Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam giữ vai trò thiết yếu trong nền kinh tế nông nghiệp, cung cấp nguồn thực phẩm dồi dào, tạo phân bón hữu cơ cho trồng trọt và giải quyết việc làm cho lao động nông thôn. Với đặc tính tăng trọng nhanh và vòng đời ngắn, đàn lợn không ngừng gia tăng quy mô qua việc hình thành nhiều trang trại tập trung, phân bố chủ yếu tại năm vùng trọng điểm: Mộc Châu (Sơn La), Hà Nội và các vùng phụ cận, Thành phố Hồ Chí Minh cùng các tỉnh phụ cận, Lâm Đồng và dải duyên hải miền Trung. Tuy nhiên, sự phát triển nóng của các cơ sở chăn nuôi quy mô lớn đã tạo áp lực nghiêm trọng lên môi trường đất, nước và không khí do lượng chất thải chưa qua xử lý triệt để xả thẳng ra tự nhiên. Nước thải phát sinh chủ yếu từ các công đoạn tắm cho đàn lợn và vệ sinh chuồng trại, mang theo lượng phân, nước tiểu và thức ăn dư thừa rất lớn.

Trước thực trạng đó, khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Sơn được thực hiện nhằm giải quyết bài toán ô nhiễm cục bộ từ chăn nuôi gia súc tập trung. Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của đề tài là thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho trang trại chăn nuôi lợn đạt công suất $300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, đưa chất lượng nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 14:2008/BTNMT (cột B) trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, đề tài thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được giao:

  1. Tổng quan cơ sở lý luận về thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi lợn và các công nghệ xử lý cơ học, hóa lý, sinh học hiện hành.
  2. Khảo sát, đánh giá đặc tính ô nhiễm thực tế và đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý nước thải phù hợp với quy mô công suất $300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
  3. Tính toán chi tiết các thông số kỹ thuật, kích thước hình học, tải trọng thủy lực và thiết bị phụ trợ cho từng công trình đơn vị trong hệ thống; thể hiện qua các bản vẽ kỹ thuật chuyên ngành.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là dòng nước thải phát sinh từ trang trại chăn nuôi lợn với các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng điển hình. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quy mô công suất $300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ hoạt động liên tục 24/24 giờ (tương đương lưu lượng trung bình giờ $12{,}5\text{ m}^3/\text{h}$ và lưu lượng giây $3{,}5\text{ L/s}$). Thời gian thực hiện đề tài từ ngày 10 tháng 10 năm 2016 đến ngày 26 tháng 12 năm 2016 tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý luận của khóa luận dựa trên đặc tính lý - hóa và sinh học của nước thải chăn nuôi lợn. Về mặt hóa học, hợp chất hữu cơ chiếm 70–80% tổng chất thải (gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon từ phân và thức ăn thừa), phần lớn thuộc dạng dễ phân hủy sinh học; hợp chất vô cơ chiếm 20–30% (cát, đất, muối, ure, ammonium, sulfate, chloride). Về dinh dưỡng, do gia súc hấp thụ kém nên hàm lượng nitơ tổng (271–1026 mg/L) và photpho tổng (39–94 mg/L) bài tiết rất cao. Hệ vi sinh vật mang nhiều mầm bệnh nguy hiểm gồm vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán.

Trên cơ sở đó, tác giả phân tích ba nhóm phương pháp làm sạch nước:

  • Phương pháp cơ học: Tách rác thô, cặn lơ lửng bằng song chắn rác và bể lắng sơ bộ nhằm bảo vệ thiết bị cơ khí và giảm thể tích các bể sinh học phía sau.
  • Phương pháp hóa lý: Quá trình keo tụ bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt kết hợp polymer để kết tủa $\text{AlPO}_4$, $\text{FePO}_4$ và loại 80–90% cặn lơ lửng; tuy nhiên chi phí hóa chất cao nên không phù hợp kinh tế cho trang trại.
  • Phương pháp sinh học (đóng vai trò chủ đạo):
    • Phân hủy kỵ khí qua bốn giai đoạn đồng thời: thủy phân (phức chất thành đường, acid amin), acid hóa (thành acid béo bay hơi, rượu, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$), acetic hóa (chuyển hóa thành acetate, $\text{H}_2$, $\text{CO}_2$) và methane hóa (sinh khí $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$).
    • Phân hủy hiếu khí bằng bùn hoạt tính lơ lửng gồm ba giai đoạn: oxy hóa chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới ($\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N}$) nhờ loài vi khuẩn tạo bao nhầy polysaccharide Zoogloea, và phân hủy nội bào.
    • Xử lý sinh thái tự nhiên qua hồ sinh học kết hợp thực vật thủy sinh: Khóa luận ứng dụng cây lục bình (Eichhornia crassipes), một loài thân thảo trôi nổi có cuống lá xốp chứa 70% thể tích khí và hệ rễ sợi chiếm 20–50% sinh khối làm giá thể cho màng vi sinh vật (biofilm), thúc đẩy hấp thu nitơ, photpho và quá trình nitrat hóa/khử nitrat hóa.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả áp dụng là phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật môi trường, sử dụng các mô hình động học bùn hoạt tính và thủy lực xử lý nước thải dựa trên các giáo trình chuyên ngành và tiêu chuẩn xây dựng:

