Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, sự hình thành và mở rộng của các khu công nghiệp, cơ sở sản xuất quanh hệ thống sông ngòi, kênh rạch đã tạo áp lực lớn lên môi trường nước mặt. Nhiều cơ sở sản xuất chưa có công trình xử lý chất thải hoặc hệ thống vận hành chưa đạt yêu cầu, dẫn đến tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng. Trong nhóm ngành công nghiệp thực phẩm, sản xuất bia - rượu là ngành có lưu lượng nước thải phát sinh lớn và mang tải lượng ô nhiễm hữu cơ rất cao. Nước thải sản xuất bia có đặc trưng màu xám đen, khả năng phân hủy hữu cơ nhanh tạo mùi hôi thối nồng nặc, đồng thời chứa nhiều hóa chất tẩy rửa, điều chỉnh công nghệ như $\text{CaCO}_3$, $\text{CaSO}_4$, $\text{H}_3\text{PO}_4$, xút ($\text{NaOH}$) và sô-đa ($\text{Na}_2\text{CO}_3$).

Để giải quyết vấn đề xả thải, Nhà máy bia Viha tại huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội đã đầu tư xây dựng trạm xử lý nước thải. Tuy nhiên, việc duy trì vận hành và nâng cao hiệu quả công nghệ đòi hỏi cơ sở phải đánh giá toàn diện cả về mặt kỹ thuật, kinh tế và môi trường. Đề tài chuyên đề thực tập tốt nghiệp "Đánh giá hiệu quả hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy bia Viha - Sóc Sơn - Hà Nội" được sinh viên Đặng Thùy Dương (ngành Kinh tế - Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Trường Đại học Kinh tế Quốc dân) thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ thực tiễn trên.

Đề tài xác định rõ các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Đánh giá khả năng xử lý nước thải của hệ thống công nghệ hiện hữu thông qua các thông số kỹ thuật và phân tích chất lượng nước trước - sau xử lý.
  2. Vận dụng phương pháp phân tích chi phí - lợi ích (CBA) để tính toán các chỉ tiêu tài chính và kinh tế như Giá trị hiện tại ròng ($\text{NPV}$), Tỷ số lợi ích trên chi phí ($\text{BCR}$) và Suất hoàn vốn nội bộ ($\text{IRR}$), từ đó lượng hóa mức độ đóng góp của hệ thống đối với doanh nghiệp và xã hội.
  3. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật, công nghệ và quản lý môi trường nhằm nâng cao hiệu suất xử lý nước thải và sử dụng tiết kiệm năng lượng tại Nhà máy bia Viha.
  • Đối tượng nghiên cứu: Toàn bộ hệ thống xử lý nước thải sản xuất và sinh hoạt tại Nhà máy bia Viha.
  • Phạm vi không gian: Nhà máy bia Viha, địa chỉ tại thôn Đoài, xã Phú Minh, huyện Sóc Sơn, thành phố Hà Nội.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm, kinh tế và vận hành được thu thập, phân tích hoàn thành vào tháng 5 năm 2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

