Tổng quan nghiên cứu

Thị xã Cam Ranh thuộc tỉnh Khánh Hòa là một đô thị ven biển giữ vị trí chiến lược về kinh tế, xã hội và quốc phòng an ninh, với quy mô dân số năm 2004 đạt 215.822 người phân bố tại 9 phường nội thị và 18 xã ngoại thị. Cùng với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, áp lực lên môi trường nước tại đây ngày càng gia tăng khi cơ sở hạ tầng kỹ thuật chưa được đầu tư đồng bộ. Khảo sát thực tế cho thấy chỉ có khoảng 8% hộ dân tại 9 phường nội thị được tiếp cận nguồn nước máy tập trung, trong khi 92% dân số còn lại phải phụ thuộc vào nước giếng khoan, giếng đào hoặc mua nước sông, ao hồ. Mạng lưới thoát nước đô thị thời kỳ này chủ yếu là hệ thống cống hộp lộ thiên kích thước 0,4 x 0,6 mét xây dựng chắp vá, khiến nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý bị ứ đọng, tự ngấm xuống nền đất hoặc xả trực tiếp ra biển, đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái vịnh Cam Ranh và cảng thương mại Ba Ngòi. Nhằm giải quyết bài toán môi trường cấp bách này, đề tài tập trung nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho Thị xã Cam Ranh giai đoạn 2005 - 2015 với công suất 4.000 m3/ngày đêm, định hướng phát triển bền vững đến năm 2020. Mục tiêu trọng tâm là lựa chọn dây chuyền công nghệ tối ưu, tính toán chi tiết các công trình đơn vị nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ, đảm bảo nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại A theo TCVN 6772:2000, giảm thiểu hơn 89% tải lượng ô nhiễm trước khi thải ra nguồn tiếp nhận ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chuyển hóa sinh hóa chất hữu cơ trong môi trường nước và mô hình động học bùn hoạt tính hiếu khí của Lawrence - McCarty để tính toán quá trình phân hủy cơ chất. Cơ chế xử lý dựa trên hoạt tính sinh học của quần thể vi sinh vật hiếu khí lơ lửng, hấp phụ và oxy hóa các hợp chất hữu cơ chứa cacbon, nitơ và photpho thành sinh khối mới, nước và khí carbonic trong điều kiện cung cấp oxy cưỡng bức liên tục. Mô hình tính toán vận hành dựa trên 5 khái niệm chuyên ngành cốt lõi gồm: Nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (BOD5 đạt 320 mg/L đầu vào), tổng chất rắn lơ lửng (SS đạt 220 mg/L), nồng độ chất rắn lơ lửng dễ bay hơi trong bùn hoạt tính (MLVSS duy trì ở mức 3.500 mg/L), tỷ số thức ăn trên vi sinh vật (F/M đạt 0,27 ngày^-1) và thời gian lưu bùn sinh học (dao động trong khoảng 10 ngày). Song song với quá trình sinh hóa, nghiên cứu kết hợp lý thuyết lắng trọng lực hạt rời và lắng keo tụ để xác định kích thước thủy lực của bể lắng cát ngang, bể lắng đứng đợt 1 và bể lắng đứng đợt 2, đảm bảo phân tách pha lỏng - rắn đạt hiệu suất phân tách cao nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu sơ cấp thông qua chương trình quan trắc chất lượng nước thải tại 12 vị trí cửa xả cống thoát chính thuộc khu vực nội thị Cam Ranh. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 48 chuỗi dữ liệu phân tích hóa lý và vi sinh độc lập, được lấy mẫu liên tục đại diện cho hai mùa mưa và mùa khô trong giai đoạn từ năm 2004 đến đầu năm 2007. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo chu kỳ 24 giờ được áp dụng nhằm xác định chính xác biểu đồ dao động lưu lượng và hệ số không điều hòa chung K0 = 1,84, với lưu lượng cực đại giờ đạt 292 m3/h và lưu lượng cực tiểu đạt 8 m3/h. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp mô hình hóa cân bằng vật chất là vì nước thải đô thị Cam Ranh có độ dao động nồng độ hữu cơ lớn và chịu ảnh hưởng của quá trình phân hủy kỵ khí sơ bộ trong mạng lưới cống cũ, đòi hỏi tính toán thực tế để hạn chế tối đa sai số thiết kế. Timeline nghiên cứu kéo dài 24 tháng, tích hợp dữ liệu khí tượng thủy văn 5 năm từ năm 1998 đến năm 2003 nhằm xác định nhiệt độ tính toán trung bình của nước thải luôn ổn định ở mức 25 độ C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích mẫu nước thải thô tại Thị xã Cam Ranh phản ánh tình trạng ô nhiễm hữu cơ và vi sinh rất nghiêm trọng trước khi vào trạm xử lý: BOD5 đạt 320 mg/L (vượt 10,67 lần so với giới hạn xả thải loại A là 30 mg/L), tổng chất rắn lơ lửng SS đạt 220 mg/L (vượt 4,4 lần so với mức chuẩn 50 mg/L), dầu mỡ khoáng đạt 90 mg/L (vượt 4,5 lần quy định) và mật độ vi khuẩn Coliform lên đến 10^8 MNP/100ml. Qua dây chuyền công nghệ đề xuất, từng hạng mục xử lý đã mang lại hiệu quả rõ rệt:

  • Máy lược rác thô và bể lắng cát ngang thổi khí dài 6,8 mét giúp loại bỏ 100% rác lớn và thu hồi 0,6 m3 cát mỗi ngày, đồng thời giảm 5% hàm lượng BOD5 ban đầu.
  • Bể lắng đứng đợt 1 có đường kính 6,2 mét và chiều cao 8,3 mét đạt hiệu suất lắng SS là 52,6%, đưa hàm lượng chất lơ lửng xuống còn 93,85 mg/L và giảm 31,25% nồng độ BOD5.
  • Bể Aeroten xáo trộn hoàn toàn thể tích 1.233,5 m3 đạt hiệu quả xử lý BOD5 hòa tan lên tới 99,65% (từ 288,8 mg/L xuống 1 mg/L) và hiệu quả xử lý BOD5 tổng cộng đạt 89,61%, giúp nồng độ BOD5 dòng ra đạt mức 30 mg/L.
  • Bể lắng đứng đợt 2 đường kính 7,8 mét kết hợp bể tiếp xúc khử trùng giúp làm sạch triệt để bùn hoạt tính và giảm tổng Coliform xuống dưới 1.000 MNP/100ml, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn xả thải loại A.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của hệ thống xuất phát từ việc kiểm soát chuẩn xác các thông số động học thủy lực và cân bằng vật chất sinh khối. Dữ liệu dao động lưu lượng theo 24 giờ được trình bày trực quan qua biểu đồ thủy lực ngày đêm, phản ánh hai đỉnh tải lượng cao điểm vào khung giờ 6 - 7 giờ sáng (280 m3/h) và 18 - 19 giờ tối (292 m3/h). Nhờ bố trí bể điều hòa có thể tích hữu ích 1.170 m3 kết hợp dàn phân phối khí nén lưu lượng 18 m3/phút, lưu lượng cấp vào các công trình sinh học phía sau đã được san phẳng hoàn toàn về mức trung bình 166,7 m3/h, triệt tiêu nguy cơ sốc tải cho vi sinh vật.

Khi so sánh hai phương án công nghệ, phương án hồ sinh học tự nhiên tuy có chi phí xây dựng ban đầu thấp nhưng đòi hỏi quỹ đất mặt bằng rất lớn và yêu cầu dải cây xanh cách ly tối thiểu 50 mét để giảm mùi hôi H2S, điều này hoàn toàn không khả thi do vị trí trạm nằm kề sát khu dân cư và thương cảng Ba Ngòi. Ngược lại, công nghệ bùn hoạt tính Aeroten nhân tạo chỉ chiếm diện tích mặt bằng 274,1 m2, giảm thiểu tối đa phát tán mùi hôi ra không khí. Dữ liệu tính toán cân bằng sinh khối qua bảng tổng hợp bùn thải cho thấy hệ thống vận hành tối ưu ở tỷ số tuần hoàn bùn 0,78 với lưu lượng bùn tuần hoàn 130 m3/h, đồng thời xả bỏ 77,64 m3 bùn dư mỗi ngày về bể nén và sân phơi bùn diện tích 55 m2, tạo ra sản phẩm mùn hữu cơ an toàn cho nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Xây dựng hoàn chỉnh mạng lưới cống thu gom nước thải sinh hoạt riêng biệt, tách rời hoàn toàn với hệ thống thoát nước mưa trên địa bàn 9 phường nội thị, hoàn thành 100% các tuyến cống chính trước năm 2015.
  • Triển khai thi công trạm xử lý nước thải công suất 4.000 m3/ngày đêm theo đúng thiết kế công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí Aeroten, do Ủy ban Nhân dân Thị xã Cam Ranh làm chủ đầu tư và phân kỳ thực hiện trong giai đoạn 2008 - 2010.
  • Lắp đặt thiết bị đo tự động liên tục đối với các chỉ số pH, oxy hòa tan DO và lưu lượng dòng chảy tại bể Aeroten, đảm bảo nồng độ oxy hòa tan luôn duy trì trên mức 2 mg/L do đơn vị vận hành nhà máy trực tiếp kiểm soát.
  • Ứng dụng quy trình xử lý và tái chế bùn thải sau phơi khô từ sân phơi bùn diện tích 55 m2 để cung cấp nguồn phân bón vi sinh cho các vùng trồng lúa và cây công nghiệp tại xã Cam Phước Đông và Cam Tân, hướng tới mục tiêu tái sử dụng 80% khối lượng bùn thải vào năm 2015.
  • Ban hành chính sách thu phí thoát nước và xử lý nước thải đô thị ở mức 10% trên giá bán nước sạch, do Hội đồng Nhân dân Thị xã phê duyệt nhằm tạo nguồn kinh phí chủ động cho công tác duy tu bảo dưỡng 3 máy thổi khí công suất 40 kW và hệ thống bơm chìm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ môi trường: Tiếp cận bộ hồ sơ tính toán hoàn chỉnh từ kích thước công trình đơn vị, công suất máy thổi khí đến hệ thống phân phối khí xốp cho trạm xử lý nước thải sinh hoạt quy mô 4.000 m3/ngày đêm.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Quản lý Dự án Đô thị tỉnh Khánh Hòa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo khoa học phục vụ công tác thẩm định quy hoạch hạ tầng kỹ thuật, đánh giá tác động môi trường và ra quyết định đầu tư công trình thoát nước đô thị ven biển.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Dùng làm tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp cân bằng vật chất vi sinh, thiết kế bể bùn hoạt tính xáo trộn hoàn toàn và giải bài toán thủy lực công trình xử lý.
  • Doanh nghiệp đầu tư hạ tầng khu dân cư và du lịch ven biển: Tham khảo bài toán so sánh kinh tế - kỹ thuật giữa hồ sinh học và bể Aeroten để lựa chọn giải pháp xử lý nước thải tiết kiệm diện tích đất và kiểm soát mùi hôi triệt để.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao nghiên cứu chọn công nghệ bùn hoạt tính Aeroten thay cho hồ sinh học tự nhiên? Phương án hồ sinh học tự nhiên đòi hỏi diện tích xây dựng hàng chục hecta và phải có vùng đệm cách ly rộng trên 50 mét để hạn chế mùi hôi. Do trạm xử lý đặt gần khu dân cư và quân cảng Ba Ngòi, hồ sinh học dễ gây phát tán khí độc H2S làm suy giảm chất lượng không khí. Ngược lại, bể Aeroten chỉ chiếm diện tích mặt bằng 274,1 m2, vận hành kín và kiểm soát ô nhiễm ổn định quanh năm.

Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật của trạm đạt mức nào? Dây chuyền công nghệ giúp loại bỏ 99,65% lượng BOD5 hòa tan và 89,61% tổng lượng BOD5, giảm nồng độ ô nhiễm từ 320 mg/L xuống còn 30 mg/L ở dòng ra. Lượng chất rắn lơ lửng giảm từ 220 mg/L xuống dưới 50 mg/L và vi khuẩn Coliform giảm từ 10^8 MNP/100ml xuống dưới 1.000 MNP/100ml, đáp ứng hoàn toàn giới hạn loại A theo TCVN 6772:2000.

Hệ thống điều hòa lưu lượng nước thải dao động trong ngày bằng cách nào? Nghiên cứu thiết kế bể điều hòa có thể tích hữu ích 1.170 m3 với chiều sâu 4,5 mét để tiếp nhận và san bằng dòng chảy dao động từ 8 m3/h lên đến cực đại 292 m3/h. Nhờ hệ thống sục khí nén liên tục với lưu lượng 18 m3/phút, nước thải không bị lắng cặn và duy trì lưu lượng bơm ổn định 166,7 m3/h vào bể lắng đợt 1.

Lượng bùn thải sinh ra trong quá trình vận hành được xử lý như thế nào? Mỗi ngày hệ thống sản sinh 5,2 m3 cặn tươi tại bể lắng đợt 1 và 77,64 m3 bùn hoạt tính dư tại bể lắng đợt 2. Toàn bộ lượng bùn này được dẫn qua bể nén bùn để giảm thể tích trước khi đưa ra 2 ô sân phơi cát diện tích 55 m2 nhằm tách nước và làm khô tự nhiên, phục vụ mục đích làm phân bón nông nghiệp.

Các thông số vận hành động học chính của bể Aeroten là bao nhiêu? Bể Aeroten được thiết kế gồm 2 đơn nguyên hoạt động song song với thời gian lưu nước 7,44 giờ, thời gian lưu bùn 10 ngày, nồng độ bùn hoạt tính MLVSS đạt 3.500 mg/L và tỷ số F/M đạt 0,27 ngày^-1. Khí oxy được cấp qua 90 đĩa phân phối khí xốp với công suất tiêu thụ của máy thổi khí là 80 kW.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thiện bản thiết kế kỹ thuật trạm xử lý nước thải sinh hoạt công suất 4.000 m3/ngày đêm cho Thị xã Cam Ranh giai đoạn 2005 - 2015, định hướng đến năm 2020.
  • Khẳng định tính khả thi vượt trội của công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí Aeroten với hiệu suất khử BOD5 tổng cộng đạt 89,61% và hiệu suất lắng cặn SS đợt 1 đạt 52,6%.
  • Cung cấp bảng tính toán chi tiết quy cách hình học và thông số thiết bị cho toàn bộ dây chuyền gồm trạm bơm, bể lắng cát 14,6 m3, bể điều hòa 1.170 m3, bể sinh học 1.233,5 m3 và sân phơi bùn 55 m2.
  • Đề xuất lộ trình đầu tư đồng bộ mạng lưới cống tách nước thải riêng biệt và giải pháp tận dụng bùn sinh học làm phân bón nông nghiệp an toàn.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng giúp chính quyền địa phương sớm triển khai dự án, bảo vệ bền vững hệ sinh thái vịnh Cam Ranh và thúc đẩy kinh tế đô thị phát triển thịnh vượng.