Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng ô nhiễm môi trường tại các vùng nông thôn Việt Nam đang chịu áp lực nặng nề khi cả nước hiện có hơn 1.300 làng nghề được công nhận và 3.200 làng có nghề, tạo sinh kế cho hơn 11 triệu lao động. Trong đó, nhóm làng nghề chế biến lương thực thực phẩm chiếm khoảng 11,9% tổng số làng nghề nhưng lại là nguồn phát sinh ô nhiễm hữu cơ đáng báo động, với 100% mẫu nước thải khảo sát đều vượt quy chuẩn kỹ thuật môi trường cho phép. Điển hình trong nhóm này là quy trình sản xuất bún truyền thống với mức tiêu hao tài nguyên nước rất lớn: trung bình để sản xuất được 1 tấn bún thành phẩm cần tiêu tốn 10,25 m³ nước sạch và thải ra môi trường tới 9,55 m³ nước thải đậm đặc cùng 11 kg xỉ than.

Nước thải làng nghề bún mang tải lượng ô nhiễm hữu cơ đặc biệt cao với chỉ số nhu cầu oxy hóa học COD dao động từ 1.376 mg/L đến hơn 2.415 mg/L, nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 từ 621 mg/L đến 2.054 mg/L. Môi trường ô nhiễm kéo dài đã tác động trực tiếp đến đời sống dân cư, khiến tuổi thọ trung bình của người dân tại các làng nghề giảm khoảng 10 năm so với các làng thuần nông lân cận. Trước sức ép cấp bách đó, đề tài luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Khoa học Môi trường của tác giả Trần Thị Hồng Gấm, dưới sự hướng dẫn khoa học của Giáo sư Tiến sĩ Đặng Kim Chi tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tập trung xây dựng bộ tiêu chí định lượng nhằm đánh giá toàn diện các công nghệ xử lý nước thải hiện hành và đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu. Phạm vi nghiên cứu thực địa được triển khai chuyên sâu tại hai địa bàn trọng điểm của miền Bắc là làng bún Khắc Niệm (thành phố Bắc Ninh) và làng bún Phú Đô (Hà Nội) trong giai đoạn 2011 - 2013, mang lại giải pháp thực tiễn giúp giảm thiểu từ 80% đến 90% tải lượng ô nhiễm hữu cơ cho khu vực nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết tiên tiến: Khung thẩm định công nghệ môi trường (Environmental Technology Validation - ETV) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US EPA) phát triển và Mô hình hệ thống xử lý nước thải phi tập trung (Decentralized Wastewater Treatment System - DEWATS) do Tổ chức Nghiên cứu Quốc tế Bremen (BORDA, CHLB Đức) chuyển giao. Hệ thống lý thuyết này tập trung đánh giá tính thích ứng bền vững của các giải pháp kỹ thuật trong điều kiện kinh tế - xã hội tại các nước đang phát triển.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng sâu sắc nguyên lý phân hủy kỵ khí vi sinh vật qua mô hình bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor - ABR) kết hợp với các khái niệm học thuật cốt lõi: Tải lượng ô nhiễm hữu cơ (xác định qua tỷ lệ BOD5 và COD), Suất đầu tư xây dựng trên một đơn vị công suất (VNĐ/m³ nước thải/ngày đêm), và Phương pháp lượng hóa đa tiêu chí trên thang điểm 100 với 5 nhóm tiêu chí trọng số phân tầng khoa học.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ quá trình khảo sát thực địa kết hợp lấy mẫu nước thải thực tế qua 2 đợt quan trắc độc lập vào tháng 5 và tháng 6 năm 2013 tại trạm xử lý làng bún Khắc Niệm (trước và sau từng hạng mục xử lý) cùng hệ thống cống chung xả thải tại làng bún Phú Đô. Đồng thời, nghiên cứu thực hiện lấy mẫu đất canh tác tại 5 vị trí đại diện (ký hiệu M1 đến M5) chịu ảnh hưởng trực tiếp từ dòng thải tại thôn Tiền Trong và Tiền Ngoài thuộc xã Khắc Niệm.