  • Khái niệm và đặc trưng nước thải: Đề tài viện dẫn định nghĩa nước ô nhiễm theo Hiến chương Châu Âu, cùng các tiêu chuẩn định nghĩa nước thải theo $\text{TCVN 5980-1995}$ và $\text{ISO 6107/1-1980}$. Tác giả hệ thống hóa các chỉ tiêu lý - hóa - sinh của nước thải bao gồm độ đục, màu sắc, mùi (hợp chất $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$, amin, indol, scatol từ phân hủy tryptophan), vị, nhiệt độ nước mặt Việt Nam ($14{,}3 - 33{,}5^\circ\text{C}$), độ dẫn điện, lượng oxy hòa tan ($\text{DO}$ chuẩn $8 - 10\text{ mg/l}$) và chỉ thị vi sinh vật (E. coli, virus).
  • Công nghệ xử lý nước thải:
    • Phương pháp cơ học/lý học: Song chắn rác (loại thô khe $60 - 100\text{ mm}$, mịn khe $10 - 25\text{ mm}$, góc đặt $45 - 60^\circ$ thủ công hoặc $75 - 85^\circ$ tự động, vận tốc dòng chảy $0{,}4 - 1{,}0\text{ m/s}$), bể lắng cát (tách tạp chất vô cơ $0{,}2 - 2\text{ mm}$), bể lắng trọng lực (lắng ngang lưu lượng $>15.000\text{ m}^3/\text{ngày}$, lắng đứng vận tốc dâng $0{,}5 - 0{,}6\text{ m/s}$) và tuyển nổi (kích thước bọt khí tối ưu $15 - 30\ \mu\text{m}$).
    • Phương pháp hóa học và hóa lý: Trung hòa đưa $\text{pH}$ về khoảng $6{,}5 - 8{,}5$; quá trình keo tụ - tạo bông nhằm phá vỡ độ bền hạt keo phân tán ($0{,}1 - 10\ \mu\text{m}$).
    • Phương pháp sinh học: Xử lý kỵ khí 4 giai đoạn (thủy phân, acid hóa, acetate hóa, methane hóa tạo $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$) và xử lý hiếu khí bùn hoạt tính (bể Aeroten: oxy hóa chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới và phân hủy nội bào).
  • Lý thuyết phân tích kinh tế và hiệu quả Pareto: Khái niệm tối ưu Pareto (Pareto, 1909); phân định rõ hiệu quả tài chính (quan điểm doanh nghiệp, giá thị trường) và hiệu quả kinh tế (quan điểm toàn xã hội, tính đến ngoại ứng môi trường và giá bóng).
  • Phương pháp phân tích chi phí - lợi ích (CBA): Dựa trên tài liệu Nhập môn phân tích chi phí - lợi ích của tác giả Trần Võ Hùng Sơn. Tác giả áp dụng hình thức phân tích sau dự án (Ex-post CBA) theo quy trình 9 bước chuẩn mực:
    1. Xác định chủ thể hưởng lợi và chịu chi phí.
    2. Lựa chọn danh mục dự án thay thế.
    3. Liệt kê các tác động và chỉ số đo lường.
    4. Dự đoán lượng hóa các tác động trong vòng đời dự án.
    5. Lượng hóa chi phí và lợi ích bằng tiền (giá thị trường và giá bóng).
    6. Quy đổi dòng tiền về thời điểm hiện tại bằng hệ số chiết khấu $r$.
    7. Tính toán các chỉ tiêu hiệu quả kinh tế:
      • Giá trị hiện tại ròng: $$\text{NPV} = \sum_{t=0}^n \frac{B_t - C_t}{(1 + r)^t}$$
      • Tỷ số lợi ích trên chi phí: $$\text{BCR} = \frac{\sum_{t=0}^n \frac{B_t}{(1 + r)^t}}{\sum_{t=0}^n \frac{C_t}{(1 + r)^t}}$$
      • Tỷ suất hoàn vốn nội bộ: $$\text{IRR} = r_1 + \frac{\text{NPV}_1}{\text{NPV}_1 - \text{NPV}_2} \cdot (r_2 - r_1) \quad (\text{khi } \text{NPV} = 0)$$
    8. Phân tích độ nhạy đối với sự biến động của hệ số chiết khấu $r$.
    9. Đề xuất các phương án tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu cụ thể

  • Phương pháp điều tra thực địa: Khảo sát trực tiếp mặt bằng trạm xử lý, ghi chép thông số vận hành, chụp ảnh các mô-đun thiết bị, làm việc với các bộ phận quản lý của nhà máy và chính quyền địa phương.
  • Phương pháp thu thập, thống kê và phân tích tài liệu: Xử lý hồ sơ thiết kế kỹ thuật từ Viện Hóa học - Môi trường Quân sự, báo cáo sản xuất của nhà máy và các kết quả quan trắc phân tích chất lượng nước.
  • Phương pháp phân tích kinh tế: Ứng dụng mô hình bảng tính Excel để chiết khấu dòng tiền, tính toán các chỉ tiêu $\text{NPV}$, $\text{BCR}$, $\text{IRR}$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Cơ sở lý thuyết về đánh giá hiệu quả xử lý nước thải

Chương này tổng thuật toàn diện các kiến thức nền tảng về thành phần nước thải, cơ chế chuyển hóa chất ô nhiễm trong xử lý cơ học, hóa lý và sinh học. Trọng tâm của chương là việc xây dựng hệ thống 4 nhóm chỉ tiêu đánh giá (chỉ tiêu kinh tế, chỉ tiêu xã hội, chỉ tiêu quản lý và chỉ tiêu môi trường). Đồng thời, chương 1 chuẩn hóa quy trình 9 bước của phương pháp phân tích chi phí - lợi ích ($\text{CBA}$), luận giải tính ưu việt của phân tích dạng Ex-post khi đánh giá các công trình xử lý môi trường đã đi vào hoạt động thực tế.

