Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và gia vị tại Việt Nam đạt mức tăng trưởng hơn 10% mỗi năm, đóng góp đáng kể vào cơ cấu kinh tế nhưng đồng thời gia tăng áp lực môi trường nghiêm trọng. Tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, Xí nghiệp Nước chấm Nam Dương thuộc Liên hiệp Hợp tác xã Thương mại Thành phố Hồ Chí Minh (Saigon Co-op), tọa lạc tại số 240 Gò Ô Môi, phường Phú Thuận, Quận 7 với quy mô 150 công nhân viên đang vận hành sản xuất các dòng sản phẩm nước tương từ 140N đến 300N và tương ớt với lưu lượng nước thải phát sinh trung bình 100 m3/ngày đêm.

Nước thải sản xuất nước tương chứa hàm lượng ô nhiễm hữu cơ đặc biệt đậm đặc với chỉ số COD trung bình đạt 4000 mg/L và BOD5 lên đến 2200 mg/L, riêng dòng nước rửa cối sản xuất có COD lên tới 6518 mg/L. Nồng độ chất rắn lơ lửng SS đạt 180 mg/L và độ pH dao động ở mức axit thấp từ 4.2 đến 5.1 do quá trình thủy phân nguyên liệu bằng axit clohidric HCl. Nếu xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận, nguồn thải này sẽ gây suy giảm oxy hòa tan nhanh chóng, hình thành môi trường yếm khí bốc mùi hôi thối và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết kế hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh công suất 100 m3/ngày đêm với lưu lượng giờ cực đại 13 m3/h, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt tiêu chuẩn môi trường TCVN 5945-1995 loại B. Nghiên cứu được triển khai tại xí nghiệp trong giai đoạn từ tháng 10 năm 2006 đến tháng 01 năm 2007. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu hơn 97.5% tải lượng COD và 97.7% BOD5, bảo vệ môi trường lưu vực tiếp nhận trên diện tích mặt bằng hạn chế 650 m2 với tổng vốn đầu tư tiết kiệm chỉ khoảng 500 triệu đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu tích hợp hai lý thuyết xử lý sinh học nền tảng kết hợp mô hình động học thủy lực:

Thứ nhất, lý thuyết phân hủy kỵ khí dòng chảy ngược UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). Quá trình kỵ khí chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp như protein, peptit và axit amin thành khí sinh học gồm 70% đến 80% khí metan CH4 và 20% đến 30% cacbonic CO2 qua 4 giai đoạn sinh hóa: thủy phân, axit hóa, axetat hóa và metan hóa. Tải trọng thể tích áp dụng cho bể UASB đạt mức 12 kg COD/m3.ngày tại nhiệt độ 30 độ C.

Thứ hai, lý thuyết bùn hoạt tính hiếu khí lơ lửng Aeroten. Các vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy hòa tan để oxy hóa triệt để chất hữu cơ hòa tan còn lại, tổng hợp sinh khối mới và tạo bông bùn lắng trọng lực dưới tỷ lệ dinh dưỡng tối ưu BOD : N : P = 100 : 5 : 1.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm chuyên ngành then chốt gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD), Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), Chất rắn lơ lửng (SS), Thời gian lưu nước thủy lực (HRT) và nồng độ chất rắn lơ lửng trong bùn lỏng (MLSS) nhằm mô hình hóa hiệu quả lắng và lọc áp lực cát thạch anh.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thống kê vận hành nội bộ về định mức tiêu thụ 600 tấn bánh dầu đậu nành và đậu phộng, 420.000 lít HCl 31%, 260 tấn Na2CO3, 800 lít dầu FO và 80 m3 nước cấp mỗi ngày, kết hợp dữ liệu quan trắc thực nghiệm chất lượng nước.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu thực hiện thu thập 15 mẫu nước thải tổ hợp tại 5 vị trí xả thải trọng yếu gồm nước rửa cối, nước rửa chai, nước thải chế biến, nước thanh trùng và hố thu cống chung. Phương pháp chọn mẫu tổ hợp theo tỷ lệ lưu lượng trong 3 ca sản xuất liên tục được áp dụng nhằm phản ánh chính xác sự biến thiên nồng độ ô nhiễm giữa các khung giờ cao điểm và thấp điểm.

