Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam thúc đẩy sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và quy mô của các cơ sở sản xuất công nghiệp nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng xã hội. Đi kèm với sự phát triển này là lượng chất thải công nghiệp phát sinh ngày càng lớn, đe dọa trực tiếp đến chất lượng môi trường không khí, môi trường nước và sức khỏe cộng đồng. Trong nền kinh tế quốc dân, ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy giữ vị trí quan trọng, tạo việc làm cho lượng lớn lao động và phục vụ nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, đây cũng là ngành công nghiệp có mức độ tiêu thụ tài nguyên nước và phát thải ô nhiễm hàng đầu: để sản xuất ra 1 tấn bột giấy thành phẩm, các nhà máy tại Việt Nam phải sử dụng khoảng 2 tấn gỗ và từ 200 đến 500 $\text{m}^3$ nước. Do tỷ lệ nước đi vào sản phẩm rất thấp (chỉ khoảng 20% bay hơi ở khâu sấy, 50% trích ra ở khâu ép và 30% nước trắng tuần hoàn), hầu như toàn bộ lượng nước sử dụng đều chuyển thành nước thải chứa nồng độ ô nhiễm cao, giàu chất hữu cơ, lignin hòa tan, kiềm dư, hóa chất tẩy trắng gốc clo và chất rắn lơ lửng. Việc xả thải không qua xử lý gây suy giảm nghiêm trọng nồng độ oxy hòa tan (DO), ăn mòn công trình thoát nước và tích lũy các độc chất sinh học trong nguồn tiếp nhận. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải Nhà máy sản xuất Bột giấy công suất 300 $\text{m}^3$/ngày đêm" được thực hiện nhằm đề xuất giải pháp kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm nước thải tại nguồn cho nhà máy.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Đánh giá tổng quan về hiện trạng công nghệ sản xuất bột giấy, nhu cầu sử dụng nguyên liệu, hóa chất, nước và các nguồn chất thải phát sinh trong dây chuyền sản xuất giấy.
  2. Thu thập, phân tích các thông số ô nhiễm đặc trưng của nước thải sản xuất bột giấy và xác lập mục tiêu xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 12:2008/BTNMT (loại B2).
  3. Đề xuất các phương án dây chuyền công nghệ xử lý nước thải phù hợp với quy mô công suất 300 $\text{m}^3$/ngày đêm, phân tích ưu nhược điểm kỹ thuật và lựa chọn phương án tối ưu.
  4. Tính toán chi tiết các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý (song chắn rác, hố thu, bể điều hòa, bể lắng 1, bể trộn, bể phản ứng xoáy kết hợp lắng đứng, bể Aerotank, bể lắng 2, bể khử trùng, bể chứa bùn, bể nén bùn và thiết bị ép bùn) nhằm xác định kích thước xây dựng và thông số kỹ thuật thiết bị cơ điện.
  5. Khái toán chi phí đầu tư xây dựng công trình và chi phí quản lý vận hành thường niên của hệ thống xử lý nước thải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải phát sinh từ các công đoạn sản xuất (nấu bột, rửa bột, tẩy trắng, nghiền bột, xeo giấy) của Nhà máy sản xuất bột giấy có công suất nước thải 300 $\text{m}^3$/ngày đêm.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi tính toán thiết kế công nghệ và công trình kỹ thuật xử lý nước thải của nhà máy; các số liệu tổng quan ngành giấy được tổng hợp tại Việt Nam giai đoạn 2010 - 2016; tiêu chuẩn xả thải áp dụng quy chuẩn QCVN 12:2008/BTNMT cột B2; thời gian thực hiện đề tài hoàn thành trong năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên quy trình công nghệ sản xuất bột giấy hóa học và các nguyên lý xử lý nước thải công nghiệp chuyên ngành:

  • Quy trình sản xuất bột giấy bao gồm các công đoạn chính: gia công nguyên liệu thô (gỗ, tre, nứa); nấu bột bằng dung dịch kiềm dịch trắng ($\text{NaOH}$ và $\text{Na}_2\text{S}$) nhằm thủy phân tách lignin và hemixenlulozo; rửa bột tách dịch đen; tẩy trắng bằng các tác nhân oxy hóa (clo, hypoclorit, ozon) làm phát sinh các hợp chất clo hữu cơ bền vững ($\text{AOX}$); nghiền bột và xeo giấy có bổ sung phụ gia vô cơ, hữu cơ (nhựa thông, phèn nhôm, cao lanh, $\text{CaCO}_3$, phẩm màu) và khâu sấy sản phẩm. Quá trình thu hồi hóa chất từ dịch đen bao gồm cô đặc, đốt tạo kiềm đỏ và xút hóa bằng sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ để tái sinh dịch trắng.
  • Các chỉ tiêu ô nhiễm kiểm soát trong nước thải gồm: nhu cầu oxy sinh hóa ($\text{BOD}5$), nhu cầu oxy hóa học ($\text{COD}$), chất rắn lơ lửng ($\text{SS}$), độ màu ($\text{Pt-Co}$), độ kiềm, nhiệt độ, tổng nitơ ($\text{N}{tổng}$), tổng photpho ($\text{P}_{tổng}$) và sunfat ($\text{SO}_4^{2-}$).
  • Khung văn bản quy chuẩn và tiêu chuẩn thiết kế: Tiêu chuẩn xây dựng TCVN 7957-2008 (Thoát nước - Mạng lưới và công trình bên ngoài - Tiêu chuẩn thiết kế); Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp giấy và bột giấy QCVN 12:2008/BTNMT (áp dụng loại B2 đối với cơ sở sản xuất bột giấy và giấy).
  • Cơ sở lý thuyết các phương pháp xử lý: Phương pháp cơ học (song chắn rác, lắng trọng lực, tuyển nổi); phương pháp hóa học và hóa lý (keo tụ - tạo bông bằng phèn nhôm, $\text{FeSO}_4$, $\text{FeCl}_3$ hoặc $\text{PAC}$; trung hòa $\text{pH}$; kết tủa kim loại); phương pháp sinh học nhân tạo hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (bể Aerotank) và màng vi sinh bám dính (bể lọc sinh học).

