Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chiến lược phát triển kinh tế tại các quốc gia đang phát triển, trong đó có Việt Nam, bài toán kiểm soát ô nhiễm môi trường công nghiệp đang đặt ra nhiều thách thức nghiêm trọng. Cùng với các ngành sản xuất như cao su, hóa chất, chế biến thực phẩm, thuốc bảo vệ thực vật, xi mạ và luyện kim, ngành dệt nhuộm đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế và chiếm kim ngạch xuất khẩu cao. Ngành dệt may đã hình thành và phát triển hơn 100 năm tại Việt Nam, thu hút lượng lớn lao động xã hội. Theo thống kê nêu trong tài liệu, cả nước có 72 doanh nghiệp nhà nước, 40 doanh nghiệp tư nhân, 40 dự án liên doanh và 100% vốn đầu tư nước ngoài cùng nhiều tổ hợp sản xuất đang hoạt động trong lĩnh vực dệt nhuộm.

Tuy nhiên, phần lớn các cơ sở dệt nhuộm chưa được đầu tư hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh mà xả thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận tự nhiên như sông, suối, ao hồ. Dòng thải dệt nhuộm đặc trưng bởi độ kiềm cao, độ màu lớn, chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy và hóa chất gây độc đối với hệ sinh thái thủy sinh. Thêm vào đó, tỷ lệ đổi mới thiết bị công nghệ của toàn ngành dệt may Việt Nam mới đạt khoảng 7%, thấp hơn đáng kể so với mức 20 - 25% của các quốc gia trong khu vực. Tình trạng máy móc cũ kỹ, hư mòn và thiếu phụ tùng thay thế dẫn đến mức độ phát thải gia tăng, với khối lượng nước thải phát sinh toàn ngành ước tính khoảng 20 - 30 triệu m³/năm, trong đó chỉ khoảng 10% được qua xử lý.

Trước thực trạng đó, đề tài khóa luận "Thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm, công suất 800 m³/ngày đêm" của tác giả Nguyễn Viết Trường (mã sinh viên: MT1101) được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể sau:

  1. Khảo cứu tổng quan về quy trình công nghệ dệt nhuộm, các loại hóa chất, thuốc nhuộm sử dụng và đặc tính ô nhiễm dòng thải phát sinh.
  2. Tổng hợp, đánh giá cơ sở lý thuyết và thực tiễn của các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm trong và ngoài nước (cơ học, hóa lý, sinh học, xử lý bùn cặn).
  3. Đề xuất các phương án dây chuyền công nghệ xử lý nước thải dệt nhuộm và phân tích lựa chọn phương án tối ưu dựa trên đặc tính nguồn nước thải đầu vào.
  4. Tính toán thiết kế chi tiết các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý với công suất thiết kế 800 m³/ngày đêm, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải dệt nhuộm QCVN 13:2008/BTNMT loại B.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là dòng nước thải dệt nhuộm phát sinh từ các công đoạn sản xuất; phạm vi tính toán thiết kế áp dụng cho trạm xử lý nước thải tập trung tại miệng cống xả chung của một cơ sở dệt nhuộm giả định (cơ sở A) với lưu lượng trung bình ngày $Q_{tb} = 800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết công nghệ xử lý nước thải công nghiệp kết hợp ba nhóm quá trình chính:

  • Quá trình cơ học: Sử dụng song chắn rác, lưới chắn mịn để tách rác thô và sợi vải vụn; bể thu gom và bể điều hòa để ổn định lưu lượng, nồng độ các chất ô nhiễm và nhiệt độ dòng thải trước khi vào các công trình sinh hóa.
  • Quá trình hóa lý: Ứng dụng phương pháp keo tụ - tạo bông để xử lý các hạt keo mang điện tích âm kích thước $10^{-2} \div 10^{-1}\ \mu\text{m}$, độ màu và chất rắn lơ lửng. Cơ chế dựa trên việc bổ sung chất keo tụ PAC (Poly Aluminium Chloride - muối nhôm cao phân tử có công thức tổng quát $[Al_n(OH)mCl{3n-m}]$) kết hợp chất trợ keo polymer anion A101 nhằm trung hòa điện tích, thúc đẩy liên kết hạt keo thành các bông cặn có kích thước lớn để tách ra bằng bể lắng trọng lực.
  • Quá trình sinh học hiếu khí: Ứng dụng bể bùn hoạt tính hiếu khí Aeroten để vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ hòa tan làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng theo phản ứng oxy hóa sinh hóa: $$C_xH_yO_zN + \left(x + \frac{y}{4} - \frac{z}{2} - \frac{3}{4}\right)O_2 \xrightarrow{VSV} xCO_2 + \left(\frac{y}{2} - \frac{3}{2}\right)H_2O + NH_3$$ $$C_xH_yO_zN + O_2 \xrightarrow{VSV} C_5H_7NO_2 + CO_2 + H_2O + NH_3$$ $$(C_5H_7NO_2\text{ đại diện cho sinh khối tế bào vi sinh}).$$