Về phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp chuẩn độ Bicromat hồi lưu kín để xác định COD và phương pháp ủ đo áp suất 5 ngày ở 20 độ C để xác định BOD5 theo Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm loại bỏ triệt để sai số do nồng độ muối ăn NaCl cao từ 140 đến 180 g/L có trong nước thải chế biến gia vị. Toàn bộ quá trình khảo sát, thí nghiệm và tính toán thiết kế chi tiết diễn ra trong thời gian 12 tuần từ ngày 15/10/2006 đến tháng 01/2007.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nước thải đầu vào xí nghiệp có tính chất ô nhiễm hữu cơ và độ đục vượt ngưỡng nghiêm trọng. Chỉ số COD trung bình đạt 4000 mg/L, BOD5 đạt 2200 mg/L, SS đạt 180 mg/L và pH bằng 5.1. So sánh với tiêu chuẩn xả thải loại B theo TCVN 5945-1995, nồng độ COD vượt gấp 40 lần (giới hạn 100 mg/L) và BOD5 vượt gấp 44 lần (giới hạn 50 mg/L).

Thứ hai, cụm công trình tiền xử lý cơ học gồm song chắn rác, bể tách váng dung tích 19.2 m3, bể điều hòa dung tích 49 m3 cấp khí 0.45 m3/phút và bể lắng đợt 1 thể tích 13.6 m3 đạt hiệu quả khử chất rắn lơ lửng SS tới 53.5%, đồng thời giảm 32% hàm lượng COD và BOD5. Nồng độ COD giảm xuống còn 2720 mg/L, BOD5 còn 1496 mg/L và SS còn 83.7 mg/L, tách thành công 9.63 kg chất rắn lơ lửng mỗi ngày dưới dạng bùn tươi độ ẩm 95%.

Thứ ba, bể sinh học kỵ khí UASB thể tích hữu ích 33.7 m3 vận hành với tải trọng 12 kg COD/m3.ngày mang lại hiệu quả khử COD đạt 79.8% và khử BOD5 đạt 65%. Lượng COD bị loại bỏ đạt 217 kg/ngày, giúp nồng độ COD giảm mạnh từ 2720 mg/L xuống 550 mg/L và BOD5 giảm từ 1496 mg/L xuống 524 mg/L.

Thứ tư, nước thải sau khi qua bể Aeroten, bể lắng đợt 2 và bể lọc áp lực đạt hiệu suất xử lý tổng thể trên 97.5% đối với COD và 97.7% đối với BOD5. Nồng độ các chất ô nhiễm đầu ra đạt mức an toàn: COD dưới 100 mg/L, BOD5 dưới 50 mg/L, SS dưới 100 mg/L và pH ổn định từ 6.5 đến 8.5, hoàn toàn đáp ứng TCVN 5945-1995 loại B.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu suất cao là do tỷ lệ BOD5/COD của nước thải đạt mức 0.55 (lớn hơn ngưỡng 0.5), chứng minh các chất hữu cơ gốc protein thực vật rất dễ bị phân hủy sinh học. Bể tách váng và bể lắng 1 đã loại bỏ triệt để dầu mỡ và cặn thô, ngăn ngừa hiện tượng nghẹt bùn hạt và nổi bọt trong bể UASB.

So sánh với các mô hình thực tế trong ngành chế biến thực phẩm như Xí nghiệp Chăn nuôi heo Đồng Hiệp (công suất 250 m3/ngày đêm, hiệu suất xử lý 80% đến 85%), Nhà máy Mì ăn liền Miliket (công suất 200 m3/ngày đêm, COD từ 1000 đến 4000 mg/L) và Công ty Dầu ăn Golden Hope Nhà Bè (công suất 150 m3/ngày đêm, COD đầu ra đạt 30 mg/L), công nghệ đề xuất cho Nam Dương có tính ưu việt hơn về khả năng tiết kiệm 35% diện tích xây dựng nhờ bể UASB tải trọng cao kết hợp bùn hoạt tính Aeroten.