  • Tính toán kích thước, thời gian lưu nước, tải trọng bề mặt, tải trọng thể tích theo phương trình cân bằng vật chất.
  • Khảo sát các thông số đầu vào dựa trên tài liệu thực tế của nước thải chăn nuôi lợn và đối chiếu tiêu chuẩn xả thải QCVN 14:2008/BTNMT cột B.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xử lý nước thải trang trại chăn nuôi lợn được thiết kế với dây chuyền công nghệ kết hợp bậc xử lý cơ học, sinh học kỵ khí tải trọng cao, sinh học hiếu khí và hồ hoàn thiện sinh thái:

Nước thải $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Bể lắng cát thổi khí $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng đợt 1 (ly tâm) $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng đợt 2 $\rightarrow$ Hồ sinh học (thả lục bình) $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận đạt chuẩn. Tuyến bùn gồm bùn tươi từ bể lắng 1 và bùn dư bể lắng 2 dẫn về Bể nén bùn $\rightarrow$ Máy nén bùn $\rightarrow$ Sân phơi / Làm phân bón hữu cơ. Khí sinh học từ bể UASB được thu gom qua hệ thống chụp và đường ống.

Chỉ tiêu ô nhiễm Nồng độ đầu vào QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B)
pH 7,2 5 – 9
$\text{BOD}_5$ 2817 mg/L 50 mg/L
$\text{COD}$ 5210 mg/L 100 mg/L
Chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$) 615 mg/L 100 mg/L
Nitơ tổng ($\text{N}_{\text{tổng}}$) 206 mg/L 60 mg/L
Photpho tổng ($\text{P}_{\text{tổng}}$) 37 mg/L 6 mg/L
$\text{Coliform}$ $5{,}8 \times 10^9\text{ MPN/100mL}$ $5000\text{ MPN/100mL}$

Các hạng mục công trình đơn vị được tính toán chi tiết như sau:

1. Song chắn rác

Đặt trong mương dẫn hình chữ nhật nhằm loại bỏ tạp chất thô và phân vón cục lớn. Vận tốc dòng chảy trong mương $v = 0{,}5\text{ m/s}$, kích thước mương rộng $0{,}4\text{ m}$, sâu $0{,}7\text{ m}$, chiều cao mực nước $0{,}017\text{ m}$. Song chắn gồm 16 thanh thép kích thước rộng $5\text{ mm}$, dài $30\text{ mm}$, khe hở giữa các thanh $18{,}82\text{ mm}$. Vận tốc dòng chảy qua khe $0{,}7\text{ m/s}$, tổn thất áp lực qua song đạt $12{,}2\text{ mm}$.

2. Bể lắng cát thổi khí

Thiết kế nhằm lắng các hạt cặn vô cơ đường kính 0,2–2 mm, bảo vệ cánh bơm và đường ống. Thời gian lưu nước $t = 5\text{ phút}$. Chiều sâu công tác $h = 0{,}4\text{ m}$, tỷ lệ rộng:sâu là 3:1 (chiều rộng $1{,}2\text{ m}$), chiều dài bể $2{,}2\text{ m}$, thể tích hữu ích $1{,}04\text{ m}^3$. Lượng cát sinh ra trung bình $0{,}045\text{ m}^3/\text{ngày}$ (với suất phát sinh $0{,}15\text{ m}^3\text{ cát}/1000\text{ m}^3\text{ nước thải}$). Chiều cao xây dựng $H = 0{,}72\text{ m}$ (gồm chiều cao bảo vệ $0{,}3\text{ m}$ và lớp tích cát $0{,}017\text{ m}$). Hiệu quả tách khử qua bể lắng cát làm giảm 5% hàm lượng $\text{SS}$, $\text{BOD}_5$ và $\text{COD}$, đưa nồng độ còn lại về mức: $\text{SS} = 584\text{ mg/L}$, $\text{BOD}_5 = 2676\text{ mg/L}$, $\text{COD} = 4950\text{ mg/L}$.