Phương pháp nghiên cứu trong khóa luận bao gồm:

  • Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật về các dây chuyền công nghệ dệt nhuộm, khảo cứu kết quả nghiên cứu thực nghiệm trong và ngoài nước (nghiên cứu của Babuna và cộng sự năm 2001; Ciba Geigy Service Limited năm 1993; Turkman năm 1991).
  • Phương pháp so sánh, đánh giá công nghệ: Phân tích kỹ thuật ưu và nhược điểm của hai phương án công nghệ (Hóa lý đặt trước Sinh học hiếu khí so với Sinh học hiếu khí đặt trước Hóa lý).
  • Phương pháp tính toán kỹ thuật công trình: Áp dụng các công thức thủy lực, cân bằng vật chất, động học bùn hoạt tính theo tài liệu "Tính toán thiết kế các công trình trong hệ thống xử lý nước thải" của PGS. TS. Trịnh Xuân Lai và cẩm nang kỹ thuật "Wastewater Engineering".
  • Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng: QCVN 13:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp dệt may, cột B) và Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 51-84 (Điều 6.1 về khử trùng nước thải).

Nguồn dữ liệu tính toán xuất phát từ các bảng số liệu phân tích đặc tính nước thải ngành dệt nhuộm Việt Nam và thông số quan trắc miệng cống xả chung của cơ sở A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về ngành dệt nhuộm

Chương này trình bày chi tiết chuỗi công nghệ sản xuất dệt nhuộm và hiện trạng phát sinh các dòng thải qua từng công đoạn:

  1. Quy trình công nghệ dệt nhuộm: Bắt đầu từ khâu nhập nguyên liệu (bông khô, lông thú, đay, tơ tằm), làm sạch, chải, kéo sợi, hồ sợi (dùng tinh bột biến tính, PVA, polycrylat), dệt vải, giũ hồ (dùng xút hoặc enzyme amilaza), nấu vải (loại hồ, tạp chất tự nhiên và dầu mỡ bằng NaOH), tẩy trắng (dùng $NaClO$, $NaClO_2$, $H_2O_2$), nhuộm vải, in hoa (thuốc in azo, Indigozol, hồ dextrin, natrialginat) và hoàn tất/văng khổ (chất làm mềm silicon biến tính, chất chống nhàu như metylic, axit axetic, focmandehit).
  2. Hóa chất và thuốc nhuộm: Văn bản phân loại và phân tích sâu cơ chế tác động môi trường của từng loại thuốc nhuộm:
    • Thuốc nhuộm trực tiếp ($Ar\text{-}SO_3\text{-}Na$): Khả năng bắt màu 90% ở nồng độ thấp; giải phóng amin thơm từ gốc azo có nguy cơ gây ung thư, đã bị các nước EU cấm sử dụng.
    • Thuốc nhuộm hoạt tính ($S\text{-}F\text{-}T\text{-}X$): Tỷ lệ không gắn màu khoảng 30%, chứa dẫn xuất halogen hữu cơ làm phát sinh hợp chất AOX khó phân hủy sinh học, đòi hỏi nồng độ chất điện ly ($NaCl, Na_2SO_4$) lớn.
    • Thuốc nhuộm hoàn nguyên ($R=C=O$): Không tan trong nước, cần chất khử ($NaHSO_3, Na_2SO_4 + NaOH$ ở $50 \div 60^\circ\text{C}$); tỷ lệ gắn màu $70 \div 80%$, phần còn lại có cấu trúc vòng bền vững khó phân hủy.
    • Thuốc nhuộm phân tán và lưu huỳnh: Thuốc nhuộm phân tán có tỷ lệ gắn màu $90 \div 95%$; thuốc nhuộm lưu huỳnh có liên kết disunfua ($-S\text{-}S-$), tỷ lệ hấp thụ $60 \div 70%$, làm nước thải có tính kiềm và nồng độ lưu huỳnh cao.
  3. Đặc trưng ô nhiễm: Định mức tiêu hao nước dao động từ 20 đến 100 m³/tấn sản phẩm (lưu lượng xả vài trăm đến trên 1000 m³/ngày). Nghiên cứu của Babuna và cộng sự (2001) chỉ ra giá trị COD ở các công đoạn làm sáng huỳnh quang, làm mềm, nhuộm và tẩy trắng đều vượt 2000 mg/l; công đoạn nhuộm có độ màu lên đến 25.000 Pt-Co. Lượng chất thải rắn phát sinh toàn ngành dệt nhuộm trên 700 tấn/năm.

