Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến sữa tại Việt Nam có tốc độ tăng trưởng mạnh mẽ do nhu cầu tiêu thụ sữa và các chế phẩm từ sữa của người dân ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, đi kèm với sự phát triển sản xuất, ngành chế biến sữa tạo ra một lượng lớn chất thải, đặc biệt là nước thải có tải lượng ô nhiễm hữu cơ cao từ các công đoạn sản xuất, súc rửa thiết bị và vệ sinh nhà xưởng. Việc xả thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt chuẩn từ các nhà máy chế biến sữa gây ra nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường nước tiếp nhận và hệ sinh thái xung quanh.

Công ty Cổ phần Thực phẩm Dinh dưỡng Đồng Tâm (thương hiệu Nutifood) đã liên kết với Công ty Cổ phần Sữa Quốc tế để đầu tư xây dựng nhà máy sản xuất sữa tại huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội. Nhằm đáp ứng các quy định pháp luật về bảo vệ môi trường và xây dựng hình ảnh phát triển bền vững, việc thiết kế một hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh cho nhà máy là nhiệm vụ mang tính cấp thiết. Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đinh Thị Minh tập trung thực hiện đề tài "Thiết kế hệ thống xử lý nước thải nhà máy sữa công suất 400 m³/ngày.đêm".

Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu của khóa luận được phân định cụ thể qua các bước:

  1. Giới thiệu tổng quan về Công ty sữa Nutifood và hiện trạng môi trường tại nhà máy.
  2. Tổng quan các phương pháp, công nghệ xử lý nước thải sản xuất nói chung và nước thải chế biến sữa nói riêng.
  3. Khảo sát, đo đạc và thu thập số liệu phục vụ cho công tác thiết kế hệ thống.
  4. Xác định các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn môi trường áp dụng cho thiết kế.
  5. Đề xuất và lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước thải tối ưu cho nhà máy.
  6. Tính toán, thiết kế chi tiết thông số kỹ thuật của các công trình đơn vị trong hệ thống.
  7. Thiết kế, tính toán dự toán kinh tế về chi phí đầu tư xây dựng, thiết bị và giá thành xử lý trên 1 m³ nước thải.
  8. Thực hiện các bản vẽ kỹ thuật cho các công trình đơn vị trong hệ thống.
  9. Đưa ra quy trình hướng dẫn vận hành, quản lý hệ thống và các biện pháp ứng phó, khắc phục sự cố.
  10. Tổng kết, đánh giá kết luận và đưa ra các kiến nghị kỹ thuật.
  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải sản xuất và sinh hoạt phát sinh từ nhà máy chế biến sữa của Công ty Cổ phần Thực phẩm Dinh dưỡng Đồng Tâm (Nutifood).
  • Phạm vi nghiên cứu: Không gian đặt tại nhà máy ở huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội; quy mô công suất thiết kế hệ thống là 400 m³/ngày.đêm (lưu lượng cực đại 520 m³/ngày.đêm); thời gian thực hiện nghiên cứu hoàn thành vào tháng 11 năm 2011 tại Khoa Môi trường, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống luận cứ dựa trên các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, các cơ sở lý thuyết về hóa lý môi trường và các quá trình biến đổi sinh hóa:

  • Khung tiêu chuẩn, quy chuẩn pháp lý: Áp dụng QCVN 24:2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp) và TCVN 5945-2005 (Nước thải công nghiệp – Tiêu chuẩn thải) với mục tiêu chất lượng nước sau xử lý đạt cột A để xả vào nguồn tiếp nhận.
  • Lý thuyết các quá trình xử lý sinh học:
    • Quá trình phân giải kỵ khí (yếm khí): Diễn ra qua 4 giai đoạn nối tiếp gồm (1) Thủy phân hợp chất cao phân tử (protein, gluxit, lipit) nhờ enzym của vi sinh vật; (2) Lên men các axit hữu cơ mạch ngắn (axit lactic, butyric, propionic); (3) Lên men tạo axit axetic ($CH_3COOH$); (4) Metan hóa tạo thành khí sinh học ($CH_4$ và $CO_2$) thông qua cơ chế decacboxyl hóa axit hữu cơ và khử $CO_2$ bởi vi khuẩn Methanogene.
    • Quá trình phân giải sinh học hiếu khí: Dựa trên hoạt động của vi sinh vật hiếu khí và tùy tiện trong bùn hoạt tính để oxy hóa chất hữu cơ và tổng hợp sinh khối mới ($C_5H_7NO_2$). Các điều kiện công nghệ kiểm soát gồm nồng độ oxy hòa tan (DO = 1,5 - 4 mg/l, tối ưu 2 mg/l), dải pH hoạt động (6,5 - 8,5), nhiệt độ tối ưu (20 - 27 °C), tỷ lệ dinh dưỡng $C:N:P = 100:5:1$, và tải trọng hữu cơ theo tỷ số $F/M$ tối ưu trong khoảng 0,5 - 0,75.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về công nghệ xử lý nước thải công nghiệp, các giáo trình kỹ thuật môi trường (tài liệu chuyên khảo của Trịnh Xuân Lai và các tác giả liên quan).
    • Phương pháp thu thập và thống kê số liệu: Khảo sát thực tế dây chuyền công nghệ sản xuất sữa tươi tiệt trùng, sữa đặc, hệ thống súc rửa CIP (Clean-In-Place), đo đạc lưu lượng và phân tích nồng độ các chỉ tiêu ô nhiễm đầu vào.
    • Phương pháp tính toán thiết kế công trình: Tính toán thủy lực, cân bằng vật chất, xác định kích thước công trình đơn vị, lựa chọn thiết bị cơ khí (máy bơm, máy thổi khí, máy ép bùn, thiết bị đo pH).
    • Phương pháp tính toán kinh tế kỹ thuật: Dự toán chi phí xây dựng thô, chi phí thiết bị, tiêu hao điện năng và hóa chất vận hành.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống xử lý nước thải được thiết kế hoàn chỉnh từ khâu tiếp nhận nước thải thô đến khâu khử trùng xả thải và xử lý bùn cặn.

Chỉ tiêu ô nhiễm Đơn vị Nước thải đầu vào (Trung bình) Nước thải đầu vào (Cao nhất) QCVN 24:2009/BTNMT (Cột A)
Lưu lượng ($Q$) m³/ngày 400 520 -
pH - 2 - 12 2 - 12 6 - 9
COD mg/l 5.000 10.000 50
$BOD_5$ mg/l 2.500 5.000 30
Chất rắn lơ lửng (SS) mg/l 1.000 1.000 50
Tổng Nitơ ($N_{ts}$) mg/l 7 - 15
Tổng Photpho ($P_{ts}$) mg/l 11,6 11,6 4

Sơ đồ quy trình công nghệ đề xuất

Nước thải đầu vào $\rightarrow$ Hố thu gom và chắn rác $\rightarrow$ Bể điều hòa (sục khí, trung hòa pH) $\rightarrow$ Bể tuyển nổi khí nén $\rightarrow$ Bể kỵ khí UASB $\rightarrow$ Bể hiếu khí Aerotank $\rightarrow$ Bể lắng đứng đợt II $\rightarrow$ Bể khử trùng $\rightarrow$ Nguồn tiếp nhận.

  • Tuyến bùn: Bùn từ bể UASB, Aerotank và Lắng II $\rightarrow$ Bể chứa bùn (1 ngăn tuần hoàn về Aerotank, 1 ngăn bùn dư) $\rightarrow$ Bể nén bùn lắng đứng $\rightarrow$ Máy ép bùn băng tải $\rightarrow$ Bánh bùn khô.

