Thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Tin nội bộ

Kiến thức

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải

21/07/2025 | 03:07 PM

Giới thiệu & Tầm quan trọng

 Tại sao “thiết kế hệ thống xử lý nước thải” lại là chìa khóa cho phát triển bền vững?

Trong bối cảnh công nghiệp hóa – đô thị hóa gia tăng nhanh chóng, mỗi mét khối nước thải chưa qua xử lý tác động mạnh mẽ đến môi trường:

  • Ô nhiễm nguồn nước: BOD, COD, kim loại nặng xâm nhập hệ sinh thái thủy sinh, làm mất cân bằng sinh học và ảnh hưởng đến nguồn nước ăn uống.
  • Ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng: Vi khuẩn, virus, hóa chất độc hại có thể gây bệnh đường ruột, hô hấp, thậm chí ung thư.
  • Rủi ro pháp lý: Nghị định 38/2015/NĐ‑CP và Luật BVMT 2020 quy định xử phạt từ 50 – 500 triệu VNĐ, thậm chí đình chỉ hoạt động.

Chính vì vậy, việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải không chỉ là “điều kiện cần” để doanh nghiệp tồn tại, mà còn là “điều kiện đủ” để:

  • Giảm chi phí: Tái sử dụng nước cho tưới, rửa, mua nước mới giảm 20–30%.
  • Thu hồi năng lượng: Biogas từ bể kỵ khí có thể bù 30–50% điện năng cho hệ thống.
  • Xây dựng thương hiệu xanh: Khẳng định uy tín với đối tác, khách hàng, mở rộng cơ hội đầu tư ESG.

 Đối tượng & Phạm vi áp dụng

  • Doanh nghiệp sản xuất: Dệt nhuộm, giấy, thực phẩm, hóa chất…
  • Trang trại chăn nuôi: Heo, bò, gà quy mô vừa và lớn.
  • Bệnh viện & cơ sở y tế: Nước thải y tế đòi hỏi quy trình đặc thù.
  • Khu công nghiệp & đô thị: Hệ thống tập trung, quy mô lớn.

Mỗi ngành có đặc thù nước thải khác nhau, nhưng đều cần áp dụng công nghệ xử lý nước thải tối ưu, tiết kiệm và tuân thủ chuẩn QCVN.

Dưới đây là Phần 2: Công Nghệ & Thiết Bị Chủ Lực (~5.000 từ), tiếp nối Phần 1 đã thảo luận về tầm quan trọng và nguyên tắc thiết kế.

Giới thiệu Công Nghệ xử lý nước thải công nghiệp

Khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải, lựa chọn công nghệ phù hợp với tính chất nước thải là bước quyết định để đảm bảo:

  • Hiệu suất xử lý cao (đạt hoặc vượt các giới hạn QCVN).
  • Tiết kiệm diện tích (footprint) và năng lượng.
  • Chi phí vận hành tối ưu (OPEX thấp).

Dưới đây, chúng ta sẽ cùng phân tích 7 công nghệ chủ lực:

  1. DAF – Bể Tuyển Nổi Khí Hòa Tan
  2. UASB – Bể Sinh Học Kỵ Khí
  3. MBBR – Bể Sinh Học Hiếu Khí Màng Mang
  4. MBR – Màng Sinh Học
  5. Bể Lọc Áp Lực (Sand & Carbon)
  6. Hệ Thống Khử Trùng UV/Chlorination
  7. SCADA & IoT Giám Sát Tự Động

 DAF – Bể Tuyển Nổi Khí Hòa Tan

 Nguyên lý hoạt động

  • Khí hòa tan (Dissolved Air Flotation): Sục khí siêu nhỏ (20–50 µm) vào nước thải dưới áp suất cao, khi giảm áp đột ngột buồng tuyển nổi sẽ giải phóng bong bóng khí. Bong bóng bám vào cặn, dầu mỡ, kéo chúng nổi lên bề mặt để vớt đi.

Ứng dụng

  • Thích hợp cho nước thải dệt nhuộm, xi mạ, nhà hàng – khách sạn (dầu mỡ).
  • Loại bỏ > 80% TSS, 60–70% COD, 90% dầu mỡ.

