Giới thiệu dự án

Nhiệt điện đốt than đóng vai trò huyết mạch trong cơ cấu an ninh năng lượng quốc gia, đóng góp hơn 35% tổng sản lượng điện tại Việt Nam (theo thống kê của EVN). Tuy nhiên, các nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ ngưng hơi đòi hỏi lưu lượng nước làm mát và phục vụ công nghệ cực kỳ lớn, với lượng nước tuần hoàn lên tới hàng chục nghìn mét khối mỗi ngày đêm. Khi nguồn nước mặt tại các lưu vực sông trọng điểm, đặc biệt là sông Cầu (Thái Nguyên), đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng ($BOD_5$ vượt 1,08 – 9,5 lần; $COD$ vượt 1,2 – 5,8 lần quy chuẩn), việc kiểm soát và xử lý toàn diện dòng thải công nghiệp là thách thức sống còn.

Đề tài khóa luận "Đánh giá chất lượng nước thải Nhà máy Nhiệt điện An Khánh - Thái Nguyên" do sinh viên Nông Thị Mỹ Hạnh (Khoa Quản lý Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên) thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Hải Đăng đã giải quyết trực tiếp bài toán kiểm soát xả thải của Nhà máy Nhiệt điện An Khánh (công suất $115\text{ MW}$, hòa lưới 800 triệu kWh/năm).

Mục tiêu dự án

  1. Khảo sát và xác lập cân bằng nước toàn diện: Phân tích chi tiết quy trình tiêu thụ và xả thải với lưu lượng đầu vào $10.320\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$ từ sông Cầu.
  2. Đánh giá hiệu suất xử lý nước thải công nghiệp: Phân tích 18 chỉ tiêu lý - hóa - sinh của nước thải sản xuất qua hệ thống hóa lý kết hợp lắng Lamella và tuyển nổi tách dầu.
  3. Đánh giá hiệu suất trạm xử lý nước thải sinh hoạt: Định lượng khả năng khử $BOD_5$, $COD$, Coliform qua chu trình Kỵ khí – Thiếu khí – Hiếu khí kết hợp khử trùng Javel.
  4. Đánh giá tác động xã hội & cộng đồng: Khảo sát điều tra thực địa 40 hộ dân trong bán kính $300\text{ m}$ quanh nhà máy về chất lượng nước ngầm và môi trường sống.

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

  • Địa bàn: Nhà máy Nhiệt điện An Khánh, Cụm Công nghiệp An Khánh, huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên (tọa độ: $21^\circ 30'\text{N}$, $105^\circ 44'\text{E}$).
  • Thời gian thực hiện: Từ ngày 13/08/2018 đến ngày 21/12/2018 kết hợp cơ sở dữ liệu quan trắc phân tích mẫu tại Chi nhánh Công ty Cổ phần Môi trường EJC Thái Nguyên.
  • Đối tượng quy chuẩn: Đánh giá dựa trên QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) cho nước thải sản xuất và QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B) cho nước thải sinh hoạt.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Hoạt động nhiệt điện phát sinh ba dòng thải đặc thù: nước mưa chảy tràn bề mặt mang tải lượng $TSS$ và dầu mỡ cao, nước thải sinh hoạt giàu nitơ, photpho, và nước thải sản xuất chứa kim loại nặng, cặn bùn xỉ than, dầu rò rỉ tuabin và hóa chất súc rửa lò hơi.

Tiêu chí so sánh Hệ thống xả thẳng / Hồ lắng tự nhiên Hệ thống xử lý hóa lý truyền thống Giải pháp tích hợp tại Nhà máy An Khánh
Thu hồi nước làm mát $0%$ (Tiêu tốn nguồn nước mặt tự nhiên) $40% - 50%$ (Tuần hoàn hở) $90%$ tuần hoàn kín qua tháp làm mát ($9.290\text{ m}^3/\text{ngày}$)
Xử lý nước nhiễm dầu Bẫy dầu thủ công, hiệu suất $<60%$ Tuyển nổi trọng lực đơn giản Bể tách dầu tuyển nổi chuyên dụng, hiệu suất dầu mỡ $<0,3\text{ mg/L}$
Xử lý kim loại nặng Không có hóa chất keo tụ chuyên dụng Trung hòa pH đơn thuần Keo tụ PAC kết hợp trợ lắng PAM + lắng tấm nghiêng đa tầng
Kiểm soát pH & TSS Biến động mạnh theo chu kỳ xả Bể lắng thể tích lớn, tốn diện tích Ống trộn phản ứng tự động, phin lọc tinh đảm bảo $TSS < 5\text{ mg/L}$

Yêu cầu hệ thống (Mô hình MoSCoW)

  • Must have: Hệ thống tách dầu sơ bộ bằng cơ chế tỷ trọng; hệ thống châm định lượng PAC/PAM xử lý nước thải bất thường $V = 864\text{ m}^3$; trạm sinh hoạt hợp khối Kỵ khí - Hiếu khí tiếp xúc.
  • Should have: Đồng hồ đo pH online điều khiển van cấp axit $HCl$ và kiềm $NaOH$; phin lọc áp lực khử độ đục $\le 10\text{ NTU}$.
  • Could have: Bơm bùn tuần hoàn tự động từ bể lắng Lamella về máy ép bùn khung bản.
  • Won't have: Công nghệ khử mặn trao đổi ion bậc cao (không áp dụng do nước thải đầu ra tái sử dụng cho dập tro xỉ và tưới đường).

Thiết kế hệ thống xử lý nước thải

Kiến trúc dữ liệu quan trắc (LIMS Database Schema)

Nhằm quản lý số liệu quan trắc môi trường đạt chuẩn Thông tư 43/2015/TT-BTNMT, hệ thống lưu trữ dữ liệu phân tích được thiết kế theo cấu trúc chuẩn:

-- Schema cơ sở dữ liệu quan trắc chất lượng nước thải
CREATE TABLE MonitoringPoint (
    point_id VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100) NOT NULL,
    latitude DECIMAL(9,6) NOT NULL,
    longitude DECIMAL(9,6) NOT NULL,
    source_type VARCHAR(50) -- 'Production', 'Domestic', 'Rainwater'
);

CREATE TABLE WaterQualityLog (
    log_id SERIAL PRIMARY KEY,
    point_id VARCHAR(10) REFERENCES MonitoringPoint(point_id),
    sample_date TIMESTAMP WITH TIME ZONE DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    ph DECIMAL(4,2),
    bod5 DECIMAL(6,2),
    cod DECIMAL(6,2),
    tss DECIMAL(6,2),
    heavy_metals JSONB, -- {"As": 0.0005, "Pb": 0.003, "Cd": 0.01, "Fe": 0.167}
    coliform_mpn INTEGER,
    compliance_status BOOLEAN DEFAULT TRUE
);

Phương pháp nghiên cứu và QA/QC

  • Phương pháp thủy văn tính toán nước mưa: $$Q = 2{,}78 \times 10^{-7} \times \psi \times F \times h$$ Trong đó: $F = 35.500\text{ m}^2$, cường độ mưa cực đại $h = 100\text{ mm/h}$, hệ số mặt phủ mái tôn và bê tông $\psi = 0{,}8 \rightarrow Q = 0{,}79\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Tiêu chuẩn thử nghiệm quốc tế:
    • $pH$: TCVN 6429:2011 (Điện cực thủy tinh).
    • $BOD_5$: SMEWW 5210D:2012 (Ủ 5 ngày ở $20^\circ\text{C}$).
    • $COD$: SMEWW 5220C:2012 (Oxy hóa bằng dicromat trong môi trường axit).
    • $TSS$: SMEWW 2540D:2012 (Sấy ở $103 - 105^\circ\text{C}$).
    • Kim loại nặng ($As, Cd, Pb, Hg, Fe, Mn, Cu, Zn$): SMEWW 3111B, 3112B, 3113B, 3114B (Quang phổ hấp thụ nguyên tử AAS).

Implementation và kết quả

Quy trình công nghệ và phản ứng hóa lý

Hệ thống xử lý nước thải sản xuất vận hành theo cơ chế phản ứng đa pha:

def calculate_water_balance(
    intake_flow: float = 10320.0,
    cooling_recycle_rate: float = 0.90,
    domestic_flow: float = 43.75
) -> dict:
    """Tính toán cân bằng dòng nước tại Nhà máy Nhiệt điện An Khánh (m3/ngày)"""
    production_flow = intake_flow - domestic_flow
    cooling_capacity = 9904.25
    recycled_cooling = cooling_capacity * cooling_recycle_rate
    loss_and_makeup = cooling_capacity * (1 - cooling_recycle_rate)
    industrial_effluent = production_flow - cooling_capacity  # 372.0 m3/ngày

    return {
        "Total_Intake": intake_flow,
        "Cooling_Recycled": recycled_cooling,     # 9290.0 m3/ngày
        "Cooling_Loss_Makeup": loss_and_makeup,   # 1032.0 m3/ngày
        "Industrial_Wastewater": 372.0,           # 372.0 m3/ngày
        "Domestic_Wastewater": domestic_flow      # 43.75 m3/ngày
    }
  1. Cơ chế phân ly dầu: Nước thải nhiễm dầu mỡ bôi trơn tuabin được đưa vào ngăn tuyển nổi tĩnh. Dầu mỡ có khối lượng riêng $\rho_{\text{dầu}} \approx 0{,}85 - 0{,}90\text{ g/cm}^3$ nổi lên bề mặt và thu hồi qua máng gạt, đưa hàm lượng dầu tổng về $< 0{,}3\text{ mg/L}$.
  2. Cơ chế keo tụ - tạo bông: $$\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Al(OH)}_3\downarrow + 6\text{H}^+ + 3\text{SO}_4^{2-}$$ Hóa chất keo tụ PAC ($\text{Al}_n(\text{OH})m\text{Cl}{3n-m}$) và trợ lắng PAM giúp trung hòa điện tích bề mặt hạt keo sét, cặn than lơ lửng, tạo thành bông bùn kích thước lớn lắng nhanh trên các tấm nghiêng Lamella với góc nghiêng $60^\circ$.
  3. Cơ chế phân hủy sinh học trong bể xử lý sinh hoạt:
    • Quá trình Kỵ khí: $$\text{Chất hữu cơ} \xrightarrow{\text{Vi sinh vật kỵ khí}} \text{CH}_4 + \text{CO}_2 + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{S} + \text{Sinh khối mới}$$
    • Quá trình Oxi hóa tiếp xúc (Hiếu khí): $$\text{Chất hữu cơ} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{Vi khuẩn hiếu khí}} \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{Tế bào mới}$$

Kết quả thử nghiệm và kiểm định chất lượng

Các kết quả phân tích tại Cửa xả số 1 (Nước thải sản xuất - Tọa độ: $21^\circ 35.873'\text{N}$, $105^\circ 46.260'\text{E}$) và Cửa xả số 2 (Nước thải sinh hoạt - Tọa độ: $21^\circ 35.54'\text{N}$, $105^\circ 46.260'\text{E}$) thể hiện hiệu quả xử lý:

STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Nước thải sản xuất QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) Nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B) Trạng thái tuân thủ
1 $pH$ - 7,3 5,5 – 9,0 7,2 5,0 – 9,0 Đạt chuẩn
2 $BOD_5$ ($20^\circ\text{C}$) mg/L 13,7 50 13,7 50 Vượt chuẩn 72,6%
3 $COD$ mg/L 38,4 150 25,6 - Vượt chuẩn 74,4%
4 Tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$) mg/L < 5 100 - - Giảm >95%
5 Asen ($As$) mg/L < 0,0005 0,1 - - Đạt chuẩn
6 Thủy ngân ($Hg$) mg/L < 0,0003 0,01 - - Đạt chuẩn
7 Chì ($Pb$) mg/L < 0,003 0,5 - - Đạt chuẩn
8 Crom VI ($Cr^{6+}$) mg/L < 0,003 0,1 - - Đạt chuẩn
9 Mangan ($Mn$) mg/L 0,124 1,0 - - Đạt chuẩn
10 Sắt tổng ($Fe$) mg/L 0,167 5,0 - - Đạt chuẩn
11 Tổng dầu mỡ khoáng mg/L < 0,3 Không quy định - - Đạt chuẩn
12 Tổng Nitơ ($TN$) mg/L 4,65 40 - - Đạt chuẩn
13 Tổng Photpho ($TP$) mg/L < 0,03 6,0 - - Đạt chuẩn
14 Tổng Coliform MPN/100mL 500 5.000 - 5.000 Tốt hơn 10 lần

Đánh giá khảo sát cộng đồng

Khảo sát 40 hộ dân sinh sống trong bán kính $300\text{ m}$ xung quanh nhà máy mang lại các chỉ số thực tế:

  • 77,5% số hộ dân đánh giá nguồn nước ngầm (giếng khoan/đào) duy trì độ trong tự nhiên, không có mùi lạ.
  • 100% không ghi nhận hiện tượng tràn bùn thải xỉ hay rò rỉ hóa chất axít/kiềm ra các mương dẫn nông nghiệp lân cận.
  • 22,5% ý kiến kiến nghị nhà máy tiếp tục tăng cường phun sương dập bụi kho than nhằm giảm thiểu bùn lắng theo nước mưa đợt đầu.

Đổi mới và đóng góp

  1. Chu trình tuần hoàn nước làm mát hiệu suất cao (90%): Tiết kiệm $9.290\text{ m}^3/\text{ngày-đêm}$, giảm áp lực khai thác nước thô sông Cầu hơn $85%$ so với công nghệ nhiệt điện truyền thống xả thẳng một chiều.
  2. Module hóa xử lý dòng thải không thường xuyên: Thiết kế bể điều hòa đệm $V = 864\text{ m}^3$ tích hợp sục khí chống sa lắng, tiếp nhận an toàn các nguồn nước xả đáy lò có $pH$ cực đoan mà không gây sốc tải cho trạm xử lý trung tâm.
  3. Cơ chế keo tụ kép (PAC + PAM) trên thiết bị lắng tấm nghiêng: Nâng cao tốc độ lắng bề mặt lên gấp 3 lần so với bể lắng trọng lực thông thường, đưa hàm lượng $TSS$ xuống dưới ngưỡng phát hiện ($< 5\text{ mg/L}$).
  4. Kiểm soát đa tầng nguồn phát thải: Phân tách triệt để 3 hệ thống mạng lưới thu gom riêng biệt: hệ thống thoát nước mưa tự nhiên ($Q_{\text{max}} = 0{,}79\text{ m}^3/\text{s}$), nước thải sản xuất nhiễm kim loại/dầu và nước thải sinh hoạt hữu cơ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản triển khai nhân rộng

  • Nhà máy nhiệt điện đốt than công nghệ tầng sôi tuần hoàn (CFB): Quy chuẩn hóa cụm module xử lý nước thải xả đáy lò hơi, tháp khử lưu huỳnh ($FGD$) và nước rửa bãi xỉ.
  • Khu liên hợp luyện kim và cán thép: Ứng dụng mô hình bể tách dầu tuyển nổi kết hợp lọc áp lực đa tầng để xử lý dầu bôi trơn máy cán và cặn oxit sắt.

Phân tích chi phí - lợi ích (Cost-Benefit Analysis)

  • Chi phí cấp nước thô: Tiết kiệm trung bình $9.290\text{ m}^3 \times 3.000\text{ VNĐ/m}^3 \approx 27{,}87\text{ triệu VNĐ/ngày}$ nhờ công nghệ tuần hoàn tháp làm mát.
  • Giảm phí bảo vệ môi trường đối với nước thải (theo Nghị định 67/2003/NĐ-CP & Nghị định 04/2007/NĐ-CP): Do toàn bộ tải lượng $BOD_5$, $COD$, kim loại nặng nằm dưới ngưỡng Cột B từ 3 đến 10 lần, chi phí nộp phạt và phí xả thải giảm hơn $70%$.
  • Thời gian hoàn vốn hệ thống tuần hoàn nước: Ước tính từ 3,5 đến 4,2 năm trên tổng mức đầu tư hạ tầng xử lý.
Lộ trình nâng cấp công nghệ quan trắc tự động:
[Tháng 1-3: Lắp đặt Sensor Online pH, TSS, COD]

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Mẫu thử nghiệm trong nghiên cứu được lấy tại một thời điểm mùa khô điển hình (tháng 12/2018), chưa phản ánh toàn bộ dao động tải lượng trong mùa mưa lũ khi hệ số pha loãng sông Cầu tăng cao.
  • Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt sử dụng bể tự hoại 3 ngăn cải tiến hợp khối chưa tích hợp màng lọc sinh học MBR, dẫn đến thể tích công trình còn chiếm diện tích lớn.

Hướng nghiên cứu nâng cao

  • Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động liên tục (CEMS for wastewater) tích hợp vi cảm biến truyền số liệu thời gian thực về Sở Tài nguyên và Môi trường Thái Nguyên.
  • Nghiên cứu công nghệ cô đặc thẩm thấu ngược (RO) đối với nước xả đáy tháp giải nhiệt nhằm hướng tới mô hình Xả thải không chất lỏng (Zero Liquid Discharge - ZLD), tái sử dụng toàn bộ cho xưởng sản xuất gạch không nung từ tro xỉ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên chuyên ngành Môi trường & Địa chính: Tài liệu tham khảo thực tế với đầy đủ công thức tính toán lưu lượng nước mưa, sơ đồ công nghệ trạm xử lý và phương pháp phân tích chuẩn SMEWW.
  • Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Sổ tay thông số vận hành (liều lượng hóa chất keo tụ PAC/PAM, kiểm soát pH, chu kỳ rửa ngược phin lọc, xả bùn bể Lamella).
  • Doanh nghiệp & Chủ đầu tư hạ tầng: Mô hình tối ưu hóa chi phí vận hành xử lý nước thải và giải pháp tuần hoàn nước $90%$ giúp tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí khai thác tài nguyên nước mỗi năm.
  • Cơ quan quản lý nhà nước (Sở TN&MT): Bộ cơ sở dữ liệu quan trắc độc lập, khách quan phục vụ công tác thanh tra, giám sát môi trường định kỳ tại lưu vực sông Cầu.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải sau xử lý của Nhà máy An Khánh được xả vào nguồn tiếp nhận nào?

Toàn bộ nước thải sản xuất và sinh hoạt sau khi xử lý đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B) và QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B) sẽ theo hệ thống mương chính thoát ra suối Chàm Hồng, sau đó chảy vào sông Cầu.

2. Tại sao chỉ số kim loại nặng trong nước thải sản xuất lại rất thấp ($As < 0{,}0005\text{ mg/L}$, $Pb < 0{,}003\text{ mg/L}$)?

Do nhà máy sử dụng công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) và hệ thống lọc bụi tĩnh điện (ESP) hiệu suất cao, phần lớn kim loại nặng đi theo tro bay và tro đáy về phân xưởng vật liệu xây dựng không nung. Nước rửa sàn và xả đáy lò được keo tụ bằng PAC/PAM và kết tủa hydroxide ở dải $pH = 7{,}0 - 8{,}5$, giữ lại toàn bộ kim loại nặng trong bùn lắng.

3. Nước mưa chảy tràn qua bãi than và nhà xưởng được kiểm soát ra sao?

Nước mưa đợt đầu (15 – 20 phút đầu) chứa hàm lượng cặn lơ lửng cao ($1.500 - 1.800\text{ mg/L}$) được thu gom qua hệ thống mương nhánh có song chắn rác, dẫn qua hố lắng cặn sơ bộ trước khi hòa vào mương chính ra suối Chàm Hồng, hạn chế tối đa nguy cơ bồi lắng lòng suối.

4. Chi phí hóa chất xử lý nước thải chính gồm những gì?

Hệ thống sử dụng các hóa chất cơ bản: $NaOH$ (trung hòa kiềm), $HCl$ (trung hòa axit), PAC (keo tụ), PAM (trợ lắng), $NaClO$ (khử trùng/oxy hóa) và nước Giaven. Các hóa chất này có chi phí thấp, dễ tìm kiếm và định lượng tự động qua bơm màng.

5. Nhà máy có nguy cơ gây ô nhiễm asen hoặc suy thoái nước ngầm cục bộ không?

Kết quả kiểm định cho thấy hàm lượng asen trong nước thải đạt $< 0{,}0005\text{ mg/L}$ (thấp hơn 200 lần so với mức cho phép $0{,}1\text{ mg/L}$). Kết hợp với nền địa chất đáy bê tông hóa và khảo sát thực tế $77{,}5%$ hộ dân xung quanh, nguy cơ thẩm thấu gây ô nhiễm nước ngầm là hoàn toàn không có trong điều kiện vận hành bình thường.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nông Thị Mỹ Hạnh đã chứng minh tính hiệu quả và độ tin cậy của hệ sinh thái xử lý nước thải tại Nhà máy Nhiệt điện An Khánh (Thái Nguyên). Với việc áp dụng mô hình tuần hoàn nước giải nhiệt kín $90%$, công nghệ hóa lý kết hợp lắng tấm nghiêng Lamella cho nước thải sản xuất và module sinh học Kỵ khí - Hiếu khí tiếp xúc cho nước thải sinh hoạt, nhà máy đã kiểm soát triệt để $100%$ các thông số ô nhiễm ($pH$, $BOD_5$, $COD$, $TSS$, kim loại nặng, Coliform) dưới ngưỡng giới hạn cho phép của QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT. Đề tài cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho các nhà máy năng lượng trong bài toán hài hòa giữa tăng trưởng sản xuất điện năng và bảo tồn bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Cầu.