Thông số kỹ thuật chi tiết của các hạng mục công trình

  1. Lưu lượng tính toán:
    • Lưu lượng trung bình ngày: $Q_{ng.tb} = 400\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$; Lưu lượng trung bình giờ: $Q_{h.tb} = 16,67\text{ m}^3/\text{h}$.
    • Hệ số không điều hòa ngày: $k_{ng}^{max} = 1,3 \Rightarrow Q_{ng}^{max} = 520\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.
    • Hệ số không điều hòa chung: $K_{ch} = 3 \Rightarrow Q_{h}^{max} = 50\text{ m}^3/\text{h}$.
  2. Thiết bị chắn rác:
    • Đặt trong hố thu, dạng sọt lưới bằng inox dày 1 mm, đục lỗ tròn đường kính 5 mm. Kích thước dài $\times$ rộng $\times$ sâu: $0,5\text{ m} \times 0,5\text{ m} \times 0,7\text{ m}$.
    • Đường ống dẫn vào $\Phi 200$, độ sâu đáy ống thoát nước $H = 0,7\text{ m}$. Hiệu suất loại bỏ: SS, COD, $BOD_5$ giảm 4%.
  3. Hố thu gom:
    • Thời gian lưu nước: $t = 15\text{ phút}$. Thể tích tính toán: $V = 12,5\text{ m}^3$.
    • Chiều sâu hữu ích: $H_i = 2\text{ m}$, chiều cao bảo vệ: $H_{bv} = 0,5\text{ m}$. Diện tích mặt bằng: $F = 6,25\text{ m}^2$ (mặt bằng hình vuông cạnh $B = 2,5\text{ m}$).
    • Thiết bị bơm: 2 bơm chìm EBARA DW200 (1 hoạt động, 1 dự phòng), lưu lượng $Q_b = 24\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $H_b = 11,4\text{ m}$, công suất $N = 1,5\text{ kW}$ (2 HP).
  4. Bể điều hòa:
    • Thời gian lưu nước: $t = 6\text{ h}$. Thể tích hữu ích: $V = 130\text{ m}^3$. Kích thước: Dài $L = 7,2\text{ m}$, Rộng $B = 4,5\text{ m}$, Chiều cao hữu ích $H_i = 4\text{ m}$, Chiều cao bảo vệ $H_{bv} = 0,5\text{ m}$ (Chiều cao xây dựng $H_{xd} = 4,5\text{ m}$, Thể tích thực tế $V_{tt} = 151,87\text{ m}^3$, Diện tích $F = 32,4\text{ m}^2$).
    • Hệ thống sục khí và phân phối: Suất cấp khí $a = 3,74\text{ m}^3\text{ khí}/\text{m}^3\text{ nước thải}$; Lưu lượng khí cấp: $Q_{khí} = 1944,8\text{ m}^3/\text{ngày.đêm} = 81,03\text{ m}^3/\text{h} = 22,51\text{ l/s}$.
    • Ống phân phối khí chính bằng sắt tráng kẽm đường kính $\Phi 114\text{ mm}$ ($v = 3\text{ m/s}$); 4 ống nhánh PVC $\Phi 60\text{ mm}$ ($v = 2\text{ m/s}$), mỗi ống đục 30 lỗ đường kính 4 mm ($v_{lỗ} = 15\text{ m/s}$).
    • Ống cấp nước vào bể bằng nhựa PVC đường kính $\Phi 76\text{ mm}$.
    • Trang bị thiết bị đo và điều khiển pH tự động (châm axit $H_2SO_4$ hoặc kiềm $NaOH$ để duy trì pH 6,5 - 7,5).
    • Thiết bị bơm sang công trình sau: 2 bơm EBARA DW150, lưu lượng $Q = 18\text{ m}^3/\text{h}$, cột áp $H = 9,5\text{ m}$, công suất $P = 1,1\text{ kW}$ (1,5 HP).
    • Hiệu suất xử lý tại bể điều hòa: $BOD_5$ giảm 5% (còn 2.280 mg/l), COD giảm 5% (còn 4.560 mg/l), SS giảm 10% (còn 864 mg/l), dầu mỡ giảm 10% (còn 180 mg/l).
  5. Bể tuyển nổi áp lực (DAF):
    • Áp lực vận hành: $170 \div 475\text{ kN/m}^2$, tỷ số khí/chất rắn $A/S = 0,03 \div 0,05$ (chọn 0,03), tải trọng bề mặt $20 \div 325\text{ m}^3/\text{m}^2\text{.ngày}$, thời gian lưu nước trong bể $20 \div 60\text{ phút}$.
    • Chức năng tách dầu mỡ, váng bọt khó lắng, thu hồi lớp váng hữu cơ làm thức ăn chăn nuôi.
  6. Bể kỵ khí UASB và các công trình tiếp nối:
    • Nước thải đưa vào đáy bể qua hệ thống phân phối, đi qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng, chuyển hóa chất hữu cơ thành biogas. Hệ thống vách hướng dòng phân tách ba pha khí - bùn - nước; thu hồi khí sinh học qua chụp thu khí.
    • Bể Aerotank tiếp tục oxy hóa triệt để chất hữu cơ hòa tan còn lại kết hợp tuần hoàn bùn hoạt tính từ bể lắng đợt II.
    • Bể lắng đứng đợt II thực hiện phân tách bùn hoạt tính và làm trong nước thải.
    • Bể khử trùng tiếp xúc sử dụng hóa chất Clorua vôi để tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh trước khi xả thải.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này giới thiệu địa điểm xây dựng nhà máy sữa tại huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội theo mô hình liên kết giữa Công ty Cổ phần Thực phẩm Dinh dưỡng Đồng Tâm (văn phòng tại 208 Nguyễn Thái Bình, quận Tân Bình, TP. Hồ Chí Minh) và Công ty Cổ phần Sữa Quốc tế. Tác giả trình bày lịch sử phát triển từ năm 2000, sự kiện đổi tên thương hiệu thành Nutifood năm 2002 cùng các giải thưởng thương hiệu đạt được.

Chương I mô tả chi tiết công nghệ sản xuất hai nhóm sản phẩm chủ lực:

  • Quy trình sản xuất sữa tươi tiệt trùng: Tiếp nhận nguyên liệu $\rightarrow$ Thanh trùng $\rightarrow$ Ủ $\rightarrow$ Tiệt trùng $\rightarrow$ Chiết rót $\rightarrow$ Bảo quản.
  • Quy trình sản xuất sữa đặc: Tiếp nhận sữa nguyên liệu $\rightarrow$ Gia nhiệt sơ bộ/chuẩn hóa $\rightarrow$ Lọc $\rightarrow$ Đồng hóa $\rightarrow$ Thanh trùng $\rightarrow$ Cô đặc $\rightarrow$ Kết tinh $\rightarrow$ Đóng hộp.

Chương này cũng phân tích hiện trạng các nguồn phát sinh chất thải: khí thải lò hơi ($SO_2, CO, NO_x, VOC$, bụi), rò rỉ môi chất lạnh ($CFC, NH_3$), chất thải rắn bao bì, và nước thải từ sản xuất, sinh hoạt, súc rửa thiết bị. Đặc biệt, chương phân tích quy trình vệ sinh tại chỗ CIP (Clean-In-Place) khép kín sử dụng nước nóng, $HNO_3$ (nồng độ 1 - 1,5% để rửa cặn khoáng, chất béo), $NaOH$ (nồng độ 1,5 - 2,0% ở nhiệt độ 80 °C để tẩy rửa protein), dung dịch Topax66 2% và làm sạch bằng hơi nước, từ đó lý giải sự biến động mạnh của pH và hàm lượng hữu cơ trong dòng thải.