Chương 2: Đánh giá hiệu quả hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy bia Viha

Chương 2 trình bày chi tiết về hiện trạng sản xuất, công nghệ xử lý nước thải và các tính toán kinh tế cụ thể tại Nhà máy bia Viha:

Hạng mục thông số Dữ liệu thực tế tại Nhà máy bia Viha
Vị trí địa lý Thôn Đoài, xã Phú Minh, huyện Sóc Sơn, TP. Hà Nội
Công suất sản xuất Tháng chính vụ (tháng 5, 6, 7): $12.000\text{ lít/ngày}$; Tháng khác: $3.200\text{ lít/ngày}$; Trung bình: $162.000\text{ lít/tháng}$
Nhu cầu tiêu thụ nguyên liệu, năng lượng Than đá nồi hơi: $4\text{ tạ/ngày}$; Điện: $80.000\text{ kWh/tháng}$; Xút: $200\text{ kg/tháng}$; Nước giếng: $320\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$
Lưu lượng xả thải Nước thải sinh hoạt: $20\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$; Nước thải sản xuất: $200\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$
Công suất thiết kế trạm xử lý $250\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$; Điện áp 3 pha $380\text{V}$; Nhân công: 01 người kiêm nhiệm
Quy chuẩn nước thải đầu ra $\text{QCVN 40:2011/BTNMT}$ trước khi thoát ra mương chung

Quy trình công nghệ trạm xử lý nước thải sản xuất $250\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ được tổ chức qua các công trình đơn vị:

  • Bể thu gom, điều hòa: Kết cấu bê tông cốt thép dung tích $50\text{ m}^3$, chia làm 2 ngăn:
    • Ngăn 1 ($V = 10\text{ m}^3$): Tiếp nhận nước thải rửa lọc, men dư có tải lượng ô nhiễm cao ($\text{COD} \approx 8.000\text{ mg/l}$).
    • Ngăn 2 ($V = 40\text{ m}^3$): Chứa nước thải nồng độ thấp ($\text{COD} = 800 - 1.200\text{ mg/l}$) và nước tuần hoàn sau xử lý kỵ khí.
  • Tháp phân hủy kỵ khí: Gồm 02 mô-đun chế tạo bằng thép không gỉ $\text{SUS304}$ ($D \times H = 1.200 \times 3.200\text{ mm}$, $V = 10\text{ m}^3/\text{tháp}$), thời gian lưu nước 120 giờ (5 ngày), bố trí hệ thống tách 3 pha (nước - bùn - khí sinh học).
  • Tháp phản ứng và điều chỉnh pH: Vật liệu $\text{SUS304}$ ($V = 5\text{ m}^3$), trang bị thiết bị tự động $\text{Eco-pH}$ điều khiển châm acid/bazo.
  • Bể Aeroten hiếu khí: Vật liệu $\text{SUS304}$ ($V = 30\text{ m}^3$), sử dụng bùn hoạt tính kết hợp máy thổi khí cạn LT 040 (công suất $1{,}18\text{ m}^3/\text{phút}$) và đĩa phân tán khí để khử $20 - 30%$ chất hữu cơ còn lại.
  • Bể lắng đứng: 02 mô-đun bằng thép $\text{SUS304}$ ($V = 10\text{ m}^3$), có bơm định lượng châm hóa chất keo tụ trên đường ống.
  • Công trình hoàn thiện: Hồ nén bùn ($5\text{ m}^3$) và bãi tưới sinh học trồng cỏ Vetiver diện tích $300\text{ m}^2$.

Dữ liệu tính toán kinh tế $\text{CBA}$ được tổng hợp qua 10 bảng biểu chính:

  • Bảng 1 & 2: Chi phí đầu tư xây dựng cơ bản và chi phí thiết bị các công trình đơn vị.
  • Bảng 3, 4 & 5: Chi phí vận hành hàng năm (điện năng tiêu thụ, hóa chất xử lý, nhân công vận hành).
  • Bảng 6, 7 & 9: Kết quả phân tích mẫu nước tại hố ga trước xử lý, mẫu nước sau xử lý xả thải ra cống chung và so sánh hiệu quả giảm thiểu nồng độ các chất ô nhiễm.
  • Bảng 8 & 10: Chi phí phí bảo vệ môi trường đối với nước thải đã đóng trong năm và bảng tổng hợp dòng chi phí - doanh thu/lợi ích hàng năm của dự án.

