Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Ngành công nghiệp sản xuất bia là một trong những ngành kinh tế quan trọng, đóng góp lớn vào ngân sách quốc gia và đáp ứng nhu cầu tiêu thụ đồ uống giải khát ngày càng tăng. Trên phạm vi toàn cầu, có hơn 25 quốc gia tham gia sản xuất với tổng sản lượng vượt 195 tỷ lít/năm, trong đó Trung Quốc dẫn đầu (đạt 46 tỷ lít năm 2016) và Hoa Kỳ đứng thứ hai. Tại Việt Nam, ngành bia giữ vai trò đáng kể trong phát triển kinh tế - xã hội; năm 2016 đã đóng góp cho ngân sách nhà nước trên 45 nghìn tỷ đồng, và năm 2017 đạt sản lượng 4.000,6 triệu lít, tăng 5,65% so với năm 2016. Theo Quy hoạch phát triển ngành bia, rượu, nước giải khát Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035 do Bộ Công Thương phê duyệt tháng 9/2016, mục tiêu sản lượng đặt ra là 4,1 tỷ lít vào giai đoạn 2020, tăng lên 4,6 tỷ lít vào năm 2025 và đạt 5,6 tỷ lít vào năm 2035. Bốn doanh nghiệp lớn chiếm thị phần chi phối tại Việt Nam gồm Sabeco (công suất 1.800 triệu lít/năm), Heineken (950 triệu lít/năm), Habeco (800 triệu lít/năm) và Carlsberg (425 triệu lít/năm).
Tuy nhiên, đặc thù công nghệ sản xuất bia đòi hỏi lượng nước cấp rất lớn (dao động từ 4 đến 10 $\text{hl}$ nước trên 1 $\text{hl}$ bia thành phẩm ở các nhà máy vận hành tốt), kéo theo việc phát sinh lượng nước thải công nghiệp khổng lồ. Nước thải sản xuất bia chứa hàm lượng chất hữu cơ cao (protein, đường, dextrin, axit hữu cơ, pectin), chất rắn lơ lửng, nồng độ $\text{BOD}_5$, $\text{COD}$ và các chất dinh dưỡng ($N$, $P$) vượt nhiều lần quy chuẩn kỹ thuật môi trường. Thực tế tại một số cơ sở, hệ thống xử lý nước thải chưa được đầu tư đồng bộ, không đáp ứng công suất hoặc vận hành kém hiệu quả, dẫn đến tình trạng xả thải gây ô nhiễm nguồn tiếp nhận, suy giảm nồng độ oxy hòa tan, đe dọa thủy sinh và mỹ quan môi trường xung quanh. Trước yêu cầu thực tiễn đó, khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hà Chi tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật thông qua đề tài: "Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia, công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$".
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:
- Thu thập, tổng hợp cơ sở lý luận và tài liệu tổng quan về ngành sản xuất bia, công nghệ sản xuất, đặc tính các dòng thải và các phương pháp xử lý nước thải sản xuất bia hiện hành.
- Xác định các thông số ô nhiễm đầu vào của nước thải từ nhà máy sản xuất bia cụ thể (Nhà máy A với công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$) và xác định yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý theo QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B).
- Đề xuất, phân tích ưu nhược điểm của các phương án dây chuyền công nghệ và lựa chọn phương án xử lý tối ưu về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường.
- Tính toán thiết kế chi tiết công nghệ, xác định kích thước hình học, thông số vận hành và thiết bị phụ trợ cho từng công trình đơn vị trong hệ thống.
- Lập dự toán sơ bộ chi phí đầu tư xây dựng, mua sắm thiết bị và chi phí vận hành thường xuyên nhằm xác định giá thành xử lý trên $1\text{ m}^3$ nước thải.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất của nhà máy sản xuất bia (gồm nước ngâm rửa nguyên liệu, dịch đường hóa, nấu hoa, lên men, rửa bã malt, rửa chai, vệ sinh thiết bị CIP và nhà xưởng).
- Phạm vi không gian: Hệ thống xử lý nước thải cục bộ của Nhà máy sản xuất bia A có công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu thực hiện theo nhiệm vụ giao từ ngày 11 tháng 6 năm 2018 đến ngày 30 tháng 8 năm 2018 tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khóa luận được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường và hệ thống lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật môi trường:
- Tiêu chuẩn và quy chuẩn pháp lý: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 51:2008 về "Thoát nước - Mạng lưới bên ngoài và công trình"; Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT (áp dụng Cột B đối với cơ sở xả thải vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).