Chương II: Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải sản xuất

Chương II phân tích cơ sở lý thuyết của các công nghệ xử lý nước thải công nghiệp:

  • Phương pháp cơ học: Cấu tạo và tính năng của song/lưới chắn rác, thiết bị nghiền rác, bể điều hòa, các dạng bể lắng cát (ngang, đứng, tiếp tuyến, làm thoáng), các dạng bể lắng cặn đợt I và đợt II, các quá trình lọc qua vật liệu xốp và tuyển nổi tách chất hoạt động bề mặt/dầu mỡ.
  • Phương pháp hóa lý: Cơ chế đông keo tụ bằng phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3$, phèn sắt $FeSO_4/FeCl_3$ theo các ngưỡng pH tối ưu; phương pháp trung hòa axit - kiềm; phương pháp hấp thụ/hấp phụ bằng than hoạt tính; trao đổi ion thu hồi kim loại; phương pháp oxy hóa khử và khử trùng nước thải (yêu cầu Coliform loại A $< 5.000\text{ MPN/100ml}$, loại B $< 10.000\text{ MPN/100ml}$).
  • Phương pháp sinh học: Trình bày chi tiết cơ chế phân giải yếm khí 4 giai đoạn sinh khí metan; các yếu tố ảnh hưởng và ưu nhược điểm của công trình kỵ khí. Trình bày nguyên lý xử lý hiếu khí với các chủng vi sinh vật (Pseudomonas, Bacillus Subtilis, Flavobacterium, Nitrosomonas, vi khuẩn dạng sợi), các nguyên sinh động vật chỉ thị (trùng tơ, trùng roi), cơ chế dính bám trong bể lọc sinh học (Biophin) và cơ chế sinh trưởng lơ lửng trong bể bùn hoạt tính Aerotank.
  • Xử lý cặn nước thải: Trình bày nguyên lý bể phân hủy cặn Metan và các thiết bị làm khô bùn (máy ép bùn băng tải dùng hóa chất polymer, máy lọc chân không, máy quay ly tâm).

Chương III: Đề xuất – lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho nhà máy sữa

Chương III xác định thành phần nồng độ ô nhiễm nước thải đầu vào và yêu cầu thiết kế nước sau xử lý đạt loại A theo QCVN 24:2009/BTNMT. Dựa trên đặc tính nước thải chế biến sữa có tải lượng hữu cơ rất cao ($BOD_5 = 2.500\text{ mg/l}$, $COD = 5.000\text{ mg/l}$), hàm lượng cặn lơ lửng lớn ($SS = 1.000\text{ mg/l}$) và chứa nhiều dầu mỡ từ sữa, tác giả đề xuất chuỗi công nghệ kết hợp:

  1. Tiền xử lý cơ học và hóa lý: Hố thu gom có chắn rác thô $\rightarrow$ Bể điều hòa kết hợp sục khí và cân bằng pH tự động $\rightarrow$ Bể tuyển nổi khí nén (DAF) thu hồi dầu mỡ làm thức ăn gia súc.
  2. Xử lý sinh học bậc cao: Bể kỵ khí dòng chảy ngược UASB giúp phân giải phần lớn tải lượng ô nhiễm hữu cơ cao và thu hồi biogas $\rightarrow$ Bể hiếu khí Aerotank xử lý triệt để $BOD, COD, N, P$.
  3. Lắng và hoàn thiện: Bể lắng đứng đợt II lắng bùn hoạt tính $\rightarrow$ Bể khử trùng bằng Clorua vôi trước khi xả ra môi trường.
  4. Tuyến xử lý bùn cặn: Thu gom bùn dư $\rightarrow$ Bể nén bùn lắng đứng $\rightarrow$ Máy ép bùn băng tải để ép thành bánh bùn khô vận chuyển đi chôn lấp/xử lý.

Chương IV: Tính toán thiết kế

Chương IV thể hiện toàn bộ các bước tính toán công nghệ kỹ thuật cho từng công trình đơn vị:

  • Xác định hệ số không điều hòa: $k_{ng}^{max} = 1,3$ ($Q_{ng}^{max} = 520\text{ m}^3/\text{ngày}$), $K_{ch} = 3$ ($Q_{h}^{max} = 50\text{ m}^3/\text{h}$).
  • Tính toán kích thước, dung tích, thủy lực và tổn thất áp lực cho: Thiết bị chắn rác inox lỗ 5 mm; Hố thu gom ($12,5\text{ m}^3$); Bể điều hòa ($130\text{ m}^3$) cùng hệ thống đường ống phân phối khí chính $\Phi 114\text{ mm}$ và ống nhánh $\Phi 60\text{ mm}$; Bể tuyển nổi áp lực DAF; Bể UASB (kèm kết cấu tấm chắn khí và tấm hướng dòng ba pha); Bể Aerotank; Bể lắng đứng đợt II; Bể tiếp xúc khử trùng; Bể chứa bùn và Bể nén bùn kiểu lắng đứng.
  • Tính chọn các thiết bị cơ điện phụ trợ: Bơm chìm nước thải EBARA (DW200, DW150), máy thổi khí cấp cho bể điều hòa và Aerotank, máy ép bùn băng tải và hệ thống ống công nghệ.
  • Thiết kế bố trí tổng mặt bằng trạm xử lý và cao trình mực nước để đảm bảo nước thải có khả năng tự chảy giữa các công trình đơn vị tiếp nối.

Chương V: Tính kinh tế

Chương V lập bảng dự toán chi tiết các hạng mục kinh tế kỹ thuật của dự án:

  • Dự toán chi phí xây dựng các khối bể bê tông cốt thép.
  • Dự toán chi phí mua sắm, lắp đặt trang thiết bị công nghệ (máy bơm, máy thổi khí, động cơ gạt bọt, máy ép bùn, đường ống, van khóa, tủ điện điều khiển, máy đo pH).
  • Tính toán tổng điện năng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống máy móc vận hành.
  • Tính toán chi phí hóa chất vận hành định kỳ ($H_2SO_4, NaOH$, Clorua vôi, polymer keo tụ bùn).
  • Tổng hợp tổng mức chi phí đầu tư ban đầu và tính toán chi phí vận hành xử lý quy đổi cho 1 m³ nước thải.

Quản lý – vận hành – Sự cố và các biện pháp khắc phục

Trình bày quy trình khởi động hệ thống (nuôi cấy vi sinh kỵ khí và bùn hoạt tính hiếu khí), chế độ theo dõi kiểm tra định kỳ các thông số vận hành ($DO, pH, SV_{30}, MLSS, F/M$). Đưa ra hướng dẫn xử lý các sự cố kỹ thuật phổ biến: hiện tượng bùn nổi, bùn khó lắng (phồng bùn do vi khuẩn dạng sợi), sụt giảm pH trong bể UASB, quá tải tải trọng hữu cơ hoặc sự cố hỏng hóc thiết bị cơ điện.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả thiết kế chính:
    • Hoàn thành thiết kế hệ thống xử lý nước thải công suất trung bình 400 m³/ngày.đêm (cực đại 520 m³/ngày.đêm) cho nhà máy sữa Nutifood tại Ba Vì.
    • Dây chuyền công nghệ xử lý đa bậc (Cơ học $\rightarrow$ Hóa lý tuyển nổi $\rightarrow$ Kỵ khí UASB $\rightarrow$ Hiếu khí Aerotank $\rightarrow$ Lắng II $\rightarrow$ Khử trùng) đảm bảo loại bỏ triệt để các chất ô nhiễm. Nước thải sau xử lý đáp ứng các giới hạn quy chuẩn QCVN 24:2009/BTNMT Cột A ($COD \le 50\text{ mg/l}$, $BOD_5 \le 30\text{ mg/l}$, $SS \le 50\text{ mg/l}$, Tổng $N \le 15\text{ mg/l}$, Tổng $P \le 4\text{ mg/l}$, $pH = 6 - 9$).
  • Giải pháp và kiến nghị kỹ thuật:
    • Bố trí các công trình đơn vị hợp lý về mặt cao trình để nước tự chảy từ bể này sang bể kia sau công đoạn bơm nâng từ bể điều hòa, giảm thiểu chi phí năng lượng bơm trung gian.
    • Tận dụng bọt váng dầu mỡ tách ra từ bể tuyển nổi khí nén làm thức ăn chăn nuôi, giảm tải lượng chất thải thứ cấp.
    • Thu hồi khí sinh học (Biogas) sinh ra từ bể UASB để phục vụ nhu cầu năng lượng nội bộ hoặc đốt bỏ an toàn.
    • Đề xuất quy trình vệ sinh nhà xưởng, áp dụng hệ thống CIP khép kín tuần hoàn hóa chất để hạn chế tối đa lượng hóa chất thất thoát vào dòng thải.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp một phương án thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, chi tiết từ thông số kích thước hình học, thủy lực đến danh mục thiết bị cụ thể cho loại hình nước thải chế biến sữa có nồng độ hữu cơ cao.
    • Đánh giá đầy đủ cả hai khía cạnh kỹ thuật môi trường và hiệu quả kinh tế (chi phí đầu tư và chi phí xử lý trên 1 m³ nước thải).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Quá trình xử lý kỵ khí bằng bể UASB đòi hỏi thời gian khởi động nuôi cấy bùn vi sinh kéo dài và quy trình kiểm soát pH, tải trọng hữu cơ khắt khe để tránh hiện tượng axit hóa bể.
    • Hệ thống sục khí cưỡng bức tại bể Aerotank tiêu tốn điện năng liên tục.
    • Các thông số tính toán dựa trên số liệu khảo sát thiết kế và công thức lý thuyết tham khảo theo tiêu chuẩn ngành, chưa được kiểm chứng qua mô hình thực nghiệm pilot tại hiện trường nhà máy.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Nghiên cứu giải pháp thu gom, lọc và tận dụng triệt để nguồn khí Biogas sinh ra từ bể UASB làm nhiên liệu đốt cho hệ thống lò hơi của nhà máy sữa.
    • Nghiên cứu ứng dụng các giải pháp tự động hóa tích hợp sâu hơn trong việc định lượng hóa chất trung hòa và dưỡng chất vi sinh nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Thực phẩm và Kỹ thuật Hóa học.

Nội dung đồ án có giá trị ứng dụng cao cho những người thực hiện các đề tài tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là các phần:

  • Phương pháp luận tính toán chi tiết kích thước hình học, tải trọng và thủy lực của bể kỵ khí UASB, bể tuyển nổi áp lực DAF và bể hiếu khí Aerotank.
  • Phương pháp tính toán hệ thống phân phối khí nén và lựa chọn bơm công nghiệp.
  • Bảng dự toán kinh tế, tính toán điện năng tiêu thụ và đơn giá xử lý trên 1 m³ nước thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Công suất thiết kế và các lưu lượng tính toán của hệ thống xử lý nước thải là bao nhiêu?
Hệ thống được thiết kế với lưu lượng trung bình ngày $Q_{ng.tb} = 400\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ ($Q_{h.tb} = 16,67\text{ m}^3/\text{h}$). Với hệ số không điều hòa ngày $k_{ng}^{max} = 1,3$ và hệ số không điều hòa chung $K_{ch} = 3$, lưu lượng ngày lớn nhất là $Q_{ng}^{max} = 520\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ và lưu lượng giờ lớn nhất là $Q_{h}^{max} = 50\text{ m}^3/\text{h}$.

2. Đặc tính nồng độ ô nhiễm của nước thải nhà máy sữa Nutifood đầu vào như thế nào?
Nước thải đầu vào có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao và dao động lớn: pH từ 2 đến 12, COD trung bình $5.000\text{ mg/l}$ (cao nhất $10.000\text{ mg/l}$), $BOD_5$ trung bình $2.500\text{ mg/l}$ (cao nhất $5.000\text{ mg/l}$), chất rắn lơ lửng $SS = 1.000\text{ mg/l}$, tổng Photpho $P_{ts} = 11,6\text{ mg/l}$ và tổng Nitơ $N_{ts} = 7\text{ mg/l}$.

3. Tại sao công nghệ xử lý lại kết hợp cả bể kỵ khí UASB và bể hiếu khí Aerotank?
Do nước thải chế biến sữa có hàm lượng chất hữu cơ rất cao ($BOD_5 > 500\text{ mg/l}$, thực tế trung bình đạt $2.500\text{ mg/l}$) và ít độc tính vô cơ đối với vi sinh vật. Bể kỵ khí UASB đóng vai trò xử lý sơ bộ để phân giải phần lớn tải lượng hữu cơ cao với chi phí năng lượng thấp và sinh ra ít bùn, sau đó bể hiếu khí Aerotank xử lý tinh triệt để các chất hữu cơ hòa tan còn lại để nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải loại A theo QCVN 24:2009/BTNMT.

4. Quy trình vệ sinh CIP (Clean-In-Place) tại nhà máy sữa diễn ra như thế nào và dùng các hóa chất gì?
Quy trình CIP làm sạch hệ thống đường ống và bồn chứa gồm 5 bước: (1) Rửa sơ bộ bằng nước nóng; (2) Rửa tuần hoàn bằng dung dịch axit $HNO_3$ (nồng độ 1 - 1,5%) để hòa tan cặn khoáng và chất béo; (3) Rửa tuần hoàn bằng dung dịch kiềm $NaOH$ (nồng độ 1,5 - 2,0% ở 80 °C) để loại bỏ chất bẩn gốc protein; (4) Rửa sạch lại bằng nước để loại bỏ hoàn toàn $NaOH$; (5) Khử trùng, làm sạch cuối cùng bằng hơi nước.

5. Bể điều hòa của hệ thống được tính toán với kích thước và hệ thống cấp khí ra sao?
Bể điều hòa có thời gian lưu nước $t = 6\text{ h}$, thể tích tính toán $V = 130\text{ m}^3$, kích thước xây dựng thực tế dài $7,2\text{ m} \times$ rộng $4,5\text{ m} \times$ cao $4,5\text{ m}$ (chiều cao hữu ích $4\text{ m}$, thể tích thực $151,87\text{ m}^3$). Hệ thống cấp khí có lưu lượng $81,03\text{ m}^3/\text{h}$, sử dụng ống chính sắt tráng kẽm $\Phi 114\text{ mm}$ và 4 ống nhánh PVC $\Phi 60\text{ mm}$ với 30 lỗ đục đường kính 4 mm trên mỗi ống để xáo trộn nước thải và hỗ trợ trung hòa pH tự động.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đinh Thị Minh đã hoàn thành việc thiết kế hoàn chỉnh hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy sữa Nutifood tại Ba Vì với công suất 400 m³/ngày.đêm. Giải pháp công nghệ kết hợp tiền xử lý cơ học, hóa lý tuyển nổi áp lực cùng hai bậc xử lý sinh học kỵ khí UASB và hiếu khí Aerotank là lựa chọn phù hợp với đặc thù dòng thải giàu hữu cơ và dầu mỡ của ngành sữa. Các nội dung tính toán kích thước công trình đơn vị, lựa chọn thiết bị cơ khí, tuyến xử lý bùn và dự toán kinh tế được trình bày rõ ràng, đáp ứng đầy đủ yêu cầu xả thải đạt chuẩn loại A theo QCVN 24:2009/BTNMT.