Tổng quan nghiên cứu

Thị xã Đông Triều là địa bàn kinh tế trọng điểm cửa ngõ phía Tây tỉnh Quảng Ninh, nơi đang có tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra mạnh mẽ. Toàn tỉnh Quảng Ninh hiện vận hành 29 nhà máy và trạm cấp nước với tổng công suất thiết kế khoảng 194.000 m3/ngày đêm, cung cấp 57,869 triệu m3/năm cho 14 đô thị, đạt tỷ lệ bao phủ cấp nước sinh hoạt đô thị 91,12%. Tuy nhiên, theo dự báo của ngành nước, nhu cầu dùng nước toàn tỉnh đến năm 2020 là 457.100 m3/ngày đêm và đến năm 2025 tăng lên 743.600 m3/ngày đêm, dẫn đến nguy cơ thiếu hụt nghiêm trọng khoảng 269.300 m3/ngày đêm vào năm 2020. Tại thị xã Đông Triều, nguồn nước thô phục vụ sinh hoạt đang chịu sức ép nặng nề từ quá trình phát triển kinh tế, nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý triệt để và hoạt động khai khoáng, nông nghiệp.

Vấn đề cốt lõi được đặt ra là sự suy thoái chất lượng nguồn nước tự nhiên đi kèm với sự chênh lệch lớn về hiệu quả xử lý giữa các nhà máy đô thị và các trạm cấp nước nông thôn phân tán. Mục tiêu cụ thể của công trình là đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng nước nguồn đầu vào và nước sạch thành phẩm, phân tích hiệu quả công nghệ xử lý tại 9 cơ sở cấp nước tập trung, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ nhằm tối ưu hóa công nghệ và quản lý. Nghiên cứu được triển khai trên phạm vi toàn thị xã Đông Triều trong khung thời gian từ tháng 1/2019 đến tháng 8/2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn, hỗ trợ nâng cao hiệu suất xử lý chất ô nhiễm lên trên 85%, đảm bảo chất lượng nước sinh hoạt cho hơn 170.000 người dân địa phương và cung cấp cơ sở dữ liệu quan trắc tin cậy cho quy hoạch tài nguyên nước của tỉnh Quảng Ninh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết xử lý nước cấp hiện đại, bao gồm lý thuyết quá trình keo tụ - tạo bông và lắng lọc cơ học đối với nguồn nước mặt, cùng lý thuyết oxy hóa - làm thoáng khử kim loại nặng đối với nguồn nước ngầm. Cơ chế làm thoáng tự nhiên và cưỡng bức chuyển hóa sắt hòa tan Fe2+ thành Fe3+ kết tủa hidroxit, kết hợp lọc áp lực giữ lại cặn lơ lửng. Đồng thời, tác giả tiếp cận lý thuyết xử lý sinh học kết hợp hóa lý nâng cao như công nghệ lọc than hoạt tính sinh học (BAC) và ozone hóa kết hợp BAC (O3-BAC) nhằm loại bỏ triệt để chất hữu cơ hòa tan và amoni mà các công nghệ truyền thống khó xử lý. Bên cạnh đó, mô hình đánh giá công nghệ môi trường tích hợp đa tiêu chí được vận dụng để định lượng tính phù hợp của các trạm xử lý nước.

Nghiên cứu tập trung vào 4 khái niệm khoa học trọng tâm: Nước sinh hoạt theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 02:2009/BYT và QCVN 01:2009/BYT; Nhu cầu oxy hóa học (COD) và Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ; Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) đại diện cho độ đục và cặn cơ học; và Cấp nước an toàn (WSP) theo khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu sơ cấp thông qua điều tra xã hội học với cỡ mẫu 300 hộ dân được lựa chọn theo phương pháp ngẫu nhiên phân tầng tại các xã, phường của thị xã Đông Triều nhằm ghi nhận nguồn nước sử dụng và đánh giá cảm quan cộng đồng.