- Cơ sở lý thuyết quá trình: Lý thuyết lắng trọng lực và cản thủy lực qua song chắn; lý thuyết động học phân hủy sinh học kỵ khí trong bể UASB (gồm ba giai đoạn: hóa lỏng thủy phân, tạo axit hữu cơ nhờ vi khuẩn axit, và tạo khí metan $\text{CH}_4$ cùng $\text{CO}_2$ nhờ vi khuẩn metan ở điều kiện nhiệt độ tối ưu $35 - 37^\circ\text{C}$); lý thuyết xử lý sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng trong bể Aeroten; cơ chế phản ứng oxy hóa khử và khử trùng nước thải bằng hợp chất chứa Clo hoạt tính ($\text{Cl}_2$, $\text{CaOCl}_2$).
- Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Khảo cứu tài liệu công nghệ sản xuất bia, tính chất các dòng thải thực tế và các công trình xử lý sinh học tiên tiến (dẫn chiếu tài liệu chuyên khảo "Anaerobic Sewage Treatment" của Adrianus C. van Haandel và Gatze Lettinga).
- Phương pháp tính toán công nghệ kỹ thuật môi trường: Áp dụng các công thức giải tích xác định lưu lượng đỉnh, tổn thất áp lực thủy lực, cân bằng vật chất chất ô nhiễm, xác định thể tích hữu ích dựa trên tải trọng thể tích hữu cơ ($L_{\text{org}}$) và thời gian lưu nước ($HRT$), tính toán cân bằng oxy và lượng khí nén, tính toán thể tích và tốc độ sinh bùn vi sinh ($Y$), tính toán kích thước kết cấu các công trình đơn vị.
- Phương pháp so sánh lựa chọn phương án: Phân tích đa tiêu chí kỹ thuật (hiệu quả xử lý, mức tiêu thụ năng lượng, mức sinh bùn, khả năng kiểm soát vận hành) để chọn dây chuyền công nghệ phù hợp nhất.
- Nguồn dữ liệu: Số liệu thống kê của Bộ Công Thương, Tổng cục Thuế, Bộ Y tế; số liệu thực nghiệm đo đạc thành phần nước thải đầu vào của Nhà máy A; các hệ số thực nghiệm và bảng tra cứu thủy lực từ giáo trình chuyên ngành và TCXDVN 51:2008.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế hoàn chỉnh theo quy trình công nghệ kết hợp cơ học, hóa học và sinh học kỵ khí - hiếu khí hai bậc (Phương án 2):
Sơ đồ dây chuyền công nghệ: Nước thải sản xuất $\rightarrow$ Song chắn rác thô $\rightarrow$ Hố thu gom $\rightarrow$ Bơm nước thải $\rightarrow$ Bể điều hòa (sục khí xáo trộn) $\rightarrow$ Bể lắng I $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể hiếu khí Aeroten $\rightarrow$ Bể lắng II $\rightarrow$ Bể khử trùng (tiếp xúc Clo) $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận đạt QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B). Hệ thống bùn gồm bùn lắng I và bùn dư bể lắng II dẫn về Bể chứa bùn; một phần bùn lắng II được tuần hoàn lại bể Aeroten.