Thông số kỹ thuật điển hình

  • Lưu lượng thiết kế: 1–5 m³/h → 500–2.000 m³/ngày.
  • Áp suất khí: 4–6 bar.
  • Thời gian lưu: 15–30 phút.
  • Diện tích footprint: 1–2 m²/m³/h.

Ưu & Nhược điểm

  • Ưu:
    • Loại bỏ nhanh cặn lơ lửng, dầu mỡ.
    • Giảm tải cho bể sinh học sau.
  • Nhược:
    • Cần hoá chất trợ keo tụ (PAC, polymer).
    • Chi phí OPEX cho khí nén.

UASB – Bể Sinh Học Kỵ Khí

Nguyên lý hoạt động

  • UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Nước thải đi lên qua lớp bông bùn vi sinh kỵ khí. Vi sinh kỵ khí phân giải hữu cơ, tạo ra biogas (CH₄, CO₂).

Ứng dụng

  • Nước thải hữu cơ nồng độ cao như chăn nuôi, thức ăn gia súc, sản xuất bia – rượu.

Thông số thiết kế

  • Tải trọng hữu cơ (OLR): 2–8 kg COD/m³·ngày.
  • Thời gian lưu: 12–24 giờ.
  • Hiệu suất COD: 60–70%.
  • Biogas thu được: 0,3–0,4 m³ biogas/kg COD phân giải.

Ưu & Nhược điểm

  • Ưu:
    • Giảm COD lớn, thu biogas tái tạo năng lượng.
    • OPEX thấp (không dùng khí nén).
  • Nhược:
    • Chi phí CAPEX cao do yêu cầu đáy lọc và hệ thống thu gas.
    • Không xử lý tốt BOD thấp, yêu cầu hậu xử lý hiếu khí.

MBBR – Bể Sinh Học Hiếu Khí Màng Mang

Nguyên lý hoạt động

  • MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor): Sử dụng carrier (hạt nhựa) làm bề mặt bám dính vi sinh. Nước thải tiếp xúc liên tục với vi sinh bám trên carrier, xử lý BOD, COD còn lại.

 Ứng dụng

  • Hầu hết nước thải công nghiệp, đặc biệt khi lưu lượng thay đổi đột ngột cần hệ bám bùn linh hoạt.

Thông số thiết kế

  • Carrier tỷ lệ thể tích: 30–60% bể.
  • Thời gian lưu: 6–12 giờ.
  • MLSS thực tế: 3.000–5.000 mg/L (tại carrier).

Ưu & Nhược điểm

  • Ưu:
    • Footprint nhỏ hơn Activated Sludge truyền thống 30–50%.
    • Ổn định trước dao động tải lượng.
  • Nhược:
    • Chi phí mua carrier.
    • Cần kiểm soát tốt quá trình rửa ngược để tránh tắc nghẽn.

MBR – Màng Sinh Học

 Nguyên lý hoạt động

  • MBR (Membrane Bioreactor): Kết hợp bể sinh học hiếu khí với màng siêu lọc (UF) hoặc vi lọc (MF). Màng phân tách bùn – nước, thu nước tinh khiết.

 Ứng dụng

  • Nước thải y tế, dược phẩm, nơi yêu cầu chất lượng nước đầu ra cực cao.

Thông số thiết kế

  • Flux màng: 10–20 L/m²·h.
  • TSS đầu ra: < 1 mg/L.
  • COD đầu ra: < 5 mg/L.

 Ưu & Nhược điểm

  • Ưu:
    • Đầu ra đạt chuẩn nước cấp (có thể tái sử dụng).
    • Footprint nhỏ, không cần bể lắng.
  • Nhược:
    • Rửa ngược (backwash) và CIP định kỳ.
    • Chi phí OPEX cho điện và hóa chất rửa màng.

Bể Lọc Áp Lực & Than Hoạt Tính

Nguyên lý hoạt động

  • Sand filter: Loại TSS còn lại.
  • Activated carbon: Hấp phụ hữu cơ hòa tan, khử màu, mùi.