Chương trình quan trắc thực địa thực hiện lấy mẫu tại 9 cơ sở cấp nước (bao gồm 18 vị trí mẫu nước thô NT1-NT9 và nước sạch sau xử lý NC1-NC9) tại Nhà máy nước Mạo Khê, Nhà máy nước Miếu Hương, các giếng ngầm 541A, 548A, 548B và 4 công trình cấp nước tập trung xã Hoàng Quế, Thủy An, Bình Dương, Hồng Thái Tây. Mỗi vị trí là mẫu tổ hợp từ 3 thời điểm trong ngày (09h00, 13h00, 17h00) nhằm đảm bảo tính đại diện cao nhất theo tiêu chuẩn TCVN 6663-1:2011 và TCVN 6663-3:2008.

Tất cả mẫu nước được phân tích tại phòng thí nghiệm đạt chuẩn ISO/IEC 17025:2005 thuộc Trung tâm Kiểm soát bệnh tật tỉnh Quảng Ninh với 26 chỉ tiêu nước thô và 15 chỉ tiêu nước cấp thành phẩm. Phương pháp đánh giá hiệu quả công nghệ sử dụng khung ma trận 4 nhóm tiêu chí với tổng thang điểm 100: Kỹ thuật (50 điểm, 8 chỉ tiêu), Kinh tế (25 điểm, 3 chỉ tiêu), Môi trường (15 điểm, 4 chỉ tiêu) và Xã hội (10 điểm, 2 chỉ tiêu). Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng lượng hóa khách quan, giúp chuyển đổi các thông số kỹ thuật và vận hành phức tạp thành thang đo định lượng rõ ràng. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, khảo sát và phân tích số liệu diễn ra từ tháng 1/2019 đến tháng 8/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả điều tra 300 hộ dân cho thấy 90% số hộ (270 hộ) đã tiếp cận và sử dụng nước máy tập trung, trong khi tỷ lệ sử dụng nước giếng khoan là 6,67% (20 hộ) và nước giếng đào chiếm 3,33% (10 hộ). Về mặt cảm quan, 93,67% người dân đánh giá màu sắc nước ở mức bình thường (6,33% thấy màu lạ), 90,67% nhận xét mùi bình thường (9,33% phản ánh mùi lạ), và 86,67% nhận định vị bình thường (13,33% phát hiện vị lạ).

Phân tích chất lượng nước thô đầu vào ghi nhận tình trạng nước ngầm có tính axit nhẹ với độ pH dao động từ 5,7 đến 5,9, thấp hơn ngưỡng giới hạn 6,0 - 8,5 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT (cột A2). Đáng chú ý, nguồn nước mặt tại đập sông Trung Lương cấp cho Nhà máy nước Miếu Hương (mẫu NT2) bị ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng khi hàm lượng COD đạt 80 mg/l (vượt quá 5,3 lần giới hạn quy chuẩn 15 mg/l), BOD5 đạt 21 mg/l (vượt 3,5 lần giới hạn 6 mg/l), và hàm lượng TSS đạt 20 mg/l. Nguồn nước mặt tại Khu xử lý Đông Triều (NT1) cũng có COD ở mức 31 mg/l (vượt 2,06 lần quy chuẩn) và BOD5 là 4,2 mg/l.

Về hiệu quả xử lý công nghệ, Nhà máy nước Mạo Khê (công suất thiết kế 2.350 m3/ngày đêm) khai thác 3 giếng ngầm đạt hiệu quả khử sắt xuất sắc khi đưa hàm lượng Fe từ nước thô xuống dưới 0,5 mg/l nhờ tháp làm thoáng tải trọng cao và bình lọc áp lực composite. Tuy nhiên, Nhà máy nước Miếu Hương (công suất 3.000 m3/ngày đêm) sử dụng bể lọc không van tự rửa gặp nhiều khó khăn khi xử lý nước mặt có tải lượng hữu cơ biến động mạnh.