Bảng so sánh thông số đầu vào tại Nhà máy A và yêu cầu xả thải theo quy chuẩn:
| Thông số ô nhiễm | Đơn vị tính | Nước thải đầu vào Nhà máy A | Quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) | Hiệu suất xử lý yêu cầu tối thiểu (%) |
|---|---|---|---|---|
| $\text{pH}$ | - | 6,5 | 5,5 – 9,0 | Đạt chuẩn sơ bộ |
| $\text{BOD}_5$ | $\text{mg/l}$ | 1.200 | 50 | 95,83% |
| $\text{COD}$ | $\text{mg/l}$ | 2.000 | 150 | 92,50% |
| $\text{SS}$ | $\text{mg/l}$ | 550 | 100 | 81,82% |
| Tổng Nitơ ($TN$) | $\text{mg/l}$ | 25 | 40 | Đạt chuẩn |
| Tổng Photpho ($TP$) | $\text{mg/l}$ | 23 | 6 | 73,91% |
Bảng tổng hợp thông số thiết kế và kết quả tính toán các hạng mục công trình:
| Hạng mục công trình | Kích thước hình học ($D \times R \times C$ hoặc $\Phi$) | Thông số kỹ thuật - vận hành chính | Thiết bị và phụ kiện đi kèm |
|---|---|---|---|
| Song chắn rác thô | Kênh dài $1,5\text{ m}$; rộng $0,4\text{ m}$; thanh nghiêng $60^\circ$ | Số khe: 13 khe; số thanh: 12 thanh; bề rộng khe $b = 20\text{ mm}$; chiều dày thanh $s = 8\text{ mm}$; tổn thất áp lực $h_s = 0,042\text{ m}$ | Thao tác cào rác thủ công/cơ giới; mương dẫn mở rộng góc $20^\circ$ |
| Hố thu gom | $L = 5,0\text{ m}; B = 2,5\text{ m}; H = 3,0\text{ m}$ ($h_{\text{hi}} = 2,5\text{ m}; h_{\text{bv}} = 0,5\text{ m}$) | Thể tích hữu ích: $25,04\text{ m}^3$; thể tích thực tế: $37,5\text{ m}^3$; thời gian lưu nước $t = 30\text{ phút}$ | 01 bơm chìm nước thải: $Q = 50,075\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $H = 8\text{ m}$, công suất $N = 1,4\text{ kW}$ |
| Bể điều hòa | $L = 5,7\text{ m}; B = 4,1\text{ m}; H = 4,5\text{ m}$ ($h_{\text{hi}} = 4,0\text{ m}; h_{\text{bv}} = 0,5\text{ m}$) | Thể tích hữu ích: $104,15\text{ m}^3$; thể tích xây dựng: $105,2\text{ m}^3$; thời gian lưu $t = 5\text{ giờ}$ | Hệ thống 3 ống phân phối khí PVC $\Phi 25\text{ mm}$ (loại HDPE-PE80), mỗi ống có 25 lỗ $\Phi 5\text{ mm}$; lưu lượng khí cấp: $77,90\text{ m}^3/\text{h}$ |
| Bể kỵ khí UASB | Mặt bằng hình vuông cạnh $a = 3,4\text{ m}$; chiều cao tổng $H = 6,2\text{ m}$ | Thể tích hữu ích: $62,35\text{ m}^3$; thể tích xây dựng: $143,47\text{ m}^3$; thời gian lưu nước $t = 7\text{ giờ}$; thời gian lưu bùn $T = 60\text{ ngày}$; tải trọng thể tích hữu cơ $L_{\text{org}} = 8\text{ kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$; hiệu suất khử $\text{COD} = 75%$ | 05 đầu phân phối nước đáy bể ($2,3\text{ m}^2/\text{đầu}$); ống cấp chính inox $\Phi 60\text{ mm}$; 2 ống nhánh $\Phi 50\text{ mm}$; 2 ống xả bùn inox $\Phi 75\text{ mm}$; 2 máng thu nước inox răng cưa chữ V góc $90^\circ$ |
| Hệ thống tách khí - bùn bể UASB | Bộ phễu thu khí cao $3,5\text{ m}$ (gồm chiều cao bảo vệ $0,5\text{ m}$, chiều cao lắng $3,0\text{ m}$) | Tấm chắn khí 1 nghiêng $60^\circ$ ($b_1 = 1.155\text{ mm}, h_1 = 1.000\text{ mm}$); tấm chắn khí 2 nghiêng $60^\circ$ ($b_2 = 924\text{ mm}, h_2 = 800\text{ mm}$); khe hẹp $b_k = 68\text{ mm}$; 8 khe thu khí tổng diện tích $1,85\text{ m}^2$ | Sản lượng khí hỗn hợp: $307\text{ m}^3/\text{ngày}$; sản lượng khí metan ($\text{CH}_4$ chiếm 65%): $199,55\text{ m}^3/\text{ngày}$; ống thu khí PVC $\Phi 21\text{ mm}$ ($v = 10\text{ m/s}$) |
Hệ thống xả bùn tại bể UASB được cấu tạo xả bùn tự động bằng áp lực thủy tĩnh qua 2 ống inox $\Phi 75\text{ mm}$ bố trí cách đáy bể $0,5\text{ m}$ và cách thành bể $1\text{ m}$. Lượng bùn sinh ra mỗi ngày tính theo hệ số sản lượng tế bào $Y = 0,07\text{ kg VSS/kg COD}_{\text{khử}}$ là $25,788\text{ kg VSS/ngày}$, tương đương thể tích bùn $0,2344\text{ m}^3/\text{ngày}$ (với mật độ $110\text{ kg VSS/m}^3$ bùn hạt). Định kỳ 2 tháng xả bùn một lần với tổng thể tích tích lũy $14,066\text{ m}^3$, thời gian xả trong 3 giờ với lưu lượng xả $4,69\text{ m}^3/\text{h}$.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về ngành bia và quá trình sản xuất bia
Chương 1 cung cấp bức tranh tổng thể về lịch sử phát triển ngành đồ uống có cồn lên men từ 7000 năm TCN và sự phát triển của công nghiệp sản xuất bia hiện đại. Tác giả trình bày chi tiết quy trình công nghệ gồm các công đoạn: tiếp nhận nguyên liệu (malt và gạo), xay nghiền, hồ hóa, đường hóa, lọc dịch đường (tách bã malt), nấu hoa (nồi hoa tiêu thụ 30 - 40% lượng hơi của nhà máy), làm lạnh nhanh bằng nước $1^\circ\text{C}$ và glycol, lên men chính/lên men phụ (thu hồi khí $\text{CO}_2$), lọc bia, bão hòa $\text{CO}_2$, chiết chai/lon, thanh trùng và đóng gói. Về nguyên phụ liệu, tác giả phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước cấp công nghệ, thành phần dinh dưỡng của malt khô (58% tinh bột, 10% protein), thành phần hoa bia (nhựa đắng 15 - 20%, tannin 2 - 5%), men bia (Saccharomyces cerevisiae và Saccharomyces uvarum) cùng các hóa chất phụ gia. Chương này chỉ rõ nguồn phát sinh và định lượng các dòng chất thải:
- Khí thải: Khí $\text{CO}_2$ từ lên men, khí lò hơi ($\text{SO}_2, \text{NO}_x, \text{CO}_2$), rò rỉ môi chất lạnh ($\text{NH}_3$, glycol), nhiệt thừa và tiếng ồn.
- Chất thải rắn: Lượng phát sinh tính trên $1\text{ hl}$ bia gồm bã hèm ($21 - 27\text{ kg}$), nấm men thải ($3 - 4\text{ kg}$), vỏ chai vỡ ($0,9\text{ kg}$), bùn hoạt tính ($0,3 - 0,4\text{ kg}$), nhãn giấy ($1,5\text{ kg}$), bột trợ lọc ($0,2 - 0,6\text{ kg}$), vỏ lon/plastic ($0,4 - 0,6\text{ kg}$).
- Nước thải: Xuất phát từ rửa bã malt, nước vệ sinh nồi nấu, dịch lên men sót lại, nước rửa bồn téc chiết rót có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao ($\text{BOD}_5$ đạt $700 - 1.500\text{ mg/l}$, $\text{COD}$ đạt $850 - 1.950\text{ mg/l}$, $\text{SS}$ đạt $150 - 300\text{ mg/l}$).
Chương 2: Các phương pháp xử lý nước thải ngành sản xuất bia
Chương 2 tổng hợp lý thuyết kỹ thuật về 4 nhóm phương pháp xử lý nước thải:
- Phương pháp cơ học: Ứng dụng song chắn rác (loại bỏ rác thô kích thước lớn), bể lắng cát (loại bỏ hạt vô cơ nặng), bể vớt dầu mỡ, bể lắng trọng lực và bể lọc. Quá trình kết hợp thoáng gió sơ bộ đông tụ sinh học có thể nâng hiệu quả xử lý sơ bộ đạt 75% theo $\text{SS}$ và 40 - 45% theo $\text{BOD}_5$.
- Phương pháp hóa lý: Trình bày cơ chế hấp phụ (than hoạt tính, keo nhôm), tuyển nổi tách tạp chất nhẹ và trao đổi ion bằng hạt ionit.
- Phương pháp hóa học: Phương pháp trung hòa đưa $\text{pH}$ về ngưỡng 6,5 - 8,5 và phương pháp oxy hóa khử bằng Clo hoạt tính ($\text{Cl}_2$, $\text{CaOCl}_2$). Định mức clo hoạt tính khử trùng được tác giả đưa ra là $10\text{ g/m}^3$ đối với nước thải sau xử lý cơ học và $5\text{ g/m}^3$ đối với nước thải sau xử lý sinh học hoàn toàn.
- Phương pháp sinh học: Phân tích cơ chế chuyển hóa của vi sinh vật kỵ khí trong bể UASB (yêu cầu nhiệt độ tối ưu $35 - 37^\circ\text{C}$, tỷ lệ dinh dưỡng $\text{C/N} = (25 - 30)/1$, sản phẩm khí sinh học chứa 65 - 75% $\text{CH}_4$, 25 - 30% $\text{CO}_2$) và vi sinh vật hiếu khí lơ lửng trong bể Aeroten (thời gian lưu nước $4 - 8\text{ giờ}$, cấp khí bằng máy nén khí hoặc khuấy cơ học).
Chương 3: Đề xuất và lựa chọn phương án xử lý nước thải nhà máy sản xuất bia
Tác giả thiết lập cơ sở lựa chọn công nghệ dựa trên lưu lượng thiết kế ($Q = 500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$), đặc tính ô nhiễm thực tế của Nhà máy A ($\text{COD} = 2.000\text{ mg/l}, \text{BOD}_5 = 1.200\text{ mg/l}, \text{SS} = 550\text{ mg/l}$) và chỉ tiêu xả thải QCVN 40:2011/BTNMT Cột B. Hai phương án công nghệ được đưa ra so sánh:
- Phương án 1: Song chắn rác $\rightarrow$ Hố thu gom $\rightarrow$ Song chắn rác tinh $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể sinh học mẻ SBR $\rightarrow$ Bể khử trùng.
- Phương án 2: Song chắn rác $\rightarrow$ Hố thu gom $\rightarrow$ Bể điều hòa $\rightarrow$ Bể lắng I $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể bùn hoạt tính hiếu khí Aeroten $\rightarrow$ Bể lắng II $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Bể chứa bùn.
Sau khi phân tích ưu nhược điểm, tác giả chọn Phương án 2 nhờ các ưu thế: việc kết hợp UASB trước Aeroten giúp tiêu thụ ít năng lượng, chi phí vận hành thấp, thu hồi được khí Biogas phục vụ năng lượng, sinh ra ít bùn thải kỵ khí ($0,03 - 0,15\text{ g VSS/g BOD}_{\text{khử}}$) và bể Aeroten truyền thống dễ kiểm soát chế độ hoàn lưu bùn, vận hành ổn định hơn bể SBR đối với dòng thải công nghiệp có nồng độ chất hữu cơ cao.
Chương 4: Tính toán thiết kế các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải nhà máy bia
Chương này thực hiện toàn bộ các phép tính thủy lực và kích thước công trình:
- Lưu lượng tính toán: $Q_{\text{tk}} = 500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, lưu lượng giờ trung bình $Q_{\text{tb}} = 20,83\text{ m}^3/\text{h}$ ($5,78\text{ l/s}$). Tra bảng hệ số không điều hòa theo TCXDVN 51:2008 thu được $K_o = 2,5$, suy ra lưu lượng giờ lớn nhất $Q_{h,\text{max}} = 50,075\text{ m}^3/\text{h}$ ($0,0145\text{ m}^3/\text{s}$).
- Thiết kế song chắn rác thô: Số khe $n = 13$ khe, số thanh 12 thanh, bề rộng song chắn $0,4\text{ m}$, chiều dài mương $1,5\text{ m}$, tổn thất áp lực $0,042\text{ m}$.
- Thiết kế hố thu gom: Thể tích xây dựng $37,5\text{ m}^3$ ($5\text{ m} \times 2,5\text{ m} \times 3\text{ m}$), trang bị bơm chìm công suất $1,4\text{ kW}$ với cột áp $8\text{ m}$.
- Thiết kế bể điều hòa: Thể tích xây dựng $105,2\text{ m}^3$ ($5,7\text{ m} \times 4,1\text{ m} \times 4,5\text{ m}$), thời gian lưu $5\text{ h}$. Hệ thống phân phối khí gồm 3 ống PVC $\Phi 25\text{ mm}$, mỗi ống khoan 25 lỗ $\Phi 5\text{ mm}$, cấp lưu lượng khí $77,90\text{ m}^3/\text{h}$.
