Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển nhanh chóng của ngành chăn nuôi gia súc theo hướng công nghiệp hóa tại Việt Nam đã gia tăng đáng kể số lượng đàn nuôi và quy mô chuồng trại. Tuy nhiên, hạ tầng kỹ thuật xử lý chất thải tại các cơ sở chăn nuôi chưa được đầu tư đồng bộ, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng đối với các môi trường đất, nước mặt, nước ngầm và không khí. Báo cáo của Viện Chăn nuôi chỉ ra rằng phần lớn các hộ chăn nuôi xả nước thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên gây mùi hôi nồng nặc; nồng độ khí $\text{H}_2\text{S}$ và $\text{NH}_3$ phát tán cao gấp 30–40 lần mức cho phép; mật độ vi sinh vật, bào tử nấm, vi khuẩn Coliform, E. coli và trứng giun sán đều vượt quy chuẩn nhiều lần. Theo Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO), chất thải chăn nuôi toàn cầu tạo ra 65% lượng $\text{N}_2\text{O}$ (khí có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời gấp 296 lần $\text{CO}_2$), 9% lượng $\text{CO}_2$, 73% lượng $\text{CH}_4$ (khả năng giữ nhiệt gấp 23 lần $\text{CO}_2$) và hơn 40 loại khí gây mùi. Tại Việt Nam, thống kê của Cục Chăn nuôi cho thấy đàn gia súc, gia cầm thải ra từ 73 đến 76 triệu tấn chất thải mỗi năm. Việc sử dụng lượng lớn nước tắm rửa gia súc và vệ sinh chuồng trại (khảo sát của Trương Thanh Cảnh và cộng sự năm 2006 cho thấy 1 kg chất thải bị pha loãng với 20–49 kg nước) làm gia tăng khối lượng nước thải cần xử lý.

Đề tài khóa luận được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Tổng quan cơ sở lý luận về đặc tính chất thải chăn nuôi, đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý cơ học, hóa lý và sinh học (kỵ khí, hiếu khí, xử lý tự nhiên bằng hồ sinh học và thực vật thủy sinh).
  2. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn công suất $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt quy chuẩn xả thải.
  3. Tính toán thiết kế chi tiết thông số công nghệ, kích thước hình học và lựa chọn thiết bị cơ điện cho các công trình đơn vị trong hệ thống: song chắn rác, bể lắng cát thổi khí, bể điều hòa, bể lắng 1, bể kỵ khí UASB, bể hiếu khí Aerotank, bể lắng 2, bể nén bùn và hồ sinh học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải phát sinh từ trang trại chăn nuôi lợn, bao gồm hỗn hợp phân, nước tiểu, nước tắm rửa gia súc và vệ sinh chuồng trại.
  • Phạm vi công suất và chế độ làm việc: Lưu lượng tính toán $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, hệ thống vận hành liên tục 24/24 giờ ($Q_{\text{tb}} = 8{,}33,\text{m}^3/\text{h} \approx 3{,}5,\text{L/s}$).
  • Không gian và thời gian: Khóa luận được thực hiện tại ngành Kỹ thuật Môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng vào năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận áp dụng các cơ sở lý thuyết, tiêu chuẩn chuyên ngành kỹ thuật môi trường và số liệu thực nghiệm:

  • Tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật: QCVN 14:2008/BTNMT cột B (áp dụng đối chiếu tính chất ô nhiễm ban đầu), QCVN 24:2009/BTNMT (áp dụng cho nước thải xả ra nguồn tiếp nhận), các tiêu chuẩn xây dựng TCXDVN và tiêu chuẩn định mức phát thải của ASAE (American Society of Agricultural Engineers).
  • Cơ chế phân hủy sinh học hiếu khí: Diễn ra qua 3 giai đoạn gồm oxy hóa chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới ($\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N}$) và phân hủy nội bào với sự tham gia của bùn hoạt tính lơ lửng (Zoogloea tạo màng nhầy sinh học).
  • Cơ chế phân hủy sinh học kỵ khí: Diễn ra qua 4 giai đoạn nối tiếp gồm thủy phân (Hydrolysis), acid hóa (Acidogenesis), acetic hóa (Acetogenesis) và methane hóa (Methanogenesis), tạo thành khí $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{S}$ và sinh khối mới.
  • Cơ chế xử lý sinh học tự nhiên và thủy sinh: Ứng dụng quá trình cộng sinh vi khuẩn – tảo trong hồ sinh học (hồ hiếu khí, hồ tùy nghi, hồ kỵ khí) và khả năng hấp thụ khoáng vô cơ của thực vật nước theo phân loại của Chongrak Polprasert (1997), bao gồm thực vật chìm (Hydrilla verticillata, Myriophyllum spicatum), thực vật trôi nổi (Eichhornia crassipes, Wolfia arrhiga) và thực vật nửa chìm nửa nổi (Typha spp, Scirpus spp, Phragmites communis).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu chuyên khảo về công nghệ xử lý nước thải trang trại.
  • Phương pháp tính toán thiết kế công nghệ và thủy lực kỹ thuật môi trường: Thiết lập cân bằng vật chất, tính toán tải trọng bề mặt, tải trọng thể tích hữu cơ, xác định kích thước công trình và lựa chọn thiết bị cơ điện phụ trợ (máy thổi khí, đĩa phân phối khí, hệ thống phân phối nước và thu khí biogas).

Nguồn dữ liệu thành phần và nồng độ ô nhiễm nước thải đầu vào:

Thông số ô nhiễm Đơn vị đo Nồng độ tính toán QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B)
pH - 7,2 5 – 9
$\text{BOD}_5$ mg/L 1.800 50
$\text{COD}$ mg/L 2.500 100
Chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$) mg/L 340 100
Tổng Nitơ ($\text{N}_{\text{tổng}}$) mg/L 110 60
Tổng Photpho ($\text{P}_{\text{tổng}}$) mg/L 18 6
Coliform MPN/100mL $5{,}8 \times 10^9$ 5.000

Tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} = 1.800 / 2.500 = 0{,}72$ cho thấy nước thải có khả năng phân hủy sinh học rất cao, thích hợp áp dụng chuỗi công nghệ sinh học kỵ khí kết hợp hiếu khí.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn công suất $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ được thiết kế theo dây chuyền công nghệ đa bậc:

Nước thải $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Bể lắng cát thổi khí $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 1 (lắng ly tâm) $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Hồ sinh học $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.

Các dòng phụ trợ bao gồm:

  • Rác thô và cát lắng được thu gom đem chôn lấp hợp vệ sinh.
  • Phân tách từ song chắn rác và bùn tươi từ bể lắng 1, bùn dư bể UASB, bùn bể lắng 2 được dẫn về bể nén bùn, qua máy nén bùn để chế biến làm phân bón hữu cơ.
  • Khí sinh học ($\text{Biogas}$) sinh ra từ bể UASB được thu gom qua hệ thống chụp hút và đường ống chuyên dụng.

Bảng tổng hợp thông số tính toán thiết kế các công trình đơn vị:

Công trình đơn vị Thông số thiết kế chính Giá trị tính toán Ghi chú kỹ thuật
Song chắn rác Kích thước mương ($B \times H$)
Chiều cao nước ($h$)
Khoảng cách khe hở ($w$)
Số lượng thanh
Tổn thất áp lực qua song		 $0{,}4,\text{m} \times 0{,}7,\text{m}$
$0{,}012,\text{m}$
$16,\text{mm}$
9 thanh
$12{,}2,\text{mm}$		 Vận tốc dòng chảy $v = 0{,}5,\text{m/s}$; chiều rộng thanh $5,\text{mm}$, chiều dài thanh $30,\text{mm}$; chiều dài mương $L = 0{,}47,\text{m}$ ($L_1 = 0{,}3,\text{m}$, $L_2 = 0{,}17,\text{m}$).
Bể lắng cát thổi khí Thời gian lưu nước ($t$)
Kích thước ($L \times B \times H$)
Thể tích công tác ($V$)
Lượng cát phát sinh		 $5,\text{phút}$
$1{,}5,\text{m} \times 1{,}2,\text{m} \times 0{,}72,\text{m}$
$1{,}04,\text{m}^3$
$0{,}03,\text{m}^3/\text{ngày}$		 Chiều cao hữu ích $h = 0{,}4,\text{m}$, chiều cao bảo vệ $h_{\text{bv}} = 0{,}3,\text{m}$, chiều cao lớp cát $h_{\text{lc}} = 0{,}0113,\text{m}$. Hiệu suất giảm 5% $\text{SS}$, $\text{BOD}_5$, $\text{COD}$ (nồng độ còn lại: $\text{SS} = 323,\text{mg/L}$, $\text{BOD}_5 = 1.710,\text{mg/L}$, $\text{COD} = 2.375,\text{mg/L}$).
Bể điều hòa Lưu lượng lớn nhất ($Q_{\text{max}}$)
Thời gian lưu nước ($t$)
Kích thước ($L \times B \times H_{\text{xd}}$)
Thể tích thực ($V_{\text{tk}}$)
Lưu lượng khí cấp ($Q_{\text{kk}}$)
Thiết bị cơ điện		 $240,\text{m}^3/\text{ngày}$
$4,\text{giờ}$
$5{,}0,\text{m} \times 4{,}0,\text{m} \times 2{,}5,\text{m}$
$50,\text{m}^3$
$4{,}5,\text{m}^3/\text{h}$
2 máy thổi khí $1{,}5,\text{kW}$		 Hệ số điều hòa $k = 1{,}2$; chiều cao công tác $H = 2{,}0,\text{m}$, $h_{\text{bv}} = 0{,}5,\text{m}$. Bố trí 7 đĩa phân phối khí $\varnothing 270,\text{mm}$ trên 2 nhánh ống PVC $\varnothing 21,\text{mm}$, ống chính sắt tráng kẽm $\varnothing 48,\text{mm}$. Nồng độ giảm 15% (còn lại: $\text{SS} = 274{,}55,\text{mg/L}$, $\text{BOD}_5 = 1.453{,}5,\text{mg/L}$, $\text{COD} = 2.018{,}75,\text{mg/L}$).
Bể lắng 1 (Ly tâm) Tải trọng bề mặt ($L_A$)
Đường kính bể ($D$)
Chiều sâu tổng cộng ($H_{\text{tc}}$)
Thời gian lưu nước ($t$)
Lượng bùn tươi phát sinh		 $32,\text{m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$
$2{,}82,\text{m}$
$4{,}1,\text{m}$
$2{,}16,\text{giờ}$
$82{,}98,\text{kg SS/ngày}$		 Ống trung tâm đường kính $d = 0{,}564,\text{m}$, cao $1{,}8,\text{m}$; máng thu nước đường kính $D_m = 2{,}256,\text{m}$, dài $L_m = 7,\text{m}$, cao $h_m = 0{,}5,\text{m}$. Hiệu suất khử $\text{SS}$ đạt 60% ($\text{SS}$ ra còn $109{,}8,\text{mg/L}$). Lưu lượng bùn tươi cần xử lý $Q_{\text{tươi}} = 1{,}58,\text{m}^3/\text{ngày}$ (độ ẩm 95%, $M_{\text{tươi VSS}} = 66{,}384,\text{kg VSS/ngày}$).
Bể kỵ khí UASB Tải trọng $\text{COD}$ ($a$)
Hiệu suất khử $\text{BOD}5, \text{COD}$
Kích thước mặt bằng ($B \times B$)
Chiều cao xây dựng ($H$)
Thể tích toàn phần ($V{\text{t}}$)
Thời gian lưu nước ($t$)
Lượng khí sinh học phát sinh
Lượng bùn sinh ra ($P_x$)		 $8,\text{kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$
$70%$
$3{,}7,\text{m} \times 3{,}7,\text{m}$
$4{,}25,\text{m}$
$58{,}18,\text{m}^3$
$6{,}67,\text{giờ}$
$141{,}3,\text{m}^3/\text{ngày}$
$14{,}1,\text{kg VSS/ngày}$		 Chiều cao phần kỵ khí $H_1 = 2{,}55,\text{m}$, vùng lắng $H_2 = 1{,}2,\text{m}$, bảo vệ $H_3 = 0{,}5,\text{m}$; vận tốc nước dâng $v = 0{,}6,\text{m/h}$. Ngăn lắng chia 2 khoang nghiêng $50^\circ$, thời gian lưu $1,\text{h}$. Máng thu nước giữa bể dài $3{,}7,\text{m}$, rộng $0{,}24,\text{m}$. Hệ thống phân phối gồm 4 ống nhánh $\varnothing 15,\text{mm}$, 8 lỗ $\varnothing 16,\text{mm}$ đặt cách đáy $20,\text{cm}$. Lượng khí $\text{CH}4$ chiếm 75% ($106,\text{m}^3/\text{ngày}$). Bùn sinh ra $W_b = 0{,}282,\text{m}^3/\text{ngày}$ ($C{\text{ss}} = 50,\text{kg/m}^3$, $\theta = 60,\text{ngày}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích hiện trạng ô nhiễm môi trường phát sinh từ hoạt động chăn nuôi gia súc và hệ thống hóa các giải pháp xử lý kỹ thuật:

  • Đánh giá tác động môi trường: Chất thải chăn nuôi chứa nồng độ hữu cơ, dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh cao, gây ô nhiễm đất, suy thoái nguồn nước mặt, nước ngầm và phát tán khí nhà kính ($\text{N}_2\text{O}$, $\text{CO}_2$, $\text{CH}_4$). Số liệu định mức cho thấy phân và nước tiểu chiếm từ 1,5% đến 6% khối lượng cơ thể gia súc (đối với lợn là 6–8%). Định mức chất thải cho 1.000 kg lợn trong 1 ngày gồm: 84 kg phân, 39 kg nước tiểu, 11 kg chất rắn tổng số ($\text{TS}$) và $3{,}027,\text{kg BOD}_5$.
  • Tổng quan công nghệ xử lý:
    • Phương pháp cơ học: Ứng dụng song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng sơ bộ và lọc ly tâm nhằm loại bỏ tạp chất thô và cặn không tan.
    • Phương pháp hóa lý: Phân tích cơ chế keo tụ - tạo bông bằng phèn nhôm, phèn sắt và polymer trợ keo tụ; phương pháp có khả năng khử 80–90% $\text{SS}$ và kết tủa photphat dạng $\text{AlPO}_4$, $\text{FePO}_4$, song chi phí hóa chất cao nên không khả thi về mặt kinh tế đối với nước thải chăn nuôi.
    • Phương pháp sinh học: Trình bày chi tiết cơ chế phân hủy hiếu khí (bùn hoạt tính trong bể Aerotank thông thường, Aerotank xáo trộn hoàn toàn, mương oxy hóa, SBR) và kỵ khí (bể UASB, bể lọc kỵ khí, bể phản ứng tiếp xúc yếm khí).
    • Hệ thống xử lý tự nhiên: Khảo sát mô hình hồ sinh học (hồ làm thoáng tự nhiên với chiều sâu 30–40 cm, hồ làm thoáng nhân tạo sâu 2–4,5 m, hồ tùy nghi, hồ kỵ khí sâu tới 9,1 m, hồ xử lý bổ sung lưu nước 18–20 ngày với tải trọng 67–200 kg $\text{BOD}_5/\text{ha}$); đồng thời phân loại các loài thực vật thủy sinh có khả năng xử lý nước thải (Hydrilla verticillata, Eichhornia crassipes, Typha spp, Phragmites communis).

Chương 2: Đề xuất phương án xử lý nước thải chăn nuôi heo công suất 200m3/ngày đêm

Chương 2 luận chứng cơ sở lựa chọn dây chuyền công nghệ và thiết lập sơ đồ khối xử lý:

  • Phân tích tính chất nguồn thải: Nước thải chăn nuôi có nồng độ ô nhiễm cao ($\text{BOD}5 = 1.800,\text{mg/L}$, $\text{COD} = 2.500,\text{mg/L}$, $\text{SS} = 340,\text{mg/L}$, $\text{N}{\text{tổng}} = 110,\text{mg/L}$, $\text{P}_{\text{tổng}} = 18,\text{mg/L}$, $\text{Coliform} = 5{,}8 \times 10^9,\text{MPN/100mL}$), tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} = 0{,}72$ phù hợp với quá trình phân hủy sinh học kết hợp.
  • Lựa chọn sơ đồ công nghệ: Kết hợp xử lý cơ học bậc 1 (song chắn rác, lắng cát, lắng ly tâm) với xử lý sinh học kỵ khí tải trọng cao (UASB), sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (Aerotank) và hoàn thiện chất lượng nước bằng hồ sinh học thực vật.
  • Đánh giá ưu nhược điểm: Quy trình có ưu điểm vận hành tương đối dễ dàng, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải loại B, chi phí đầu tư và vận hành hợp lý, thu hồi được khí sinh học làm năng lượng; nhược điểm là đòi hỏi quá trình vận hành phải theo dõi, kiểm soát thường xuyên cường độ sục khí trong bể hiếu khí.

Chương 3: Tính toán thiết kế công trình đơn vị của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn công suất 200m3/ngày đêm

Chương 3 thực hiện tính toán thiết kế chi tiết thông số thủy lực, kích thước hình học và lựa chọn thiết bị cho từng công trình đơn vị:

  • Lưu lượng tính toán: $Q_{\text{ng}} = 200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, $Q_{\text{h}} = 8{,}33,\text{m}^3/\text{h}$, $Q_{\text{s}} = 0{,}002315,\text{m}^3/\text{s} = 3{,}5,\text{L/s}$.
  • Tính toán song chắn rác: Mương dẫn rộng $0{,}4,\text{m}$, sâu $0{,}7,\text{m}$, gồm 9 thanh chắn dày $5,\text{mm}$ tạo 8 khe hở $16,\text{mm}$, tổn thất áp lực $12{,}2,\text{mm}$.
  • Tính toán bể lắng cát thổi khí: Thời gian lưu nước 5 phút, dung tích công tác $1{,}04,\text{m}^3$, kích thước $L \times B \times H = 1{,}5,\text{m} \times 1{,}2,\text{m} \times 0{,}72,\text{m}$, phát sinh $0{,}03,\text{m}^3,\text{cát/ngày}$.
  • Tính toán bể điều hòa và hệ thống phân phối khí: Dung tích xây dựng $50,\text{m}^3$ ($5,\text{m} \times 4,\text{m} \times 2{,}5,\text{m}$), thời gian lưu 4 giờ; bố trí 7 đĩa khuếch tán khí bọt mịn $\varnothing 270,\text{mm}$, lưu lượng khí cấp $4{,}5,\text{m}^3/\text{h}$, áp lực $1{,}27,\text{atm}$, trang bị 2 máy thổi khí công suất $1{,}5,\text{kW}$ vận hành luân phiên.
  • Tính toán bể lắng 1 (ly tâm): Tải trọng bề mặt $32,\text{m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$, đường kính $D = 2{,}82,\text{m}$, chiều sâu $H_{\text{tc}} = 4{,}1,\text{m}$, thời gian lưu nước $2{,}16,\text{giờ}$; hiệu quả lắng khử 60% $\text{SS}$, thải bỏ $82{,}98,\text{kg SS/ngày}$ bùn tươi ($1{,}58,\text{m}^3/\text{ngày}$).
  • Tính toán bể UASB: Tải trọng thiết kế $8,\text{kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$, hiệu suất khử $\text{COD}$ và $\text{BOD}_5$ đạt 70% (loại bỏ $282{,}62,\text{kg COD/ngày}$); kích thước mặt bằng hình vuông $3{,}7,\text{m} \times 3{,}7,\text{m}$, chiều cao $4{,}25,\text{m}$, thời gian lưu nước $6{,}67,\text{giờ}$; sản sinh $141{,}3,\text{m}^3,\text{khí biogas/ngày}$ ($106,\text{m}^3,\text{CH}_4/\text{ngày}$), đường ống thu khí $\varnothing 27,\text{mm}$; hệ thống cấp nước gồm 4 ống nhánh $\varnothing 15,\text{mm}$ với 8 lỗ phân phối $\varnothing 16,\text{mm}$; lượng bùn sinh khối sinh ra $14{,}1,\text{kg VSS/ngày}$ ($0{,}282,\text{m}^3/\text{ngày}$).

