Bước đầu nghiên cứu thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho thành phố Thái Nguyên

Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 59 - 65 59 BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN Phạm Hương Quỳnh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Thành phố Thái nguyên là một đô thị loại 2 với dân số 256.346 và mật độ dân số 1.288 người/km2. Lượng nước cấp cho dân cư trong thành phố chủ yếu được cung cấp bởi 2 nhà máy nước Tích Lương (Công suất 20.000m3/ ngày.đêm và chuẩn bị nâng lên 40.000m3 /ngày .đêm) và nhà máy nước Túc Duyên (công suất 10.000m3/ngày.đêm). Ngoài ra còn một lượng nước sinh hoạt được người dân tự khai thác từ các giếng khơi và các nguồn khác. Như vậy trung bình 1 ngày toàn thành phố sẽ thải ra môi trường xấp xỉ 30.000 m3 nước thải sinh hoạt. Nhưng trên địa bàn thành phố cũng như trên toàn tỉnh vẫn chưa có nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt nào hoạt động. Đồng nghĩa với lượng nước thải sinh hoạt không được xử lý mà đã thải trực tiếp ra môi trường sẽ để lại những tác động xấu tới con người và hệ sinh thái. Việc thiết kế, xây dựng một hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt của thành phố là cần thiết để góp phần vào sự phát triển của Thành phố. Từ khóa: Xử lý nước thải, nước thải sinh hoạt TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN* Nguồn gốc nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt ở các gia đình, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác của cộng đồng như tắm, giặt, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân [1]. Lượng nước thải sinh hoạt của một khu cư dân phụ thuộc và dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước. Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của các nhà máy nước sạch hay các trạm cấp nước hiện có. Các trung tâm, đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượng nước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn. Tiêu chuẩn nước cấp sinh hoạt cho một khu đô thị 120-250 lít/người.ngày[2]. Lượng nước thải sinh hoạt vào khoảng 80% lượng nước cấp. Vì vậy lượng nước thải sinh hoạt của một người tại đô thị vào khoảng 85- 200 lít/người.ngày. Nước thải sinh hoạt ở các vùng thành thị được hệ thống thoát nước dẫn ra các sông, hồ, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải sinh hoạt thường được tiêu * Tel: thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm. Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt - Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh. - Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. - Nước mưa chảy tràn Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa đựng trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40%-50%), hydrat cacbon (40%- 50%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150- 450mg/l theo trọng lượng khô. Có khoảng 20- 40% chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. HIỆN TRẠNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Điều kiện tự nhiên, xã hội của thành phố Thái Nguyên Thành phố Thái Nguyên nằm bên bờ sông Cầu diện tích 189,705 km2[7]. Dân số 256.346 và mật độ dân số 1288 người/km2.