Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn

Ngành chế biến sữa tại Việt Nam có tốc độ tăng trưởng nhanh nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm dinh dưỡng ngày càng cao. Theo thống kê nêu trong văn bản, khoảng 75% nguyên liệu sữa (chủ yếu là sữa bột) phục vụ nhu cầu trong nước phải nhập khẩu từ 10 quốc gia đứng đầu, tiêu biểu là New Zealand (25,7%), Hoa Kỳ (19,9%), Hà Lan (12,4%) và Thái Lan (5,3%).

Tại TP. Hồ Chí Minh, Nhà máy sữa Việt Xuân thuộc Công ty Cổ phần Sản xuất Tân Việt Xuân (đặt tại Ấp 12, xã Tân Thạnh Đông, huyện Củ Chi) chuyên sản xuất các dòng sản phẩm sữa tiệt trùng và cream đặc có đường nhãn hiệu Vixumilk, sử dụng dây chuyền đóng gói khép kín của Tập đoàn Tetra Pak (Thụy Điển). Nhằm phục vụ kế hoạch nâng công suất chế biến lên 40.000 tấn sản phẩm/năm, tổng lượng nước cấp trung bình của nhà máy dao động khoảng 295 m³/ngày.đêm (ngày cao điểm đạt 390 m³/ngày.đêm). Trong đó, nước phục vụ sản xuất là 110 m³/ngày.đêm (khoảng 25 m³ đi vào thành phẩm và 85 m³ xả thải), phần còn lại dùng giải nhiệt, làm mát mái xưởng và tưới cây (185 m³/ngày.đêm). Lượng nước thải sinh hoạt từ 136 công nhân làm việc 3 ca phát sinh khoảng 8,16 m³/ngày. Để đón đầu việc mở rộng quy mô, nhà máy có nhu cầu cải tạo, nâng công suất trạm xử lý nước thải từ 100 m³/ngày.đêm lên 300 m³/ngày.đêm, đảm bảo nước thải sau xử lý xả vào Kênh Tiêu Hòa Phú đạt quy chuẩn môi trường hiện hành.

Nhiệm vụ nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp xác định các nhiệm vụ cụ thể theo đề cương giao việc:

  1. Tổng quan về các nguồn phát sinh chất thải trong quá trình sản xuất sữa và các phương pháp xử lý nước thải sản xuất sữa hiện nay.
  2. Đề xuất 02 phương án công nghệ xử lý nước thải sản xuất sữa đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B), tiến hành phân tích, so sánh ưu - nhược điểm để lựa chọn phương án tối ưu.
  3. Tính toán chi tiết các công trình đơn vị theo phương án công nghệ đã chọn; tính toán kinh tế bao gồm: chi phí đầu tư xây dựng, chi phí thiết bị, chi phí vận hành (điện năng, hóa chất, nhân công, sửa chữa nhỏ) và giá thành xử lý cho 1 m³ nước thải.
  4. Xây dựng quy trình vận hành và kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng hệ thống xử lý, bao gồm các biện pháp ứng phó sự cố kỹ thuật.
  5. Thiết kế kỹ thuật và thể hiện bản vẽ: tổng mặt bằng trạm xử lý, sơ đồ mặt cắt công nghệ (theo tuyến nước, tuyến bùn, cao độ công trình), sơ đồ bố trí mạng lưới đường ống công nghệ và chi tiết 05 công trình đơn vị hoàn chỉnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống xử lý nước thải sản xuất sữa và nước thải sinh hoạt của Nhà máy sữa Việt Xuân với công suất thiết kế 300 m³/ngày.đêm (lưu lượng trung bình giờ: 12,5 m³/h; lưu lượng ngày lớn nhất: 390 m³/ngày.đêm với hệ số không điều hòa ngày $K_{ngày} = 1,3$; lưu lượng giờ lớn nhất: 25 m³/h với hệ số không điều hòa giờ $K_{giờ} = 2$).
  • Phạm vi không gian: Khuôn viên Nhà máy sữa Việt Xuân, tọa lạc tại số 11 đường số 124, Ấp 12, xã Tân Thạnh Đông, huyện Củ Chi, TP. Hồ Chí Minh. Nguồn tiếp nhận nước thải sau xử lý là Kênh Tiêu Hòa Phú (kênh có chiều rộng trung bình 12,4 m, chiều dài 7,35 km, chiều sâu 0,8 - 2,3 m, chịu ảnh hưởng chế độ bán nhật triều của sông Sài Gòn).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện từ ngày 28/11/2016 đến ngày 03/04/2017 và bảo vệ chính thức ngày 14/04/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung pháp lý và tiêu chuẩn áp dụng