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Xác lập chuỗi công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ phù hợp với điều kiện kinh tế và vận hành tại các trang trại chăn nuôi.
  • Hoàn thiện toàn bộ các thông số tính toán thủy lực, kích thước xây dựng và cấu tạo cơ khí cho 5 công trình đơn vị quan trọng (Song chắn rác, Bể lắng cát, Bể điều hòa, Bể lắng 1 ly tâm, Bể kỵ khí UASB).
  • Định lượng hiệu quả suy giảm nồng độ chất ô nhiễm qua từng công đoạn:
    • Lắng cát: Giảm 5% nồng độ $\text{SS}$, $\text{BOD}_5$, $\text{COD}$.
    • Bể điều hòa: Giảm 15% nồng độ $\text{SS}$, $\text{BOD}_5$, $\text{COD}$.
    • Bể lắng 1: Loại bỏ 60% hàm lượng $\text{SS}$ (giảm từ $274{,}55,\text{mg/L}$ xuống $109{,}8,\text{mg/L}$), tách dòng $82{,}98,\text{kg SS/ngày}$ bùn tươi.
    • Bể UASB: Xử lý 70% tải lượng $\text{COD}$ và $\text{BOD}_5$ (nồng độ $\text{COD}$ giảm từ $2.018{,}75,\text{mg/L}$ xuống $605{,}625,\text{mg/L}$, $\text{BOD}_5$ giảm từ $1.453{,}5,\text{mg/L}$ xuống $436{,}05,\text{mg/L}$), thu hồi $141{,}3,\text{m}^3/\text{ngày}$ khí sinh học.
  • Đề xuất giải pháp tuần hoàn tài nguyên: Tận dụng bùn thải sau ép bùn làm phân bón hữu cơ và thu hồi khí methane làm năng lượng xanh.
  • Đóng góp học thuật và thực tiễn: Cung cấp tài liệu thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh với số liệu tính toán chi tiết, có thể làm tài liệu tham khảo cho việc thiết kế và thẩm định các trạm xử lý nước thải chăn nuôi quy mô vừa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận có một số hạn chế và hướng mở:

  • Hạn chế: Nguồn số liệu đặc tính nước thải đầu vào dựa trên tổng hợp tài liệu quy chuẩn và giả định thiết kế, chưa qua khảo sát thực tế phân tích mẫu theo mùa tại một trang trại cụ thể; các tính toán chi tiết cho các công trình đơn vị phía sau (bể Aerotank, bể lắng 2, bể nén bùn và hồ sinh học) chưa được trình bày đầy đủ trong văn bản; chưa có dự toán chi tiết chi phí đầu tư xây dựng và chi phí năng lượng vận hành trạm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Tiến hành quan trắc thực địa để hiệu chỉnh dao động nồng độ ô nhiễm theo chế độ xả rửa chuồng trại; nghiên cứu thực nghiệm mô hình pilot bể UASB kết hợp Aerotank để xác định chính xác các hệ số động học sinh trưởng vi sinh vật; nghiên cứu bổ sung hệ thống làm sạch và tinh chế khí $\text{CH}_4$ từ bể UASB để phát điện.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

  • Sinh viên, giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường và Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị tham khảo phương pháp luận, các bước tính toán công nghệ và thủy lực cho các công trình xử lý nước thải sinh học kỵ khí/hiếu khí.
  • Kỹ sư thiết kế cấp thoát nước và các chủ trang trại chăn nuôi gia súc tham khảo thông số kích thước, cấu tạo hệ thống phân phối nước, thu khí $\text{Biogas}$ của bể UASB và trạm thổi khí bể điều hòa trong các dự án thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Nồng độ và tính chất các chất ô nhiễm đầu vào trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn được xác định như thế nào? Nước thải đầu vào có lưu lượng trung bình $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, $\text{pH} = 7{,}2$; $\text{BOD}5 = 1.800,\text{mg/L}$; $\text{COD} = 2.500,\text{mg/L}$; $\text{SS} = 340,\text{mg/L}$; $\text{N}{\text{tổng}} = 110,\text{mg/L}$; $\text{P}_{\text{tổng}} = 18,\text{mg/L}$; Coliform $= 5{,}8 \times 10^9,\text{MPN/100mL}$. Tỷ lệ $\text{BOD}_5/\text{COD} = 0{,}72$ rất thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học.