Chương 2: Tổng quan về xử lý nước thải dệt nhuộm

Chương 2 tổng hợp các nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá các phương pháp kỹ thuật xử lý nước thải dệt nhuộm:

  • Tải lượng ô nhiễm theo mặt hàng: Bảng dữ liệu của chương phân định rõ sự khác biệt giữa các dòng thải:
Loại mặt hàng Lượng nước thải ($m^3/\text{tấn}$) TS (mg/l) $BOD_5$ (mg/l) COD (mg/l) pH Độ màu (Pt-Co)
Hàng bông thoi 394 400 - 1000 70 - 135 350 - 600 8 - 10 350 - 600
Hàng pha dệt kim 246 - 280 800 - 1100 90 - 400 570 - 1200 9 - 10 1120 - 1600
Sợi 236 800 - 1300 90 - 130 210 - 230 9 - 11 180 - 540
Dệt len 114 420 120 - 130 400 - 500 9 260 - 300
  • Hiệu quả của các tác nhân hóa lý: Phèn nhôm liều lượng 300 mg/l giúp giảm 86% độ màu và 39% COD; phèn sắt liều lượng 250 mg/l giảm 90% độ màu; Turkman (1991) chứng minh liều lượng phèn sắt 500 mg/l đạt hiệu quả khử độ đục 98,3%; Ciba Geigy Service Limited (1993) ghi nhận phèn nhôm và phèn sắt loại bỏ 40% COD và 80% Crom tổng (từ 0,6 mg/l xuống 0,1 mg/l). Than hoạt tính loại bỏ được 93% COD nhưng chi phí vận hành và hoàn nguyên cao.
  • Kinh nghiệm từ các trạm xử lý thực tế:
    • Công ty Stork Aqua (Hà Lan): Công suất $3000 \div 4000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, COD đầu vào $400 \div 1000\text{ mg/l}$, nước sau xử lý đạt $\text{BOD} < 50\text{ mg/l}$, $\text{COD} < 100\text{ mg/l}$.
    • Công ty Schiesser Sachen (CHLB Đức): Công suất 2500 m³/ngày đêm, xử lý nước thải dệt nhuộm hàng bông nhuộm hoạt tính, COD giảm từ 853 mg/l xuống 20,3 mg/l, BOD giảm từ 640 mg/l xuống dưới 10 mg/l.
    • Nhà máy Vikotex Bảo Lộc (Việt Nam): Công suất 500 m³/ngày đêm, COD đầu vào 516 mg/l giảm xuống 80 mg/l, BOD giảm từ 340 mg/l xuống dưới 50 mg/l.

Chương 3: Đề xuất lựa chọn công nghệ xử lý

Chương 3 xác định thông số tính toán cho cơ sở A và luận chứng lựa chọn sơ đồ công nghệ:

  • Thông số thiết kế đầu vào:
    • Lưu lượng trung bình ngày: $Q_{tb} = 800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$ ($Q_{tb\ h} = 33,3\text{ m}^3/\text{h}$).
    • Hệ số không điều hòa: $K_{\text{ngày\ max}} = 1,2$; $K_{h\ \text{max}} = 2,0$; lưu lượng giờ lớn nhất $Q_{h\ \text{max}} = 79,92\text{ m}^3/\text{h}$ ($22,2\text{ l/s}$).
    • Nồng độ ô nhiễm: $\text{COD} = 1200\text{ mg/l}$; $\text{BOD}_5 = 540\text{ mg/l}$; $\text{TSS} = 250\text{ mg/l}$; Độ màu = 1200 Pt-Co; Tổng $\text{N} = 2,5\text{ mg/l}$; Tổng $\text{P} = 1,25\text{ mg/l}$; Nhiệt độ = $40 \div 50^\circ\text{C}$; $\text{pH} = 10$.
    • Tiêu chuẩn nước sau xử lý (QCVN 13:2008/BTNMT loại B): $\text{BOD}_5 < 50\text{ mg/l}$; $\text{COD} < 150\text{ mg/l}$; $\text{SS} < 100\text{ mg/l}$; Tổng $\text{N} < 60\text{ mg/l}$; Tổng $\text{P} < 6\text{ mg/l}$; $\text{pH} = 5,5 \div 9$; Nhiệt độ $\le 40^\circ\text{C}$.
  • So sánh lựa chọn giữa 2 phương án:
    • Phương án 1: Nước thải $\rightarrow$ Song chắn rác $\rightarrow$ Hố thu gom $\rightarrow$ Bể điều hòa (châm $H_2SO_4$) $\rightarrow$ Bể keo tụ (châm PAC) $\rightarrow$ Bể tạo bông (châm polymer A101) $\rightarrow$ Bể lắng I $\rightarrow$ Bể Aeroten $\rightarrow$ Bể lắng II $\rightarrow$ Bể lọc áp lực $\rightarrow$ Bể khử trùng.
    • Phương án 2: Bố trí cụm xử lý sinh học Aeroten và Bể lắng I trước cụm keo tụ - tạo bông và Bể lắng II.
    • Luận chứng: Tác giả chọn Phương án 1 vì các loại thuốc nhuộm chứa phức kim loại nặng (kẽm, đồng, cadmium) và nhóm mang màu azo khi phân hủy sinh ra amine độc. Nếu đưa trực tiếp vào bể sinh học Aeroten như Phương án 2, độc chất sẽ ức chế và làm chết bùn hoạt tính. Phương án 1 xử lý hóa lý trước giúp loại bỏ độ màu, kim loại nặng và chất độc, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động ổn định.

Chương 4: Tính toán thiết kế công trình đơn vị

Chương này tập trung toàn bộ khối lượng tính toán kỹ thuật chi tiết của hệ thống theo sơ đồ công nghệ Phương án 1 đã chọn. Tác giả tính toán tuần tự kích thước hình học, thông số thủy lực và lựa chọn thiết bị cơ điện cho từng hạng mục từ song chắn rác, hố thu gom, bể điều hòa, cụm bể keo tụ - tạo bông, bể lắng I, bể sinh học Aeroten đến bể lắng II.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Khóa luận trình bày các bước tính toán công nghệ và xác lập thông số cụ thể cho các công trình đơn vị như sau:

1. Song chắn rác và hố thu gom

  • Song chắn rác: Vận tốc nước qua mương $V_s = 0,8\text{ m/s}$; chiều rộng mương $B = 0,3\text{ m}$; chiều cao mực nước cực đại $H_{\max} = 0,092\text{ m}$. Thanh chắn tiết diện chữ nhật $5 \times 25\text{ mm}$, khe hở giữa các thanh $w = 15\text{ mm}$; số thanh $n = 15$, số khe $m = 16$. Chiều rộng song chắn $B_s = 0,32\text{ m}$; góc mở rộng buồng song chắn $20^\circ$; chiều dài đoạn mở rộng $L_1 = 0,092\text{ m}$, chiều dài đoạn thu hẹp $L_2 = 0,046\text{ m}$, tổng chiều dài xây dựng mương $L = 1,138\text{ m}$. Tổn thất áp lực qua song chắn $H_s = 0,05\text{ m}$ (với hệ số tăng tổn thất do rác đọng $k = 3$). Chiều sâu mương xây dựng $H = 0,642\text{ m}$. Phía sau song chắn đặt lưới chắn mịn kích thước mắt lưới 1 mm để ngăn sợi chỉ nhỏ.
  • Hố thu gom: Thời gian lưu nước $t = 10\text{ phút}$; thể tích hữu ích $V_{hi} = 13,32\text{ m}^3$. Chiều sâu hữu ích $H_{hi} = 2,5\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $0,5\text{ m}$, chiều sâu tổng cộng $H = 3\text{ m}$. Mặt bằng bể $B \times L = 2,5\text{ m} \times 2,5\text{ m}$. Lắp đặt 2 bơm chìm (hoạt động luân phiên) công suất 5 Hp (công suất tính toán $N = 0,817\text{ kW}$).