Hệ thống xử lý được thiết kế tuân thủ các văn bản quy phạm pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Luật Bảo vệ Môi trường số 55/2014/QH13 ngày 23/06/2014 của Quốc hội.
  • Giấy phép kinh doanh và đăng ký thuế số 411033000034 do Sở Kế hoạch và Đầu tư TP. Hồ Chí Minh cấp cho Công ty Cổ phần Sản xuất Tân Việt Xuân (đăng ký thay đổi lần 1 ngày 15/07/2010).
  • QCVN 40:2011/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (áp dụng Cột B khi xả vào nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).
  • QCVN 08:2008/BTNMT (Cột B2): Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (đánh giá hiện trạng Kênh Tiêu Hòa Phú).
  • QCVN 09:2008/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ngầm.
  • QCVN 05:2009/BTNMT và QCVN 26:2010/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh và tiếng ồn.
  • Quyết định số 3733/2002/QĐ-BYT của Bộ Y tế về tiêu chuẩn vệ sinh lao động.
  • Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 51-84: Thoát nước - Mạng lưới bên ngoài và công trình.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Đề tài dựa trên nguyên lý xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học kết hợp hóa lý và sinh học:

  • Quá trình tuyển nổi (Dissolved Air Flotation): Cơ chế phân tách các giọt dầu bơ sữa, chất béo và hạt rắn lơ lửng nhờ các bọt khí mịn bám dính, làm giảm khối lượng riêng biểu kiến của tạp chất để tuyển nổi lên bề mặt.
  • Quá trình khử Nitơ (Nitrification - Denitrification): Chuyển hóa Amoni thành Nitrit và Nitrat nhờ hệ vi sinh vật tự dưỡng (Nitrosomonas, Nitrobacter) trong điều kiện hiếu khí, sau đó tuần hoàn dòng nitrate về bể thiếu khí (Anoxic) để hệ vi sinh dị dưỡng khử Nitrate thành khí Nitơ tự do bay lên.
  • Quá trình khử Phospho sinh học: Ứng dụng hệ vi khuẩn tích lũy Polyphosphate (Acinetobacter) giải phóng phospho trong điều kiện thiếu khí/kỵ khí và hấp thụ lượng phospho vượt mức trong điều kiện hiếu khí của bể Aeroten.
  • Mô hình động học sinh học bùn hoạt tính: Sử dụng các tỷ số dinh dưỡng đặc trưng của nước thải sản xuất sữa (tỷ lệ $COD:N:P = 150:5:1$) để cân bằng quá trình sinh trưởng sinh khối vi sinh vật hiếu khí và thiếu khí.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp số liệu: Khảo sát quy trình sản xuất, công nghệ thiết bị đóng gói, nguồn nước cấp, các dòng phát sinh nước thải, khí thải, chất thải rắn tại nhà máy.
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật môi trường: Áp dụng các công thức thủy lực, cân bằng vật chất và thông số động học sinh học theo giáo trình chuyên ngành ("Tính toán thiết kế công trình xử lý nước thải đô thị và công nghiệp" của Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân, NXB ĐHQG TP.HCM, 2008).
  • Phương pháp so sánh lựa chọn công nghệ: Đánh giá đa tiêu chí giữa công nghệ sinh học bùn hoạt tính truyền thống AO (Anoxic - Oxic kết hợp tuyển nổi) và công nghệ màng sinh học MBR (Membrane Bioreactor) dựa trên tiêu chí hiệu quả xử lý, chi phí đầu tư, diện tích chiếm đất và độ phức tạp trong vận hành.
  • Phương pháp dự toán kinh phí: Xác định khái toán chi phí xây dựng, chi phí mua sắm thiết bị - máy móc, chi phí điện năng tiêu thụ, hóa chất và nhân công để tính toán đơn giá xử lý cho mỗi mét khối nước thải.

Nguồn dữ liệu sử dụng

  • Số liệu quan trắc môi trường nền (nước mặt, nước ngầm, không khí xung quanh, nước thải hiện hữu) do Công ty TNHH Kỹ thuật và Công nghệ Tín Đạt phối hợp cùng Viện Nghiên cứu Công nghệ Môi trường và Bảo hộ Lao động tiến hành đo đạc, lấy mẫu vào ngày 24/02/2012 và ngày 05/12/2012.
  • Số liệu thống kê khí tượng - thủy văn giai đoạn 2005 - 2010 từ Trạm Tân Sơn Hòa và Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đông Nam Bộ.
  • Niên giám Thống kê TP. Hồ Chí Minh năm 2010 và Báo cáo hiện trạng kinh tế - xã hội của UBND xã Tân Thạnh Đông, huyện Củ Chi.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp công nghệ

Thông số ô nhiễm đầu vào và tiêu chuẩn xả thải đầu ra

Nước thải sản xuất sữa có đặc trưng hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD₅, COD), cặn lơ lửng lớn từ sữa rơi vãi, hàm lượng chất béo bơ sữa đáng kể và nồng độ chất dinh dưỡng (N, P) cao.