2. Tại sao khóa luận chọn phương pháp sinh học làm giải pháp chính thay vì phương pháp hóa lý keo tụ? Mặc dù phương pháp keo tụ tạo bông có thể loại bỏ 80–90% $\text{SS}$ và photphat, nhưng do nước thải chăn nuôi có hàm lượng hữu cơ rất cao, lượng hóa chất (phèn nhôm, phèn sắt, polymer) cần sử dụng rất lớn dẫn đến chi phí vận hành cao, không hiệu quả về mặt kinh tế. Do đó, phương pháp sinh học (kỵ khí UASB kết hợp bùn hoạt tính Aerotank) được lựa chọn làm phương pháp chủ đạo.

3. Bể điều hòa được tính toán kích thước và trang bị hệ thống cấp khí như thế nào? Bể điều hòa có kích thước xây dựng $L \times B \times H_{\text{xd}} = 5{,}0,\text{m} \times 4{,}0,\text{m} \times 2{,}5,\text{m}$ (thể tích thực $50,\text{m}^3$), thời gian lưu nước 4 giờ. Hệ thống cấp khí có lưu lượng $4{,}5,\text{m}^3/\text{h}$, sử dụng 7 đĩa khuếch tán khí bọt mịn $\varnothing 270,\text{mm}$ gắn trên 2 ống nhánh PVC $\varnothing 21,\text{mm}$, ống chính sắt tráng kẽm $\varnothing 48,\text{mm}$ và 2 máy thổi khí công suất $1{,}5,\text{kW}$ hoạt động luân phiên.

4. Lượng khí sinh học (Biogas) và khí methane phát sinh từ bể UASB mỗi ngày là bao nhiêu? Với hiệu suất khử $\text{COD}$ đạt 70%, lượng $\text{COD}$ bị loại bỏ trong bể UASB là $282{,}62,\text{kg COD/ngày}$. Dựa trên định mức sinh khí $0{,}5,\text{m}^3/\text{kg COD}$ phân hủy, tổng lượng khí sinh học thu được là $141{,}3,\text{m}^3/\text{ngày}$, trong đó khí $\text{CH}_4$ chiếm 75% thể tích, tương đương $106,\text{m}^3,\text{CH}_4/\text{ngày}$.

5. Kích thước hình học và thời gian lưu nước của bể lắng 1 và bể UASB được thiết kế là bao nhiêu? Bể lắng 1 là bể lắng ly tâm có đường kính $D = 2{,}82,\text{m}$, chiều sâu tổng cộng $H_{\text{tc}} = 4{,}1,\text{m}$, thời gian lưu nước $2{,}16,\text{giờ}$. Bể kỵ khí UASB có tiết diện đáy hình vuông $3{,}7,\text{m} \times 3{,}7,\text{m}$, chiều cao xây dựng $4{,}25,\text{m}$, thời gian lưu nước toàn phần $6{,}67,\text{giờ}$ (ngăn lắng bên trong lưu nước 1 giờ).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Văn Phong đã hoàn thành việc thiết kế kỹ thuật hệ thống xử lý nước thải trang trại chăn nuôi lợn công suất $200,\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ bằng chuỗi quy trình kết hợp cơ học, lắng ly tâm, kỵ khí UASB, bùn hoạt tính Aerotank và hồ sinh học. Các thông số công nghệ, kích thước hình học và thiết bị phụ trợ của các công trình đơn vị trọng yếu (song chắn rác, lắng cát thổi khí, bể điều hòa, bể lắng 1 và bể UASB) được tính toán cụ thể dựa trên cơ sở lý thuyết và tải trọng tính toán thực tế. Kết quả của khóa luận cung cấp giải pháp xử lý ô nhiễm đạt quy chuẩn môi trường, đồng thời định hướng thu hồi bùn hữu cơ và năng lượng khí sinh học phục vụ sản xuất.