2. Bể điều hòa

Thời gian lưu nước $t = 4\text{ h}$. Thể tích tính toán $V = 319,68\text{ m}^3$. Kích thước mặt bằng $L \times B = 9\text{ m} \times 9\text{ m}$; chiều cao hữu ích $4,5\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $0,5\text{ m}$ (chiều cao tổng cộng $H = 5\text{ m}$). Hệ thống cấp khí xáo trộn chống lắng cặn có lưu lượng khí cần thiết $Q_k = 0,08\text{ m}^3/\text{s}$ ($243\text{ m}^3/\text{h}$). Sử dụng 24 đĩa phân phối khí bọt mịn đường kính 170 mm ($Z = 200\text{ l/phút}$). Ống cấp khí chính đường kính phi 90 mm, 6 ống nhánh phi 34 mm. Hai máy nén khí công suất 7 Hp (1 chạy, 1 dự phòng), áp lực làm việc $0,54\text{ at}$. Hai bơm nước thải sang bể keo tụ công suất 5 Hp ($N = 2,722\text{ kW}$). Châm dung dịch $H_2SO_4$ để trung hòa pH về 6,5.

3. Hệ bể keo tụ tạo bông

Hóa chất sử dụng gồm PAC liều lượng tối ưu 0,075 g/l (tiêu thụ 60 kg/ngày) và chất trợ keo polymer A101 liều lượng 0,02 g/l (tiêu thụ 16 kg/ngày; nồng độ pha 60 g/l, bồn chứa dung dịch dung tích 2 m³ đủ dùng trong 7 ngày):

  • Bể trộn cơ khí: Thời gian lưu $t = 80\text{ giây}$; thể tích hữu ích $V_{hi} = 0,74\text{ m}^3$. Kích thước $a \times a \times H = 1\text{ m} \times 1\text{ m} \times 1,5\text{ m}$ ($H_{hi} = 1\text{ m}$). Gradien vận tốc $G = 800\text{ s}^{-1}$. Cánh khuấy đường kính $d_k = 0,5\text{ m}$, chiều rộng $b_k = 0,1\text{ m}$, chiều dài $l_k = 0,125\text{ m}$; công suất máy khuấy 1,2 kW (hiệu suất 80%), tốc độ quay $n = 183\text{ vòng/phút}$.
  • Bể phản ứng: Thời gian lưu $t = 30\text{ phút}$; thể tích hữu ích $V_{hi} = 16,65\text{ m}^3$ (thể tích thực 27 m³). Kích thước $3\text{ m} \times 3\text{ m} \times 3\text{ m}$ ($H_{hi} = 2,5\text{ m}$). Gradien vận tốc $G = 150\text{ s}^{-1}$. Máy khuấy turbin 4 cánh đường kính $d_k = 1,2\text{ m}$, chiều rộng $b_k = 0,24\text{ m}$, chiều dài $l_k = 0,3\text{ m}$; công suất máy khuấy 0,4 kW, tốc độ quay $n = 30\text{ vòng/phút}$.
  • Bể tạo bông: Thời gian lưu $t = 30\text{ phút}$; thể tích hữu ích $V_{hi} = 16,65\text{ m}^3$. Kích thước $3\text{ m} \times 3\text{ m} \times 3\text{ m}$ ($H_{hi} = 2,5\text{ m}$). Gradien vận tốc $G = 70\text{ s}^{-1}$. Máy khuấy turbin đường kính $d_k = 1,5\text{ m}$, chiều rộng $b_k = 0,3\text{ m}$, chiều dài $l_k = 0,375\text{ m}$; công suất máy khuấy 0,1 kW, tốc độ quay $n = 12\text{ vòng/phút}$.

4. Bể lắng I (Bể lắng đứng)

Nhiệm vụ tách bông cặn sau keo tụ. Thời gian lắng $t = 1,5\text{ h}$; thể tích công tác $V = 50\text{ m}^3$. Vận tốc nước dâng $v = 0,5\text{ mm/s}$. Đường kính bể $D = 5\text{ m}$; đường kính ống trung tâm $d = 0,62\text{ m}$; đường kính miệng loe $D_1 = 0,837\text{ m}$; tấm chắn dòng $D_2 = 1,1\text{ m}$. Chiều cao phần công tác $H_1 = 2,7\text{ m}$; chiều cao lớp trung hòa $0,6\text{ m}$; chiều cao phần chứa bùn chóp đáy $h_6 = 0,4\text{ m}$ (độ dốc đáy 10%), phần chứa bùn hình trụ $h_5 = 0,3\text{ m}$; chiều cao tổng cộng xây dựng $H = 5\text{ m}$. Tải trọng bề mặt $L_0 = 42,55\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$. Lượng bùn cặn sinh ra hàng ngày $G = 96\text{ kg SS/ngày}$, tương đương thể tích bùn $V_b = 16\text{ m}^3/\text{ngày}$ (độ ẩm bùn 95%, hàm lượng cặn 6 kg/m³). Hệ thống thanh gạt bùn quay 0,03 vòng/phút.