STT Chỉ tiêu ô nhiễm Đơn vị Nồng độ tính toán đầu vào Giá trị quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)
1 pH - 7,31 5,5 - 9,0
2 BOD₅ mg/L 550 50
3 COD mg/L 800 100
4 Tổng chất rắn lơ lửng (SS) mg/L 500 100
5 Tổng Nitơ (T-N) mg/L 98 30
6 Tổng Phospho (T-P) mg/L 10 6
7 Coliform MPN/100mL $9,3 \times 10^6$ 5.000

Đề xuất và so sánh hai phương án công nghệ

Tác giả xây dựng 02 quy trình công nghệ xử lý cạnh tranh:

Phương án 1 (Công nghệ AO truyền thống kết hợp tuyển nổi):
Nước thải -> Song chắn rác + Lắng cát sơ bộ -> Hầm tiếp nhận -> Bể điều hòa (sục khí) -> Bể tuyển nổi (tách dầu mỡ) -> Bể Anoxic (khử N, P) -> Bể Aeroten (phân hủy hữu cơ) -> Bể lắng đứng đợt 2 -> Bồn khử trùng (Chlorine) -> Nguồn tiếp nhận (Kênh Tiêu Hòa Phú)
(Dòng tuần hoàn: Bùn hoạt tính từ Bể lắng tuần hoàn về Aeroten và Anoxic; dòng Nitrate từ Aeroten tuần hoàn về Anoxic; bùn dư chuyển về Bể nén bùn -> Máy ép bùn).

Phương án 2 (Công nghệ tích hợp màng MBR):
Nước thải -> Song chắn rác + Lắng cát sơ bộ -> Hầm tiếp nhận -> Bể điều hòa -> Bể tuyển nổi -> Bể Anoxic -> Bể màng sinh học MBR -> Nguồn tiếp nhận (Kênh Tiêu Hòa Phú)
(Nước sau màng MBR xả trực tiếp không qua lắng, khử trùng; bùn thải đưa về Bể nén bùn -> Máy ép bùn).
Tiêu chí so sánh Phương án 1: Công nghệ AO kết hợp Tuyển nổi Phương án 2: Công nghệ màng sinh học MBR
Hiệu quả xử lý chất hữu cơ và cặn Hiệu suất COD: 93,07%; BOD₅: 91,23%; SS: 94,3%. Nước sau xử lý đạt chuẩn Cột B. Hiệu suất rất cao; màng giữ lại triệt để bùn vi sinh và vi khuẩn.
Xử lý chất dinh dưỡng (N, P) Nitrat hóa và khử Nitrat ổn định nhờ dòng tuần hoàn Aeroten - Anoxic. Đòi hỏi kiểm soát nghiêm ngặt chế độ sục khí và thời gian lưu.
Chi phí đầu tư ban đầu Mức chi phí vừa phải, thiết bị gia công trong nước chiếm tỷ trọng lớn. Rất cao do giá thành module màng sợi rỗng MBR nhập khẩu lớn.
Chi phí vận hành và bảo dưỡng Thấp hơn; tiêu thụ điện năng trung bình; hóa chất khử trùng thông dụng. Cao do áp lực hút chân không qua màng, chi phí sục khí chống nghẹt và hóa chất rửa màng (acid/hypochlorite).
Độ phức tạp kỹ thuật Vận hành quen thuộc, độ bền cơ học cao, chịu tải dao động tốt. Nguy cơ tắc nghẽn màng (fouling) cao đối với nước thải chứa dầu bơ sữa nếu xử lý sơ bộ không triệt để.
Phạm vi công suất phù hợp Thích hợp cho dải công suất vừa và lớn (từ 100 đến hàng nghìn m³/ngày). Theo đánh giá tác giả, tại Việt Nam thời điểm thiết kế thường phù hợp công suất nhỏ dưới 50 m³/ngày.

Quyết định lựa chọn: Tác giả lựa chọn Phương án 1 (Công nghệ AO kết hợp Tuyển nổi) làm phương án tính toán chi tiết vì đảm bảo tính kinh tế, chi phí vận hành hợp lý, không gặp rủi ro tắc nghẽn màng lọc đắt tiền và phù hợp thực tế vận hành tại nhà máy chế biến sữa.

Cân bằng vật chất và hiệu suất xử lý qua các công trình đơn vị (Phương án 1)

Hiệu suất khử các chất ô nhiễm qua từng công đoạn xử lý của Phương án 1 được tính toán như sau:

Tên công trình đơn vị Hiệu suất khử SS (%) SS còn lại (mg/L) Hiệu suất khử BOD₅ (%) BOD₅ còn lại (mg/L) Hiệu suất khử COD (%) COD còn lại (mg/L) Hiệu suất khử N (%) N còn lại (mg/L) Hiệu suất khử P (%) P còn lại (mg/L)
Nước thải đầu vào - 500,00 - 550,00 - 800,00 - 98,00 - 10,00
Hầm tiếp nhận 5 475,00 5 522,50 5 760,00 0 98,00 0 10,00
Bể điều hòa 0 475,00 5 496,38 10 684,00 0 98,00 0 10,00
Bể tuyển nổi 80 95,00 20 397,10 25 513,00 0 98,00 0 10,00
Bể Anoxic 0 95,00 10 357,39 20 410,40 80 19,60 60 4,00
Bể Aeroten 0 95,00 85 53,61 85 61,56 Khử sinh khối 8,66 Khử sinh khối 1,81
Bể lắng đợt 2 70 28,50 10 48,25 10 55,40 0 8,66 65 0,63
Bồn khử trùng 0 28,50 0 48,25 0 55,40 0 8,66 0 0,63
Tiêu chuẩn Cột B - ≤ 100 - ≤ 50 - ≤ 100 - ≤ 30 - ≤ 6

(Ghi chú: Lượng N và P tiêu hao cho quá trình sinh trưởng sinh khối vi sinh hiếu khí trong Bể Aeroten tính theo tỷ số $COD : N : P = 150 : 5 : 1$ với $N_{tiêu\ thụ} = 10,94$ mg/L và $P_{tiêu\ thụ} = 2,19$ mg/L).