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp tổng quan, phân tích và tổng hợp lý thuyết: Kế thừa dữ liệu kỹ thuật từ giáo trình chuyên ngành kỹ thuật môi trường (tài liệu của Trịnh Xuân Lai, W. Wesley Eckenfelder, Trần Văn Nhân) để xác lập công thức tính toán và các hằng số thực nghiệm.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật và thủy lực công trình: Xác định lưu lượng tính toán ($Q_{tb}$, $Q_{hmax}$, $Q_{smax}$); áp dụng các công thức giải tích thủy lực xác định thể tích, kích thước mặt bằng, chiều cao công tác, vận tốc dòng chảy, tổn thất áp lực mương dẫn, áp lực và công suất máy thổi khí, công suất máy bơm và thiết bị khuấy trộn cơ học.
  • Phương pháp so sánh và phân tích kinh tế - kỹ thuật: Lập bảng so sánh giữa các công trình xử lý sinh học hiếu khí (bể Aerotank và bể lọc sinh học) dựa trên các tiêu chí: khả năng chịu tải trọng dao động, diện tích xây dựng, tiêu thụ điện năng sục khí, khả năng phát sinh mùi và côn trùng để chọn phương án tối ưu.
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Báo cáo số liệu ngành giấy của Hiệp hội Giấy và Bột giấy Việt Nam (VPPA, 2016); dữ liệu quan trắc thành phần nước thải của một số nhà máy sản xuất giấy và bột giấy do Tổng cục Môi trường công bố năm 2011.

Thiết kế và thông số kỹ thuật hệ thống xử lý

Trên cơ sở đánh giá thành phần ô nhiễm của nước thải sản xuất bột giấy (chứa nhiều xơ sợi lơ lửng, độ màu cao, tải lượng hữu cơ biến động lớn), đồ án lựa chọn dây chuyền công nghệ kết hợp ba giai đoạn: xử lý cơ học sơ cấp, xử lý hóa lý (keo tụ - tạo bông và lắng) và xử lý sinh học hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (Aerotank) kết hợp khử trùng clo.

Sơ đồ quy trình công nghệ được thiết kế theo trình tự dòng chảy: Nước thải sản xuất $\to$ Song chắn rác $\to$ Hố thu gom $\to$ Bể điều hòa (sục khí nén) $\to$ Bể lắng 1 (thu hồi bột giấy) $\to$ Bể trộn (bổ sung hóa chất keo tụ PAC) $\to$ Bể phản ứng xoáy hình trụ kết hợp lắng đứng $\to$ Bể sinh học Aerotank (cấp khí phân tán) $\to$ Bể lắng 2 (phân tách bùn hoạt tính) $\to$ Bể khử trùng (tiếp xúc Clo) $\to$ Nước thải đạt QCVN 12:2008/BTNMT loại B2 thải ra nguồn tiếp nhận. Đường bùn: Bùn lắng đợt 1, bùn hóa lý từ bể lắng đứng và bùn dư bể lắng 2 được dẫn về bể chứa bùn, chuyển sang bể nén bùn và đưa qua máy ép bùn tạo bánh bùn chuyển giao xử lý; bùn hoạt tính lắng ở bể lắng 2 được bơm tuần hoàn về bể Aerotank nhằm duy trì nồng độ vi sinh vật; nước ép bùn được tuần hoàn trở lại bể điều hòa.

Hệ thống được thiết kế với chế độ làm việc 3 ca/ngày, các lưu lượng cơ sở gồm:

  • Lưu lượng trung bình ngày đêm: $Q_{tb} = 300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.
  • Lưu lượng trung bình giờ: $Q_{tbh} = 12,5\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Lưu lượng trung bình giây: $Q_{tbs} = 3,47 \times 10^{-3}\text{ m}^3/\text{s} = 3,47\text{ l/s}$.
  • Hệ số không điều hòa theo TCVN 7957-2008: $K_{omax} = 2,5$; $K_{omin} = 0,38$.
  • Lưu lượng giờ lớn nhất: $Q_{hmax} = 31,25\text{ m}^3/\text{h}$.
  • Lưu lượng giây lớn nhất: $Q_{smax} = 8,675 \times 10^{-3}\text{ m}^3/\text{s}$.

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật và thiết bị các công trình đơn vị đã được tính toán:

STT Công trình đơn vị Kích thước hình học Thông số công nghệ và thủy lực Thiết bị lắp đặt kèm theo
1 Song chắn rác Mương dẫn: $L = 1,8\text{ m}$; $B_s = 0,3\text{ m}$; $H = 0,7\text{ m}$ Khe hở $b = 16\text{ mm}$; số khe $n = 10$; bề dày thanh $S = 8\text{ mm}$; góc nghiêng đặt $60^\circ$; tổn thất áp lực $h_s = 0,05\text{ m}$ Thanh chắn kim loại, góc mở rộng trước song chắn $\varphi = 20^\circ$ ($L_1 = 0,2\text{ m}$)
2 Hố thu Kích thước: $L = 2,0\text{ m}$; $B = 1,5\text{ m}$; $h = 2,5\text{ m}$; thể tích thực $V = 7,5\text{ m}^3$ Thời gian lưu nước $t = 0,5\text{ h}$ (30 phút); diện tích tiết diện $F = 2,5\text{ m}^2$ 01 Bơm chìm nước thải, công suất $N = 0,34\text{ kW}$ (cột áp $H = 8\text{ mH}_2\text{O}$, $\eta = 0,8$)
3 Bể điều hòa Kích thước: $L = 7,0\text{ m}$; $B = 3,0\text{ m}$; $H = 2,5\text{ m}$ ($h = 2,0\text{ m}$, $h_{bv} = 0,5\text{ m}$); thể tích thực $V = 52,5\text{ m}^3$ Thời gian lưu nước $t = 4\text{ h}$; lưu lượng khí cấp $43,375\text{ m}^3/\text{h}$; hiệu quả giảm ô nhiễm: SS và BOD5 giảm 5% Ống khí chính PVC $\phi 40\text{ mm}$; 3 ống nhánh PVC $\phi 20\text{ mm}$ (32 lỗ $\phi 4\text{ mm}$/ống); máy thổi khí $P_m = 0,412\text{ kW}$ (áp lực $0,24\text{ atm}$); bơm nước thải $N = 0,42\text{ kW}$ (ống dẫn $\phi 50\text{ mm}$)
4 Bể lắng 1 (Lắng đứng tròn) Đường kính $D = 3,09\text{ m}$; chiều cao tổng cộng $H_b = 3,3\text{ m}$ ($h_l = 3,0\text{ m}$, $h_c = 0,3\text{ m}$, $h_{dt} = 0,3\text{ m}$); thể tích thực $V_t = 24,75\text{ m}^3$ Tải trọng bề mặt $U_0 = 40\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$; thời gian lưu nước $t = 1,98\text{ h}$; hiệu suất khử $\text{BOD}_5 = 34,38%$, khử $\text{SS} = 56,22%$ Ống trung tâm $d_t = 0,62\text{ m}$, cao $1,86\text{ m}$; máng răng cưa thu nước dài $L = 9,7\text{ m}$; lượng cặn bùn khô $136,2\text{ kg/ngày}$ ($1,7\text{ m}^3/\text{ngày}$)
5 Bể trộn hóa chất keo tụ Bể hình vuông: cạnh $0,5 \times 0,5\text{ m}$; $H = 1,5\text{ m}$ ($h_0 = 1,2\text{ m}$, $h_{bv} = 0,3\text{ m}$); thể tích thực $V = 0,38\text{ m}^3$ Thời gian lưu nước $t = 90\text{ s}$; gradient vận tốc $G = 700\text{ s}^{-1}$; liều lượng hóa chất PAC là $90\text{ mg/l}$ (tiêu thụ $27\text{ kg PAC/ngày}$) Cánh khuấy turbine 4 cánh nghiêng $45^\circ$, đường kính cánh $D = 0,25\text{ m}$; động cơ khuấy công suất $N = 0,19\text{ kW}$
6 Bể phản ứng xoáy kết hợp lắng đứng Vùng lắng có chiều cao tính toán $h_1 = 2,52\text{ m}$; chiều cao bể phản ứng $h_2 = 2,3\text{ m}$; diện tích ống trung tâm $f_2 = 1,81\text{ m}^2$ Thời gian lắng $t = 1\text{ h}$; vận tốc nước dâng vùng lắng $V = 0,7 \times 10^{-3}\text{ m/s}$; hoàn thiện quá trình keo tụ và tạo bông cặn lớn Hệ thống vách hướng dòng và ống trung tâm tạo xoáy thủy lực
7 Cụm Aerotank, Lắng 2, Khử trùng và Bùn Gồm bể Aerotank thổi khí, bể lắng 2 tách bùn, bể tiếp xúc khử trùng châm Clo, bể chứa bùn, bể nén bùn và máy ép bùn Hiệu quả xử lý $\text{BOD}_5$ tại bể Aerotank đạt $90 - 95%$; duy trì tuần hoàn bùn hoạt tính từ bể lắng 2; bùn được nén và ép thành bánh bùn khô Máy thổi khí cấp oxy, bơm bùn tuần hoàn, bơm định lượng dung dịch Clo, máy ép bùn cơ học

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của vấn đề bảo vệ môi trường trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Tác giả phân tích sự mâu thuẫn giữa nhu cầu tăng trưởng sản xuất của các nhà máy giấy nhằm phục vụ xã hội với nguy cơ gây ô nhiễm môi trường sinh thái nghiêm trọng từ nguồn nước thải đặc thù. Từ đó, xác định rõ việc nghiên cứu tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải công suất 300 $\text{m}^3$/ngày đêm cho nhà máy sản xuất bột giấy là yêu cầu kỹ thuật cần thiết nhằm giảm thiểu tải lượng chất ô nhiễm trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.

Chương I: Tổng quan về ngành sản xuất giấy

Chương I hệ thống hóa lịch sử hình thành, năng lực sản xuất, tiêu thụ và các vấn đề môi trường của ngành giấy:

  • Ngành giấy Việt Nam hình thành từ khoảng năm 284 với kỹ thuật thủ công; nhà máy bột giấy công nghiệp đầu tiên đi vào hoạt động năm 1912 tại Việt Trì công suất 4.000 tấn/năm. Đến năm 1975, tổng công suất thiết kế cả nước đạt 72.000 tấn/năm nhưng sản lượng thực tế chỉ đạt 28.000 tấn/năm. Giai đoạn 2014 - 2016 chứng kiến sự tăng trưởng: năm 2016 sản xuất đạt 1,425 triệu tấn, tiêu dùng 3,409 triệu tấn, nhập khẩu 1,864 triệu tấn, xuất khẩu 144.880 tấn trên quy mô dân số 94,4 triệu người. Cả nước có gần 500 doanh nghiệp nhưng phần lớn quy mô nhỏ (46% doanh nghiệp có công suất dưới 1.000 tấn/năm, 42% từ 1.000 tấn/năm trở lên và chỉ có 4 doanh nghiệp đạt công suất trên 50.000 tấn/năm).
  • Nhu cầu tiêu thụ nước rất lớn: sản xuất 1 tấn bột giấy cần 2 tấn gỗ và tiêu tốn từ 200 đến 500 $\text{m}^3$ nước, kéo theo lượng nước thải tương đương xả ra môi trường.
  • Thuyết minh dây chuyền sản xuất và các dòng thải: Dòng thải rửa nguyên liệu chứa đất đá, vỏ cây, thuốc bảo vệ thực vật; dòng nấu và rửa bột (dịch đen) có nồng độ chất khô 25 - 35%, tỷ lệ hữu cơ và vô cơ là 70:30 (chứa lignin hòa tan, dịch kiềm $\text{NaOH}$, $\text{Na}_2\text{S}$, $\text{Na}_2\text{SO}_4$, $\text{Na}_2\text{CO}_3$); dòng tẩy trắng chứa hợp chất clo hữu cơ ($\text{AOX}$), độ màu và $\text{COD}$ rất cao; dòng nghiền bột và xeo giấy chứa nhiều sợi mịn, phụ gia ($\text{CaCO}_3$, cao lanh, nhựa thông).
  • Tác động môi trường: Số liệu khảo sát của Tổng cục Môi trường (2011) cho thấy nước thải bột giấy vượt chuẩn xả thải nhiều lần: độ màu từ 1.000 đến 9.550 Pt-Co (vượt quy chuẩn từ 6,7 đến 63,7 lần), SS từ 431 đến 6.082 mg/l (vượt 4,31 đến 60,82 lần), COD từ 741 đến 4.130 mg/l (vượt 2,47 đến 13,76 lần), BOD từ 475 đến 3.085 mg/l (vượt 4,75 đến 30,85 lần), đe dọa trực tiếp đời sống thủy sinh và sức khỏe cộng đồng.

Chương II: Phương pháp xử lý nước thải

Chương II phân tích cơ sở lý thuyết của bốn nhóm phương pháp xử lý nước thải:

  • Phương pháp cơ học: Sử dụng song chắn rác (loại tạp chất thô), bể lắng cát (loại hạt vô cơ kích thước 0,2 - 2 mm, bảo vệ bơm), bể lắng (lắng trọng lực cặn lơ lửng đợt 1 và bông bùn sinh học đợt 2) và bể lọc.
  • Phương pháp hóa lý: Phân tích cơ chế keo tụ các hạt keo kích thước nhỏ hơn $10^{-4}\text{ mm}$ bằng phèn nhôm, phèn sắt ($\text{FeSO}_4$, $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$, $\text{FeCl}_3$); tuyển nổi bọt khí; hấp phụ bằng than hoạt tính, silicagen; trao đổi ion bằng nhựa chuyên dụng để khử kim loại nặng.
  • Phương pháp hóa học: Kỹ thuật trung hòa $\text{pH}$; phản ứng oxy hóa - khử bằng clo, ozon, $\text{H}_2\text{O}_2$; kết tủa hydroxit kim loại bằng sữa vôi $\text{Ca(OH)}_2$ hoặc soda $\text{Na}_2\text{CO}_3$.
  • Phương pháp sinh học: Phân loại thành xử lý tự nhiên (cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học hiếu khí - tùy tiện - kị khí) và xử lý nhân tạo. Nhóm nhân tạo gồm quá trình kị khí (bể tiếp xúc yếm khí, bể UASB với ưu điểm tạo bùn hạt mật độ cao, ít bùn dư, thu hồi năng lượng khí methane) và quá trình hiếu khí bùn hoạt tính lơ lửng (bể Aerotank, mương oxy hóa, bể SBR) hoặc vi sinh bám dính (bể lọc sinh học, đĩa quay sinh học RBC).

Chương III: Đề xuất lựa chọn phương án xử lý nước thải của nhà máy sản xuất bột giấy công suất 300m3/ngày

Chương III xác định yêu cầu công nghệ và tiến hành lựa chọn sơ đồ xử lý:

  • Yêu cầu thiết kế: Nước thải sau xử lý phải đạt QCVN 12:2008/BTNMT cột B2; chi phí xử lý trên 1 $\text{m}^3$ nước thải thấp; chi phí đầu tư xây dựng, quản lý và bảo trì hợp lý; thiết bị sẵn có trên thị trường.
  • Đề xuất hai phương án công nghệ:
    • Phương án 1: Dây chuyền xử lý sơ cấp kết hợp hóa lý và xử lý sinh học hiếu khí bằng bể Aerotank.
    • Phương án 2: Dây chuyền xử lý sơ cấp kết hợp hóa lý và xử lý sinh học hiếu khí bằng bể lọc sinh học.
  • Đánh giá so sánh: Tác giả phân tích bể Aerotank có ưu điểm thích ứng tốt với sự thay đổi rộng của tải trọng ô nhiễm trong ngày, diện tích mặt bằng xây dựng nhỏ hơn, không gây mùi hôi và không phát sinh ruồi muỗi xung quanh so với bể lọc sinh học. Mặc dù bể Aerotank tiêu tốn năng lượng sục khí cao hơn, hiệu quả xử lý $\text{BOD}_5$ đạt từ 90 đến 95% và độ ổn định cao là yếu tố quyết định để lựa chọn phương án 1.

Chương IV: Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải của nhà máy sản xuất giấy công suất 300m3/ngày đêm

Chương IV là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, tính toán chi tiết từng hạng mục:

  • Tính toán thủy lực cơ sở: Xác định $Q_{tb} = 300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, $Q_{tbh} = 12,5\text{ m}^3/\text{h}$, $Q_{tbs} = 3,47\text{ l/s}$, hệ số $K_{omax} = 2,5$, $K_{omin} = 0,38$, lưu lượng thiết kế cực đại $Q_{hmax} = 31,25\text{ m}^3/\text{h}$, $Q_{smax} = 8,675 \times 10^{-3}\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Song chắn rác: Tính ra 9,49 khe, chọn 10 khe hở ($b = 16\text{ mm}$), 9 thanh chắn dày $S = 8\text{ mm}$, chiều dài thanh $0,8\text{ m}$, mương rộng $B_s = 0,3\text{ m}$, dài $L = 1,8\text{ m}$, sâu $H = 0,7\text{ m}$, góc nghiêng $60^\circ$, tổn thất áp lực $h_s = 0,05\text{ m}$.
  • Hố thu: Thời gian lưu nước 30 phút, thể tích tính toán $6,25\text{ m}^3$, kích thước xây dựng $2,0 \times 1,5 \times 2,5\text{ m}$ (thể tích thực $7,5\text{ m}^3$), bơm nước thải công suất $0,34\text{ kW}$ ($H = 8\text{ mH}_2\text{O}$).
  • Bể điều hòa: Thời gian lưu nước 4 h, thể tích $52,5\text{ m}^3$ ($7,0 \times 3,0 \times 2,5\text{ m}$); hệ thống phân phối khí gồm ống chính PVC $\phi 40\text{ mm}$ và 3 ống nhánh PVC $\phi 20\text{ mm}$ với 32 lỗ $\phi 4\text{ mm}$ trên mỗi ống (mật độ 5 lỗ/m); máy thổi khí công suất $0,412\text{ kW}$ (áp suất $0,24\text{ atm}$, cấp $43,375\text{ m}^3\text{ khí/h}$); bơm nước thải sang bể lắng 1 công suất $0,42\text{ kW}$ qua ống dẫn $\phi 50\text{ mm}$. Nồng độ chất ô nhiễm sau bể điều hòa giảm 5%, đưa SS còn $807,5\text{ mg/l}$ và $\text{BOD}_5$ còn $950\text{ mg/l}$.
  • Bể lắng 1 (Lắng đứng): Tải trọng bề mặt chọn $40\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$, đường kính bể $D = 3,09\text{ m}$, chiều cao công tác $3,0\text{ m}$, tổng chiều cao $3,3\text{ m}$ (bao gồm chóp đáy $0,3\text{ m}$ và bảo vệ $0,3\text{ m}$); ống trung tâm $d_t = 0,62\text{ m}$, cao $1,86\text{ m}$; thể tích công tác $22,5\text{ m}^3$, tổng thể tích $24,75\text{ m}^3$, thời gian lưu nước $1,98\text{ h}$. Vận tốc nước chảy vùng lắng $1,16 \times 10^{-3}\text{ m/s}$ nhỏ hơn vận tốc giới hạn $0,07\text{ m/s}$. Hiệu suất khử $\text{BOD}_5$ đạt $34,38%$ (nồng độ còn lại $623,39\text{ mg/l}$), khử SS đạt $56,22%$ (còn lại $353,52\text{ mg/l}$). Lượng bùn khô sinh ra là $136,2\text{ kg/ngày}$, tương ứng thể tích bùn ướt $1,7\text{ m}^3/\text{ngày}$ (với nồng độ cặn $C = 80\text{ kg/m}^3$). Chiều dài máng răng cưa thu nước là $9,7\text{ m}$.
  • Bể trộn: Bể hình vuông $0,5 \times 0,5\text{ m}$, chiều cao $1,5\text{ m}$ ($h_0 = 1,2\text{ m}$, $h_{bv} = 0,3\text{ m}$), thể tích thực $0,38\text{ m}^3$, thời gian lưu nước 90 s. Thiết bị khuấy turbine 4 cánh nghiêng $45^\circ$, đường kính cánh $0,25\text{ m}$, công suất khuấy $0,19\text{ kW}$ với gradient vận tốc $G = 700\text{ s}^{-1}$. Liều lượng phèn PAC tính toán là $90\text{ mg/l}$, tiêu thụ $27\text{ kg PAC/ngày}$.
  • Bể phản ứng xoáy hình trụ kết hợp lắng đứng: Tính toán chiều cao vùng lắng $h_1 = 2,52\text{ m}$ (với vận tốc dâng $V = 0,7 \times 10^{-3}\text{ m/s}$, thời gian lắng 1 h), chiều cao bể phản ứng $h_2 = 2,3\text{ m}$, diện tích ngăn phản ứng xoáy trung tâm $f_2 = 1,81\text{ m}^2$.
  • Các hạng mục còn lại: Bể Aerotank tính toán thể tích và hệ thống phân phối khí sục oxy; Bể lắng đợt 2 phân tách bùn hoạt tính; Bể khử trùng tiếp xúc hóa chất Clo; hệ thống bùn gồm bể chứa bùn, bể nén bùn và thiết bị ép bùn xử lý bùn thải cơ học.

Chương V: Khái quát tính chi phí

Chương V lập dự toán kinh tế cho trạm xử lý:

  • Chi phí quản lý và vận hành: Tổng hợp chi phí công nhân vận hành hệ thống, chi phí tiêu thụ điện năng của các động cơ máy bơm, máy thổi khí, máy khuấy và chi phí mua hóa chất định kỳ (hóa chất keo tụ PAC, hóa chất khử trùng Clo).
  • Chi phí đầu tư xây dựng: Tổng hợp chi phí xây thô các đơn nguyên bể bê tông cốt thép và chi phí mua sắm, lắp đặt máy móc thiết bị công nghệ (bơm, quạt khí, đường ống, cánh khuấy, thiết bị ép bùn).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính của đồ án:

  • Thiết lập hoàn chỉnh sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất bột giấy quy mô 300 $\text{m}^3$/ngày đêm, tích hợp liên hoàn các quá trình xử lý cơ học (song chắn rác, lắng 1), hóa lý (keo tụ PAC, phản ứng xoáy, lắng đứng), sinh học hiếu khí (bể bùn hoạt tính Aerotank) và khử trùng bằng Clo.
  • Các chỉ số thiết kế cụ thể đã được tính toán đầy đủ: hiệu suất khử cặn lơ lửng của bể lắng 1 đạt $56,22%$ (giảm SS từ $807,5\text{ mg/l}$ xuống $353,52\text{ mg/l}$); hiệu suất khử $\text{BOD}_5$ tại bể lắng 1 đạt $34,38%$ (giảm $\text{BOD}_5$ từ $950\text{ mg/l}$ xuống $623,39\text{ mg/l}$); hiệu quả khử $\text{BOD}_5$ ở công đoạn sinh học Aerotank đạt từ $90%$ đến $95%$, đảm bảo nước thải đầu ra đạt chuẩn QCVN 12:2008/BTNMT cột B2.
  • Lượng bùn khô phát sinh riêng tại bể lắng sơ cấp được xác định là $136,2\text{ kg/ngày}$ (thể tích $1,7\text{ m}^3/\text{ngày}$), định mức hóa chất keo tụ PAC sử dụng là $27\text{ kg/ngày}$.
  • Cung cấp toàn bộ thông số hình học, kết cấu thủy lực và lựa chọn công suất thiết bị cơ điện cho các công trình đơn vị: song chắn rác ($1,8 \times 0,3 \times 0,7\text{ m}$), hố thu ($2,0 \times 1,5 \times 2,5\text{ m}$, bơm $0,34\text{ kW}$), bể điều hòa ($7,0 \times 3,0 \times 2,5\text{ m}$, máy thổi khí $0,412\text{ kW}$), bể lắng 1 (đường kính $3,09\text{ m}$, cao $3,3\text{ m}$), bể trộn ($0,5 \times 0,5 \times 1,5\text{ m}$, cánh khuấy $0,19\text{ kW}$), bể phản ứng xoáy lắng đứng ($h = 2,52\text{ m}$).

Giải pháp và kiến nghị của tác giả:

  • Đề xuất giải pháp tuần hoàn thu hồi bột giấy tại bể lắng 1 để giảm thiểu hao hụt nguyên liệu cho nhà máy, đồng thời tuần hoàn nước ép bùn về bể điều hòa nhằm bảo đảm tuần hoàn dòng thải, không xả nước thải chưa xử lý ra môi trường.
  • Kiến nghị sử dụng công nghệ bể Aerotank thay thế bể lọc sinh học để khắc phục nhược điểm về mùi hôi, sự phát sinh ruồi muỗi và khả năng chịu tải dao động của nguồn thải bột giấy.
  • Cần bố trí hệ thống vận hành định lượng hóa chất keo tụ PAC chính xác nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo đảm quá trình lắng cặn đạt hiệu quả tối đa.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp một bộ hồ sơ tính toán thiết kế công nghệ hoàn chỉnh, logic và bám sát các tiêu chuẩn xây dựng thoát nước hiện hành của Việt Nam (TCVN 7957-2008) cho loại hình nước thải sản xuất bột giấy quy mô vừa và nhỏ.
  • Làm tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn trong việc lựa chọn công nghệ, xác định kích thước công trình và dự toán chi phí đầu tư cho các dự án xử lý nước thải công nghiệp giấy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Các số liệu tính toán nồng độ chất ô nhiễm đầu vào chủ yếu dựa trên các giá trị khảo sát điển hình của ngành giấy do Tổng cục Môi trường công bố, chưa phản ánh được sự biến thiên liên tục theo từng mẻ nấu nguyên liệu và chủng loại nguyên liệu thực tế (gỗ mềm, tre nứa hoặc giấy tái chế) của một nhà máy cụ thể.
  • Đồ án dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và thiết kế công nghệ trên bản vẽ; chưa có điều kiện triển khai mô hình thí nghiệm thực tế (mô hình pilot) tại nguồn thải để kiểm chứng động học quá trình bùn hoạt tính ($F/M$, tốc độ tiêu thụ oxy, chỉ số thể tích bùn SVI) và liều lượng keo tụ tối ưu bằng phương pháp Jartest.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Nghiên cứu bổ sung giai đoạn xử lý kị khí (như bể phản ứng kị khí dòng hướng lên UASB) phía trước cụm Aerotank để xử lý dòng dịch đen có nồng độ COD đậm đặc, qua đó giảm tải lượng hữu cơ cho công trình hiếu khí và tận dụng thu hồi khí sinh học sinh năng lượng.
  • Tiến hành thực nghiệm xác định chính xác thời gian lưu nước, tải trọng bùn và liều lượng hóa chất keo tụ phù hợp với từng tỷ lệ phối trộn nguyên liệu sản xuất giấy trong thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích đối với:

  • Sinh viên và học viên cao học ngành Kỹ thuật môi trường, Quản lý môi trường, Công nghệ kỹ thuật môi trường khi thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp.
  • Kỹ sư môi trường, chuyên viên thiết kế tại các đơn vị tư vấn xử lý môi trường cần tài liệu tra cứu các bước tính toán thủy lực, lựa chọn thiết bị cơ điện và xác định thông số công trình đơn vị.
  • Cán bộ kỹ thuật phụ trách trạm xử lý nước thải tại các nhà máy sản xuất giấy và bột giấy quy mô nhỏ ($300\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$) trong việc theo dõi, cải tạo hoặc vận hành hệ thống.

Các nội dung có giá trị tham khảo nổi bật:

  • Quy trình tính toán thủy lực chi tiết và có hệ thống tại Chương IV, đặc biệt là các công thức tính toán song chắn rác, máy thổi khí bể điều hòa, bể lắng đứng theo tải trọng bề mặt và bể trộn turbine theo gradient vận tốc $G$.
  • Bảng so sánh kỹ thuật - công nghệ giữa bể Aerotank và bể lọc sinh học tại Chương III, cung cấp cơ sở lập luận khoa học cho việc lựa chọn công trình sinh học hiếu khí.
  • Dữ liệu tổng hợp về định mức sử dụng nước, thành phần phát thải ô nhiễm theo từng công đoạn sản xuất bột giấy (nấu, rửa, tẩy trắng, xeo giấy) tại Chương I.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đồ án lựa chọn bể bùn hoạt tính Aerotank thay vì bể lọc sinh học cho công đoạn xử lý sinh học hiếu khí?
    Tác giả so sánh hai công trình tại Chương III và chỉ ra rằng: bể Aerotank có khả năng thích ứng tốt với sự dao động lớn của tải trọng chất ô nhiễm trong ngày, diện tích mặt bằng xây dựng nhỏ hơn, không gây mùi hôi và không làm phát sinh ruồi muỗi xung quanh. Ngược lại, bể lọc sinh học tiêu tốn vật liệu lọc, hiệu suất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ không khí, không chịu được thay đổi tải trọng đột ngột và thường phát sinh mùi hôi cùng côn trùng. Do đó, bể Aerotank được chọn nhằm đảm bảo hiệu quả khử $\text{BOD}_5$ đạt $90 - 95%$.

  2. Bể lắng đợt 1 được thiết kế với kích thước và hiệu suất xử lý cặn như thế nào?
    Bể lắng 1 là bể lắng đứng hình tròn có đường kính $D = 3,09\text{ m}$, chiều cao tổng cộng $H_b = 3,3\text{ m}$ (chiều cao vùng lắng $3,0\text{ m}$, chiều cao chóp đáy $0,3\text{ m}$ và bảo vệ $0,3\text{ m}$), ống trung tâm đường kính $0,62\text{ m}$ cao $1,86\text{ m}$. Bể làm việc với tải trọng bề mặt $40\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$, thời gian lưu nước $1,98\text{ h}$. Hiệu quả khử cặn lơ lửng ($\text{SS}$) đạt $56,22%$ (nồng độ giảm từ $807,5\text{ mg/l}$ xuống $353,52\text{ mg/l}$), khử $\text{BOD}_5$ đạt $34,38%$ (giảm từ $950\text{ mg/l}$ xuống $623,39\text{ mg/l}$), lượng bùn khô sinh ra là $136,2\text{ kg/ngày}$ ($1,7\text{ m}^3\text{ bùn/ngày}$).

  3. Hệ thống cấp khí và khuấy trộn tại bể điều hòa được tính toán với thông số nào?
    Bể điều hòa có thể tích $52,5\text{ m}^3$ ($7 \times 3 \times 2,5\text{ m}$), thời gian lưu nước $4\text{ h}$. Lưu lượng khí cấp là $43,375\text{ m}^3/\text{h}$ thông qua hệ thống gồm 1 ống dẫn chính PVC $\phi 40\text{ mm}$ và 3 ống nhánh PVC $\phi 20\text{ mm}$. Mỗi ống nhánh đục 32 lỗ đường kính $\phi 4\text{ mm}$ (mật độ 5 lỗ/m dài). Máy thổi khí được tính toán có công suất $0,412\text{ kW}$ với áp lực làm việc $0,24\text{ atm}$.

  4. Loại hóa chất keo tụ, liều lượng sử dụng và công suất thiết bị khuấy tại bể trộn là bao nhiêu?
    Đồ án sử dụng hóa chất keo tụ PAC (Poly Aluminium Chloride) với liều lượng tính toán là $90\text{ mg/l}$, tương đương tiêu thụ $27\text{ kg PAC/ngày}$ cho lưu lượng 300 $\text{m}^3$/ngày đêm. Bể trộn có kích thước $0,5 \times 0,5 \times 1,5\text{ m}$ (thể tích thực $0,38\text{ m}^3$, thời gian lưu $90\text{ s}$), sử dụng cánh khuấy turbine 4 cánh nghiêng $45^\circ$, đường kính cánh $0,25\text{ m}$, động cơ có công suất $0,19\text{ kW}$ tương ứng gradient vận tốc $G = 700\text{ s}^{-1}$.

  5. Nước thải sau xử lý của hệ thống phải đáp ứng tiêu chuẩn môi trường nào trước khi xả ra nguồn tiếp nhận?
    Nước thải sau toàn bộ dây chuyền xử lý (qua khử trùng Clo) được thiết kế để đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp giấy và bột giấy QCVN 12:2008/BTNMT cột B2.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Bùi Đình Tiến đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho Nhà máy sản xuất bột giấy công suất 300 $\text{m}^3$/ngày đêm. Công trình đề xuất một dây chuyền công nghệ phù hợp, kết hợp đồng bộ các giải pháp cơ học (song chắn rác, lắng 1 thu hồi bột), hóa lý (keo tụ PAC, phản ứng xoáy, lắng đứng) và sinh học hiếu khí bùn hoạt tính (bể Aerotank) nhằm đưa các thông số ô nhiễm đạt quy chuẩn xả thải QCVN 12:2008/BTNMT (loại B2). Kết quả tính toán cung cấp đầy đủ kích thước xây dựng, thông số thủy lực và đặc tính thiết bị cơ điện, tạo nguồn tài liệu tham khảo có giá trị kỹ thuật cao cho sinh viên chuyên ngành môi trường và các kỹ sư thiết kế công trình xử lý nước thải công nghiệp.