Thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Văn bản nêu rõ sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế thị trường dẫn đến sự gia tăng đáng kể số lượng nhà máy và khu công nghiệp. Điều này kéo theo sự hình thành nhiều khu tái định cư nhằm mục đích ổn định cuộc sống cho người dân bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, thực tế cho thấy chất lượng các khu tái định cư hiện nay còn nhiều hạn chế: chất lượng xây dựng thấp, cơ sở hạ tầng thiếu đồng bộ, quản lý lỏng lẻo. Hạn chế lớn nhất là hầu hết các khu tái định cư đều thiếu hệ thống xử lý nước thải, dẫn đến việc thải trực tiếp nước thải chưa qua xử lý ra sông hồ, gây ô nhiễm môi trường nước ngày càng nghiêm trọng. Tình trạng này cho thấy sự thiếu sót trong quy hoạch và quản lý đô thị, đặc biệt là trong việc đảm bảo vệ sinh môi trường tại các khu vực này. Sự phát triển kinh tế không đi đôi với sự phát triển bền vững về môi trường là một vấn đề đáng báo động cần được giải quyết kịp thời.

Hiện trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải chưa được xử lý ở các khu tái định cư đang ở mức báo động. Để giảm thiểu ô nhiễm và đáp ứng nhu cầu sinh hoạt của người dân, việc thiết kế một hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn, công suất cao là điều cấp thiết. Bài nghiên cứu này chính là một nỗ lực nhằm giải quyết vấn đề này thông qua việc thiết kế một hệ thống xử lý nước thải cho một khu tái định cư với quy mô 1000 dân. Mục tiêu của nghiên cứu là vận dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, thiết kế một hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế tại các khu tái định cư. Đây là một đề tài có ý nghĩa thiết thực, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân.

Nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý chứa nhiều chất gây ô nhiễm, gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng đến môi trường. Các chất rắn lơ lửng (SS) lắng đọng gây điều kiện yếm khí, vi trùng gây bệnh lây lan qua đường nước gây ra các bệnh như tiêu chảy, ngộ độc thực phẩm. Hàm lượng Nitơ (N) và Photpho (P) cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, làm giảm nồng độ oxy trong nước, gây chết các sinh vật thủy sinh. Chất hữu cơ gây ô nhiễm (COD, BOD) làm thiếu hụt oxy, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, tạo điều kiện yếm khí sinh ra các sản phẩm độc hại như H2S, NH3, CH4 gây mùi hôi, giảm pH môi trường. Trong các khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, việc không xử lý nước thải sinh hoạt đúng cách là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Vì vậy, việc đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải là biện pháp cần thiết để bảo vệ môi trường sống.

Nước thải sinh hoạt được định nghĩa là nước thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng, bao gồm tắm rửa, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân... Nước thải này được thải ra từ nhiều nguồn khác nhau như các căn hộ dân cư, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm hệ thống thoát nước. Các khu vực đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với vùng ngoại thành và nông thôn, dẫn đến lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người cũng khác nhau. Ở các đô thị, nước thải thường được dẫn qua hệ thống thoát nước tập trung, trong khi ở ngoại thành và nông thôn, do thiếu hệ thống thoát nước, nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên hoặc bằng phương pháp thấm tự nhiên vào ao hồ. Sự khác biệt này cũng ảnh hưởng đến phương pháp xử lý nước thải cần được áp dụng.

Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất ô nhiễm có hại cho môi trường. Chất rắn lơ lửng (SS) lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, tạo điều kiện yếm khí. Vi trùng gây bệnh trong nước thải gây ra các bệnh truyền nhiễm qua đường nước như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn. Hàm lượng Nitơ (N) và Photpho (P) cao gây hiện tượng phú dưỡng, làm phát triển mạnh tảo, làm giảm nồng độ oxy trong nước, ảnh hưởng đến sự sống của các sinh vật dưới nước. Ngoài ra, nước thải còn chứa các chất hữu cơ gây ô nhiễm như COD và BOD, gây thiếu hụt oxy trong nguồn tiếp nhận, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái. Quá trình phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm độc hại như H2S, NH3, CH4, gây mùi hôi và làm giảm pH của môi trường. Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động từ 150-450mg/l theo trọng lượng khô, với khoảng 20-40% là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Đây là những thông tin quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm và lựa chọn phương pháp xử lý nước thải phù hợp.

Tác hại của nước thải sinh hoạt đối với môi trường chủ yếu đến từ các thành phần ô nhiễm có trong nước thải. COD và BOD gây thiếu hụt oxy trong nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng đến hệ sinh thái. Ô nhiễm nặng có thể tạo điều kiện yếm khí, sinh ra các sản phẩm độc hại như H2S, NH3, CH4, gây mùi hôi thối và làm giảm pH môi trường nước. Vi trùng gây bệnh gây ra các bệnh truyền nhiễm nguy hiểm qua đường nước. Chất rắn lơ lửng (SS) lắng đọng gây ô nhiễm trầm trọng và tạo điều kiện cho các vi sinh vật gây bệnh phát triển. Hàm lượng N và P cao gây hiện tượng phú dưỡng, làm suy thoái chất lượng nước và làm chết các sinh vật thủy sinh. Tất cả những tác động này cho thấy sự cần thiết phải xử lý nước thải sinh hoạt một cách hiệu quả để bảo vệ môi trường nước và sức khỏe cộng đồng. Nước thải sinh hoạt không được xử lý đúng cách là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt ở những khu dân cư đông đúc và điều kiện vệ sinh kém.