Kích thước hình học và thông số thiết kế các công trình đơn vị chính

  1. Hầm tiếp nhận:
    • Nhiệm vụ: Tiếp nhận toàn bộ lưu lượng nước thải sau lắng cát sơ bộ và song chắn rác, giảm chấn và dự trữ nước bơm lên bể điều hòa.
    • Thể tích tính toán: $V = Q_{h} \times t = 12,5 \times (25/60) \approx 5,2$ m³; chọn kích thước xây dựng an toàn: Thể tích xây dựng $V_{xd} = 13,5$ m³ (làm tròn 14 m³).
    • Kích thước hình học: Chiều rộng $B = 1,5$ m; Chiều dài $L = 3,0$ m; Chiều cao công tác $h_1 = 2,5$ m; Chiều cao an toàn $h_2 = 0,5$ m; Chiều cao tổng thể $H = 3,0$ m.
    • Thiết bị bơm: 02 bơm chìm nước thải Đài Loan model HSM250 1.75/2 (01 chạy, 01 dự phòng), lưu lượng $Q = 18$ m³/h, cột áp $H = 13$ m, công suất $0,75$ HP; đường kính ống hút và ống đẩy $d = 50$ mm, vận tốc dòng chảy $v = 1,8$ m/s.
  2. Bể điều hòa:
    • Nhiệm vụ: Ổn định lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm, bố trí dàn sục khí ngăn lắng cặn và khử một phần mùi hôi.
    • Thời gian lưu nước: $t = 2$ giờ.
    • Lưu lượng tính toán ngày lớn nhất: $Q_{ngày.max} = 300 \times 1,3 = 390$ m³/ngày.đêm.
    • Thể tích hữu ích: $V_{ich} = (390 \times 2) / 24 = 32,5$ m³.
    • Kích thước hình học: Chiều sâu hữu ích $h_1 = 3,5$ m; Chiều cao an toàn $h_2 = 0,5$ m; Chiều cao xây dựng $H = 4,0$ m.
  3. Bể tuyển nổi siêu nông: Tách triệt để dầu mỡ thực vật và cặn lơ lửng bằng hệ thống hòa tan bọt khí áp lực (DAF).
  4. Cụm Bể Anoxic và Aeroten: Thiết kế dựa trên tải trọng thể tích và thông số động học của hệ vi sinh tự dưỡng - dị dưỡng, có hệ thống cấp khí đĩa bọt mịn và đường ống tuần hoàn bùn, tuần hoàn nitrate.
  5. Bể lắng bùn đứng đợt 2: Tách bùn vi sinh hoạt tính bằng phương pháp lắng trọng lực, phần bùn đáy được gom vào hố thu bùn và trích tuần hoàn.
  6. Bể nén bùn và Máy ép bùn: Tiếp nhận bùn dư định kỳ, nén bùn cơ học để giảm độ ẩm từ 99% xuống bùn bánh khô trước khi chuyển giao xử lý; lượng bùn phát sinh ước tính 5 m³/ngày.
  7. Bồn khử trùng: Khử trùng nước sau lắng bằng dung dịch hóa chất Calcium hypochlorite $[Ca(OCl)_2]$ với nồng độ định lượng $3 - 5$ mg/L trước khi xả ra Kênh Tiêu Hòa Phú.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Thông tin chung về nhà máy sữa Tân Việt Xuân và điều kiện môi trường tự nhiên và kinh tế - xã hội khu vực thực hiện dự án

Chương này phác thảo lý lịch pháp lý và môi trường tự nhiên của khu vực xây dựng dự án:

  • Hiện trạng nhà máy: Công ty Cổ phần Sản xuất Tân Việt Xuân nằm tại Ấp 12, xã Tân Thạnh Đông, Củ Chi. Nhà máy tiếp giáp Công ty TNHH Tất Thắng ở phía Bắc, Công ty TNHH MTV Bảo Lợi ở phía Đông và các trục đường giao thông nông thôn ở phía Nam và Tây; cách Ngã tư Tân Quy 2 km, gần Tỉnh lộ 15. Nguồn nước cấp sử dụng giếng khoan khai thác tại chỗ độ sâu 12 m.
  • Quy trình công nghệ sản xuất sữa: Sữa bò tươi thu gom -> Đo đạc, phân loại theo độ đạm -> Phối trộn -> Làm lạnh -> Tiệt trùng -> Đóng gói -> Kiểm tra thành phẩm -> Lưu kho bảo quản và phân phối.
  • Đặc trưng tự nhiên và khí tượng: Khu vực Củ Chi có độ cao trung bình $8 - 10$ m so với mực nước biển; nhiệt độ trung bình năm $26,6^\circ\text{C}$ (tháng 4 cao nhất $28,8^\circ\text{C}$, tháng 12 thấp nhất $24,8^\circ\text{C}$); lượng mưa bình quân năm đạt $1.300 - 1.770$ mm (tập trung vào các tháng 7, 8, 9); độ ẩm trung bình $79,5%$.
  • Hiện trạng chất lượng môi trường nền (quan trắc 2012):
    • Nước mặt Kênh Tiêu Hòa Phú: pH = 6,75; TSS = 28 mg/L; BOD₅ = 5 mg/L; COD = 17 mg/L; Amonia = 0,1 mg/L; Nitrit = 0,008 mg/L; Nitrat = 25 mg/L; Phosphat = 0,05 mg/L; Coliform = $2,5 \times 10^3$ MPN/100mL. Nhìn chung đạt chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT (Cột B2), riêng COD vượt nhẹ 2 mg/L.
    • Nước ngầm giếng khoan GK2: pH = 6,12; độ cứng theo CaCO₃ = 124,2 mg/L; TS = 236,8 mg/L; $Cl^-$ = 8,7 mg/L; Fe = 0,352 mg/L; $SO_4^{2-}$ = 29,6 mg/L; Coliform < 3 MPN/100mL, đáp ứng QCVN 09:2008/BTNMT.
    • Không khí và tiếng ồn xung quanh: Nồng độ bụi ($0,01 - 1,52$ mg/m³), CO ($3,45 - 3,60$ mg/m³), SO₂ ($0,025 - 0,30$ mg/m³), NO₂ ($0,026 - 0,29$ mg/m³) đều nằm trong giới hạn QCVN 05:2009/BTNMT và Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT.
  • Kinh tế - xã hội địa phương: Xã Tân Thạnh Đông có cơ cấu kinh tế chuyển dịch: Công nghiệp - Tiểu thủ công nghiệp chiếm 46,56%, Nông nghiệp chiếm 34,05%, Thương mại - Dịch vụ chiếm 19,39%; thu nhập bình quân 27,26 triệu đồng/người/năm (năm 2011).

Chương 2: Tổng quan về chất thải sản xuất sữa và phương pháp xử lý nước thải sản xuất sữa

Chương 2 phân loại các dòng phát thải của nhà máy và cơ sở lý thuyết xử lý:

  • Nước thải: Nước thải sinh hoạt từ 136 công nhân đạt 8,16 m³/ngày, được xử lý qua bể tự hoại trước khi nhập dòng; nước thải sản xuất phát sinh từ quá trình súc rửa đường ống, bồn chứa, sàn chế biến đạt 85 m³/ngày; nước mưa chảy tràn được tách riêng vào mạng lưới thoát nước chung.
  • Khí thải và tiếng ồn:
    • Khí thải lò hơi (chứa bụi, SO₂, CO, NO₂) được thu gom bằng quạt hút cao áp đưa qua bể dập bụi chứa nước thể tích 8 m³ và thải qua ống khói cao 15 m.
    • Máy phát điện dự phòng 750 kVA tiêu thụ khoảng 300 L dầu DO/h, đặt trong phòng cách âm có bệ đỡ cao su chống rung.
    • Tiếng ồn từ máy thổi khí được kiểm soát bằng ống giảm thanh và khớp nối mềm.
  • Chất thải rắn:
    • Chất thải thông thường gồm bao bì sữa, carton, can hương liệu và bùn thải từ hệ thống xử lý nước thải (khoảng 5 m³/ngày).
    • Chất thải nguy hại gồm bóng đèn huỳnh quang hỏng, dầu nhớt thải, giẻ lau dính hóa chất, ắc quy thải; được thu gom và ký hợp đồng chuyển giao xử lý theo quy định.
  • Phân loại phương pháp xử lý nước thải: Trình bày chi tiết nguyên lý 4 nhóm phương pháp: vật lý (song chắn rác, lắng cát, lọc), hóa lý (tuyển nổi, keo tụ - tạo bông), hóa học (khử trùng bằng clo, ozone) và sinh học (kỵ khí UASB, hiếu khí Aerotank, thiếu khí Anoxic, màng MBR).

