Tóm tắt bài giảng: Kỹ thuật xử lý nước thải của Thạc sỹ Lâm Vĩnh Sơn của trường ĐH KTCN

Tài liệu Kỹ thuật xử lý nước thải của Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn cung cấp một cái nhìn toàn diện về kỹ thuật xử lý nước thải, bao gồm phân loại nước thải, thành phần và tính chất của chúng, các phương pháp bảo vệ nguồn nước khỏi ô nhiễm, khả năng tự làm sạch của nguồn nước, và giới thiệu các công trình xử lý nước thải phổ biến.

Dưới đây là tóm tắt chi tiết các chủ đề chính:

I. Phân loại nước thải (1.1)

Tài liệu phân loại nước thải thành ba loại chính dựa trên mục đích sử dụng và cách thải bỏ:

• Nước thải sinh hoạt (1.1.1):
• Là nước thải từ các hoạt động sinh hoạt của cộng đồng như tắm rửa, giặt giũ, vệ sinh cá nhân.
• Thường từ căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng.
• Lượng nước thải phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm hệ thống thoát nước.
• Thành phần gồm:
• Nước thải nhiễm bẩn từ chất bài tiết của con người (phòng vệ sinh).
• Nước thải nhiễm bẩn từ các chất thải sinh hoạt khác (cặn bã từ nhà bếp, chất rửa trôi, vệ sinh sàn nhà).
• Chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (protein 40-50%, carbohydrate 40-50%, chất béo 5-10%), vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh nguy hiểm.
• Nồng độ chất hữu cơ dao động 150-450% mg/l theo trọng lượng khô, trong đó 20-40% khó phân hủy sinh học.
• Tại các khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý đúng cách là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
• Lượng nước thải sinh hoạt ước tính bằng 80% lượng nước cấp.
• Đặc trưng là không phải tất cả chất hữu cơ đều bị phân hủy bởi vi sinh vật, khoảng 20-40% BOD thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn.
• Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất) (1.1.2):
• Là nước thải sau quá trình sản xuất, phụ thuộc vào loại hình công nghiệp và công nghệ được lựa chọn.
• Đặc tính ô nhiễm và nồng độ rất khác nhau.
• Nước được sử dụng làm nguyên liệu thô, phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình), hoặc để truyền nhiệt.
• Có hai loại:
• Nước thải công nghiệp quy ước sạch: Dùng làm nguội sản phẩm, mát thiết bị, vệ sinh sàn nhà.
• Nước thải công nghiệp nhiễm bẩn: Đặc trưng cho từng loại công nghiệp, cần xử lý cục bộ trước khi xả vào mạng lưới thoát nước chung hoặc nguồn nước.
• Lưu lượng phụ thuộc vào đặc tính sản phẩm sản xuất (ví dụ: sản xuất bia 5,65 l/l bia; tinh chế đường 10-20 m³/tấn củ đường).
• Nước thải là nước mưa (1.1.3):
• Là nước sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất, cuốn theo cặn bã, dầu mỡ,... vào hệ thống thoát nước.
• Trong hệ thống thoát nước riêng biệt, nước thải đến nhà máy xử lý gồm nước sinh hoạt, nước công nghiệp và nước ngầm thâm nhập. Nước mưa có thể tràn qua nắp hố ga vào hệ thống thoát nước thải khi mưa lớn.
• Trong hệ thống cống chung (phổ biến ở Việt Nam), lượng nước chảy về nhà máy gồm nước sinh hoạt, công nghiệp, nước ngầm thâm nhập và một phần nước mưa.
• Lưu ý: Nước thải đô thị thường là hỗn hợp nước thải sinh hoạt và sản xuất. Ước tính 50% nước thải sinh hoạt, 14% nước thấm, 36% nước thải sản xuất.
• Lưu lượng nước thải đô thị dao động lớn (20%-250% QTB cho thành phố nhỏ, 50%-200% QTB cho thành phố lớn), biến động theo giờ (cao nhất 10-12h trưa, thấp nhất 5h sáng), theo mùa, ngày làm việc và ngày nghỉ.
• Khoảng 65-85% lượng nước cấp trở thành nước thải.