5. Bể sinh học hiếu khí Aeroten

Thông số dòng vào bể: $\text{BOD}_5 = 432\text{ mg/l}$; $\text{COD} = 360\text{ mg/l}$; $\text{SS} = 50\text{ mg/l}$; Độ màu 120 Pt-Co. Yêu cầu đầu ra: $\text{BOD}_5 \le 50\text{ mg/l}$; $\text{COD} \le 150\text{ mg/l}$.

  • Thông số động học: Hệ số sản lượng $Y = 0,4\text{ mg VSS/mg BOD}_5$; hệ số phân hủy nội bào $K_d = 0,06\text{ ngày}^{-1}$; độ tro của cặn hữu cơ $Z = 0,3$; nồng độ bùn hoạt tính duy trì trong bể $X = 3000 \div 4000\text{ mg/l}$; nồng độ bùn tuần hoàn $X_c = 10.000\text{ mg/l}$; tuổi bùn $\theta_c = 10\text{ ngày}$.
  • Kích thước công trình: Thể tích tính toán $V = 254,7\text{ m}^3$; chọn kích thước thực tế $L \times B \times H = 6,3\text{ m} \times 9\text{ m} \times 5\text{ m}$ ($H_{hi} = 4,5\text{ m}$, chiều cao bảo vệ $0,5\text{ m}$), thể tích thực $V_t = 283,5\text{ m}^3$. Thời gian lưu nước thực tế $t = 8,5\text{ h}$ (chọn vận hành 10 h).
  • Cân bằng bùn và cấp khí: Lượng bùn hoạt tính dư sinh ra hàng ngày $G = 76,4\text{ kg/ngày}$; lưu lượng xả bùn dư từ bể lắng II là $Q_x = 5,6\text{ m}^3/\text{ngày}$. Tỷ lệ bùn tuần hoàn duy trì ở mức $0,25 \div 0,75$. Nhu cầu oxy thực tế $OC_t = 365,16\text{ kg }O_2/\text{ngày}$. Lưu lượng không khí cần cấp $Q_k = 5307,5\text{ m}^3/\text{ngày}$ ($3,7\text{ m}^3/\text{phút} = 0,062\text{ m}^3/\text{s}$). Bố trí 24 đĩa phân phối bọt mịn đường kính 170 mm ($Z = 160\text{ l/phút}$), khoảng cách 1,2 m. Hệ thống phân phối gồm 1 ống khí chính phi 90 mm, 6 ống nhánh phi 34 mm. Lựa chọn 2 máy thổi khí công suất 8 Hp (3,7 kW), áp lực làm việc $H_m = 4,9\text{ mH}_2\text{O}$ ($0,49\text{ at}$).

6. Bể lắng II (Bể lắng đứng sau sinh học)

Thời gian lắng $t = 2\text{ h}$; thể tích bể $V = 66,6\text{ m}^3$. Vận tốc nước dâng $v = 0,5\text{ mm/s}$. Đường kính bể $D = 5\text{ m}$; chiều cao tổng cộng $H = 5\text{ m}$ (chiều cao công tác $H_1 = 3,6\text{ m}$, chiều cao phần chóp bùn đáy $0,3\text{ m}$, hình trụ chứa bùn $0,15\text{ m}$). Đường kính ống trung tâm $d = 0,62\text{ m}$ (bảng thông số ghi $0,7\text{ m}$), miệng loe $0,837\text{ m}$, tấm chắn $1,1\text{ m}$. Tải trọng bề mặt $L_0 = 42,5\text{ m}^3/\text{m}^2\cdot\text{ngày}$. Tải lượng bùn sinh ra $M = 93\text{ kg/ngày}$, tương đương lưu lượng bùn thải $V_b = 4,48\text{ m}^3/\text{ngày}$ (độ ẩm tương ứng nồng độ cặn 2%, tỷ trọng bùn 1,03). Tốc độ thanh gạt bùn 0,03 vòng/phút.