Cỡ mẫu phân tích bao gồm 2 đợt đo đạc nước thải đa chỉ tiêu và 5 mẫu đất tầng mặt được lấy theo phương pháp lấy mẫu hỗn hợp đại diện, tuân thủ nghiêm ngặt theo Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) và Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN). Luận văn lựa chọn phương pháp phân tích hóa lý phòng thí nghiệm tiêu chuẩn để định lượng các thông số then chốt gồm pH, BOD5, COD, chất rắn lơ lửng SS, Tổng Nitơ, Tổng Phốt pho và Tổng Coliform. Việc kết hợp phân tích phòng thí nghiệm với phương pháp ma trận chuyên gia liên ngành (Môi trường, Kinh tế, Công nghệ) là lựa chọn tối ưu, đảm bảo phản ánh khách quan hiệu suất xử lý kỹ thuật, mức độ phù hợp hạ tầng và tính khả thi tài chính của hệ thống trong mốc thời gian thực hiện nghiên cứu từ năm 2011 đến năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết mức độ phát thải ô nhiễm từ chu trình sản xuất bún: để tạo ra 1 tấn bún thành phẩm, quy trình cần 450 kg gạo sạch, xả ra môi trường 9,55 m³ nước thải đậm đặc và 11 kg xỉ than. Tại làng bún Phú Đô, tổng lưu lượng nước thải phát sinh khoảng 920 m³/ngày đêm với nồng độ COD lên tới 1.376 mg/L (vượt 9,1 lần quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cột B) và nồng độ BOD5 đạt 621 mg/L (vượt 12,4 lần giới hạn cho phép).

Thứ hai, tác động ô nhiễm diễn ra trên diện rộng, làm biến đổi nghiêm trọng môi trường thổ nhưỡng và gia tăng bệnh tật ở cộng đồng. Kết quả đo đạc 5 mẫu đất canh tác lúa tại Khắc Niệm cho thấy đất bị chua hóa rõ rệt với độ pH dao động từ 5,4 đến 6,6; hàm lượng lân dễ tiêu tích tụ từ 16,26 đến 44,88 mg/100g đất (cao gấp 5 đến 6 lần so với đất đối chứng không ô nhiễm là 8,61 mg/100g), lượng kali trao đổi đạt mức cao từ 28,15 đến 87,57 mg/100g. Về mặt sức khỏe, tỷ lệ cư dân mắc bệnh ngoài da tại Khắc Niệm lên đến 37,3%, bệnh tai mũi họng là 34,7%; trong khi tại Phú Đô có tới 50% người làm nghề mắc các chứng bệnh nghề nghiệp, điển hình là tai mũi họng chiếm 45% và bệnh phụ khoa chiếm 20%.

Thứ ba, việc áp dụng bộ tiêu chí đánh giá 100 điểm cho thấy công nghệ bể kỵ khí ABR kết hợp hồ sinh học tùy nghi và bãi lọc ngầm trồng cây tại Khắc Niệm đạt điểm số lượng hóa cao nhất. Hệ thống này xử lý ổn định, khử được 80% đến 88% hàm lượng COD và giảm hơn 85% chỉ số BOD5, vượt trội hơn hẳn so với trạm xử lý tập trung xây dựng từ năm 1995 tại Phú Đô vốn đã xuống cấp và hư hỏng do quá tải lưu lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến nước thải làng bún có tính axit mạnh và hàm lượng hữu cơ cao bắt nguồn từ công đoạn ngâm ủ bột chua kéo dài 48 giờ, làm tinh bột lên men sinh hóa tạo ra các axit hữu cơ hòa tan. Khi so sánh với các giải pháp công nghệ khác, mô hình bùn hoạt tính Aerotank tuy cho hiệu suất khử chất ô nhiễm trên 92% nhưng lại có chi phí vận hành rất cao (vượt quá 7.000 VNĐ/m³) và đòi hỏi kỹ thuật sục khí liên tục, khó duy trì tại khu vực nông thôn. Bể UASB hay tháp lọc sinh học nhỏ giọt cũng gặp trở ngại lớn về độ phức tạp trong vận hành và yêu cầu diện tích mặt bằng.