II. Thành phần, tính chất của nước thải và các dạng nhiễm bẩn (1.2)

• Lưu lượng nước thải (1.2.1):
• Xác định bằng phương pháp đo lưu lượng tại cửa xả hoặc tính toán sơ bộ theo từng loại.
• Nước thải sinh hoạt (1.2.1.1): Chiếm 65-80% lượng nước cấp. Tiêu chuẩn thải nước khu vực dân cư phụ thuộc vào mức độ thiết bị vệ sinh (ví dụ: có hệ thống cấp thoát nước, có dụng cụ vệ sinh, không có thiết bị tắm: 80-100 l/người.ngày).
• Nước thải công nghiệp (1.2.1.2): Phụ thuộc quy mô, tính chất sản phẩm, quy trình công nghệ. Lưu lượng sản xuất được tính bằng Q = qtc x P (qtc: tiêu chuẩn sử dụng nước cho sản xuất; P: công suất sản phẩm). Tiêu chuẩn thải nước sinh hoạt của công nhân cũng được quy định.
• Nước mưa (1.2.1.3): Việc xác định lưu lượng phức tạp. Tài liệu trình bày phương pháp động học để xác định lưu lượng. Các yếu tố cơ bản để thiết kế hệ thống thoát nước mưa bao gồm:
• Thời gian mưa (ttt): ttt = tm + tr + to (tm: thời gian tập trung nước mưa trên bề mặt; tr: thời gian nước chảy trong rãnh; to: thời gian nước chảy trong ống).
• Cường độ mưa (i): Lượng nước mưa rơi xuống tính trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian (mm/phút hoặc l/s.ha).
• Chu kỳ mưa (P): Thời gian lặp lại của một trận mưa.
• Hệ số dòng chảy (φ): Tỷ số giữa lượng nước mưa chảy vào mạng lưới và lượng nước mưa rơi xuống. φ = qc / qr.
• Tính toán nước mưa: Dựa trên phương pháp cường độ giới hạn: Qtt = φ . q . F.
• Các dạng nhiễm bẩn (1.2.2): Bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng (N, P), kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh, và các yếu tố vật lý (nhiệt độ, pH).
• Chất thải rắn (1.2.3):
• Tổng hàm lượng cặn (TS): Là tổng các chất còn lại sau khi bốc hơi nước ở 103-105°C (ví dụ: 1000 mg/l).
• Cặn hòa tan (DS): Là cặn lọt qua giấy lọc (ví dụ: 800 mg/l).
• Cặn bay hơi (VS): Là cặn hữu cơ sau khi sấy ở 550-600°C.
• Cặn vô cơ: Là cặn còn lại sau khi sấy ở 550°C (tro).
• Cặn lơ lửng (SS): Là cặn có thể nhìn thấy bằng mắt thường hoặc loại bỏ bằng phương pháp lọc (ví dụ: 200 mg/l). Khoảng 70% là hữu cơ, 30% là vô cơ.
• Cặn lắng: Đo thể tích cặn lắng sau 30 phút (ví dụ: 130 ml/l).
• Các chỉ tiêu khác (1.2.4):
• BOD5 (Nhu cầu Oxy Sinh hóa 5 ngày): Lượng oxy cần thiết cho vi sinh vật để oxy hóa chất hữu cơ trong nước thải tại 20°C trong 5 ngày. BOD5 ≈ (0.68-0.7) BOD20.
• COD (Nhu cầu Oxy Hóa học): Lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn chất hữu cơ và một phần chất vô cơ. COD luôn lớn hơn BOD. Tỷ lệ COD/BOD càng nhỏ thì xử lý sinh học càng dễ. Nước thải sinh hoạt có BOD ≈ 0.86 COD.
• Oxy hòa tan (DO): Nồng độ oxy trong nước. Sự thay đổi DO có thể biểu diễn qua đường cong oxy hóa, cho thấy điểm tới hạn của Dmax (điểm nguy hiểm về vệ sinh) và điểm phục hồi oxy hòa tan tối đa.
• Thành phần thực cặn: Carbonhydrat (nguồn năng lượng chính), Protein (nguồn nitơ), Chất béo (bị phân hủy thành axit béo).
• pH: Đánh giá sự tồn tại của H+ trong nước thải, quan trọng trong xử lý.
• Các hợp chất có chứa N, P, S: Nitơ và Phốt pho là chất dinh dưỡng cho vi sinh vật. Sunfat trong điều kiện hiếm khí có thể sinh ra H2S gây mùi hôi.
• Thành phần vi sinh: Nước thải chứa lượng lớn vi khuẩn, vi trùng, nấm, rêu tảo, giun sán. Coli index/Colitit dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn vi khuẩn.
• Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hóa. Nhiệt độ thích hợp cho xử lý sinh học là 30-35°C.

III. Bảo vệ nguồn nước khỏi nhiễm bẩn và khả năng tự làm sạch của nguồn nước (1.3)

• Dấu hiệu nguồn nước nhiễm bẩn (1.3.1):Xuất hiện chất nổi trên bề mặt và cặn lắng đáy.
• Thay đổi tính chất vật lý (màu sắc, mùi vị).
• Thay đổi thành phần hóa học (lượng CHC, phản ứng, chất khoáng, chất độc).
• Lượng oxy hòa tan giảm.
• Thay đổi hình dạng và số lượng vi trùng gây bệnh.
• Quá trình tự làm sạch (QTTLS): Khi nguồn nước bị nhiễm bẩn, hệ sinh thái mất cân bằng. Nguồn nước tự điều chỉnh để tái lập trạng thái ban đầu. Gồm 2 giai đoạn: xáo trộn và tự làm sạch.
• Hệ số pha trộn (n): Tỷ lệ giữa lưu lượng nguồn và lưu lượng nước thải, là yếu tố quan trọng trong QTTLS. n = (Q + q) / q = (C - Cng) / (Cgh - Cng) Trong đó: C: hàm lượng bẩn của nước thải; Cng: hàm lượng bẩn của nguồn; Cgh: hàm lượng bẩn sau khi hòa trộn (yêu cầu); Q: lưu lượng nước nguồn; q: lưu lượng nước thải xả vào nguồn. Thực tế, chỉ một phần nước nguồn tham gia xáo trộn, đặc trưng bởi hệ số xáo trộn (α).
• Xác định mức độ xử lý nước thải (1.3.3): Mục tiêu không phải là loại bỏ hoàn toàn chất ô nhiễm mà là đạt mức độ cho phép xả vào nguồn (tiêu chuẩn xả thải).
• Theo SS: Hàm lượng chất lơ lửng cho phép C2 = p(φ.Q/q + 1) + Cng. Hiệu quả xử lý Eo = 100% * (C1 - C2) / C1.
• Theo BOD: BOD của nước thải cho phép xả vào nguồn L2 = .... Mức độ cần thiết xử lý Eo = (Lo - L2) / Lo * 100%.

IV. Các công trình xử lý nước thải (1.4)

Tài liệu nhấn mạnh 3 yếu tố quan trọng trong việc quyết định xây dựng công trình xử lý nước thải là Môi trường (Environment), Kỹ thuật (Engineering), và Kinh tế (Economic), cần phải hài hòa.

• Sơ đồ khối xử lý nước thải sinh hoạt (1.4.2):
• Khối xử lý cơ học: Song chắn rác, máy nghiền rác, bể lắng cát, sân phơi cát, bể lắng cát lần I, bể lắng lần I. Mục đích loại bỏ tạp chất lơ lửng thô, cát, cặn lắng.
• Khối xử lý sinh học: Công trình xử lý sinh học (ví dụ: bể Aeroten), bể lắng cát lần II (bể lắng II). Mục đích phân hủy chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
• Khối khử trùng: Máng trộn, bể tiếp xúc (ví dụ: Chlorine). Mục đích khử trùng trước khi xả ra nguồn.
• Khối xử lý cặn: Công trình xử lý cặn, công trình làm khô cặn. Mục đích xử lý bùn phát sinh.
• Giới thiệu một số dây chuyền xử lý nước thải (1.4.3):
• Xử lý nước thải sinh hoạt: Nước thải qua song chắn rác, bể vớt dầu mỡ (hoặc bể lắng ngang kết hợp), bể Aeroten, bể lắng II, bể tiếp xúc chlorine. Bùn được đưa vào bể lắng bùn, sau đó vào bể metan xử lý cặn hữu cơ.
• Nước thải là nguồn phân bón: Nước thải sinh hoạt chứa N, P, K có thể dùng làm phân bón. Tỷ lệ N:P:K thường là 5:1:2. Nước thải công nghiệp cũng có thể dùng nếu loại bỏ chất độc hại.
• Cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc: Dựa trên khả năng giữ cặn nước trên mặt đất, nước thấm qua đất được lọc, oxy trong lỗ hổng và mao quản đất giúp vi sinh vật hiếu khí phân hủy chất hữu cơ. Quá trình oxy hóa chỉ xảy ra ở lớp đất mặt sâu tới 1.5m.
• Yêu cầu xây dựng: Nơi có mực nước nguồn thấp hơn 1.5m, đất cát, đá cát, hoặc đất sét với tiêu chuẩn tưới không cao.
• Diện tích mỗi ô không nhỏ hơn 3 ha, trung bình 5-8 ha. Chiều dài ô 300-1500m, chiều rộng tùy địa hình.
• Khoảng cách vệ sinh phụ thuộc công suất (ví dụ: bãi lọc Q=200-5000 m³/ng: l=300m).
• Hệ thống tưới gồm mương chính, mương phân phối, hệ thống tưới trong các ô, và hệ thống tiêu nước (nếu nước không thấm).
• Hồ sinh học (4.1): Là công trình xử lý sinh học tự nhiên dựa trên khả năng làm sạch của hệ sinh vật, có thể dùng nuôi trồng thủy sản, tưới cây, điều hòa dòng chảy. Nhiệt độ tối ưu là 25-30°C, không quá 6°C. Chia thành hệ hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi.
• Hồ kỵ khí (4.1.3.1a): Dùng để lắng và phân hủy cặn lắng bằng phương pháp sinh học tự nhiên dựa trên sự phân giải của VSV kỵ khí.
• Đặc điểm: Chiều sâu 0.9-1.5m, tỷ lệ D:R = (1:1 - 2:1), có mái dốc.
• Hiệu quả xử lý: Tính toán thể tích hồ và diện tích mặt thoáng.
• Công trình xử lý sinh học nhân tạo (4.2):Bể lọc sinh học (Bể Biophin) (4.2.1): Có lớp vật liệu tiếp xúc không ngập nước. Nước thải phân phối đều, chảy thành màng qua vật liệu lọc. Màng sinh học hình thành trên bề mặt vật liệu và khe hở. Oxy được cấp từ đáy.
• Vật liệu lọc: Than đá cốc, đá cốc, cuội sỏi lớn, đá ong (60-100mm) hoặc nhựa đúc sẵn PVC. Chiều cao vật liệu (HVL) 1.5-9m.
• Hệ thống phân phối nước: Dàn ống quay hoặc dàn ống cố định.
• Bể Aerotank (4.2.2): Công trình xử lý sinh học sử dụng bùn hoạt tính (bùn xốp chứa nhiều VS có khả năng oxy hóa chất hữu cơ).
• Động học quá trình xử lý sinh học:Tốc độ tăng trưởng vi khuẩn rt = μ.X.
• Chất nền - giới hạn tăng trưởng μ = μm.S / (Ks + S).
• Tốc độ tăng trưởng và sử dụng chất nền rd = μm.X.S / (Y(Ks + S)).
• Ảnh hưởng hô hấp nội bào rd = -Kd.X.
• Tốc độ tăng trưởng thực rt' = (μm.S / (Ks + S) - Kd).X.
• Nguyên lý làm việc: Nước thải qua 3 giai đoạn: oxy hóa, phục hồi khả năng oxy hóa bùn hoạt tính, oxy hóa tiếp.
• Tính toán bể Aerotank: Bao gồm xác định hiệu quả xử lý BOD, thể tích bể, thời gian lưu nước, lượng bùn hữu cơ lơ lửng sinh ra, lượng không khí cần thiết, áp lực khí, công suất máy nén, kích thước bể và ống phân phối khí.

V. Vận hành và quản lý trạm xử lý nước thải (7)

• Vị trí và mặt bằng trạm xử lý (7.1.1.1):
• Nằm ở cuối hướng gió mùa hè, cuối dòng sông so với thành phố.
• Có độ dốc để nước tự chảy qua các công trình.
• Đất tốt, mực nước ngầm sâu.
• Vị trí và cống xả phải được cơ quan kiểm tra dịch tễ và chính quyền địa phương đồng ý.
• Khoảng cách vệ sinh: Phụ thuộc vào phương pháp xử lý và công suất. Ví dụ: xử lý cơ học có sân phơi bùn, công suất dưới 0.2 nghìn m³/ngày: 150m; trên 50 nghìn m³/ngày: 500m.
• Diện tích: Ước tính sơ bộ (ví dụ: xử lý sinh học nhân tạo, 5000 m³/ngày: 1.3-1.0 ha).
• Chọn phương pháp xử lý (7.1.1.2):
• Mức độ xử lý phải được tính toán theo điều kiện kinh tế, kỹ thuật, vệ sinh và được cơ quan vệ sinh trung ương duyệt.
• Dựa vào đặc điểm thành phần, lưu lượng nước thải và điều kiện địa phương.
• Ví dụ:
• Dưới 25m³/ngày: bể tự hoại, khử trùng.
• Dưới 5000m³/ngày: song chắn rác, bể lắng cát, bể lắng hai vỏ, trạm khử trùng, sân phơi bùn.
• Trên 7000m³/ngày: cánh đồng tưới, bể Aeroten.
• Ưu tiên sử dụng vật liệu địa phương.
• Thiết bị trên trạm xử lý (7.1.1.3):
• Thiết bị phân phối nước: Ngăn, giếng phân phối trước các bể lắng, bể Metan, bể Aeroten.
• Thiết bị đóng ngắt: Để dừng hoạt động khi cần rửa, ngừng hoặc sửa chữa.
• Thiết bị xả nước thải: Trước và sau các công trình xử lý cơ học khi có sự cố.
• Kênh, mương chính: Tính toán với lưu lượng gây lớn nhất, có tính đến khả năng mở rộng.
• Công trình phục vụ khác: Lò hơi, xưởng cơ khí, trạm biến thế, nhà xe, phòng hành chính, phòng thí nghiệm.
• Xung quanh trạm xử lý cần có hàng rào, cây xanh, chiếu sáng tốt.
• Mặt bằng tổng thể và cao trình trạm xử lý (7.1.2):
• Lập mặt bằng tổng thể (tỷ lệ 1:200, 1:500, 1:1000) và mặt cắt dọc theo chiều chuyển động của nước và bùn.
• Cao trình ảnh hưởng lớn đến giá thành do khối lượng công tác đất.
• Mức nước tại công trình đầu cống xả phải cao hơn mực nước cao nhất của nguồn để nước tự chảy.
• Tính toán tổn thất áp lực qua các công trình, thiết bị và đường dẫn.
• Thiết bị đo lưu lượng: Thường dùng máng Parshall để đo lưu lượng nước thải với độ chính xác cao (1%).
• Giai đoạn đưa công trình vào hoạt động (7.2.2):
• Sau khi nghiệm thu, cần thành lập tổ chức đặc biệt để vận hành tối ưu từng công trình, đảm bảo chất lượng nước xử lý và giá thành thấp.
• Đối với bể lắng hai vỏ: Để nhanh chóng tích lũy bùn chín (lên men mêtan), có thể lấy bùn đã lên men từ bể khác hoặc từ hồ lâu năm để bổ sung. Quá trình này có thể kéo dài 6-12 tháng nếu không có bùn chín ban đầu.
• Đối với bể Biophin: Bắt đầu hoạt động bằng cách rửa bể lọc, sau đó cho nước thải chảy vào với lưu lượng nhỏ trên vật liệu lọc để tạo màng sinh vật. Tốc độ tăng trưởng màng phụ thuộc nhiệt độ. Tăng dần lưu lượng sau khi xuất hiện nitrat.
• Đối với bể Aerotank: Giai đoạn này là tích lũy bùn hoạt tính. Có thể tạo bùn từ nước thải hoặc bơm bùn hoạt tính dư từ bể Aerotank cũ/trạm khác. Sau đó liên tục thổi khí cho đến khi không còn nitơ của muối amon và xuất hiện nitrat (nếu xử lý nitrat hóa).
• Kiểm tra quá trình xử lý (7.2.3):
• Kiểm tra định kỳ các chỉ tiêu vật lý, hóa học, sinh học của nước thải trước và sau xử lý.
• Thường xuyên đo lưu lượng nước thải, lượng cặn, bùn hoạt tính, lượng không khí cấp, oxy hòa tan, nhiệt độ.
• Lấy mẫu nước và bùn theo giờ, theo ngày, theo tháng để phân tích.
• Ghi chép đầy đủ các số liệu phân tích và hiện tượng bất thường.
• Các biện pháp giảm tải cho công trình (7.2.4):
• Phải kiểm tra hệ thống về thành phần và tính chất nước thải.
• Nếu công trình quá tải do tăng lưu lượng và nồng độ, phải báo cáo cấp trên và cơ quan thanh tra vệ sinh.
• Các biện pháp tạm thời: điều chỉnh chế độ bơm, vệ sinh kênh mương.
• Nước thải sản xuất có lưu lượng và nồng độ dao động lớn phải được xử lý cục bộ trước khi xả vào mạng lưới đô thị.
• Kỹ thuật an toàn (7.2.5.3):
• Huấn luyện an toàn lao động cho công nhân mới, hướng dẫn về cấu tạo, chức năng, kỹ thuật quản lý, sử dụng máy móc, và tránh tiếp xúc trực tiếp với nước thải và cặn.
• Trang bị quần áo bảo hộ, chỗ rửa tay, tắm, thùng nước sạch.

Đối với các công việc liên quan đến hóa chất (clo, clorua vôi) hoặc khí độc (trong bể Metan), phải có hướng dẫn và quy tắc đặc biệt.
Link download bản full tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/1fuI_sEguY_elNBVcCD0AACwpvJESJa3W/view?usp=sharing