, loại bỏ nguy cơ trôi bùn khó lắng và cho chất lượng nước đầu ra ổn định, vượt trội so với yêu cầu của QCVN 40:2011/BTNMT cột A.
  • Đóng góp thực tiễn: Cung cấp giải pháp phân tách dòng thông minh (xử lý hóa lý riêng dòng sơn $15\text{ m}^3/\text{ngày}$ trước khi hòa dòng sinh hoạt $60\text{ m}^3/\text{ngày}$), giảm thiểu đáng kể khối lượng hóa chất keo tụ PAC và Polymer tiêu thụ, giúp cơ sở vừa tiết kiệm chi phí vận hành vừa đảm bảo trách nhiệm bảo vệ môi trường địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Các thông số tính chất nước thải đầu vào một phần được kế thừa từ các tài liệu tham khảo và giáo trình chuyên ngành do điều kiện lấy mẫu phân tích thực tế tại cơ sở theo thời gian còn hạn chế.
    • Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế kỹ thuật, lập thuyết minh công nghệ và dự toán lý thuyết, chưa có điều kiện thử nghiệm mô hình thực nghiệm (pilot) màng MBR trực tiếp trên mẫu nước thải của Hợp tác xã Vĩnh Thành.
  • Hướng mở rộng nghiên cứu:
    • Tiến hành lắp đặt mô hình pilot MBR tại cơ sở để đánh giá chính xác chu kỳ rửa màng, hiện tượng tắc nghẽn màng (fouling) khi xử lý nước thải chứa cặn sơn đặc thù.
    • Nghiên cứu khả năng khử trùng tái sử dụng toàn bộ lượng nước thải sau xử lý qua màng MBR phục vụ cho hoạt động tưới cây khuôn viên ($5\text{ m}^3/\text{ngày}$) và cấp bù bể phòng cháy chữa cháy ($2\text{ m}^3/\text{tháng}$).

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị thực tiễn cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Môi trường: Tham khảo cấu trúc hoàn chỉnh của một đồ án thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp từ bước tính cân bằng nước, tính toán thủy lực, lựa chọn thiết bị cho đến lập dự toán kinh tế.
  • Kỹ sư thiết kế cấp thoát nước và xử lý nước thải: Có thể tái sử dụng chuỗi bảng tính thông số kích thước hình học, công suất motor khuấy trộn, lưu lượng bơm định lượng hóa chất, các thông số thiết kế đĩa phân phối khí mịn Jager HD 270 và màng MBR.
  • Các cơ sở sản xuất chế biến gỗ và hợp tác xã ngành nội thất: Tham khảo sơ đồ công nghệ tách dòng dòng thải bụi sơn độc hại để xử lý hóa lý cục bộ trước khi hòa chung với nước thải sinh hoạt nhằm tối ưu chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án không gom chung toàn bộ nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất ngay từ đầu để xử lý?
Nước thải sinh hoạt chiếm lưu lượng lớn ($60\text{ m}^3/\text{ngày}$) nhưng chủ yếu chứa chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, trong khi nước thải sản xuất bụi sơn chỉ có $15\text{ m}^3/\text{ngày}$ nhưng chứa hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS $500\text{ mg/l}$) và chất khó tan rất cao. Việc tách riêng dòng sản xuất để keo tụ tạo bông và lắng hóa lý sơ bộ giúp giảm kích thước bể hóa lý và tiết kiệm đáng kể lượng hóa chất PAC và Polymer tiêu tốn so với việc xử lý hóa lý toàn bộ $75\text{ m}^3/\text{ngày}$.

2. Lưu lượng nước thải sinh hoạt tại Hợp tác xã Vĩnh Thành được tính toán dựa trên cơ sở nào?
Lưu lượng nước thải sinh hoạt được tính dựa trên số lượng cán bộ công nhân viên dự kiến là 1.330 người với tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt $45\text{ lít/người/ca}$ làm việc và hệ số không điều hòa $K_{ngđ} = 2,5$. Tổng lượng nước cấp là $59,9\text{ m}^3/\text{ngày}$ (làm tròn $60\text{ m}^3/\text{ngày}$) và tỷ lệ phát thải tính bằng 100% lượng nước cấp.

3. Bùn thải phát sinh trong hệ thống xử lý được quản lý như thế nào?
Toàn bộ bùn cặn từ đáy Bể lắng hóa lý và lượng bùn hoạt tính dư xả ra từ Bể lắng sinh học (ở Phương án 1) hoặc Bể MBR (ở Phương án 2) đều được dẫn về Bể chứa bùn. Tại đây, phần nước trong chảy tràn phía trên được tuần hoàn về Bể điều hòa 2 để xử lý tiếp, còn phần bùn đậm đặc được cơ sở ký hợp đồng với đơn vị có chức năng môi trường để thu gom, vận chuyển và xử lý định kỳ theo quy định.

4. Vì sao công nghệ màng MBR ở Phương án 2 lại được ưu tiên lựa chọn hơn phương án Aerotank truyền thống?
Màng MBR cho hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao hơn ($\text{BOD}_5$ và $\text{COD}$ đạt hiệu suất xử lý $95%$, nồng độ SS sau xử lý chỉ còn $7,5\text{ mg/l}$). Màng lọc MBR cho phép loại bỏ hoàn toàn cụm bể lắng sinh học đợt 2, bể trung gian và bể lọc áp lực, giúp thu gọn mặt bằng xây dựng, vận hành tự động hóa cao và tránh được sự cố trôi bùn vi sinh ra nguồn tiếp nhận.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Lê Ngọc Thuận đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán xử lý nước thải cho cơ sở sản xuất đồ gỗ nội thất Hợp tác xã Vĩnh Thành với quy mô $75\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Bằng việc phân tích đặc trưng nguồn thải, đề xuất giải pháp tách dòng tiền xử lý và áp dụng công nghệ màng lọc sinh học MBR hiện đại, đồ án đảm bảo chất lượng nước đầu ra luôn đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (cột A). Công trình cung cấp đầy đủ căn cứ kỹ thuật, bản vẽ thiết kế và dự toán kinh tế, đóng góp một phương án khả thi phục vụ công tác bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cho ngành chế biến gỗ tại địa phương.