3. Bể điều hòa

Vật liệu xây dựng bằng bê tông cốt thép, có sục khí liên tục chống lắng cặn và khử mùi. Hệ số điều hòa ngày chọn $k = 1{,}2$, lưu lượng ngày lớn nhất đạt $360\text{ m}^3/\text{ngày}$. Thời gian lưu nước $t = 4\text{ giờ}$, thể tích hữu ích $60\text{ m}^3$. Kích thước mặt bằng: dài $5\text{ m}$, rộng $6\text{ m}$, chiều sâu công tác $2\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $0{,}5\text{ m}$ (chiều cao xây dựng $2{,}5\text{ m}$), thể tích thực tế $75\text{ m}^3$. Lưu lượng cấp khí tính toán $67{,}5\text{ m}^3/\text{h}$ (cường độ cấp $0{,}015\text{ m}^3\text{ khí}/\text{m}^3\text{ bể}\cdot\text{phút}$). Hệ thống phân phối khí gồm 10 đĩa khuếch tán dạng bọt mịn đường kính $270\text{ mm}$, bố trí trên 2 ống nhánh PVC đường kính $21\text{ mm}$, nối vào ống chính thép mạ kẽm đường kính $50\text{ mm}$. Trạm thổi khí trang bị 2 máy nén công suất $1{,}5\text{ kW}$ hoạt động luân phiên, cột áp $2{,}8\text{ m}$. Sau bể điều hòa, nồng độ các chất giảm thêm 15%: $\text{SS} = 496{,}4\text{ mg/L}$, $\text{BOD}_5 = 2274{,}6\text{ mg/L}$, $\text{COD} = 4207{,}5\text{ mg/L}$.

4. Bể lắng đợt 1 (Lắng ly tâm)

Lắng cơ học các hạt cặn lơ lửng hữu cơ trước khi sang khối sinh học. Tải trọng bề mặt chọn $32\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$. Diện tích bề mặt $9{,}375\text{ m}^2$, đường kính bể $D = 3{,}45\text{ m}$. Đường kính ống trung tâm $d = 0{,}69\text{ m}$ (bằng 20% D), chiều cao ống trung tâm $1{,}8\text{ m}$ (bằng 60% H). Chiều sâu hữu ích $3\text{ m}$, lớp bùn lắng $0{,}7\text{ m}$, vùng trung hòa $0{,}2\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $0{,}3\text{ m}$ (tổng chiều cao xây dựng $4{,}2\text{ m}$). Thể tích bể $26{,}9\text{ m}^3$, thời gian lưu nước $2{,}15\text{ giờ}$. Hiệu suất lắng khử $\text{SS}$ đạt 60%, nồng độ $\text{SS}$ sau lắng đợt 1 giảm còn $198\text{ mg/L}$. Lượng bùn tươi sinh ra $82{,}98\text{ kg SS/ngày}$, thể tích bùn cần xả $1{,}58\text{ m}^3/\text{ngày}$ (độ ẩm 95%, tỷ trọng $1{,}053\text{ kg/L}$, tỷ số $\text{VSS/SS} = 0{,}8$). Máng thu nước bố trí vòng cung tròn đường kính $2{,}76\text{ m}$, chiều dài máng $8{,}67\text{ m}$, chiều cao máng $0{,}5\text{ m}$.

5. Bể xử lý kỵ khí dòng ngược (UASB)

Là công trình sinh học phân hủy chính các chất hữu cơ nồng độ cao thành khí sinh học. Tải trọng thể tích thiết kế $8\text{ kg COD}/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, tỷ lệ dinh dưỡng duy trì $\text{COD} : \text{N} : \text{P} = 350 : 5 : 1$, hiệu suất phân hủy $\text{BOD}_5$ và $\text{COD}$ đạt 70%. Nồng độ sau xử lý kỵ khí: $\text{BOD}_5 = 682{,}38\text{ mg/L}$, $\text{COD} = 1262{,}25\text{ mg/L}$. Khối lượng $\text{COD}$ cần khử mỗi ngày là $883{,}57\text{ kg/ngày}$.

  • Thể tích phần xử lý kỵ khí $110{,}4\text{ m}^3$, diện tích bề mặt $20{,}8\text{ m}^2$ (vận tốc dòng hướng lên $v = 0{,}6\text{ m/h}$). Bể có tiết diện vuông cạnh $4{,}6\text{ m} \times 4{,}6\text{ m}$. Chiều cao xây dựng $7\text{ m}$ (gồm chiều cao phản ứng $5{,}2\text{ m}$, vùng lắng $1{,}2\text{ m}$ và bảo vệ $0{,}5\text{ m}$). Thể tích thực tế $148{,}12\text{ m}^3$, thời gian lưu nước toàn bể $10{,}8\text{ giờ}$.
  • Ngăn lắng tách khí phía trên có vách nghiêng $50^\circ$, chiều cao ngăn lắng $1{,}5\text{ m}$, thời gian lưu nước ngăn lắng $1{,}7\text{ giờ}$. Máng thu nước dài $4{,}6\text{ m}$, rộng $0{,}24\text{ m}$, cao $0{,}025\text{ m}$.
  • Khí sinh học tạo thành với chỉ tiêu $0{,}5\text{ m}^3/\text{kg COD}$ phân hủy; lưu lượng biogas phát sinh đạt $441{,}8\text{ m}^3/\text{ngày}$, trong đó khí $\text{CH}_4$ chiếm 75% đạt $331{,}3\text{ m}^3/\text{ngày}$. Đường kính ống thu khí $27\text{ mm}$ (vận tốc khí $10\text{ m/s}$). Hệ thống nạp nước dùng ống chính đường kính $79\text{ mm}$ phân thành hai nhánh đường kính $42\text{ mm}$. Khối lượng bùn kỵ khí tạo thành $14{,}1\text{ kg VSS/ngày}$, thể tích xả $0{,}282\text{ m}^3/\text{ngày}$ (với nồng độ bùn $50\text{ kg/m}^3$).