Quy trình bắt đầu bằng giai đoạn xử lý sơ bộ, nhằm loại bỏ các chất thải thô và các vật liệu lớn ra khỏi dòng nước thải. Đầu tiên, nước thải đi qua song chắn rác để loại bỏ các vật liệu như nhánh cây, gỗ, nhựa, giấy, lá cây… Sau đó, nước thải được đưa vào bể lắng cát để loại bỏ cát, sỏi, đá dăm và các chất thải rắn tương tự. Bể lắng cát rất quan trọng vì các chất này có thể làm mòn thiết bị, gây tắc nghẽn đường ống và làm giảm hiệu quả của các giai đoạn xử lý tiếp theo. Việc loại bỏ các chất rắn này giúp bảo vệ các thiết bị và nâng cao hiệu quả xử lý của toàn bộ hệ thống. Sau bể lắng cát, nước thải được đưa tới các giai đoạn xử lý chính để loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan và các chất rắn lơ lửng mịn hơn.

Giai đoạn xử lý chính là xử lý sinh học hiếu khí trong bể Aeroten. Bể Aeroten là một bể chứa hình chữ nhật, nơi quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính diễn ra. Quá trình này dựa trên hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, sử dụng oxy để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải thành các chất vô cơ đơn giản như CO2 và H2O. Vi sinh vật hiếu khí này được gọi là bùn hoạt tính, tồn tại ở trạng thái huyền phù trong bể. Việc sục khí liên tục trong bể đảm bảo cung cấp đủ oxy cho vi sinh vật hoạt động hiệu quả và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. Quá trình này loại bỏ một lượng lớn BOD và các chất hữu cơ khác, làm sạch nước thải đáng kể. Thiết kế bể Aeroten bao gồm các yếu tố như kích thước, diện tích bề mặt, chiều cao, số lượng và kiểu dáng các thiết bị sục khí để đảm bảo hiệu quả xử lý tối ưu.

Sau bể Aeroten, nước thải được đưa vào bể lắng thứ cấp để tách riêng bùn hoạt tính đã sử dụng. Bể lắng thứ cấp thường được thiết kế theo kiểu bể lắng ly tâm để tăng hiệu quả tách bùn. Một phần bùn hoạt tính được tuần hoàn lại bể Aeroten để duy trì hoạt động của vi sinh vật. Bùn thải còn lại được xử lý riêng. Giai đoạn cuối cùng là khử trùng, nhằm tiêu diệt vi khuẩn và virus gây bệnh còn lại trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Phương pháp khử trùng được lựa chọn là sử dụng clo do tính chất oxy hóa mạnh, dễ sử dụng và có sẵn trên thị trường. Sau khi qua giai đoạn khử trùng, nước thải đã đạt tiêu chuẩn cho phép mới được xả ra nguồn tiếp nhận. Việc lựa chọn phương pháp khử trùng phù hợp và thiết kế bể khử trùng đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho sức khỏe cộng đồng và bảo vệ môi trường.

Bể Aeroten là thành phần cốt lõi của hệ thống xử lý nước thải hiếu khí. Thiết kế bể Aeroten dựa trên các yếu tố như thành phần và tính chất của nước thải. Thông số thiết kế bao gồm thể tích (129,52 m³ trong trường hợp này), diện tích (32,38 m²), chiều dài mỗi hành lang (0,51m), chiều ngang mỗi hành lang (8m), chiều cao (4,4m). Bể được thiết kế gồm 2 đơn nguyên, mỗi đơn nguyên có 4 hành lang. Các tấm xốp sục khí kích thước 300mm x 300mm x 20,18mm được bố trí dọc theo một phía của mỗi hành lang, dưới đáy bể. Bể Aeroten cũng được thiết kế với ống xả cạn bể và bộ phận xả nước thải khỏi thiết bị khuếch tán không khí, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Thiết kế này nhắm đến việc tối ưu hóa quá trình xử lý sinh học hiếu khí, giúp loại bỏ một lượng lớn BOD và các chất hữu cơ khác trong nước thải.

Bể lắng thứ cấp, hay còn gọi là bể lắng 2, có nhiệm vụ lắng hỗn hợp nước-bùn từ bể Aeroten. Bùn lắng ở đây chính là bùn hoạt tính, một phần sẽ được tuần hoàn trở lại bể Aeroten. Bể lắng thứ cấp được xây dựng theo mô hình bể lắng ly tâm, với thời gian lưu nước từ 1,5 đến 3 giờ. Diện tích mặt thoáng của bể được tính toán dựa trên lưu lượng nước thải trung bình và tối đa. Các thông số thiết kế bể lắng thứ cấp được trình bày trong bảng 3.5 của báo cáo, bao gồm diện tích mặt thoáng, lưu lượng bùn tuần hoàn, tải trọng chất rắn. Thiết kế bể lắng thứ cấp cần đảm bảo hiệu quả tách bùn, giúp tách bùn hoạt tính ra khỏi nước thải đã xử lý, đồng thời giữ lại các chất rắn lơ lửng còn lại. Đây là một bước quan trọng để đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn.