Đánh giá theo thang điểm 100, Nhà máy nước Mạo Khê đạt tổng điểm trên 70 điểm, thuộc nhóm công nghệ khuyến khích áp dụng nhờ mức độ tự động hóa tốt, chi phí vận hành ổn định và đạt tiêu chuẩn xả thải theo quy định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm hữu cơ cao tại nguồn nước mặt sông Trung Lương và hồ Bến Châu là do hoạt động xả thải sinh hoạt từ các khu dân cư thượng nguồn kết hợp với dòng chảy tràn nông nghiệp mang theo phân bón và chất thải chăn nuôi. Trong khi đó, tính axit của nước ngầm xuất phát từ đặc điểm địa chất chứa than mỏ đặc thù của vùng Đông Triều, gây ăn mòn vật liệu kim loại và sàn tung tháp làm thoáng nếu không được trung hòa bằng dung dịch kiềm kịp thời.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các biểu đồ phân bố tải lượng COD, BOD5, TSS giữa các điểm lấy mẫu và bảng tổng hợp đối chứng 15 chỉ tiêu nước thành phẩm với QCVN 01:2009/BYT. Việc mô hình hóa qua bảng ma trận chấm điểm 17 tiêu chuẩn giúp phân tách rõ ràng năng lực xử lý giữa hệ thống lọc áp lực nước ngầm và hệ thống lắng lọc tự rửa nước mặt.

So sánh với các nghiên cứu tại vùng than Quảng Ninh và các đô thị duyên hải phía Bắc, kết quả này hoàn toàn tương đồng về quy luật biến đổi chất lượng nước: nước ngầm giàu sắt nhưng thiếu oxy, còn nước mặt giàu hữu cơ nhưng dễ biến động theo mùa mưa lũ. Điều này khẳng định quy trình keo tụ PAC đơn thuần tại các trạm cấp nước nông thôn chưa đủ khả năng bẻ gãy các liên kết hữu cơ phức tạp, đặt ra yêu cầu bức thiết phải bổ sung các công đoạn hấp phụ nâng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp dây chuyền công nghệ xử lý tại các nhà máy nước mặt: Áp dụng công nghệ lọc sinh học than hoạt tính dạng hạt (BAC) hoặc ozone hóa kết hợp than hoạt tính (O3-BAC) sau bể lắng để loại bỏ triệt để các hợp chất hữu cơ hòa tan và tiền chất tạo sản phẩm phụ khử trùng. Mục tiêu cụ thể là giảm hàm lượng COD trong nước thành phẩm xuống dưới 2 mg/l và triệt tiêu 100% rủi ro phát sinh vi sinh vật. Thời gian triển khai dự kiến trong giai đoạn 2020-2022 do Công ty Cổ phần Nước sạch Quảng Ninh chủ trì thực hiện.

Thứ hai, tối ưu hóa hệ thống xử lý nước ngầm và khử trùng an toàn: Thay thế dần khử trùng bằng clo khí sang dung dịch Javen điện phân trực tiếp từ muối ăn tại các trạm cấp nước quy mô nhỏ để đảm bảo an toàn lao động. Lắp đặt thêm máy định lượng tự động châm dung dịch kiềm để nâng pH nguồn nước thô lên ngưỡng 6,5 - 7,5 trước khi qua tháp làm thoáng. Chỉ tiêu hướng tới là duy trì hàm lượng clo dư ổn định từ 0,3 đến 0,5 mg/l ở cuối mạng lưới và hạ tỷ lệ thất thoát nước sạch xuống dưới 18% vào năm 2023, do Xí nghiệp nước Đông Triều chịu trách nhiệm kỹ thuật.