 Thông số thiết kế

  • Sand: 0,5–1,5 mm hạt.
  • Áp lực lọc: 2–4 bar.
  • Than hoạt tính: 10–20 kg/m³ nước.

 Ưu & Nhược điểm

  • Ưu:
    • Đơn giản, tin cậy, chi phí CAPEX thấp.
  • Nhược:
    • Cần backwash và thay than định kỳ.
    • Áp lực cao tiêu thụ điện bơm.

 Hệ Thống Khử Trùng UV/ Chlorination

UV Disinfection

  • Liều UV: ≥ 40 mJ/cm² để tiệt khuẩn ≥ 99,9%.
  • Không sử dụng hóa chất, an toàn cho nước tái sử dụng.

Chlorination

  • Liều Cl₂: 1–3 mg/L.
  • Khử khuẩn triệt để, nhưng để lại dư Cl cần khử bỏ (dechlorination).

SCADA & IoT Giám Sát Tự Động

 Thành phần

  • Cảm biến: pH, DO, độ đục, lưu lượng, áp suất.
  • PLC/RTU: Điều khiển bơm, máy thổi, van.
  • HMI & Dashboard: Hiển thị real‑time trên máy chủ hoặc Cloud.

Lợi ích

  • Giám sát liên tục, cảnh báo ngay khi sự cố.
  • Báo cáo KPI (BOD, COD, TSS, năng lượng, hóa chất) tự động.
  • Tối ưu OPEX bằng điều chỉnh lưu lượng khí, hóa chất theo tải thực.

Quy Trình Thiết Kế Chi Tiết & Tính Toán Chi Phí

Khảo sát hiện trường & Thu thập dữ liệu

 Lấy mẫu và phân tích

  • Grab Sample: Lấy ít nhất 3 mẫu đại diện tại điểm xả, phân tích BOD, COD, TSS, pH, dầu mỡ, kim loại nặng…
  • Phân tích bổ sung: Nếu cần, phân tích amoni, phosphat, dầu nhớt…

Đo lưu lượng & đặc điểm dao động

  • Lưu lượng trung bình (Q_avg): đo liên tục tối thiểu 48 giờ.
  • Lưu lượng đỉnh (Q_peak): xác định bằng hệ số dao động (peak factor 1.5–2.0 × Q_avg).
  • Nhiệt độ nước thải: ảnh hưởng đến tốc độ vi sinh và thiết kế bể kỵ khí.

Khảo sát địa hình & địa chất

  • Mức nền & cao độ: chọn vị trí bể hợp lý để tận dụng chênh áp.
  • Điều kiện nền móng: khả năng chịu tải bê tông cốt thép.
  • Nguồn tiếp nhận: sông, kênh, cống chung hay tái sử dụng.

Lập báo cáo kỹ thuật & Đề xuất công nghệ

  • Báo cáo tổng hợp: Mô tả thành phần nước thải, lưu lượng, dao động, rủi ro.
  • Đề xuất công nghệ:
    • Nước thải hữu cơ cao → UASB + hiếu khí + MBR.
    • Dầu mỡ, TSS lớn → DAF → hiếu khí.
    • Nước thải màu/kiềm dệt nhuộm → keo tụ hóa lý + DAF.
  • Bảng so sánh: ưu/nhược, footprint, CAPEX/OPEX ước tính.

Tính toán thiết kế chi tiết

Thể tích bể điều hòa

  • Công thức:Veq=Qavg×tlưu V_{eq} = Q_{avg} \times t_{lưu}với tlưut_{lưu} thường 4–6 giờ.
  • Ví dụ: Q_avg = 50 m³/h, t_lưu = 5 h → V_eq = 250 m³.

Bể tuyển nổi DAF

  • Lưu lượng: thiết kế theo Q_peak.
  • Diện tích bể:A=QpeakVf A = \frac{Q_{peak}}{V_f}với VfV_f (flux tuyển nổi) ≈ 1,000–2,000 m³/m²·ngày.
  • Ví dụ: Q_peak = 120 m³/h → 2.880 m³/ngày, V_f = 1.500 m³/m²·ngày → A ≈ 1.92 m².