Bể điều hòa có nhiệm vụ làm đồng đều nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải trước khi vào bể Aeroten. Bể điều hòa có thể tích 17,9 m³ (chiều dài 7m, chiều rộng 5m, chiều cao 1,5m, chiều cao dự trữ 0,3m). Hệ thống sục khí trong bể điều hòa cung cấp oxy để đuổi khí NH3, H2S, NH4, CH3SH và kết hợp với hóa chất để điều chỉnh pH (6,5-7,5) phù hợp cho vi sinh vật. Sau bể điều hòa, nồng độ BOD có thể giảm từ 10-15%. Bể khử trùng là giai đoạn cuối cùng, sử dụng clo để khử trùng nước thải trước khi xả ra môi trường. Việc sử dụng clo là do tính chất oxy hóa mạnh, dễ sử dụng và hiệu quả tốt. Nguyên lý khử trùng là làm tăng sức căng bề mặt vi sinh vật, dẫn đến phá hủy tế bào và tiêu diệt vi khuẩn gây bệnh. Thiết kế bể khử trùng cần đảm bảo thời gian tiếp xúc giữa clo và nước thải đủ để đạt hiệu quả khử trùng.

Đề tài đã nghiên cứu và tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho khu tái định cư 1000 dân. Kết quả nghiên cứu đề xuất một công nghệ xử lý thích hợp, bao gồm các bể xử lý chính như bể điều hòa, bể Aeroten, bể lắng thứ cấp và bể khử trùng. Mỗi bể được thiết kế với kích thước và thông số kỹ thuật cụ thể, đảm bảo hiệu quả xử lý và đáp ứng các tiêu chuẩn về môi trường. Việc thiết kế hệ thống này dựa trên việc vận dụng kiến thức đã học về công nghệ xử lý nước thải, nhằm mục đích áp dụng lý thuyết vào thực tiễn. Các thông số kỹ thuật của từng bể được tính toán cẩn thận, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững. Kết quả nghiên cứu này đóng góp vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước tại các khu tái định cư.

Bể điều hòa có dung tích 17,9 m³, với kích thước cụ thể: chiều dài 7m, chiều rộng 5m, chiều cao 1,5m và chiều cao dự trữ 0,3m. Bể này có tác dụng làm ổn định lưu lượng dòng chảy vào hệ thống, làm đồng đều nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải. Bể điều hòa cũng giúp xử lý một phần BOD, giảm nồng độ từ 200 mg/l xuống còn 170 mg/l. Hệ thống sục khí trong bể giúp đuổi các khí độc hại như NH3, H2S, đồng thời điều chỉnh pH của nước thải về mức thích hợp (6,5 – 7,5) cho sự phát triển của vi sinh vật trong các giai đoạn xử lý tiếp theo. Việc đo lường và điều chỉnh pH tự động bằng dung dịch NaOH và H2SO4 đặc (98%) đảm bảo quá trình xử lý diễn ra hiệu quả.

Bể Aeroten, bể xử lý sinh học hiếu khí chính, có thể tích 129,52 m³ và diện tích 32,38 m². Bể gồm 2 đơn nguyên, mỗi đơn nguyên có 4 hành lang với chiều dài mỗi hành lang là 0,51m và chiều ngang 8m. Chiều cao bể là 4,4m. Hệ thống sục khí trong bể Aeroten sử dụng các tấm xốp có kích thước 300mm x 300mm x 20,18mm để cung cấp đủ oxy cho vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Bể này giúp xử lý 85% BOD5, làm giảm nồng độ BOD5 xuống còn 30 mg/l. Bể lắng thứ cấp (bể lắng 2) được thiết kế theo kiểu bể lắng ly tâm, có nhiệm vụ lắng hỗn hợp nước-bùn từ bể Aeroten. Bùn lắng được gọi là bùn hoạt tính, một phần sẽ được tuần hoàn lại bể Aeroten. Thời gian lưu nước trong bể lắng thứ cấp từ 1,5 đến 3 giờ.

Nghiên cứu đã đề xuất một hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hoàn chỉnh cho khu tái định cư 1000 dân, bao gồm các thông số kỹ thuật cụ thể cho từng bể xử lý. Hệ thống này được kỳ vọng sẽ làm giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải, đáp ứng các tiêu chuẩn về môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Phương pháp khử trùng được lựa chọn là sử dụng clo, một chất oxy hóa mạnh, dễ sử dụng và hiệu quả. Tuy nhiên, để đảm bảo hiệu quả lâu dài, cần có kế hoạch vận hành và bảo trì hệ thống thường xuyên, bao gồm việc kiểm tra, vệ sinh và bảo dưỡng các thiết bị định kỳ. Việc này giúp duy trì hiệu quả xử lý và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.