Chương 3: Đề xuất phương án xử lý nước thải sản xuất sữa và tính toán các công trình xử lý nước thải sản xuất sữa

Đây là chương trọng tâm của đồ án, tập trung vào việc thiết kế công nghệ và tính toán thủy lực:

  • Trình bày lưu đồ công nghệ, nguyên lý hoạt động của Phương án 1 (AO) và Phương án 2 (MBR).
  • Tính toán chi tiết các thông số đầu vào và hiệu quả xử lý qua từng công trình đơn vị của cả hai phương án (Bảng 3.1 và Bảng 3.2).
  • Tiến hành tính toán công nghệ Phương án 1: Thể tích, kích thước mặt bằng, chiều cao công tác, chiều cao an toàn, đường kính ống hút - ống đẩy, công suất động cơ máy bơm nước thải, hệ thống cấp khí sục đáy và đường ống công nghệ cho hầm tiếp nhận, bể điều hòa, bể tuyển nổi, bể anoxic, bể aeroten, bể lắng đứng đợt 2, bể nén bùn và bể khử trùng.
  • Lập bảng tổng hợp kích thước xây dựng và thông số kỹ thuật của thiết bị cho toàn trạm xử lý.

Chương 4: Dự toán kinh phí

Chương này xác định bài toán tài chính cho việc đầu tư và vận hành hệ thống:

  • Dự toán xây dựng: Chi phí đào đất, gia cố móng, bê tông cốt thép các bể xử lý, nhà điều hành, nhà ép bùn và nhà bảo vệ.
  • Dự toán máy móc thiết bị: Chi phí mua sắm bơm chìm nước thải, máy thổi khí, động cơ khuấy bể anoxic, hệ thống bồn tuyển nổi DAF, máy ép bùn trục vít/băng tải, bơm định lượng hóa chất, tủ điện điều khiển PLC và phụ kiện đường ống.
  • Chi phí vận hành trạm: Bao gồm tiền điện năng tiêu thụ hàng tháng của động cơ bơm và máy thổi khí; chi phí hóa chất tiêu hao (hóa chất tuyển nổi, dinh dưỡng bổ sung, $Ca(OCl)_2$ khử trùng); chi phí nhân công vận hành (kỹ thuật viên môi trường); và chi phí bảo dưỡng, sửa chữa nhỏ máy móc định kỳ.
  • Chỉ tiêu kinh tế: Tổng hợp và chia bình quân để xác định suất đầu tư trên 1 m³ công suất thiết kế và chi phí vận hành trực tiếp trên 1 m³ nước thải xử lý đạt chuẩn.

Chương 5: Phương án vận hành và bảo trì hệ thống xử lý

Chương 5 cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật phục vụ giai đoạn đưa công trình vào khai thác:

  • Giai đoạn khởi động trạm (nuôi cấy bùn vi sinh): Quy trình chuẩn bị bùn giống hoạt tính; chế độ bổ sung dinh dưỡng C:N:P; giai đoạn thuần hóa vi sinh vật hiếu khí trong Aeroten và vi sinh thiếu khí trong Anoxic; kiểm tra chỉ số lắng bùn (SV30), nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) và nồng độ oxy hòa tan (DO = 2 - 4 mg/L).
  • Quy trình vận hành thường quy: Kiểm tra chế độ làm việc của phao báo mức, hoạt động luân phiên của hệ thống bơm hầm tiếp nhận, duy trì lưu lượng khí cấp bể điều hòa và bùn tuần hoàn.
  • Nhận diện và xử lý sự cố công nghệ:
    • Sự cố nổi bùn tại bể lắng: Bùn nổi từng tảng lên mặt nước do hiện tượng khử nitrat hóa quá mức (denitrification) tạo bọt khí nitơ bám vào bông bùn; giải pháp là tăng cường tỷ lệ tuần hoàn bùn, giảm thời gian lưu bùn ở bể lắng.
    • Sự cố nổi bọt trắng xóa trên mặt bể Aeroten: Do quá tải hữu cơ hoặc vi khuẩn dạng sợi phát triển khi bắt đầu khởi động; khắc phục bằng cách giảm tải trọng xả thải, điều chỉnh sục khí và bổ sung bùn giống.
    • Bùn vón cục hoặc cặn trôi qua máng răng cưa bể lắng: Khắc phục bằng cách xả bùn đáy định kỳ về bể nén, kiểm tra góc nghiêng ống trung tâm và độ phẳng của máng thu nước trong.
  • Công tác an toàn lao động và bảo dưỡng thiết bị: Quy định an toàn điện, an toàn tiếp xúc hóa chất clo và dầu bôi trơn; lịch kiểm tra định kỳ 3 tháng, 6 tháng và 1 năm cho máy bơm, máy thổi khí, van chặn.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả tính toán chính

Hệ thống xử lý nước thải công suất 300 m³/ngày.đêm được tính toán chi tiết theo Phương án 1 (công nghệ AO kết hợp tuyển nổi) cho chất lượng nước thải đầu ra đạt Quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B):

  • BOD₅ đầu ra: Đạt 48,25 mg/L (Quy chuẩn quy định $\le 50$ mg/L).
  • COD đầu ra: Đạt 55,40 mg/L (Quy chuẩn quy định $\le 100$ mg/L).
  • Chất rắn lơ lửng (SS) đầu ra: Đạt 28,50 mg/L (Quy chuẩn quy định $\le 100$ mg/L).
  • Tổng Nitơ đầu ra: Đạt 8,66 mg/L (Quy chuẩn quy định $\le 30$ mg/L).
  • Tổng Phospho đầu ra: Đạt 0,63 mg/L (Quy chuẩn quy định $\le 6$ mg/L).

Đóng góp thực tiễn của đồ án

  • Cung cấp một hồ sơ tính toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho trạm xử lý nước thải ngành công nghiệp chế biến sữa với công suất quy chuẩn 300 m³/ngày.đêm, giải quyết đồng thời hai bài toán đặc thù: tách bỏ hàm lượng chất béo, dầu bơ sữa cao (bằng bể tuyển nổi DAF) và loại bỏ triệt để nồng độ chất hữu cơ, chất dinh dưỡng N, P (bằng hệ thống AO kết hợp dòng tuần hoàn bùn và nitrate).
  • Đưa ra phân tích kinh tế - kỹ thuật thực tế giữa hai công nghệ AO và MBR tại thời điểm năm 2017, chỉ ra tính bất khả thi về mặt chi phí vận hành và rủi ro nghẹt màng của công nghệ màng đối với nước thải nhà máy sữa quy mô vừa, từ đó bảo vệ tính đúng đắn của việc lựa chọn công nghệ bùn hoạt tính truyền thống.
  • Xây dựng bảng quy trình vận hành và hướng dẫn chẩn đoán, xử lý chi tiết các sự cố vi sinh (nổi bọt trắng, khử nitrat tạo bùn nổi ở bể lắng), hỗ trợ trực tiếp cho cán bộ quản lý trạm xử lý tại hiện trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án

  • Dữ liệu môi trường nền: Các số liệu đo đạc về chất lượng nước mặt, nước ngầm và không khí xung quanh được kế thừa từ đợt khảo sát của Công ty Tín Đạt thực hiện từ năm 2012 (cách thời điểm hoàn thành đồ án năm 2017 gần 5 năm), chưa phản ánh kịp thời các biến động môi trường mới nhất của Kênh Tiêu Hòa Phú.
  • Số liệu thí nghiệm mô hình: Các thông số thiết kế động học sinh học và hiệu suất khử ô nhiễm ($80%$ đối với N, $60%$ đối với P, $85%$ đối với COD tại Aeroten) chủ yếu tính toán dựa trên các hệ số lý thuyết tra cứu từ sách giáo trình, chưa qua bước chạy thử nghiệm mô hình pilot thực tế với mẫu nước thải của chính Nhà máy Việt Xuân.
  • Tính toán kinh tế chưa đầy đủ: Nội dung đồ án chưa thể hiện rõ chi tiết phân tích độ nhạy tài chính và thời gian hoàn vốn khi mở rộng trạm xử lý.

Hướng mở rộng

  • Tiến hành thực nghiệm trên mô hình pilot tại hiện trường để hiệu chỉnh chính xác các hệ số động học ($k, K_s, Y, K_d$) của bùn vi sinh đối với nước thải đặc thù của thương hiệu sữa Vixumilk.
  • Nghiên cứu bổ sung công đoạn phân hủy kỵ khí (như bể UASB hoặc hầm Biogas) phía trước bể hiếu khí để thu hồi khí mê-tan ($CH_4$) phục vụ việc cấp nhiệt cho lò hơi nhà máy, giảm bớt tải trọng hữu cơ cho cụm sinh học hiếu khí phía sau.
  • Tự động hóa giám sát: Nghiên cứu lắp đặt hệ thống quan trắc online liên tục các chỉ tiêu cơ bản (pH, COD, DO, Amoni, lưu lượng xả) có truyền dữ liệu về cơ quan quản lý môi trường huyện Củ Chi.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường: Có thể tham khảo phương pháp luận tính toán thủy lực, cân bằng vật chất, xác định kích thước công trình đơn vị xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm (hầm tiếp nhận, bể điều hòa, bể tuyển nổi, bể anoxic, bể aeroten, bể lắng đứng và bể nén bùn).
  • Kỹ sư thiết kế công trình cấp thoát nước và môi trường: Tham khảo quy trình lựa chọn công nghệ xử lý nước thải giàu chất béo và chất dinh dưỡng; bảng tra cứu hiệu suất các công đoạn và cách tích hợp bể tuyển nổi vào sơ đồ công nghệ AO.
  • Bộ phận quản lý kỹ thuật và vận hành tại Nhà máy sữa Tân Việt Xuân: Áp dụng trực tiếp cẩm nang vận hành, các biện pháp kỹ thuật kiểm tra bùn vi sinh, chế độ sục khí và giải pháp khắc phục các sự cố bể lắng, bể aeroten trong thực tế sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải sản xuất của Nhà máy sữa Tân Việt Xuân phát sinh chủ yếu từ các khâu nào và lưu lượng thiết kế được tính toán ra sao?
Nước thải sản xuất phát sinh chủ yếu từ khâu vệ sinh bồn chứa sữa bò tươi, rửa máy móc đóng gói Tetra Pak, súc rửa đường ống dẫn và tẩy rửa sàn nhà xưởng với lưu lượng phát sinh trung bình khoảng 85 m³/ngày (trên tổng số 110 m³/ngày nước cấp sản xuất, do 25 m³ đi vào sản phẩm). Để phục vụ kế hoạch nâng công suất chế biến của nhà máy lên 40.000 tấn sản phẩm/năm và gộp chung với 8,16 m³/ngày nước thải sinh hoạt của 136 công nhân, công suất thiết kế của trạm xử lý được chọn là 300 m³/ngày.đêm (lưu lượng ngày lớn nhất đạt 390 m³/ngày.đêm).

2. Vì sao tác giả lựa chọn công nghệ AO kết hợp tuyển nổi thay vì công nghệ màng sinh học MBR?
Mặc dù công nghệ màng MBR cho chất lượng nước đầu ra sạch hơn và giảm bớt bể lắng, bể khử trùng, nhưng tác giả quyết định chọn công nghệ AO vì:

  • Chi phí đầu tư màng MBR và thiết bị hút chân không rất cao.
  • Chi phí vận hành, điện năng và hóa chất tẩy rửa màng định kỳ lớn.
  • Nước thải sản xuất sữa chứa nhiều dầu mỡ và chất béo bơ sữa, rất dễ gây tắc nghẽn màng (membrane fouling), làm suy giảm thông lượng lọc nghiêm trọng nếu không có quy trình vận hành phức tạp.
  • Tại thời điểm thiết kế, màng MBR thường chỉ ứng dụng phổ biến cho công suất nhỏ dưới 50 m³/ngày.đêm tại Việt Nam, trong khi hệ thống AO chi phí hợp lý, độ bền thiết bị cao và dễ làm chủ vận hành ở quy mô 300 m³/ngày.đêm.

3. Bể tuyển nổi trong quy trình công nghệ Phương án 1 đóng vai trò gì và hiệu suất tách cặn, chất béo đạt bao nhiêu?
Bể tuyển nổi (đặt sau bể điều hòa) sử dụng các bọt khí hòa tan áp lực để tách các hạt chất béo, dầu mỡ sữa và chất lơ lửng nhờ chênh lệch khối lượng riêng. Công trình này có nhiệm vụ bảo vệ hệ vi sinh vật của bể sinh học phía sau không bị dầu mỡ bao phủ bề mặt làm nghẹt oxy. Theo tính toán cân bằng vật chất của đồ án, bể tuyển nổi đạt hiệu suất khử cặn lơ lửng (SS) lên đến 80% (giảm từ 475 mg/L xuống 95 mg/L), khử BOD₅ đạt 20% và COD đạt 25%.

4. Dòng tuần hoàn trong cụm bể sinh học AO được thiết kế như thế nào để đảm bảo xử lý đồng thời cả chất hữu cơ, Nitơ và Phospho?
Hệ thống bố trí 2 tuyến tuần hoàn chính:

  • Tuyến tuần hoàn bùn hoạt tính từ đáy Bể lắng đứng đợt 2 đưa về Bể Aeroten và Bể Anoxic nhằm duy trì mật độ sinh khối vi sinh vật (MLSS) ổn định trong bể phản ứng, đồng thời rút ngắn thời gian lưu bùn trong bể lắng.
  • Tuyến tuần hoàn dung dịch chứa Nitrate ($NO_3^-$) từ cuối Bể Aeroten quay trở lại đầu Bể Anoxic để vi khuẩn dị dưỡng sử dụng chính chất hữu cơ trong nước thải làm chất khử, chuyển hóa Nitrate thành khí Nitơ giải phóng vào khí quyển.

5. Lượng chất thải rắn (bùn thải) từ hệ thống xử lý phát sinh bao nhiêu và được quản lý như thế nào?
Với công suất trạm 300 m³/ngày.đêm, tổng lượng bùn thải phát sinh ước tính khoảng 5 m³/ngày. Bùn lắng từ đáy bể lắng và bùn dư bể Anoxic được đưa về bể nén bùn trọng lực để giảm thể tích, sau đó bơm sang máy ép bùn để ép tách nước thành dạng bánh bùn khô. Nước tách bùn từ bề mặt bể nén và máy ép bùn được dẫn tuần hoàn về hầm tiếp nhận để xử lý lại; bùn bánh được thu gom và thải bỏ định kỳ hợp đồng với đơn vị có chức năng xử lý.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Ngọc Phi Uyên đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ tính toán và thiết kế kỹ thuật hệ thống xử lý nước thải sản xuất sữa công suất 300 m³/ngày.đêm cho Nhà máy sữa Việt Xuân tại Củ Chi. Bằng việc phân tích kỹ lưỡng các phương án, đồ án đã lựa chọn công nghệ AO kết hợp tuyển nổi siêu nông, vừa kiểm soát hiệu quả lượng dầu mỡ đặc thù vừa xử lý triệt để các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng theo quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B). Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có giá trị thực tiễn cao, đóng góp tài liệu thiết kế và quy trình vận hành đồng bộ cho ngành công nghệ kỹ thuật môi trường và công nghiệp chế biến sữa.