Thứ ba, thiết lập hành lang bảo vệ nghiêm ngặt nguồn nước thô: Khoanh vùng bảo vệ vệ sinh khu vực lấy nước bán kính 500m đối với hồ Bến Châu, đập sông Trung Lương và các giếng khoan 541A, 548A, 548B. Ngăn chặn tuyệt đối việc xả thải chưa qua xử lý vào lưu vực sông Cầm và các hồ đập. Mục tiêu là xử lý dứt điểm 100% các điểm xả thải vi phạm hành lang an toàn nguồn nước trong giai đoạn 2020-2024, do Ủy ban nhân dân thị xã Đông Triều phối hợp cùng Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh giám sát.

Thứ tư, đổi mới cơ chế quản trị và dịch vụ cấp nước nông thôn: Chuyển đổi mô hình quản lý 4 công trình cấp nước tập trung tại các xã Thủy An, Hoàng Quế, Hồng Thái Tây, Bình Dương sang hình thức hợp tác công tư hoặc bàn giao toàn diện cho doanh nghiệp chuyên nghiệp vận hành. Nâng tỷ lệ dân số nông thôn được sử dụng nước sạch đạt quy chuẩn QCVN 01:2009/BYT lên 95% vào năm 2025 dưới sự điều phối của Trung tâm Nước sinh hoạt và Vệ sinh môi trường nông thôn tỉnh Quảng Ninh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước: Các cán bộ chuyên trách tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng, Trung tâm Kiểm soát bệnh tật (CDC) và Ủy ban nhân dân thị xã Đông Triều có thể sử dụng dữ liệu luận văn làm căn cứ khoa học để hoạch định chính sách cấp nước an toàn, rà soát quy hoạch cấp nước đô thị - nông thôn và thiết lập khung kiểm soát chất lượng nước định kỳ.

Nhóm doanh nghiệp cấp nước: Lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại Công ty Cổ phần Nước sạch Quảng Ninh, Xí nghiệp nước Đông Triều và các công ty cấp thoát nước trên toàn quốc có thể ứng dụng trực tiếp ma trận đánh giá 4 nhóm tiêu chí để kiểm toán hiệu quả kỹ thuật, tối ưu hóa lượng hóa chất keo tụ PAC, kiềm nâng pH và cắt giảm chi phí vận hành xử lý bùn cặn.

Nhóm chuyên gia và kỹ sư môi trường: Các chuyên gia thiết kế công trình xử lý nước có thể tham khảo các thông số thủy lực chi tiết về tháp làm thoáng tải trọng cao, bể lọc không van tự rửa và mô hình ứng dụng than hoạt tính sinh học (BAC) phục vụ cải tạo các trạm cấp nước có đặc thù địa chất than mỏ phức tạp.

Nhóm nghiên cứu, giảng viên và sinh viên: Học viên cao học, giảng viên và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Quản lý Tài nguyên Nước có thể khai thác tài liệu này như một điển cứu thực chứng mẫu mực về phương pháp điều tra cộng đồng kết hợp phân tích phòng thí nghiệm đạt chuẩn ISO và quy trình lượng hóa đa tiêu chí.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn nước thô phục vụ sinh hoạt tại thị xã Đông Triều đang đối mặt với những vấn đề chất lượng nào? Nguồn nước ngầm tại khu vực có độ pH thấp dao động từ 5,7 đến 5,9 mang tính axit nhẹ và chứa hàm lượng sắt hòa tan cần xử lý. Trong khi đó, nguồn nước mặt tại đập sông Trung Lương và hồ Bến Châu bị ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng với chỉ số COD lên tới 80 mg/l và BOD5 đạt 21 mg/l do ảnh hưởng từ nước thải sinh hoạt và canh tác nông nghiệp.