Các công trình xử lý hoàn thiện phía sau gồm bể lọc áp lực (vật liệu lọc cát, sỏi), bể tiếp xúc khử trùng bằng dung dịch clorua vôi, bể nén bùn trọng lực và máy ép bùn được thể hiện trong sơ đồ công nghệ và thuyết minh quy trình.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã xác lập hiệu quả xử lý qua từng công đoạn công nghệ trên cơ sở dữ liệu tính toán và thực nghiệm:

Chỉ tiêu ô nhiễm Đầu vào cơ sở A Sau cụm keo tụ - Lắng I Sau xử lý Aeroten - Lắng II QCVN 13:2008/BTNMT (Cột B)
COD (mg/l) 1200 360 (giảm 70%) $\le 150$ 150
$\text{BOD}_5$ (mg/l) 540 432 (giảm 20%) $\le 50$ 50
SS (mg/l) 250 50 (giảm 80%) $\le 100$ 100
Độ màu (Pt-Co) 1200 120 (giảm 90%) Đạt yêu cầu Tiếp tục khử trùng/lọc
pH 10 6,5 (sau trung hòa axit) $5,5 \div 9$ $5,5 \div 9$

Các giải pháp kỹ thuật cụ thể do tác giả đề xuất:

  • Tách dòng và xử lý hóa lý trước xử lý sinh học để ngăn ngừa rủi ro kim loại nặng và độc tố amine thơm từ thuốc nhuộm azo làm chết vi sinh vật trong bể Aeroten.
  • Tối ưu hóa chế độ thủy lực cho cụm keo tụ tạo bông thông qua 3 ngăn nối tiếp với gradien vận tốc giảm dần: ngăn trộn nhanh ($G = 800\text{ s}^{-1}$, 183 vòng/phút, thời gian 80 giây), ngăn phản ứng ($G = 150\text{ s}^{-1}$, 30 vòng/phút, 30 phút) và ngăn tạo bông ($G = 70\text{ s}^{-1}$, 12 vòng/phút, 30 phút).
  • Điều hòa kết hợp làm thoáng và trung hòa pH sơ bộ bằng $H_2SO_4$ ngay tại bể điều hòa với lưu lượng khí $0,08\text{ m}^3/\text{s}$ nhằm hạ nhiệt độ dòng thải từ $40 \div 50^\circ\text{C}$ xuống mức phù hợp cho xử lý sinh học.
  • Xác lập chế độ tuần hoàn bùn hoạt tính từ bể lắng II về bể Aeroten với tỷ lệ $25 \div 75%$ (lưu lượng bùn dư xả đáy $5,6\text{ m}^3/\text{ngày}$).

Đóng góp của đồ án là đã cung cấp chuỗi tính toán kích thước, thủy lực và lựa chọn thiết bị cơ điện hoàn chỉnh cho trạm xử lý nước thải dệt nhuộm công suất 800 m³/ngày đêm, giải quyết triệt để tính chất phức tạp của dòng thải dệt may bằng sơ đồ công nghệ có cơ sở khoa học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung được trình bày trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

  • Số liệu tính toán thiết kế dựa trên một bộ thông số đầu vào cố định tại miệng cống xả cơ sở A, chưa phản ánh hết biên độ dao động nồng độ ô nhiễm theo mùa vụ và sự thay đổi mặt hàng sản xuất (như đã nêu ở Chương 2: nước thải hàng bông thoi, dệt kim và dệt len có tải lượng rất khác nhau).
  • Văn bản mới hoàn thành tính toán chi tiết từ song chắn rác đến bể lắng II; các hạng mục hoàn thiện tiếp theo gồm bể lọc áp lực, bể khử trùng tiếp xúc, bể nén bùn và máy ép bùn mới chỉ dừng lại ở sơ đồ khối và thuyết minh nguyên lý, chưa có bảng tính toán kích thước và thiết bị cụ thể.
  • Đề tài chưa xây dựng bảng dự toán kinh tế chi tiết cho chi phí đầu tư xây dựng (CAPEX) và chi phí vận hành hóa chất, điện năng (OPEX) cho khối lượng tiêu thụ 60 kg PAC/ngày và 16 kg polymer A101/ngày.

Hướng phát triển được xác định:

  • Khảo sát thực nghiệm với các chất keo tụ mới hoặc thử nghiệm kết hợp quá trình oxy hóa bậc cao (Fenton, Ozone hóa như mô hình công ty Schiesser Sachen) để nâng cao khả năng tái sử dụng nước thải.
  • Hoàn thiện tính toán chi tiết cho hệ thống xử lý bùn (bể nén bùn, máy ép bùn) và bể tiếp xúc khử trùng; đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật toàn diện khi triển khai thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Môi trường: Cung cấp tài liệu mẫu về các bước tính toán công nghệ trạm xử lý nước thải công nghiệp, công thức xác định gradien vận tốc khuấy trộn cơ khí, tính toán máy thổi khí, đĩa khí và kiểm tra tải trọng bề mặt bể lắng.
  • Kỹ sư thiết kế công nghệ môi trường: Tham khảo các thông số vận hành thực tế của cụm hóa lý PAC - polymer A101 và động học bể Aeroten áp dụng riêng cho nước thải ngành dệt nhuộm.
  • Cán bộ quản lý môi trường tại các doanh nghiệp dệt may: Tham khảo cơ sở lý thuyết về thành phần hóa chất, đặc tính các nhóm thuốc nhuộm (trực tiếp, hoạt tính, hoàn nguyên, phân tán, lưu huỳnh) và định mức tiêu hao nước để xây dựng phương án giảm thiểu ô nhiễm tại nguồn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương án keo tụ - tạo bông trước bể Aeroten mà không bố trí xử lý sinh học trước?
Nước thải dệt nhuộm chứa các thuốc nhuộm có nguồn gốc từ hợp chất vòng azo và các phức kim loại nặng (kẽm, đồng, cadmium). Nếu đưa trực tiếp vào bể sinh học Aeroten, các độc chất này sẽ ức chế men vi sinh và làm chết bùn hoạt tính. Bố trí keo tụ - tạo bông phía trước giúp loại bỏ phần lớn kim loại nặng, 90% độ màu và 70% COD khó phân hủy, bảo vệ sinh khối vi sinh vật trong bể Aeroten.

2. Liều lượng hóa chất keo tụ PAC và chất trợ keo polymer A101 sử dụng hàng ngày là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng PAC với liều lượng 0,075 g/l, tương ứng 60 kg PAC/ngày cho lưu lượng 800 m³/ngày đêm. Chất trợ keo polymer A101 sử dụng với liều lượng 0,02 g/l, tương ứng 16 kg A101/ngày (pha ở nồng độ 60 g/l trong bồn dung tích 2 m³ đủ dùng cho 7 ngày).

3. Hiệu quả xử lý của cụm keo tụ tạo bông và Bể lắng I đạt bao nhiêu phần trăm?
Quá trình keo tụ tạo bông bằng PAC và A101 kết hợp lắng đợt I đạt hiệu suất khử: độ màu giảm 90% (từ 1200 xuống 120 Pt-Co); COD giảm 70% (từ 1200 mg/l xuống 360 mg/l); SS giảm 80% (từ 250 mg/l xuống 50 mg/l); và BOD giảm 20% (từ 540 mg/l xuống 432 mg/l).

4. Kích thước và thông số cấp khí của bể Aeroten được thiết kế như thế nào?
Bể Aeroten có kích thước mặt bằng $L \times B = 6,3\text{ m} \times 9\text{ m}$, chiều cao tổng cộng $H = 5\text{ m}$ (chiều sâu hữu ích $4,5\text{ m}$), thể tích thực $283,5\text{ m}^3$, thời gian lưu nước thiết kế 10 giờ. Nhu cầu oxy thực tế cần cấp là $365,16\text{ kg }O_2/\text{ngày}$, sử dụng 24 đĩa phân phối khí bọt mịn đường kính 170 mm và 2 máy thổi khí công suất 8 Hp (3,7 kW), áp lực $0,49\text{ at}$.

5. Nước thải đầu vào của cơ sở A có các chỉ tiêu ô nhiễm chính là bao nhiêu và yêu cầu đạt tiêu chuẩn gì?
Nước thải đầu vào có lưu lượng $800\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, COD = 1200 mg/l, $\text{BOD}_5 = 540\text{ mg/l}$, TSS = 250 mg/l, độ màu 1200 Pt-Co, pH = 10, nhiệt độ $40 \div 50^\circ\text{C}$. Nước sau xử lý phải đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 13:2008/BTNMT cột B ($\text{COD} < 150\text{ mg/l}$, $\text{BOD}_5 < 50\text{ mg/l}$, $\text{SS} < 100\text{ mg/l}$, $\text{pH} = 5,5 \div 9$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Viết Trường đã hoàn thành việc tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải dệt nhuộm công suất 800 m³/ngày đêm đảm bảo đạt tiêu chuẩn xả thải QCVN 13:2008/BTNMT loại B. Công trình đã phân tích bản chất ô nhiễm của các nhóm thuốc nhuộm phức tạp để đưa ra luận cứ kỹ thuật xác đáng cho việc ưu tiên xử lý hóa lý keo tụ tạo bông trước công đoạn xử lý sinh học hiếu khí Aeroten. Toàn bộ các thông số kích thước hình học, thủy lực và công suất thiết bị cơ điện của các hạng mục chính đều được tính toán chi tiết, có giá trị ứng dụng cao cho nghiên cứu và thực tiễn kỹ thuật môi trường công nghiệp.