Chương 3: Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại nhà máy bia Viha

Tác giả đề xuất 3 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Nâng cao hiệu quả xử lý của hệ thống: Tối ưu hóa chế độ cấp khí cho bể Aeroten, kiểm soát định lượng hóa chất keo tụ và duy trì mật độ vi sinh vật kỵ khí trong tháp $\text{SUS304}$.
  2. Sản xuất sạch hơn và tiết kiệm năng lượng: Giảm hao hụt hơi nóng tại nồi nấu malt/gạo, tái sử dụng nước làm nguội ngưng tụ, tiết kiệm điện năng cho hệ thống lạnh và máy thổi khí.
  3. Cải thiện quản lý môi trường nội bộ: Ban hành quy chế thu gom tách dòng bã men, bã hoa houblon khô trước khi vệ sinh nhà xưởng nhằm giảm tải lượng $\text{COD}$ đưa vào bể điều hòa.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Về mặt kỹ thuật và môi trường: Đề tài làm rõ cơ chế phân dòng nước thải (tách riêng nước mưa chảy tràn, nước thải sinh hoạt $20\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ qua bể tự hoại 3 ngăn và nước thải sản xuất $200\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ qua trạm xử lý chuyên dụng). Hệ thống xử lý sinh học kết hợp kỵ khí - hiếu khí bằng thép $\text{SUS304}$ cùng bãi tưới cỏ Vetiver đã xử lý nước thải đạt quy chuẩn $\text{QCVN 40:2011/BTNMT}$.
  • Về mặt kinh tế môi trường ($\text{CBA}$): Báo cáo đã định lượng toàn bộ chi phí xây dựng, chi phí thiết bị, chi phí vận hành (điện năng, hóa chất xút, acid, chất keo tụ, nhân công) và đối chiếu với lợi ích tài chính (tiết kiệm phí xả thải môi trường theo quy định nhà nước) cùng các lợi ích ngoại ứng môi trường.

Đóng góp thực tiễn

  • Cung cấp mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh về việc đánh giá kinh tế - kỹ thuật cho trạm xử lý nước thải công suất nhỏ ($250\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$) trong ngành đồ uống.
  • Bộ số liệu về tiêu hao năng lượng, định mức hóa chất và chi phí bảo vệ môi trường tại Nhà máy bia Viha là cơ sở tham chiếu tin cậy cho các doanh nghiệp bia quy mô vừa và nhỏ trên địa bàn Hà Nội.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu thực hiện theo dạng nghiên cứu trường hợp (case study) tại một nhà máy đơn lẻ (Nhà máy bia Viha, Sóc Sơn); việc định lượng một số lợi ích kinh tế - xã hội phi thị trường (như giá trị cải thiện sức khỏe cộng đồng và nâng cao năng suất cây trồng xung quanh xã Phú Minh) chủ yếu dừng ở mức phân tích định tính do giới hạn dữ liệu điều tra cộng đồng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Cần mở rộng phân tích độ nhạy ($\text{Sensitivity Analysis}$) đa biến theo nhiều kịch bản biến động giá điện, giá hóa chất và mức tăng phí bảo vệ môi trường; ứng dụng phương pháp hạch toán chi phí dòng vật chất ($\text{MFCA}$) để kiểm soát dòng thải ngay trong quy trình sản xuất bia.

Giá trị tham khảo

Báo cáo chuyên đề thực tập có giá trị tham khảo hữu ích đối với:

  • Sinh viên, học viên: Chuyên ngành Kinh tế Tài nguyên và Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Môi trường tham khảo cấu trúc bài đánh giá $\text{CBA}$ sau đầu tư (Ex-post), phương pháp lập bảng chi phí - lợi ích và thiết lập công thức tính toán chỉ tiêu $\text{NPV}$, $\text{BCR}$, $\text{IRR}$ trên phần mềm bảng tính.
  • Cán bộ quản lý môi trường tại doanh nghiệp sản xuất thực phẩm - đồ uống: Tham khảo quy trình vận hành trạm xử lý nước thải sinh học phân đoạn (kỵ khí $\text{SUS304}$ - hiếu khí Aeroten - bãi lọc sinh học Vetiver) và cách tính toán chi phí xả thải thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy mô sản xuất và lượng nước thải phát sinh tại Nhà máy bia Viha là bao nhiêu?