6. Bể xử lý hiếu khí Aerotank xáo trộn hoàn toàn

Nước sau bể UASB có $\text{BOD}_5 = 682{,}2\text{ mg/L}$ được dẫn vào bể Aerotank để oxy hóa hiếu khí đưa $\text{BOD}_5$ dòng ra về mức $90\text{ mg/L}$ trước khi qua lắng 2. Bể vận hành với hệ số động học thực nghiệm: hệ số sản lượng bùn $Y = 0{,}5\text{ mg VSS/mg BOD}_5$, hệ số phân hủy nội bào $k_d = 0{,}06\text{ ngày}^{-1}$. Các thông số cơ sở gồm: tỷ số $F/M = 0{,}2 - 0{,}6\text{ kg/kg}\cdot\text{ngày}$, tải trọng thể tích $0{,}8 - 1{,}92\text{ kg BOD}5/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, thời gian lưu bùn $\theta_c = 5 - 15\text{ ngày}$, nồng độ $\text{MLVSS} = 3800\text{ mg/L}$ (tỷ lệ $\text{MLVSS/MLSS} = 0{,}8$), nồng độ bùn tuần hoàn $10000\text{ mg/L}$, tỷ số bùn tuần hoàn $Q{th}/Q = 0{,}25 - 1$. Bể được cấp khí cưỡng bức liên tục đảm bảo lượng oxy hòa tan duy trì $\text{DO} \ge 2\text{ mg/L}$.

7. Bể lắng đợt 2, Bể nén bùn và Hồ sinh học

  • Nước sau bể Aerotank tự chảy sang Bể lắng 2 để phân tách bùn hoạt tính lơ lửng. Phần bùn lắng đáy được tuần hoàn về Aerotank và dẫn lượng bùn dư về Bể nén bùn.
  • Bùn từ bể lắng đợt 1 và bùn dư bể lắng đợt 2 được cô đặc tại Bể nén bùn trọng lực, sau đó đưa qua máy ép bùn để làm phân bón hữu cơ phục vụ trồng trọt.
  • Nước trong sau lắng 2 chảy vào Hồ sinh học thả lục bình (Eichhornia crassipes). Hồ thực hiện chức năng xử lý bậc ba: phân hủy chất hữu cơ sót lại bằng màng vi sinh bám rễ, hấp thụ triệt để nitơ, photpho nhờ sinh khối lục bình và tiêu diệt vi khuẩn chỉ thị $\text{Coliform}$, đưa chất lượng nước đạt chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT cột B trước khi đổ vào nguồn tiếp nhận.
Công trình đơn vị Kích thước mặt bằng (Dài $\times$ Rộng hoặc $\varnothing$) Chiều cao công tác / xây dựng Thể tích công tác / thực Thông số vận hành chính
Mương song chắn rác $0{,}4\text{ m} \times 0{,}7\text{ m}$ (rộng $\times$ sâu) $h_{\text{nước}} = 0{,}017\text{ m}$ — $v = 0{,}5\text{ m/s}$; 16 thanh thép
Bể lắng cát thổi khí $2{,}2\text{ m} \times 1{,}2\text{ m}$ $0{,}4\text{ m} / 0{,}72\text{ m}$ $1{,}04\text{ m}^3$ $t = 5\text{ phút}$; cát $0{,}045\text{ m}^3/\text{ngày}$
Bể điều hòa $5{,}0\text{ m} \times 6{,}0\text{ m}$ $2{,}0\text{ m} / 2{,}5\text{ m}$ $60\text{ m}^3 / 75\text{ m}^3$ $t = 4\text{ h}$; 10 đĩa phân phối khí
Bể lắng đợt 1 $\varnothing = 3{,}45\text{ m}$ $3{,}0\text{ m} / 4{,}2\text{ m}$ $26{,}9\text{ m}^3$ $t = 2{,}15\text{ h}$; khử 60% $\text{SS}$
Bể UASB $4{,}6\text{ m} \times 4{,}6\text{ m}$ $6{,}5\text{ m} / 7{,}0\text{ m}$ $110{,}4\text{ m}^3 / 148{,}12\text{ m}^3$ $t = 10{,}8\text{ h}$; biogas $441{,}8\text{ m}^3/\text{ngày}$

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các vấn đề lý luận về nguồn gốc, thành phần nước thải chăn nuôi lợn và đánh giá ưu - nhược điểm của các giải pháp công nghệ hiện hành:

  • Trình bày chi tiết đặc trưng dòng thải chứa 70–80% chất hữu cơ dễ phân hủy, tải lượng nitơ tổng (271–1026 mg/L) và photpho tổng (39–94 mg/L) cao cùng mật độ vi sinh vật gây hại lớn.
  • Phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý cơ học (song chắn rác, lắng sơ bộ, ly tâm, lọc), phương pháp hóa lý (keo tụ phèn nhôm, phèn sắt kèm polymer trợ keo tụ) và khẳng định tính ưu việt của phương pháp sinh học đối với nước thải chăn nuôi.
  • So sánh các công trình xử lý sinh học nhân tạo: phân hệ hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (bể Aerotank thông thường, Aerotank xáo trộn hoàn toàn, Aerotank làm việc kéo dài, mương oxy hóa, bể phản ứng gián đoạn SBR), màng vi sinh dính bám; phân hệ kỵ khí (bể phản ứng lớp bùn dòng ngược UASB, bể phản ứng tiếp xúc kỵ khí, bể lọc kỵ khí dính bám).
  • Đánh giá khả năng làm sạch tự nhiên của hồ sinh học (hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên/nhân tạo, hồ tùy nghi, hồ kỵ khí, hồ xử lý bổ sung) và các phương pháp cánh đồng tưới, đất ngập nước.
  • Trình bày dữ liệu phân loại thực vật nước phổ biến theo Chongrak Polprasert (1997) gồm thực vật sống chìm (Hydrilla verticillata, Myriophyllum spicatum), thực vật sống nổi (Eichhornia crassipes, Wolfia arrhiga), thực vật sống nửa chìm nửa nổi (Typha spp, Scirpus spp, Phragmites communis). Phân tích cấu trúc giải phẫu và vai trò sinh thái của cây lục bình (Eichhornia crassipes): khả năng sinh trưởng ở nhiệt độ 10–40°C (tối ưu 20–30°C), cấu tạo khí khổng phao xốp chiếm 70% thể tích, hệ rễ dài tạo màng vi sinh vật 4 lớp theo mô hình Timberlake (nitrat hóa, lên men kỵ khí, khử nitrat và oxy hóa dị dưỡng). Nêu các lợi ích kinh tế phụ trợ từ lục bình như đan giỏ xuất khẩu (giá khô 6.500–7.000 đ/kg), làm thức ăn gia súc, ủ phân xanh và lên men tạo khí sinh học biogas.

CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO CÔNG SUẤT 300M3/NGÀY ĐÊM

Chương 2 thiết lập cơ sở khoa học để lựa chọn dây chuyền công nghệ cho trang trại:

  • Đánh giá tính chất ô nhiễm ban đầu của nước thải trang trại qua Bảng 2.1: $\text{pH} = 7{,}2$; $\text{BOD}5 = 2817\text{ mg/L}$; $\text{COD} = 5210\text{ mg/L}$; $\text{SS} = 615\text{ mg/L}$; $\text{N}{\text{tổng}} = 206\text{ mg/L}$; $\text{P}_{\text{tổng}} = 37\text{ mg/L}$; $\text{Coliform} = 5{,}8 \times 10^9\text{ MPN/100mL}$. Tất cả chỉ tiêu đều vượt ngưỡng quy định tại QCVN 14:2008/BTNMT cột B gấp nhiều lần (điển hình $\text{BOD}_5$ vượt 56 lần, $\text{COD}$ vượt 52 lần).
  • Đề xuất sơ đồ công nghệ khép kín: Nước thải $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Bể lắng cát $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 1 $\rightarrow$ Bể UASB $\rightarrow$ Bể Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Hồ sinh học $\rightarrow$ Điểm tiếp nhận. Bùn thải từ lắng 1 và bùn dư sau xử lý sinh học được đưa vào Bể nén bùn $\rightarrow$ Máy nén bùn $\rightarrow$ Sản xuất phân bón.
  • Phân tích ưu điểm công nghệ: Dây chuyền vận hành tương đối dễ dàng, nước thải đầu ra đạt quy chuẩn xả thải loại B, có tính khả thi cao về mặt kinh tế cho quy mô trang trại chăn nuôi lợn.
  • Chỉ rõ các điểm hạn chế: Việc bố trí hồ sinh học ở bậc hoàn thiện chiếm diện tích mặt bằng đất đai tương đối lớn; hệ thống yêu cầu chế độ theo dõi và kiểm soát thường xuyên cường độ cấp khí tại các 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 300M3/NGÀY ĐÊM

Chương 3 tập trung toàn bộ các bước tính toán kích thước công nghệ, thông số thủy lực và lựa chọn thiết bị cho từng công trình trong hệ thống:

  • Xác lập lưu lượng tính toán: $Q = 300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, tương ứng $Q_{\text{giờ}} = 12{,}5\text{ m}^3/\text{h}$ và $Q_{\text{giây}} = 0{,}0035\text{ m}^3/\text{s} = 3{,}5\text{ L/s}$.
  • Tính toán song chắn rác: Xác định kích thước mương dẫn ($0{,}4 \times 0{,}7\text{ m}$), số lượng thanh (16 thanh), bề rộng khe hở ($18{,}82\text{ mm}$), tổn thất áp lực thủy lực ($12{,}2\text{ mm}$).
  • Tính toán bể lắng cát thổi khí: Xác định thể tích bể ($1{,}04\text{ m}^3$), kích thước dài $\times$ rộng $\times$ cao ($2{,}2 \times 1{,}2 \times 0{,}72\text{ m}$), lượng cát lắng tích lũy hàng ngày ($0{,}045\text{ m}^3/\text{ngày}$), tính toán nồng độ các chất giảm 5%.
  • Tính toán bể điều hòa: Xác định lưu lượng đỉnh ngày $Q_{\text{max}} = 360\text{ m}^3/\text{ngày}$ ($k=1{,}2$), thể tích thiết kế ($75\text{ m}^3$), kích thước $5 \times 6 \times 2{,}5\text{ m}$. Tính toán hệ thống cấp khí: lưu lượng khí nén cần $67{,}5\text{ m}^3/\text{h}$, bố trí 10 đĩa phân phối bọt mịn $\varnothing 270\text{ mm}$, tính chọn ống chính kẽm $\varnothing 50\text{ mm}$, 2 ống nhánh PVC $\varnothing 21\text{ mm}$, trạm thổi khí gồm 2 máy công suất $1{,}5\text{ kW}$ hoạt động luân phiên, kiểm tra nồng độ giảm 15%.
  • Tính toán bể lắng 1 (dạng ly tâm): Xác định diện tích mặt bằng ($9{,}375\text{ m}^2$), đường kính bể ($3{,}45\text{ m}$), đường kính ống trung tâm ($0{,}69\text{ m}$), chiều sâu hữu ích ($3\text{ m}$), chiều cao tổng cộng ($4{,}2\text{ m}$), thời gian lưu nước ($2{,}15\text{ h}$). Tính lượng bùn tươi phát sinh mỗi ngày ($82{,}98\text{ kg SS/ngày}$, thể tích $1{,}58\text{ m}^3/\text{ngày}$) và tính toán kích thước máng thu nước vành khuyên.
  • Tính toán bể kỵ khí UASB: Xác lập tải trọng chất hữu cơ $8\text{ kg COD}/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, tính toán lượng $\text{COD}$ cần khử ($883{,}57\text{ kg/ngày}$), thể tích vùng kỵ khí ($110{,}4\text{ m}^3$), thể tích thực tế toàn bể ($148{,}12\text{ m}^3$), kích thước mặt bằng vuông $4{,}6 \times 4{,}6\text{ m}$, tổng chiều cao xây dựng $7\text{ m}$, thời gian lưu nước $10{,}8\text{ giờ}$. Thiết kế chi tiết vách tách khí nghiêng $50^\circ$, ngăn lắng có thời gian lưu $1{,}7\text{ giờ}$, máng thu nước trung tâm dài $4{,}6\text{ m}$, tính toán lượng khí biogas phát sinh ($441{,}8\text{ m}^3/\text{ngày}$, trong đó có $331{,}3\text{ m}^3/\text{ngày}$ khí $\text{CH}_4$), tính chọn đường kính ống thu gom khí $\varnothing 27\text{ mm}$, ống nạp nước chính $\varnothing 79\text{ mm}$ và ống nhánh $\varnothing 42\text{ mm}$, lượng sinh khối bùn dư tạo thành ($14{,}1\text{ kg VSS/ngày}$, thể tích $0{,}282\text{ m}^3/\text{ngày}$).
  • Thiết kế bể Aerotank xáo trộn hoàn toàn: Xác định các thông số bùn hoạt tính lơ lửng, tính toán khử $\text{BOD}_5$ từ $682{,}2\text{ mg/L}$ xuống $90\text{ mg/L}$ với nồng độ bùn hoạt tính $\text{MLVSS} = 3800\text{ mg/L}$, hệ số sản lượng $Y = 0{,}5\text{ mg/mg}$, hệ số phân hủy nội bào $k_d = 0{,}06\text{ ngày}^{-1}$.
  • Xác định quy trình kỹ thuật cho các hạng mục phụ trợ gồm Bể lắng 2, Bể nén bùn và Hồ sinh học xử lý bổ sung.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận hoàn thành mục tiêu thiết kế công nghệ và tính toán thủy lực cho trạm xử lý nước thải chăn nuôi lợn quy mô $300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, mang lại các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập dây chuyền xử lý nhiều bậc đạt hiệu quả phân hủy chất hữu cơ cao: nồng độ $\text{BOD}_5$ giảm từ $2817\text{ mg/L}$ xuống dưới $50\text{ mg/L}$; $\text{COD}$ giảm từ $5210\text{ mg/L}$ xuống dưới $100\text{ mg/L}$; $\text{SS}$ giảm từ $615\text{ mg/L}$ qua song chắn, lắng cát, lắng 1, sinh học và hồ thực vật xuống dưới $100\text{ mg/L}$, thỏa mãn cột B của QCVN 14:2008/BTNMT.
  • Tính toán cụ thể tiềm năng thu hồi năng lượng sạch từ công trình kỵ khí UASB với sản lượng khí biogas sinh ra $441{,}8\text{ m}^3/\text{ngày}$, trong đó lượng khí đốt $\text{CH}_4$ hữu ích đạt $331{,}3\text{ m}^3/\text{ngày}$.
  • Thiết lập giải pháp quản lý bùn thải tuần hoàn: lượng bùn tươi từ bể lắng 1 ($82{,}98\text{ kg SS/ngày}$) và bùn kỵ khí bể UASB ($14{,}1\text{ kg VSS/ngày}$) được gom nén, tách nước để tái sử dụng làm nguồn phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng cho sản xuất nông nghiệp.
  • Về mặt giải pháp, tác giả kết hợp hài hòa giữa công trình xử lý nhân tạo tải trọng cao (tiết kiệm thể tích xây dựng với bể UASB và Aerotank) và công trình sinh thái tự nhiên (hồ sinh học thả lục bình). Giải pháp này giúp cắt giảm nhu cầu sử dụng hóa chất keo tụ đắt tiền, hạ thấp chi phí đầu tư và vận hành cho trang trại, đồng thời tận dụng sinh khối thực vật nước để phát triển nghề thủ công đan lát hoặc làm thức ăn chăn nuôi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự chỉ rõ một số hạn chế gắn liền với phạm vi tính toán thiết kế:

  • Việc sử dụng hồ sinh học thả lục bình ở bậc xử lý cuối cùng đòi hỏi quỹ đất mặt bằng tương đối lớn, khó áp dụng tại các trang trại có diện tích khuôn viên hạn chế.
  • Quá trình vận hành hệ thống yêu cầu chế độ theo dõi nghiêm ngặt và kiểm soát liên tục cường độ sục khí tại bể điều hòa và bể Aerotank nhằm tránh hiện tượng lắng cặn phân hủy yếm khí sinh mùi hoặc làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan của vi sinh vật hiếu khí.
  • Các thông số tính toán công nghệ dựa trên dữ liệu tổng quan và thông số giả định động học từ tài liệu tham khảo, chưa có điều kiện kiểm chứng qua mô hình thực nghiệm đối chứng tại một trang trại chăn nuôi cụ thể.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo được gợi mở từ đề tài:

  • Nghiên cứu mô hình hóa động học xử lý thực tế trên đối tượng nước thải trang trại cụ thể để hiệu chỉnh các hệ số động học $Y$, $k_d$ và tải trọng nạp phù hợp với điều kiện khí hậu từng mùa.
  • Thiết kế chi tiết hệ thống lọc và tích trữ khí sinh học $\text{CH}_4$ từ bể UASB để chuyển hóa thành điện năng hoặc nhiệt năng phục vụ trực tiếp cho trang trại.
  • Đánh giá khả năng tối ưu hóa diện tích hồ sinh học thông qua việc cải tiến chế độ thủy lực hoặc kết hợp các dạng bãi lọc ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Môi trường: Tham khảo phương pháp luận, quy trình tính toán thủy lực từng bước và các công thức chuyên ngành cho đồ án môn học kỹ thuật xử lý nước thải hoặc đồ án tốt nghiệp trạm xử lý nước thải công nghiệp/nông nghiệp.
  • Kỹ sư và cán bộ tư vấn thiết kế môi trường: Sử dụng các bảng tra cứu thông số thiết kế điển hình, phương pháp tính toán hệ thống cấp khí, đĩa khuếch tán cho bể điều hòa, thông số hình học bể lắng ly tâm và bể kỵ khí UASB công suất vừa và nhỏ.
  • Chủ trang trại và cán bộ quản lý trang trại chăn nuôi gia súc: Tham khảo mô hình công nghệ kết hợp thu hồi khí sinh học biogas và bùn thải làm phân bón hữu cơ, nhằm đáp ứng các quy định pháp luật về bảo vệ môi trường nông thôn.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất gồm: Chương 3 với chuỗi công thức tính toán chi tiết kích thước công trình đơn vị, bảng tổng hợp thông số song chắn rác, bể lắng cát, bể UASB; cùng phần tổng quan về cơ chế chuyển hóa sinh hóa của thực vật thủy sinh (cây lục bình) ở Chương 1.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải chăn nuôi lợn trong đề tài có đặc tính ô nhiễm ban đầu như thế nào so với quy chuẩn xả thải?
Nước thải đầu vào có mức độ ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng rất cao: $\text{pH} = 7{,}2$; $\text{BOD}_5 = 2817\text{ mg/L}$ (vượt 56 lần ngưỡng $50\text{ mg/L}$ theo QCVN 14:2008/BTNMT cột B); $\text{COD} = 5210\text{ mg/L}$ (vượt 52 lần ngưỡng $100\text{ mg/L}$); chất rắn lơ lửng $\text{SS} = 615\text{ mg/L}$ (vượt 6 lần); nitơ tổng đạt $206\text{ mg/L}$ (vượt hơn 3 lần ngưỡng $60\text{ mg/L}$); photpho tổng đạt $37\text{ mg/L}$ (vượt 6 lần ngưỡng $6\text{ mg/L}$) và $\text{Coliform}$ đạt $5{,}8 \times 10^9\text{ MPN/100mL}$.

2. Sơ đồ công nghệ tổng thể được tác giả lựa chọn gồm các công trình đơn vị nào?
Dây chuyền công nghệ gồm các công trình xử lý nối tiếp: Song chắn rác $\rightarrow$ Bể lắng cát thổi khí $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng 1 (bể ly tâm) $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể hiếu khí Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng 2 $\rightarrow$ Hồ sinh học thả lục bình $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận. Tuyến bùn gồm Bể nén bùn và Máy nén bùn xử lý cặn từ lắng 1 và bùn dư sinh học.

3. Bể kỵ khí UASB được thiết kế với kích thước và lượng khí sinh học thu hồi là bao nhiêu?
Bể UASB có tiết diện vuông kích thước mặt bằng $4{,}6\text{ m} \times 4{,}6\text{ m}$, chiều cao phần phản ứng $5{,}2\text{ m}$, tổng chiều cao xây dựng $7\text{ m}$, thể tích thực tế $148{,}12\text{ m}^3$ và thời gian lưu nước $10{,}8\text{ giờ}$. Bể xử lý tải trọng $8\text{ kg COD}/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, khử $883{,}57\text{ kg COD/ngày}$, phát sinh $441{,}8\text{ m}^3/\text{ngày}$ khí sinh học biogas, trong đó lượng khí $\text{CH}_4$ chiếm 75% đạt $331{,}3\text{ m}^3/\text{ngày}$.

4. Bể điều hòa của hệ thống có kích thước và hệ thống cấp khí được thiết kế như thế nào?
Bể điều hòa được xây dựng bằng bê tông cốt thép, kích thước dài $5\text{ m}$, rộng $6\text{ m}$, sâu công tác $2\text{ m}$ (chiều cao xây dựng $2{,}5\text{ m}$), thể tích thực tế $75\text{ m}^3$ với thời gian lưu nước $4\text{ giờ}$ ở lưu lượng đỉnh $360\text{ m}^3/\text{ngày}$. Hệ thống sục khí cung cấp $67{,}5\text{ m}^3\text{ khí}/\text{h}$ thông qua 10 đĩa phân phối khí bọt mịn đường kính $270\text{ mm}$ gắn trên các ống nhánh PVC đường kính $21\text{ mm}$ và ống chính kẽm đường kính $50\text{ mm}$, sử dụng 2 máy nén khí công suất $1{,}5\text{ kW}$ chạy luân phiên.

5. Cơ chế xử lý ô nhiễm của cây lục bình trong hồ sinh học được văn bản mô tả ra sao?
Lục bình (Eichhornia crassipes) đóng vai trò như một bộ lọc sinh học: hệ rễ sợi dài chiếm 20–50% khối lượng cây tạo giá bám cho màng vi sinh vật (biofilm) bốn vùng chức năng để oxy hóa chất hữu cơ sót lại và thúc đẩy nitrat hóa/khử nitrat hóa; chất dinh dưỡng nitơ và photpho được hấp thụ trực tiếp vào sinh khối thực vật và thu gom triệt để khi thu hoạch cây; đồng thời tán lá dày che phủ mặt nước giúp ngăn chặn sự bùng phát của tảo độc hại.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Văn Sơn đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật hệ thống xử lý nước thải trang trại chăn nuôi lợn công suất $300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ với đầy đủ cơ sở lý thuyết, sơ đồ công nghệ và các bảng tính toán kích thước chi tiết cho từng công trình đơn vị. Việc kết hợp hợp lý giữa các công trình xử lý sinh học nhân tạo (UASB, Aerotank) và hệ thống sinh thái tự nhiên (hồ sinh học thả lục bình) đã mang lại phương án xử lý vừa đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột B, vừa cho phép thu hồi năng lượng khí sinh học và bùn phân bón hữu cơ. Công trình là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật hoạt động trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường và xử lý chất thải chăn nuôi nông nghiệp.