Các dữ liệu thực nghiệm này có thể được minh họa trực quan thông qua bảng cân bằng vật chất phân tích nồng độ ô nhiễm qua 5 công đoạn và biểu đồ cột so sánh tỷ lệ suy giảm COD, BOD5 theo từng công trình đơn vị, giúp các kỹ sư dễ dàng theo dõi hiệu quả làm việc của toàn trạm.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành thi công xây dựng hoàn chỉnh trạm xử lý nước thải công suất 100 m3/ngày đêm theo thiết kế công nghệ đề xuất với tổng mức đầu tư 500 triệu đồng trên diện tích 650 m2, đặt mục tiêu hoàn thành nghiệm thu trong thời hạn 6 tháng do Ban Giám đốc Xí nghiệp Nước chấm Nam Dương phối hợp cùng nhà thầu môi trường thực hiện.

Thứ hai, áp dụng các giải pháp sản xuất sạch hơn tại nguồn, tách riêng dòng nước rửa cối có nồng độ COD cao 6518 mg/L để tiền xử lý cục bộ, phấn đấu giảm 15% tổng lượng nước tiêu thụ và tiết kiệm 10% lượng axit HCl sử dụng trong vòng 3 tháng đầu do Phòng Kỹ thuật xí nghiệp chủ trì.

Thứ ba, xây dựng quy chế quan trắc định kỳ chất lượng nước thải sau xử lý với tần suất 1 lần/tháng đối với 6 chỉ tiêu chính gồm pH, COD, BOD5, SS, N-Kjeldahl và Tổng P, đảm bảo 100% các lần kiểm tra đạt tiêu chuẩn loại B do Tổ Vận hành trạm xử lý phối hợp với đơn vị kiểm định độc lập thực hiện liên tục.

Thứ tư, thu gom và quản lý toàn bộ lượng bùn thải sinh học từ sân phơi bùn với khối lượng khô khoảng 9.63 kg/ngày, phối trộn ủ làm phân bón hữu cơ nông nghiệp hoặc hợp đồng chuyển giao cho đơn vị xử lý chất thải rắn trong thời gian 12 tháng do Bộ phận An toàn Môi trường giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư và chuyên gia thiết kế công nghệ môi trường: Tiếp cận đầy đủ thông số tính toán chi tiết của các công trình đơn vị như bể tách váng 19.2 m3, bể điều hòa 49 m3, bể lắng ly tâm 13.6 m3 và bể UASB 33.7 m3 để ứng dụng thiết kế các trạm xử lý nước thải công nghiệp thực phẩm tương tự.

Ban lãnh đạo và cán bộ quản lý doanh nghiệp sản xuất gia vị: Tham khảo bài toán khái toán kinh tế với chi phí xây dựng 500 triệu đồng và chi phí vận hành 70 triệu đồng/năm để đưa ra quyết định đầu tư công nghệ tối ưu trên quỹ đất hạn chế dưới 650 m2.

Cán bộ quản lý tại các cơ quan bảo vệ môi trường: Nắm bắt hồ sơ phát thải thực tế của ngành chế biến nước chấm với độ pH axit 4.2 đến 5.1 và COD lên tới 4000 mg/L phục vụ công tác thanh tra, hậu kiểm và thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Sử dụng luận văn như một tài liệu nghiên cứu thực tế điển hình về tích hợp xử lý cơ học, kỵ khí UASB và hiếu khí Aeroten trong các đồ án môn học và đề tài tốt nghiệp chuyên ngành.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao nước thải sản xuất nước tương lại có nồng độ COD và BOD5 rất cao? Nước thải phát sinh từ công đoạn thủy phân bánh dầu đậu nành bằng axit clohidric và vệ sinh thiết bị chứa lượng lớn protein, axit amin hòa tan và gia vị dư thừa. Do đó, nồng độ COD trung bình đạt tới 4000 mg/L và BOD5 đạt 2200 mg/L, vượt tiêu chuẩn môi trường loại B hơn 40 lần.