Nhà máy đạt sản lượng bình quân $162.000\text{ lít/tháng}$ (trong đó 3 tháng cao điểm hè 5, 6, 7 đạt $12.000\text{ lít/ngày}$, các tháng còn lại đạt $3.200\text{ lít/ngày}$). Tổng nhu cầu nước cấp là $320\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$, phát sinh lượng nước thải sinh hoạt $20\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ và nước thải sản xuất $200\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$.

2. Trạm xử lý nước thải sản xuất của nhà máy gồm những hạng mục công trình chính nào?

Trạm có công suất thiết kế $250\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$, gồm: bể thu gom điều hòa bê tông cốt thép $50\text{ m}^3$ (chia 2 ngăn $10\text{ m}^3$ và $40\text{ m}^3$), nhà điều hành, máy thổi khí cạn LT 040 ($1{,}18\text{ m}^3/\text{phút}$), 04 bộ định lượng hóa chất tự động, 01 tháp phản ứng $\text{pH}$ tự động bằng thép $\text{SUS304}$ ($5\text{ m}^3$), 02 tháp kỵ khí $\text{SUS304}$ ($10\text{ m}^3/\text{tháp}$, lưu 120 giờ), 01 bể Aeroten $\text{SUS304}$ ($30\text{ m}^3$), 02 bể lắng đứng $\text{SUS304}$ ($10\text{ m}^3/\text{bể}$), hồ nén bùn $5\text{ m}^3$ và bãi tưới sinh học trồng cỏ Vetiver diện tích $300\text{ m}^2$.

3. Phương pháp phân tích chi phí - lợi ích (CBA) được triển khai theo quy trình nào trong đề tài?

Tác giả áp dụng mô hình phân tích sau dự án (Ex-post CBA) theo 9 bước: (1) Xác định chủ thể; (2) Chọn dự án thay thế; (3) Liệt kê tác động đo lường; (4) Dự đoán lượng hóa vòng đời; (5) Lượng hóa bằng tiền; (6) Quy đổi dòng tiền về hiện tại theo hệ số chiết khấu $r$; (7) Tính toán các chỉ tiêu $\text{NPV}$, $\text{BCR}$, $\text{IRR}$; (8) Phân tích độ nhạy; (9) Đề xuất giải pháp.

4. Nước thải sản xuất tại Nhà máy bia Viha được xử lý theo 2 nhánh độc lập như thế nào?

Dòng thải nồng độ $\text{COD}$ cao ($\approx 8.000\text{ mg/l}$) từ khâu rửa lọc, men dư đi vào ngăn $10\text{ m}^3$ và được bơm vào 2 tháp phân hủy kỵ khí $\text{SUS304}$ để khử phần lớn chất hữu cơ thành khí sinh học, sau đó chảy tuần hoàn về ngăn $40\text{ m}^3$. Dòng thải nồng độ thấp ($\text{COD} = 800 - 1.200\text{ mg/l}$) cùng dòng sau kỵ khí được bơm sang tháp điều chỉnh $\text{pH}$, đi qua bể Aeroten xử lý hiếu khí, sang 2 bể lắng đứng kết hợp hóa chất keo tụ và cuối cùng dẫn ra bãi tưới sinh học cỏ Vetiver.

Kết luận

Chuyên đề thực tập tốt nghiệp của tác giả Đặng Thùy Dương đã giải quyết đồng bộ bài toán kỹ thuật công nghệ và phân tích kinh tế đối với trạm xử lý nước thải công suất $250\text{ m}^3/\text{ngày.đêm}$ tại Nhà máy bia Viha. Thông qua việc vận dụng quy trình 9 bước phân tích chi phí - lợi ích ($\text{CBA}$), công trình đã minh chứng tính hiệu quả và sự cần thiết của hệ thống trong việc giúp doanh nghiệp tuân thủ quy chuẩn xả thải $\text{QCVN 40:2011/BTNMT}$ và giảm thiểu chi phí bảo vệ môi trường. Các đề xuất kỹ thuật và quản lý môi trường nêu trong báo cáo có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho các cơ sở sản xuất bia có quy mô tương tự.