[7] Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 59 - 65 60 Vị trí địa lý thành phố Thái Nguyên: - Phía Đông giáp huyện Phú Bình. - Phía Tây giáp huyện Phổ Yên. - Phía Nam giáp thị xã Sông Công. - Phía Bắc giáp huyện Đại Từ, Phú Lương và Đồng Hỷ. -Toạ độ địa lí là 105051' Đ và 21034'B. Bảng 1: Thành phần cơ bản của nước thải sinh hoạt:[4] STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả 1 pH - 6-8 2 COD mg/l 400-550 3 BOD5 mg/l 110-350 4 TSS mg/l 200-350 5 N-NH4 mg/l 15-30 6 TN mg/l 20-85 7 TP mg/l 3-25 8 Coliform MPN/100ml 104-109 Địa hình của thành phố gồm các dạng địa hình đồi thấp, độ cao 30-50m, xen kẽ các ruộng trũng và thung lũng cao khoảng 20m. Hai phía Bắc - Nam thành phố có sông Cầu và sông Công, phía Tây thành phố là hồ Núi Cốc. Thành phố nằm trên địa bàn có nhiều tuyến đường giao thông huyết mạch chạy qua như đường Phan Đình Phùng, đường Cách Mạng Tháng Tám, đường Hoàng Văn Thụ, đường quốc lộ 3 và đường cao tốc Thái Nguyên – Hà Nội nối Thái Nguyên với các trung tâm kinh tế lớn của vùng Đông Bắc và đồng bằng Sông Hồng. Đồng thời có nhiều cơ quan xí nghiệp của thành phố, của tỉnh, của trung ương đóng trên địa bàn. Những yếu tố này tạo cho thành phố nhiều lợi thế trong việc mở rộng giao lưu kinh tế văn hóa với các khu vực lân cận nhưng nó cũng là thách thức của thành phố với những vấn đề an ninh xã hội và đăc biệt là vấn môi trường. Khí hậu thành phố Thái Nguyên cũng như của cả tỉnh chia làm 2 mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 và mùa khô từ tháng 10 đến tháng 5. Lượng mưa trung bình hàng năm khoảng 2.000 đến 2.500 mm. Cao nhất vào tháng 8 và thấp nhất vào tháng 1. Nhiệt độ trung bình các tháng trong năm là 26,50C, độ ẩm trung bình 83,2%, tốc độ bốc hơi trung bình 6,5%.[7] Thành phố bao gồm 18 phường là Trưng Vương, Thịnh Đán, Tân Long, Quán Triều, Quang Vinh, Quang Trung, Hoàng Văn Thụ, Đồng Quang, Phan Đình Phùng, Túc Duyên, Tân Thịnh, Gia Sàng, Tân Lập, Phú Xá, Cam Giá, Trung Thành, Hương Sơn, Tân Thành và 8 xã là Phúc Hà, Phúc Xuân, Quyết Thắng, Phúc Trìu, Thịnh Đức, Tân Cương, Tích Lương, Lương Sơn. Thành phố Thái Nguyên là đô thị loại 2, đóng vai trò là trung tâm của khu vực trung du và miền núi Bắc Bộ, là trung tâm kinh tế-chính trị-văn hóa-y tế-giáo dục-khoa học-quân sự của vùng Đông Bắc. Thành phố có hệ thống giáo dục đứng thứ ba so với cả nước chỉ sau Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh. Với 6 trường đại học và rất nhiều trường cao đẳng trung học chuyên nghiệp, Thái Nguyên đã trở thành một trong những trung tâm đào tạo lớn của đất nước, và là một đô thị loại hai nên những vấn đề về môi trương cần được quan tâm nhiều hơn nữa. Do mức độ tập trung dân số đông mật độ lớn. Vì vậy thành phố chịu nhiều sức ép về vấn đề môi trường, đặc biệt là việc thu gom xử lý nước thải sinh hoạt. Hiện trạng xử lý nước thải sinh hoạt ở thành phố Thái Nguyên Hiện nay toàn bộ nước sinh hoạt của thành phố được cung cấp bởi 2 nhà máy nước Tích Lương (Công suất 20.000m3/ ngày.đêm và chuẩn bị nâng lên 40.000m3 /ngày .đêm) và nhà máy nước Túc Duyên (công suất 10.000m3/ngày.đêm). Ngoài ra còn một lượng nước sinh hoạt được người dân tự khai thác từ các giếng khơi và các nguồn khác. Về cơ bản đảm bảo lượng nước sạch cho người dân. Như vậy trung bình 1 ngày toàn thành phố sẽ thải ra môi trường xấp xỉ 30.000 m3 nước thải sinh hoạt. Nhưng trên địa bàn thành phố cũng như trên toàn tỉnh vẫn chưa có nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt nào hoạt động. Đồng nghĩa với lượng nước thải kia không được xử lý mà đã thải trực tiếp ra môi trường. Hơn nữa toàn bộ hệ thống thu gom nước thải cũng như nước mưa toàn thành phố đang xuống cấp nghiêm trọng do được xây dựng đã lâu và thiếu quy hoạch thống nhất, đã làm ảnh hưởng đến khả năng thu gom nước thải và nước mưa. Khi lượng nước thải sinh hoạt nay không được thu gom và xử lý hiệu quả nó sẽ gây ra những hậu quả vô cùng to lớn. Hơn Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 59 - 65 61 nữa thành phố nằm ở trung tâm của tỉnh và là thành phố loại 2 của cả nước lên những vấn đề về môi trường cần phải đặc biệt quan tâm triệt để. Tác động của nước thải sinh hoạt đến môi trường thành phố Nếu để nước thải sinh hoạt của thành phố chảy tràn về các kênh các suối thoát nước, sau đó nước thải này được đổ xuống sông Cầu làm ô nhiễm nước của dòng sông đặc biệt là những tháng mùa khô. Ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước của dòng sông và khả năng cung cấp nước sạch cho chính thành phố và trên toàn tỉnh và tất cả các tỉnh nằm theo trên lưu vực của dòng sông Cầu. Nếu nước thải sinh hoạt không có hệ thống thu gom và xử lý hợp lý khi chảy qua các khu dân cư nó gây mùi hôi thối do quá trình phân hủy các chất trong nước thải làm ảnh hưởng đến đời sống của người dân và mỹ quan của thành phố. Đối với một đô thị đang trên đà phát triển cần thu hút nhiều sự đầu tư từ bên ngoài. Khi để vấn đề ô nhiễm xảy ra sẽ làm giảm khả năng thu hút đầu tư từ bên ngoài, từ đây ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phát triển của thành phố nói riêng và của tỉnh nói chung. Do thành phố không có hệ thống thu gom xử lý nước thải sinh hoạt hoàn chỉnh nên các nguồn nước thải sinh hoạt rất dễ gây ô nhiễm môi trường và gây những hậu quả là rất to lớn. Khi xảy ra sự ô nhiễm chúng ta cần rất nhiều kinh phí để khắc phục hậu quả điều này ảnh hưởng lớn tới tốc độ tăng trưởng kinh tế và khả năng thu hút đầu tư từ bên ngoài vào. Lưu lượng thiết kế Tổng số dân của 12 phường: Trưng Vương, Quan triều, Quang vinh, Hoàng Văn Thụ, Đồng Quang, Quang Trung, Phan Đình Phùng, Túc Duyên, Gia Sàng, Tân lập, Phú Xá, Cam Giá là 123.576 người( số liệu thống kê dân số 2009. Theo tiêu chuẩn thải là 120l/người.ngày. Lưu lượng nước thải tính toán: Qtbngày = 15000m3/ngày chọn ày tb ngQ = 15000 m3/ngày = 173,6 l/s =×= tb ngàyQngàyKngàyQ maxmax =13x15000=19500m3/ngày K: Hệ số mở rộng K = 1,3 =×= tbngàyngàyngày QKQ minmin = 0,9x15000=13500m3/ngày )/(75,93 3600 10005,337 3600 1000 )/(677 3600 10005,2437 3600 1000 )/(5,337 24 135006,0 24 )/(5,2437 24 195003 24 min min max max 3 minmin min 3 maxmax max slQQ slQQ hm QKQ hm QKQ h s h s ngàyh h ngàyh h = × = × = = × = × = = × = × = = × = × = - Hàm lượng chất lơ lửng SS : ass = 60g/người.ngày - Nhu cầu oxy hóa sinh hóa của nước thải đã lắng: aBOD = 35g/người.ngày - Hàm lượng nitơ amon (N-NH4+) : aN-NH+4 = 7g/người.ngày - Hàm lượng chất lơ lửng trong nước thải là. )/(500 120 1000601000 lmg q aC o SS SH = × =×= - Hàm lượng BOD5 của nước thải xác định theo công thức. )/(292 120 100035100 lmg q a L o BOD SH = × =×= - Hàm lượng nitơ amoni của nước thải. )/(33,581000 120 710004 4 lmg q a C o NHN NHN =×=×= + + − − Vậy việc cấp thiết nhất lúc này là phải thiết kế, xây dựng hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho thành phố để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của thành phố nói riêng và của cả tỉnh nói chung. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Công nghệ 1 Sơ đồ công nghệ (Hình 1) Thuyết minh công nghệ 1 Nước thải được hệ thống thu gom nước thải dẫn về khu vực xử lý tập trung, trước khi đi vào hệ thống xử lý nước thải được chảy qua song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô có kích thước lớn như giấy, rẻ, túi nilông, dây buộc có lẫn trong nước thải. Tránh làm tắc và giảm hiệu quả của các công trình xử lý tiếp theo. Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 59 - 65 62 Hình 1: Sơ đồ công nghệ XLNT bằng mương ôxi hóa Sau khi nước thải qua song chắn rác được dẫn vào hố thu. Từ hố thu nước thải được bơm lên ngăn tiếp nhận để lấy cao trình. Sau đó nước thải cho tự chảy vào bể lắng cát qua hệ thống van điều lưu để đảm bảo vận tốc dòng chảy, để không gây sự xáo trộn trong bể lắng cát. Ở bể lắng cát thực hiện quá trình lắng cát và các chất rắn vô cơ không tan có kích thước từ 0,2 - 2 mm có trong nước thải, thời gian lưu nước trong bể khoảng 30-60s để tránh hiện tượng lắng và phân hủy các chất hữu cơ ở bể lắng cát. Nước thải sau khi ra khỏi bể lắng cát được dẫn vào bể điều hòa, tại bể điều hòa thực hiện quá trình ổn định nồng độ và lưu lượng nước thải. Tránh hiện tượng đột biến về nồng độ và lưu lượng trong ngày khi nhu cầu sử dụng nước thay đổi theo nhu cầu sinh hoạt. Sau đó nước thải được dẫn sang bể lắng cấp một. Tại bể lắng cấp một thực hiện quá trình lắng làm giảm một lượng các chất hữu cơ trước khi nước được dẫn sang mương oxy hóa. Nước được dẫn vào mương oxy hóa qua van điều chỉnh lưu lượng. Trong suốt chiều dài của mương xảy ra quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải nhờ hệ vi sinh vật hiếu khí và yếm khí. Sau thời gian xử lý ở mương oxy hóa, nước thải đạt tiêu chuẩn thải và được sang bể lắng cấp hai để lắng nước thải được thải ra nguồn tiếp nhận. Rác thu gom được ở song chắn rác được đưa tới máy nghiền rác và sau đó được xử lý hợp vệ sinh. Bùn lắng từ bể lắng thứ cấp được đưa sân phơi bùn để xử lý sau đó được chôn lấp hợp vệ sinh. Cát thu được ở bể lắng cát đưa đến sân phơi cát và đưa đi sử dụng cho các mục đích khác. Công nghệ 2 Sơ đồ công nghệ (Hình 2) Thuyết minh sơ đồ 2 Nước thải được hệ thống thu gom nước thải dẫn về khu vực xử lý tập trung, nước thải được chảy qua song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô có kích thước lớn có lẫn trong nước thải, tránh làm tắc và giảm hiệu quả của các công trình xử lý tiếp theo. Sau khi nước thải qua song chắn rác được chảy vào hố thu. Từ hố thu nước thải được bơm lên ngăn tiếp nhận để lấy cao trình làm cho dòng nước có khả năng tự chảy. Sau đó nước thải cho tự chảy vào bể lắng cát qua hệ thống van điều lưu để đảm bảo vận tốc dòng chảy, để không gây sự xáo trộn trong bể lắng cát. Ở bể lắng cát thực hiện quá trình lắng cát và các chất rắn vô cơ không tan có kích thước từ 0,2-2 mm có trong nước thải, thời gian lưu nước trong