- Thiết kế bể UASB: Diện tích đáy $23,14\text{ m}^2$ (mặt bằng vuông $3,4\text{ m} \times 3,4\text{ m}$), chiều cao tổng thể $6,2\text{ m}$ (phần phản ứng $2,7\text{ m}$, phần lắng và thu khí $3,5\text{ m}$). Tải trọng thể tích hữu cơ chọn $8\text{ kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$, thời gian lưu nước $7\text{ h}$, thời gian lưu bùn 60 ngày. Bể có 5 điểm phân phối nước đáy, 2 máng thu nước inox răng cưa chữ V dốc 2%, 8 khe thu khí, thu hồi $307\text{ m}^3\text{ khí/ngày}$ (chứa $199,55\text{ m}^3\text{ CH}_4/\text{ngày}$). Lượng bùn sinh ra $25,788\text{ kg VSS/ngày}$, định kỳ 2 tháng xả $14,066\text{ m}^3$ bùn qua 2 ống inox $\Phi 75\text{ mm}$.
- Các công trình tiếp theo: Thiết kế chi tiết bể Aeroten (tính toán lượng bùn hoạt tính, hệ thống cấp khí), bể lắng II (phân ly bùn hoạt tính và tuần hoàn bùn), bể khử trùng tiếp xúc và bể chứa bùn.
Chương 5: Tính toán chi phí xây dựng
Chương 5 hạch toán dự toán kinh tế của dự án xử lý nước thải:
- Chi phí đầu tư ban đầu: Bóc tách khối lượng và lập bảng dự toán chi tiết cho phần xây dựng thô các cụm bể (hố thu, bể điều hòa, UASB, Aeroten, lắng II, khử trùng, bể bùn) và chi phí mua sắm thiết bị chuyên dụng (bơm nước thải, máy thổi khí, động cơ khuấy, hệ thống van ống inox/PVC, thiết bị đo lưu lượng, máng thu răng cưa).
- Chi phí vận hành định kỳ: Hạch toán chi phí tiêu thụ điện năng của các động cơ máy bơm và máy nén khí; chi phí hóa chất sử dụng (hóa chất điều chỉnh $\text{pH}$, hóa chất keo tụ nếu có, dung dịch Clo khử trùng); chi phí nước sạch phục vụ kỹ thuật; chi phí bảo trì, bảo dưỡng máy móc định kỳ.
- Tổng hợp chỉ tiêu kinh tế: Xác định tổng kinh phí vận hành theo tháng/năm, từ đó tính ra giá thành xử lý đơn vị cho $1\text{ m}^3$ nước thải sản xuất bia.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán kỹ thuật và giải quyết trọn vẹn mục tiêu đề ra:
- Xây dựng giải pháp công nghệ khả thi: Lựa chọn thành công dây chuyền công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia kết hợp kỵ khí UASB và hiếu khí Aeroten, giải quyết triệt để nguồn nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ rất cao ($\text{COD} = 2.000\text{ mg/l}, \text{BOD}_5 = 1.200\text{ mg/l}, \text{SS} = 550\text{ mg/l}$) đưa về giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT Cột B ($\text{COD} \le 150\text{ mg/l}, \text{BOD}_5 \le 50\text{ mg/l}, \text{SS} \le 100\text{ mg/l}$).
- Cung cấp tập số liệu thiết kế chuẩn xác: Tác giả đã tính toán chi tiết kích thước kết cấu, thủy lực và phụ kiện công nghệ cho toàn bộ trạm xử lý công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, bao gồm kích thước mương song chắn rác ($L = 1,5\text{ m}$), hố thu gom ($37,5\text{ m}^3$), bể điều hòa ($105,2\text{ m}^3$), bể kỵ khí UASB ($143,47\text{ m}^3$).
- Tận dụng năng lượng và giảm thiểu chất thải: Thiết kế hệ thống thu hồi khí Biogas từ bể UASB với sản lượng tính toán đạt $307\text{ m}^3/\text{ngày}$ (chứa $199,55\text{ m}^3\text{ CH}4/\text{ngày}$), tạo nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng cho lò hơi nhà máy. Đồng thời, công nghệ kỵ khí giúp giảm thiểu tối đa lượng bùn thải phát sinh ($Y = 0,07\text{ kg VSS/kg COD}{\text{khử}}$), chu kỳ xả bùn kéo dài 2 tháng/lần, giúp giảm đáng kể chi phí xử lý bùn thải so với dây chuyền thuần hiếu khí.