Phương pháp đánh giá hiệu quả công nghệ xử lý nước trong luận văn được thực hiện như thế nào? Tác giả áp dụng mô hình định lượng đa tiêu chí với thang điểm 100 chia thành 4 nhóm: Kỹ thuật (50 điểm), Kinh tế (25 điểm), Môi trường (15 điểm) và Xã hội (10 điểm). Dây chuyền công nghệ được chấm điểm dựa trên hồ sơ thiết kế, khảo sát thực tế và kết quả xét nghiệm 15 chỉ tiêu nước sạch theo QCVN 01:2009/BYT tại phòng lab chuẩn ISO/IEC 17025:2005.

Dây chuyền công nghệ tại Nhà máy nước Mạo Khê có điểm gì nổi bật so với Nhà máy Miếu Hương? Nhà máy Mạo Khê (công suất 2.350 m3/ngày đêm) xử lý nước ngầm bằng tháp làm thoáng tải trọng cao kết hợp bình lọc áp lực composite đạt hiệu quả khử sắt cao. Ngược lại, Nhà máy Miếu Hương (công suất 3.000 m3/ngày đêm) xử lý nước mặt qua bể lắng keo tụ PAC và bể lọc không van tự rửa vận hành theo nguyên lý chênh áp thủy lực tự động hoàn toàn.

Đánh giá của người dân địa phương về chất lượng dịch vụ cấp nước sinh hoạt tại Đông Triều ra sao? Khảo sát 300 hộ dân ghi nhận 90% số hộ sử dụng nước máy tập trung. Đa số người dân hài lòng về cảm quan với 93,67% đánh giá màu sắc bình thường và 90,67% nhận định mùi bình thường. Tuy nhiên, vẫn có 13,33% phản ánh về vị lạ và 9,33% cảm nhận mùi clo khử trùng vào các thời điểm sục rửa đường ống.

Giải pháp công nghệ tiên tiến nào được luận văn đề xuất để xử lý triệt để ô nhiễm hữu cơ trong nước mặt? Luận văn khuyến nghị áp dụng công nghệ lọc than hoạt tính sinh học (BAC) hoặc tổ hợp oxy hóa ozone kết hợp than sinh học (O3-BAC). Cơ chế này tận dụng màng vi sinh vật trên bề mặt than để phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ và nitrat hóa amoni, giúp giảm tiêu hao hóa chất clo và ngăn chặn hình thành các sản phẩm phụ khử trùng độc hại.

Kết luận

Thực trạng chất lượng nước thô tại Đông Triều phản ánh rõ nét sự suy giảm chất lượng nước mặt với hàm lượng COD và BOD5 vượt ngưỡng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Hiệu quả xử lý của các cơ sở cấp nước có sự phân hóa rõ rệt, trong đó mô hình lọc áp lực nước ngầm tại Nhà máy Mạo Khê đạt độ ổn định cao hơn mô hình lọc tự rửa nước mặt tại Miếu Hương.

Các công trình cấp nước nông thôn phân tán tại Hoàng Quế, Thủy An, Bình Dương, Hồng Thái Tây còn bộc lộ nhiều hạn chế về năng lực giám sát và duy trì vận hành bền vững.

Hệ thống giải pháp tích hợp từ cải tiến công nghệ BAC, tự động hóa đo clo dư, khoanh vùng bảo vệ lưu vực đến chuyển đổi cơ chế quản lý công tư là chìa khóa then chốt nâng cao chất lượng cấp nước.

Công trình đóng góp cơ sở dữ liệu quan trắc thực địa và phương pháp luận lượng hóa 100 điểm tin cậy cho công tác quản lý môi trường nước tại tỉnh Quảng Ninh.

Lộ trình tiếp theo trong giai đoạn 2020-2025 đòi hỏi sự vào cuộc quyết liệt của các cơ quan quản lý và doanh nghiệp nhằm đồng bộ hóa hạ tầng kỹ thuật. Các đơn vị vận hành và cơ quan chức năng cần nhanh chóng áp dụng ngay khung khuyến nghị của luận văn vào thực tiễn sản xuất nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng và bảo đảm an ninh nguồn nước lâu dài.