Ngược lại, hệ thống ABR thuộc mô hình DEWATS phát huy ưu thế vượt bậc nhờ thiết kế các vách ngăn hướng dòng chảy lên xuống, giúp dòng thải tiếp xúc tối đa với lớp bùn vi sinh kỵ khí mà không cần thiết bị cơ khí chuyển động phức tạp. Các dữ liệu kỹ thuật và chi phí được minh họa trực quan qua bảng ma trận cho điểm: ABR giành điểm số tối đa ở nhóm tiêu chí kinh tế với suất đầu tư xây dựng dưới 7 triệu VNĐ/m³ và chi phí vận hành thực tế dưới 5.000 VNĐ/m³, hoàn toàn tương thích với năng lực tài chính và trình độ quản lý của chính quyền cơ sở.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả làm sạch nước thải và nhân rộng mô hình cho các làng nghề chế biến lương thực thực phẩm, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Tách dòng và xử lý sơ bộ tại nguồn: Ủy ban nhân dân cấp xã và các hộ sản xuất cần tiến hành xây dựng hệ thống thu gom phân loại, tách riêng dòng nước chua ngâm ủ bột có nồng độ COD trên 5.000 mg/L để xử lý lắng cặn thu hồi bã tinh bột trước quý II/2024, giúp giảm hơn 40% tải lượng hữu cơ đi vào trạm xử lý chung.
  2. Mở rộng và chuẩn hóa công nghệ ABR kết hợp bãi lọc thực vật: Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Ban quản lý dự án các địa phương cần ưu tiên phê duyệt và cấp vốn lắp đặt mô hình bể kỵ khí ABR nhiều ngăn kết hợp bãi lọc ngầm trồng cây cho 100% làng nghề bún trong giai đoạn 2024 - 2026, đảm bảo nước thải đầu ra đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột B với chi phí vận hành duy trì dưới 4.500 VNĐ/m³.
  3. Xây dựng cơ chế tài chính và tự chủ quản lý trạm xử lý: Hội đồng nhân dân và Ủy ban nhân dân cấp huyện ban hành quy chế thu phí bảo vệ môi trường đối ứng từ các cơ sở làm bún (định mức từ 3.000 đến 5.000 VNĐ/m³ nước sạch sử dụng) từ đầu năm 2024, nhằm tạo nguồn kinh phí chi trả thường xuyên cho công nhân vận hành và bảo trì máy móc định kỳ.
  4. Tuần hoàn phụ phẩm và chuyển đổi năng lượng sạch: Hợp tác xã làng nghề tuyên truyền, hướng dẫn các hộ tận thu triệt để bã thải làm thức ăn chăn nuôi gia súc, đồng thời đẩy mạnh lắp đặt hầm sinh học thu hồi khí biogas thay thế cho lượng tiêu thụ khoảng 20.000 tấn than/năm tại Khắc Niệm, hướng tới mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính cục bộ vào năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý nhà nước tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Phòng Tài nguyên và Môi trường cấp huyện: Sử dụng bộ 5 tiêu chí và 18 tiêu chí nhánh định lượng làm công cụ thẩm định khoa học để đánh giá, cấp phép và quy hoạch các dự án xử lý chất thải làng nghề nông thôn.
  2. Kỹ sư thiết kế môi trường và các đơn vị nhà thầu công nghệ: Tiếp cận hồ sơ tính toán, thông số kỹ thuật chi tiết của cụm bể ABR, bể lắng kỵ khí và bãi lọc ngầm dòng chảy ngang để áp dụng trực tiếp vào các công trình xử lý nước thải chế biến nông sản thực phẩm.
  3. Ban quản lý hợp tác xã và chủ cơ sở chế biến bún, miến, bánh đa: Nắm bắt các giải pháp phân dòng nước thải, kỹ thuật vận hành trạm kỵ khí đơn giản không dùng điện, giúp tiết kiệm từ 30% đến 50% chi phí xử lý môi trường.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận đánh giá công nghệ (ETV) và bộ dữ liệu quan trắc thực nghiệm phong phú tại các làng nghề đồng bằng sông Hồng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nước thải làng nghề chế biến bún có những đặc tính ô nhiễm nguy hại nào? Nước thải chế biến bún mang tính axit cao với pH từ 5,5 đến 6,0, chứa nồng độ chất hữu cơ đậm đặc với chỉ số COD từ 1.376 đến 2.415 mg/L, BOD5 từ 621 đến 2.054 mg/L và lượng Coliform lên tới 12,7 triệu CFU/mL. Dòng thải bắt nguồn từ khâu ngâm gạo, ép nước chua và luộc bún, gây bốc mùi hôi thối nồng nặc và làm suy thoái đất ruộng xung quanh.

  2. Vì sao công nghệ bể phản ứng kỵ khí ABR lại vượt trội hơn bể bùn hoạt tính Aerotank tại làng nghề? Bể ABR hoạt động hoàn toàn dựa trên cơ chế thủy lực tự nhiên qua các vách ngăn, không cần máy thổi khí cưỡng bức tiêu thụ điện năng liên tục và không sử dụng hóa chất. Hệ thống đạt hiệu suất phân hủy COD từ 80% đến 88% nhưng chi phí vận hành chỉ dưới 5.000 VNĐ/m³, thấp hơn nhiều so với mức trên 7.000 VNĐ/m³ của bể Aerotank.

  3. Suất đầu tư xây dựng trạm xử lý nước thải bằng công nghệ DEWATS là bao nhiêu? Theo thang đo lượng hóa của luận văn, hệ thống xử lý phân tán DEWATS ứng dụng bể ABR đạt điểm số kinh tế tối đa khi có suất đầu tư dưới 7 triệu VNĐ/m³ nước thải/ngày đêm. Mức chi phí này hoàn toàn phù hợp với nguồn ngân sách đối ứng xây dựng nông thôn mới của các xã hiện nay.

  4. Bộ tiêu chí đánh giá công nghệ của luận văn gồm những nhóm tiêu chuẩn nào? Bộ tiêu chí gồm 5 nhóm chính trên thang điểm 100: Hiệu quả xử lý (trọng số 5), Hiệu quả kinh tế (trọng số 5), Phù hợp điều kiện địa phương (trọng số 4), Trình độ công nghệ và thiết bị (trọng số 3), và An toàn môi trường (trọng số 3), được phân chia thành 18 tiêu chí nhánh định lượng cụ thể.

  5. Nước thải sản xuất bún sau khi qua trạm xử lý ABR có thể tái sử dụng vào việc gì? Nước thải sau khi qua chuỗi xử lý gồm bể lắng, bể kỵ khí ABR và bãi lọc ngầm trồng cây sẽ đạt chuẩn xả thải theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B. Nguồn nước này có thể tái sử dụng an toàn cho hoạt động tưới tiêu nông nghiệp, rửa đường làng hoặc bổ cập nước cho hệ thống ao hồ sinh thái địa phương.

Kết luận

  • Xây dựng thành công bộ công cụ khoa học gồm 5 nhóm tiêu chí và 18 tiêu chí nhánh lượng hóa trên thang điểm 100, giải quyết điểm nghẽn trong công tác thẩm định và lựa chọn công nghệ môi trường tại các làng nghề Việt Nam.
  • Khẳng định mô hình bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn ABR kết hợp bãi lọc thực vật ngầm là giải pháp tối ưu, đạt hiệu suất khử COD trên 80% và BOD5 trên 85%, giúp bảo vệ sức khỏe cho hơn 11 triệu lao động nông thôn.
  • Xác lập định mức kinh tế khả thi với suất đầu tư dưới 7 triệu VNĐ/m³ và chi phí vận hành dưới 5.000 VNĐ/m³, bảo đảm trạm xử lý hoạt động ổn định, lâu dài mà không phụ thuộc vào nguồn điện lưới phức tạp.
  • Đề xuất lộ trình hành động giai đoạn 2024 - 2026 tập trung phân tách dòng nước chua ngâm ủ tại nguồn và thiết lập quỹ phí bảo dưỡng xử lý nước thải tự chủ cấp cơ sở.
  • Các nhà quản lý, kỹ sư và hợp tác xã hãy tham khảo và áp dụng ngay mô hình công nghệ ABR-DEWATS từ luận văn nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường nông thôn bền vững.