- Hoàn thiện bài toán kinh tế kỹ thuật: Thiết lập bảng tính chi phí xây dựng, mua sắm thiết bị và định mức chi phí vận hành (điện, hóa chất clo, bảo dưỡng), chứng minh tính khả thi khi áp dụng vào thực tế tại các nhà máy bia quy mô vừa.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận còn một số điểm giới hạn do phạm vi của một đồ án tốt nghiệp đại học:
- Giới hạn về dữ liệu đầu vào: Nghiên cứu được thực hiện dựa trên các thông số đặc trưng giả định của Nhà máy bia A và các thông số thực nghiệm tham khảo từ tài liệu chuyên ngành, chưa có điều kiện khảo sát thực tế biến động tải lượng ô nhiễm theo từng mẻ sản xuất trong năm tại nhà máy.
- Giới hạn thử nghiệm thực nghiệm: Đề tài dừng lại ở mức độ tính toán thiết kế lý thuyết và lập bản vẽ kỹ thuật; chưa tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm (pilot) trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng các thông số động học bùn hạt kỵ khí và bùn hoạt tính hiếu khí trên nguồn nước thải cụ thể.
- Hệ thống thu hồi Biogas: Khóa luận mới tính toán thể tích khí sinh ra và đường kính ống thu gom khí từ bể UASB ($\Phi 21\text{ mm}$), chưa đi sâu thiết kế chi tiết cụm thiết bị lọc tách khí $\text{H}_2\text{S}$, hệ thống bồn chứa áp lực và trạm cấp khí đốt an toàn.
- Hướng mở rộng nghiên cứu: Các nghiên cứu tiếp theo có thể triển khai chạy mô hình pilot để tối ưu hóa thời gian lưu nước ($HRT$) và tải trọng thể tích ($L_{\text{org}}$) của bể UASB; nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển tự động hóa (SCADA, cảm biến đo $\text{DO}, \text{pH}$, lưu lượng) và thiết kế hệ thống tuần hoàn tái sử dụng nước sau xử lý cho các mục đích phụ trợ trong nhà máy như tưới cây, rửa sàn.
Giá trị tham khảo
Bản khóa luận mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho công tác đào tạo và ứng dụng thực tiễn:
- Tài liệu học thuật cho sinh viên: Khóa luận là tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học tại các trường đại học khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm, đồ uống.
- Cẩm nang tính toán mẫu: Toàn bộ Chương 4 cung cấp trình tự tính toán giải tích chuẩn mực cho từng công trình đơn vị (từ xác định hệ số không điều hòa $K_o$ theo TCXDVN 51:2008, tính toán thủy lực mương dẫn, phân phối khí bể điều hòa, đến tính toán kết cấu phễu thu khí 2 tầng và máng răng cưa chữ V cho bể UASB).
- Giá trị ứng dụng kỹ thuật: Các kỹ sư môi trường, cán bộ kỹ thuật tại các doanh nghiệp tư vấn môi trường hoặc ban quản lý nhà máy bia có thể tham khảo trực tiếp sơ đồ công nghệ, quy cách thiết bị, kích thước cụm bể và bài toán chi phí đầu tư để áp dụng thiết kế trạm xử lý nước thải cho cơ sở sản xuất có công suất tương đương ($500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$).
Câu hỏi thường gặp
1. Lưu lượng tính toán lớn nhất của trạm xử lý nước thải được xác định bằng bao nhiêu và dựa trên tiêu chuẩn nào?
Lưu lượng trung bình giờ của hệ thống là $Q_{\text{tb}} = 20,83\text{ m}^3/\text{h}$ (tương đương $5,78\text{ l/s}$). Tác giả căn cứ vào Bảng 4.1 của TCXDVN 51:2008 để tra hệ số không điều hòa chung ứng với lưu lượng giây trung bình ($5\text{ l/s} \le Q_{s,\text{tb}} \le 15\text{ l/s}$), chọn được hệ số không điều hòa lớn nhất $K_o = 2,5$. Từ đó, lưu lượng giờ lớn nhất được tính toán là $Q_{h,\text{max}} = 20,83 \times 2,5 = 50,075\text{ m}^3/\text{h}$ ($0,0145\text{ m}^3/\text{s}$).
2. Tại sao tác giả lựa chọn phương án công nghệ kết hợp UASB và Aeroten thay vì phương án UASB kết hợp SBR?
Phương án UASB kết hợp Aeroten (Phương án 2) được lựa chọn vì: bể Aeroten truyền thống có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, dễ dàng khống chế các thông số công nghệ và hiệu quả khử $\text{BOD}5, \text{COD}, \text{SS}$ đầu ra ổn định hơn so với bể lọc sinh học hoặc SBR; việc kết hợp bể UASB phía trước giúp giảm tải hữu cơ cho Aeroten, sinh ra rất ít bùn dư ($0,03 - 0,15\text{ g VSS/g BOD}{\text{khử}}$), tiêu thụ ít năng lượng và có thể thu hồi khí sinh học. Ngược lại, phương án sử dụng bể SBR khó kiểm soát thông số vận hành theo chu kỳ mẻ và đòi hỏi trình độ quản lý phức tạp hơn.
3. Bể xử lý sinh học kỵ khí UASB được thiết kế với các thông số kích thước và tải trọng hữu cơ như thế nào?
Bể UASB được thiết kế với tải trọng thể tích hữu cơ $L_{\text{org}} = 8\text{ kg COD/m}^3\cdot\text{ngày}$ (ở điều kiện nhiệt độ $30^\circ\text{C}$ đối với bùn hạt khử $\text{SS}$), hiệu suất khử $\text{COD}$ đạt $75%$. Bể có mặt bằng hình trụ vuông cạnh $a = 3,4\text{ m}$ (diện tích cắt ngang $23,14\text{ m}^2$), tổng chiều cao $H = 6,2\text{ m}$ (trong đó chiều cao vùng phản ứng $H_L = 2,7\text{ m}$, chiều cao phần lắng và phễu thu khí là $3,5\text{ m}$). Thể tích hữu ích của bể là $62,35\text{ m}^3$, thể tích xây dựng là $143,47\text{ m}^3$, thời gian lưu nước $HRT = 7\text{ giờ}$ và thời gian lưu bùn $T = 60\text{ ngày}$.
4. Khí Biogas sinh ra từ bể UASB có sản lượng bao nhiêu và hệ thống thu gom khí được cấu tạo ra sao?
Với hệ số sinh khí $p = 0,5\text{ m}^3/\text{kg COD}_{\text{khử}}\cdot\text{ngày}$, tổng lượng khí hỗn hợp sinh ra trong bể UASB là $307\text{ m}^3/\text{ngày}$, trong đó khí metan ($\text{CH}_4$ chiếm khoảng 65%) đạt $199,55\text{ m}^3/\text{ngày}$. Hệ thống thu khí gồm bộ phận tách khí - bùn - nước với các tấm chắn khí nghiêng $60^\circ$ ($b_1 = 1.155\text{ mm}, b_2 = 924\text{ mm}$), khe hẹp rộng $68\text{ mm}$, tổng diện tích 8 khe là $1,85\text{ m}^2$. Khí được dẫn ra ngoài qua ống thu khí PVC đường kính $\Phi 21\text{ mm}$ với vận tốc dòng khí thiết kế $v = 10\text{ m/s}$.
5. Lượng bùn phát sinh trong bể UASB được tính toán và thải bỏ theo chu kỳ như thế nào?
Lượng bùn sinh khối sinh ra mỗi ngày được tính theo hệ số sản lượng tế bào $Y = 0,07\text{ kg VSS/kg COD}_{\text{khử}}$, đạt $25,788\text{ kg VSS/ngày}$. Với khối lượng thể tích $110\text{ kg VSS/m}^3$ bùn hạt, thể tích bùn tạo ra là $0,2344\text{ m}^3/\text{ngày}$. Theo thiết kế, bể vận hành với chu kỳ xả bùn 2 tháng một lần (tổng lượng bùn tích lũy là $14,066\text{ m}^3$). Bùn được xả ra ngoài hoàn toàn nhờ áp lực thủy tĩnh qua 2 ống inox $\Phi 75\text{ mm}$ bố trí cách đáy bể $0,5\text{ m}$, thời gian xả trong 3 giờ với lưu lượng $4,69\text{ m}^3/\text{h}$.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hà Chi đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy sản xuất bia công suất $500\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$. Bằng việc lựa chọn dây chuyền công nghệ tối ưu kết hợp bể kỵ khí UASB và bể hiếu khí Aeroten, công trình đảm bảo xử lý triệt để nước thải đạt quy chuẩn môi trường QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B), đồng thời tận dụng được $307\text{ m}^3\text{ khí Biogas/ngày}$ phục vụ tái tạo năng lượng. Các bảng tính toán kích thước công trình, thông số thiết bị và dự toán chi phí trong khóa luận cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc, đóng góp tài liệu tham khảo có giá trị cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và thiết kế kỹ thuật môi trường.