Bể kỵ khí UASB đóng vai trò then chốt như thế nào trong dây chuyền xử lý? Bể UASB vận hành ở tải trọng cao 12 kg COD/m3.ngày giúp phân hủy kỵ khí triệt để các chất hữu cơ hòa tan. Công trình loại bỏ tới 79.8% COD (tương đương 217 kg COD/ngày), giúp giảm thiểu điện năng sục khí cho công đoạn hiếu khí và sinh ra lượng bùn dư rất ít.

Hệ thống xử lý làm thế nào để khắc phục tình trạng nước thải có độ pH axit thấp? Nước thải thô có độ pH từ 4.2 đến 5.1 do sử dụng axit HCl. Hệ thống trung hòa một phần dịch phân giải bằng Na2CO3 tại xưởng, sau đó bể điều hòa dung tích 49 m3 được sục khí xáo trộn liên tục nhằm ổn định dòng chảy và duy trì pH trên 6.5 trước khi nạp vào bể UASB.

Bể lắng đợt 1 mang lại hiệu quả bảo vệ hệ thống xử lý sinh học ra sao? Bể lắng ly tâm thể tích 13.6 m3 với thời gian lưu nước 1.6 giờ giúp khử 53.5% chất rắn lơ lửng và giảm 32% hàm lượng COD thô. Điều này ngăn ngừa tắc nghẽn đường ống, giữ bùn hạt kỵ khí ổn định và tách khoảng 9.63 kg bùn tươi mỗi ngày ra sân phơi.

Tổng kinh phí đầu tư và chi phí vận hành hàng năm của hệ thống là bao nhiêu? Tổng vốn đầu tư xây dựng hoàn thiện các hạng mục công trình và thiết bị ước tính khoảng 500 triệu đồng trên diện tích mặt bằng 650 m2. Chi phí quản lý và vận hành thường niên vào khoảng 70 triệu đồng nhờ quy trình tự chảy tối ưu và công nghệ kỵ khí tiêu thụ ít năng lượng.

Kết luận

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng phát sinh nước thải tại Xí nghiệp Nước chấm Nam Dương với lưu lượng 100 m3/ngày đêm, nồng độ COD 4000 mg/L và BOD5 2200 mg/L.
  • Thiết lập sơ đồ công nghệ tối ưu gồm: song chắn rác, bể tách váng, bể điều hòa, bể lắng 1, bể kỵ khí UASB, bể hiếu khí Aeroten, bể lắng 2 và bể lọc áp lực.
  • Đạt hiệu suất xử lý ấn tượng trên 97.5% đối với COD và 97.7% đối với BOD5, đưa toàn bộ thông số xả thải đạt quy chuẩn TCVN 5945-1995 loại B.
  • Khái toán chi phí đầu tư khả thi với 500 triệu đồng xây dựng và 70 triệu đồng/năm vận hành trên diện tích 650 m2.
  • Cung cấp giải pháp xử lý bùn thải 9.63 kg/ngày làm phân bón hữu cơ, bảo vệ môi trường khu vực Quận 7, Thành phố Hồ Chí Minh.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là hoàn thiện mô hình thiết kế xử lý nước thải chế biến đạm thực vật nồng độ ô nhiễm cao bằng công nghệ kỵ khí kết hợp hiếu khí. Về lộ trình tiếp theo, doanh nghiệp cần hoàn tất thẩm định bản vẽ thi công trong quý 1, khởi công lắp đặt trong quý 2 và đưa công trình vào vận hành chính thức sau 6 tháng. Các doanh nghiệp ngành thực phẩm và đơn vị tư vấn môi trường hãy chủ động liên hệ và áp dụng mô hình công nghệ tiên tiến này để nâng cao hiệu quả sản xuất bền vững.