bể khoảng một phút để tránh hiện tượng lắng và phân hủy các chất hữu cơ ở bể lắng cát. Nước thải sau khi ra khỏi bể lắng cát được dẫn vào bể điều hòa, tại bể điều hòa thực hiện quá trình ổn định nồng độ và lưu lượng nước thải. Sau đó nước thải được chảy sang ngăn lắng. Tại bể lắng cấp 1 tiếp tục thực hiện quá trình lắng bằng trọng lực các hạt cặn có trong nước thải theo dòng chảy liên tục vào và ra bể. Sau đó nước thải chảy đến hệ thống Aeroten. Trong bể Aeroten xảy ra quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước thải nhờ hệ vi sinh vật hiếu khí, sau đó được đưa tới bể lắng cấp 2. Ở bể lắng cấp 2 tuần hoàn lại một lượng bùn hoạt tính để ổn định vi sinh vật có trong bể Aroten, nhằm Xử lý bùn dư Nguồn tiếp nhận SCR Hố thu Ngăn tiếp nhận Bể lắng cát ngang Bể điều hòa Mương oxy hóa Bể lắng thứ cấp Tuần hoàn bùn Máy nghiền rác Sân phơi cát Khử trùng Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 102(02): 59 - 65 63 tăng cao hiệu quả xử lý của quá trình. Trên đường thải ra nguồn tiếp nhận bổ sung hóa chất khử trùng. Hình 2: Sơ đồ công nghệ XLNT bằng công nghệ Aeroten Công nghệ 3 Sơ đồ công nghệ (Hình 3) Thuyết minh công nghệ Từ hệ thống thu gom nước thải dẫn về khu vực xử lý tập trung, nước thải được chảy qua song chắn rác trước khi đi vào hệ thống xử lý chính để loại bỏ các tạp chất thô có kích thước lớn có lẫn trong nước thải. tránh làm tắc và giảm hiệu quả của các công trình xử lý tiếp theo. Sau đó nước thải được dẫn vào bể lắng cát. Ở bể lắng cát thực hiện quá trình lắng cát, sỏi, và các chất vô cơ không tan trong nước thải, các chất có thể lắng có trong nước thải, thời gian lưu của nước thải ở đây rất ngắn khoảng 30-70s để tránh hiện tượng lắng và phân hủy các chất hữu cơ ở bể lăng cát. Nước thải sau khi ra khỏi bể lắng cát được dẫn hồ sinh học 1 (hồ kỵ khí). Để các chất ô nhiễm nhờ hệ vi sinh vật yếm khí. Sau quá trình phân hủy kỵ khí các chất ô nhiễm có trong nước thải, nước thải được đưa tới hồ sinh học thứ 2 (hồ hiếu khí). Ở đây tiếp tục xảy ra quá trình phân hủy các chất ô nhiễm nhờ hệ vi sinh vật hiếu khí. Sau một thời gian lưu ở hồ sinh học thứ 2 vừa để xử lý triệt để và ổn định các chất ô nhiễm trước khi được thải vào môi trường. Sau đó nước thải được thải vào nguồn tiếp nhận. Rác thu gom được ở song chắn rác được đưa tới máy nghiền rác và sau đó được đưa vào bể metan để xử lý. Cát thu được ở bể lắng cát đưa đến sân phơi cát và đưa đi sử dụng cho các mục đích khác. Bùn sinh ra sau quá trình xử lý ở bể metan được đưa đến sân phơi bùn hoặc đem đi xử lý. Hình 3. Sơ đồ công nghệ XLNT bằng hồ sinh học Công nghệ 4 Sơ đồ công nghệ (Hình 4) Thuyết minh công nghệ Nước thải được hệ thống thu gom dẫn về khu xử lý tập trung đưa vào hố thu gom. Trước khi vào hệ thống thu gom, nước thải được cho chảy qua song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô kích thước lớn ra khỏi nước thải. Sau đó nước thải từ hố thu được bơm lên bể lắng cát Nguồn tiếp nhận Xử lý bùn SCR Hố thu Ngăn tiếp nhận Bể lắng cát ngang Bể điều hòa Bể Aeroten Lắng ly tâm Tuần hoàn bùn nghiền rác Sân phơi cát Nước thải đầu vào Khử trùng K Sân phơi cát SCR Nước thải đầu vào Bể lắng cát Hồ sinh học 1 Hồ sinh học 2 Nước thải đầu ra Máy nghiền rác Bể mêtan Thu khí Xử lý bùn