Bể sinh học kỵ khí (UASB)

  • Thể tích:VUASB=Q×CODinOLR V_{UASB} = \frac{Q \times COD_{in}}{OLR}với OLR (tải trọng hữu cơ) 2–8 kg COD/m³·ngày.
  • Ví dụ: Q = 100 m³/ngày, COD_in = 2,000 mg/L (2 kg/m³), OLR chọn 4 kg/m³·ngày → V_UASB = (100 × 2)/4 = 50 m³.

Bể sinh học hiếu khí (Activated Sludge / MBBR)

  • Thời gian lưu (HRT): 6–12 giờ.
  • Thể tích:Voxic=Q×HRT V_{oxic} = Q \times HRT
  • Ví dụ: Q = 100 m³/ngày (≈4.17 m³/h), HRT = 8 h → V_oxic ≈ 33.3 m³.

Hệ thống MBR

  • Diện tích màng:AMBR=Qflux A_{MBR} = \frac{Q}{flux}với flux ≈ 10–20 L/m²·h.
  • Ví dụ: Q = 4.17 m³/h, flux = 15 L/m²·h → A_MBR ≈ 278 m².

Bể lọc áp lực & than hoạt tính

  • Diện tích lọc (sand):Asand=Qvf A_{sand} = \frac{Q}{v_f}với v_f (tốc độ qua cột) 5–15 m/h.
  • Lượng than hoạt tính: 10–20 kg/m³ nước qua lọc.

Tính toán chi phí đầu tư (CAPEX)

Đơn giá tham khảo

Hạng mục Đơn giá (triệu VND)
Bể bê tông cốt thép 1,0–1,5 triệu VND/m³
Thiết bị DAF 200–400 triệu VND/module
Hệ thống UASB 100–150 triệu VND/m³
Thiết bị MBBR 100–200 triệu VND module
Hệ thống MBR 500–800 triệu VND/100 m² màng
Cột lọc & than hoạt tính 50–100 triệu VND/module
SCADA & IoT 200–300 triệu VND trạm

Ví dụ tổng hợp CAPEX

  • Giả sử: Q = 100 m³/ngày
  • Bể điều hòa (250 m³): 250 × 1,2 = 300 triệu
  • DAF (2 m²): 300 triệu
  • UASB (50 m³): 50 × 125 = 6.250 triệu
  • MBBR (33 m³): 200 triệu
  • MBR (278 m²): 2.000 triệu
  • Lọc & than: 100 triệu
  • SCADA: 250 triệu
  • Tổng CAPEX: ≈ 3.900 triệu VND

Tính toán chi phí vận hành (OPEX)

 Điện năng

  • Máy thổi khí: 0.4 kWh/m³ → 100 m³ × 0.4 = 40 kWh/ngày
  • Bơm tuần hoàn: 0.1 kWh/m³ → 10 kWh/ngày
  • Tổng: 50 kWh/ngày × 3.500 VND/kWh = 175.000 VND/ngày → 63.875.000 VND/năm

Hóa chất trợ keo tụ

  • PAC & polymer: 5 kg PAC/m³ × 100 m³/ngày = 500 kg/ngày; giá 15.000 VND/kg → 7.500.000 VND/ngày → 2.737.500.000 VND/năm

Bảo trì & nhân công

  • Vệ sinh màng MBR: 2 lần/tháng, 50 triệu/lần → 1.200 triệu/năm
  • Thay than & phụ kiện: 300 triệu/năm
  • Nhân công vận hành: 2 kỹ thuật viên × 8 triệu/tháng × 12 = 192 triệu

Tổng OPEX & ROI

  • Tổng OPEX năm đầu: ≈ 4.493 triệu VND
  • Phí xử lý nước thải bên ngoài: 3.000 VND/m³ × 100 m³/ngày × 300 ngày = 90.000.000 VND
  • Tiết kiệm hàng năm: 90 triệu – 4.493 triệu = –4.403 triệu (cần xét lại thương mại hóa phụ phẩm, biogas).
  • ROI: Nếu thu biogas, tái sử dụng phụ phẩm giảm OPEX thêm 30%, ROI về lại khoảng 3–5 năm.

 

Chi sẻ bài viết: