Tổng quan nghiên cứu

Tài nguyên nước mặt và nước dưới đất tại Việt Nam đang chịu áp lực khai thác nặng nề từ quá trình công nghiệp hóa, trong đó hơn 60% tổng lượng dòng chảy mặt phụ thuộc vào nguồn nước ngoại biên và có sự phân bố không đồng đều theo không gian lẫn thời gian. Ngành luyện kim và sản xuất sắt thép là một trong những ngành công nghiệp tiêu thụ lưu lượng nước làm mát, nước công nghệ rất lớn. Tại tỉnh Thái Nguyên – cái nôi của ngành công nghiệp luyện kim Việt Nam từ năm 1959, Khu liên hiệp Gang thép Thái Nguyên đã vận hành chuỗi dây chuyền sản xuất khép kín với quy mô mở rộng giai đoạn một đạt 239.000 tấn/năm và giai đoạn hai hướng tới 750.000 tấn/năm.

Tuy nhiên, áp lực khan hiếm nước cục bộ vào mùa khô trên lưu vực sông Cầu cùng với tình trạng khai thác nước chưa gắn liền với các định mức kỹ thuật tiên tiến đã dẫn đến nguy cơ suy thoái nguồn nước và gia tăng chi phí vận hành doanh nghiệp. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân tích hiện trạng khai thác, xác định định mức sử dụng nước thực tế theo từng công đoạn sản xuất (cốc hóa, thiêu kết, luyện gang, luyện thép, cán thép) và đề xuất các giải pháp kỹ thuật, quản lý nhằm tiết kiệm từ 20% đến 30% lượng nước cấp mới.

Phạm vi không gian của đề tài được triển khai tập trung tại các đơn vị thành viên của Công ty Cổ phần Gang thép Thái Nguyên trong giai đoạn điều tra thực địa từ tháng 6/2016 đến tháng 6/2017. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc: không chỉ xây dựng bộ dữ liệu thực chứng phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước của tỉnh Thái Nguyên mà còn cung cấp mô hình tính toán định mức chuẩn giúp các nhà máy cắt giảm hàng triệu mét khối nước thất thoát mỗi năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa hai khung lý thuyết hiện đại về bảo vệ môi trường công nghiệp và hệ thống quy phạm pháp luật tài nguyên nước hiện hành:

  • Lý thuyết Sản xuất sạch hơn (Cleaner Production - CP) do Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) khởi xướng: Tập trung vào chiến lược phòng ngừa ô nhiễm tổng thể, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng nguyên liệu, hóa chất, năng lượng và dòng nước tuần hoàn nhằm giảm thiểu chất thải phát sinh ngay tại nguồn.
  • Khung đánh giá Dấu vết nước (Water Footprint) theo trường phái của Arjen Hoekstra và các cộng sự (2011): Phân tích toàn diện ba cấu phần dòng nước gồm Dấu vết nước xanh lam (Blue Water - lượng nước mặt và nước ngầm tiêu thụ thực tế), Dấu vết nước xanh lá (Green Water - lượng nước mưa tích trữ được chuyển hóa) và Dấu vết nước xám (Grey Water - thể tích nước cần thiết để đồng hóa tải lượng ô nhiễm đạt quy chuẩn môi trường tiếp nhận).
  • Khung cơ sở pháp lý tại Việt Nam: Dựa trên Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13, Nghị định 201/2013/NĐ-CP hướng dẫn thi hành luật, Nghị định 54/2015/NĐ-CP quy định về chính sách ưu đãi cho các hoạt động sử dụng nước tiết kiệm, hiệu quả, cùng các Thông tư định mức kinh tế - kỹ thuật điều tra tài nguyên nước như Thông tư 20/2009/TT-BTNMT và Thông tư 21/2009/TT-BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

  • Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: Nghiên cứu chọn mẫu điều tra toàn diện tại 4 mắt xích cốt lõi của Khu liên hiệp Gang thép Thái Nguyên, bao gồm: Nhà máy Cốc hóa (công suất thiết kế trên 150.000 tấn than cốc/năm), Nhà máy Luyện gang (hệ thống 3 lò cao dung tích 100 m³/lò, tiêu thụ 290.000 tấn quặng thiêu kết để sản xuất 190.000 tấn gang lỏng/năm), Nhà máy Luyện thép (2 lò luyện kết hợp máy đúc phôi liên tục bán kính cong R6m, công suất kéo phôi 3.000 tấn/năm) và Nhà máy Cán thép Lưu Xá (3 dây chuyền cán thép dây và thép hình đạt sản lượng 337.174 tấn thép cán thành phẩm/năm).
  • Phương pháp chọn mẫu: Phương pháp chọn mẫu có chủ đích theo chuỗi giá trị dòng sản phẩm khép kín. Việc lựa chọn này đảm bảo bao quát toàn bộ các trạng thái công nghệ từ nhiệt độ cao (lò cao, lò luyện thép) đến gia công cơ học (cán thép) và thu hồi hóa chất phụ phẩm (tinh chế dầu cốc, xử lý khí than).
  • Phương pháp kiểm toán nước và cân bằng vật chất: Áp dụng quy trình kiểm toán nước 8 bước theo chuẩn quốc tế (được đúc kết từ kinh nghiệm kiểm toán nước của Úc và khảo sát thống kê 5.150 cơ sở công nghiệp tại Canada). Phương pháp đo đạc trực tiếp lưu lượng dòng vào, dòng ra, lượng bốc hơi và lượng nước xả đáy được thực hiện liên tục theo chu kỳ 24 giờ. Lý do lựa chọn phương pháp cân bằng vật chất kết hợp đo đạc đồng hồ lưu lượng là nhằm loại bỏ sai số ước tính, lượng hóa chính xác lượng nước tổn thất vô hình và xác định chính xác hiệu quả của các trạm bơm tuần hoàn trong điều kiện nhà máy hoạt động 3 ca liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra thực địa và tính toán cân bằng nước tại các phân xưởng sản xuất đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng:

  • Sự phân bổ lưu lượng nước không đồng đều: Nhu cầu nước làm mát gián tiếp chiếm tỷ trọng áp đảo, lên tới hơn 70% tổng lượng nước lưu chuyển trong toàn khu liên hiệp. Trong đó, khâu luyện gang qua 3 lò cao và khâu cán thép tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá với sản lượng 337.174 tấn/năm tiêu thụ lượng nước làm mát tuần hoàn lớn nhất để giải nhiệt cho vỏ lò, tuy ô gió, trục cán và làm nguội phôi thép.
  • Tỷ lệ thất thoát và hao hụt bốc hơi cao: Lượng nước tổn thất do bay hơi qua các tháp giải nhiệt hở và rò rỉ trên tuyến ống cũ kỹ (được lắp đặt từ giai đoạn 1971 - 1978) chiếm từ 15% đến 22% tổng lượng nước cấp đầu vào.
  • Tỷ lệ tái sử dụng nước tuần hoàn chưa đồng bộ: Mặc dù các phân xưởng đã có hệ thống tuần hoàn nước cục bộ, tỷ lệ tuần hoàn chung chỉ dao động trong khoảng 65% đến 75%, thấp hơn đáng kể so với mức chuẩn 90% - 95% của các nhà máy thép hiện đại sử dụng lò hồ quang điện trên thế giới. Điển hình tại Nhà máy Cốc hóa, việc dập tắt cốc đỏ vẫn sử dụng một lượng lớn nước sạch với định mức từ 0,8 đến 1,2 m³/tấn than cốc mà chưa tận dụng tối đa nguồn nước thải xử lý đạt chuẩn.
  • Chênh lệch định mức tiêu thụ nước: Định mức sử dụng nước sạch mới tính trên 1 tấn thép thành phẩm tại khu vực khảo sát dao động trong khoảng 8 đến 15 m³/tấn thép, cao hơn từ 25% đến 30% so với định mức công nghệ tiên tiến đang được áp dụng tại một số nước phát triển (chỉ tiêu tốn từ 3 đến 5 m³/tấn thép).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng tiêu hao nước cao bắt nguồn từ sự không đồng bộ về mặt công nghệ giữa các phân xưởng thế hệ cũ và các dây chuyền mới nâng cấp. Việc thiếu vắng mạng lưới đồng hồ đo lưu lượng phân đoạn tại các nhánh cấp nước làm mát lò khiến việc phát hiện các điểm rò rỉ ngầm bị chậm trễ.

Khi so sánh với nghiên cứu tại Anh trên 57 nhà máy công nghiệp (nơi việc áp dụng định mức chuẩn giúp tiết kiệm tới 99 triệu gallon nước mỗi năm, tương đương tỷ lệ tiết kiệm từ 17% đến 47%), ngành sản xuất sắt thép Thái Nguyên hoàn toàn có dư địa rất lớn để cắt giảm chi phí tài nguyên.

Để dữ liệu kiểm toán nước có giá trị trực quan cao trong quản trị sản xuất, kết quả nghiên cứu có thể được biểu diễn thông qua các dạng đồ họa chuyên dụng:

  • Biểu đồ dòng Sankey mô tả chi tiết đường đi của nước: thể hiện trực quan tỷ lệ nước cấp mới từ sông/nước ngầm, dòng nước qua tháp giải nhiệt, dòng bốc hơi thất thoát và dòng nước thải được dẫn về trạm lắng lọc.
  • Biểu đồ tròn cơ cấu tiêu thụ nước giữa 4 nhà máy thành viên giúp ban lãnh đạo nhận diện ngay mắt xích gây lãng phí nhiều nhất.
  • Bảng so sánh định mức kỹ thuật m³/tấn sản phẩm qua từng thời kỳ hỗ trợ việc thiết lập chỉ tiêu KPI nội bộ cho từng phân xưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng nước, giảm chi phí vận hành và hướng tới mô hình kinh tế tuần hoàn, 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất:

  • Cải tiến và chuyển đổi hệ thống làm mát hở sang làm mát tuần hoàn kín: Thay thế các tháp làm mát bay hơi tự nhiên bằng hệ thống trao đổi nhiệt dạng tấm bản hoặc ống chùm kín tại Nhà máy Luyện gang và Nhà máy Cán thép Lưu Xá. Mục tiêu cắt giảm 85% lượng nước thất thoát do bốc hơi, thực hiện trong lộ trình 12 tháng dưới sự chủ trì của Phòng Kỹ thuật Công nghệ.
  • Tái sử dụng nước thải công nghiệp sau xử lý cho khâu dập cốc và dập xỉ: Nâng cấp trạm xử lý sinh học phân xưởng hóa cốc nhằm tận dụng 100% nước sau xử lý để phục vụ dập cốc than (quy mô trên 150.000 tấn cốc/năm) và làm nguội xỉ gang lỏng. Mục tiêu giảm ít nhất 400.000 m³ nước mặt khai thác mới mỗi năm, hoàn thành trong 18 tháng do Phân xưởng Cốc hóa và Phòng Môi trường phối hợp triển khai.
  • Số hóa mạng lưới giám sát lưu lượng và áp suất: Lắp đặt bổ sung hệ thống đồng hồ đo điện từ thông minh kết nối SCADA trên 100% các tuyến ống cấp nước chính và phụ lưu. Mục tiêu phát hiện rò rỉ trong vòng 30 phút, hạ tỷ lệ thất thoát mạng lưới từ trên 20% xuống dưới mức 8% trong thời gian 6 đến 9 tháng.
  • Áp dụng cơ chế định mức khoán nội bộ và tranh thủ chính sách ưu đãi của Nhà nước: Xây dựng bộ chỉ tiêu khoán tiêu hao nước theo từng ca sản xuất cho hơn 1.000 cán bộ công nhân viên, đồng thời lập hồ sơ xin miễn giảm thuế và tiếp cận vốn vay ưu đãi theo Nghị định 54/2015/NĐ-CP cho các dự án tuần hoàn nước thải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của công trình nghiên cứu mang lại giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  • Ban lãnh đạo, kỹ sư công nghệ và cán bộ quản lý môi trường tại các doanh nghiệp luyện cán thép: Cung cấp phương pháp luận kiểm toán nước 8 bước chuẩn xác và các giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao để ứng dụng tái tuần hoàn nước làm mát, giảm chi phí giá thành sản phẩm.
  • Cơ quan quản lý Nhà nước về môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên, Cục Quản lý Tài nguyên nước): Cung cấp nguồn số liệu thực chứng đáng tin cậy phục vụ công tác thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường, cấp phép khai thác nước mặt sông Cầu và xây dựng quy chuẩn định mức tiêu hao nước ngành thép theo Thông tư 20/2009/TT-BTNMT.
  • Các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về sự kết hợp giữa lý thuyết Sản xuất sạch hơn và phương pháp đánh giá Dấu vết nước trong ngành công nghiệp nặng.
  • Các tổ chức tư vấn môi trường và đơn vị kiểm toán năng lượng - tài nguyên: Sử dụng làm khung tài liệu chuẩn để thiết kế các dự án chuyển đổi xanh, dự án cơ chế phát triển sạch và kinh tế tuần hoàn nước cho các khu liên hợp công nghiệp quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

  • Vì sao việc xác định định mức sử dụng nước trong sản xuất gang thép tại Thái Nguyên lại mang tính cấp thiết? Sản xuất gang thép tiêu thụ hàng triệu mét khối nước mỗi năm. Trong bối cảnh sông Cầu thường xuyên đối mặt với nguy cơ cạn kiệt cục bộ vào mùa khô với lưu lượng dòng chảy suy giảm từ 50% đến 60%, việc xác lập định mức sử dụng nước giúp doanh nghiệp chủ động nguồn nước sản xuất, ngăn ngừa xung đột tài nguyên với cộng đồng dân cư và đáp ứng nghiêm ngặt các quy định pháp luật.

  • Khái niệm Dấu vết nước (Water Footprint) được vận dụng cụ thể như thế nào trong luận văn? Lý thuyết Dấu vết nước của Arjen Hoekstra (2011) được vận dụng để phân tách lượng nước tiêu thụ tại nhà máy thành Dấu vết nước xanh lam (lượng nước mặt sông Cầu và nước ngầm cấp vào dây chuyền) và Dấu vết nước xám (lượng nước cần thiết để pha loãng nước thải sau xử lý đạt chuẩn xả thải loại A hoặc B), từ đó tối ưu hóa từng dòng nước riêng biệt.

  • Công đoạn nào trong dây chuyền sản xuất sắt thép liên hợp gây tiêu hao nhiều nước nhất? Hệ thống làm mát vỏ lò cao, tuy ô gió trong luyện gang và hệ thống giải nhiệt trục cán, làm mát phôi tại Nhà máy Cán thép Lưu Xá (sản lượng 337.174 tấn/năm) là những khâu tiêu tốn nước lớn nhất, chiếm hơn 70% tổng lưu lượng nước tuần hoàn toàn khu liên hiệp do đặc thù giải nhiệt liên tục 24/7 ở điều kiện nhiệt độ cao.

  • Doanh nghiệp thực hiện các biện pháp tuần hoàn và tiết kiệm nước được hưởng quyền lợi gì từ chính sách? Theo quy định tại Điều 6 Nghị định 54/2015/NĐ-CP và Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13, các doanh nghiệp đầu tư công nghệ tái sử dụng nước tuần hoàn khép kín được hưởng các chính sách ưu đãi lớn về thuế thu nhập doanh nghiệp, miễn giảm tiền cấp quyền khai thác tài nguyên nước và được ưu tiên vay vốn lãi suất ưu đãi từ Quỹ Bảo vệ Môi trường Việt Nam.

  • Làm thế nào để kiểm soát và phát hiện nhanh tình trạng rò rỉ nước ngầm trong khu công nghiệp rộng lớn? Doanh nghiệp cần áp dụng phương pháp cân bằng nước kết hợp thiết bị đo đạc thông minh: phân chia mạng lưới đường ống thành các tiểu vùng kiểm toán độc lập, lắp đặt đồng hồ đo lưu lượng điện từ tức thời và cảm biến áp suất truyền tín hiệu tự động về phòng điều khiển trung tâm, giúp phát hiện sự sụt áp bất thường và khoanh vùng vị trí rò rỉ trong vòng 30 phút.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng khai thác và sử dụng nước tại Khu liên hiệp Gang thép Thái Nguyên, chỉ rõ tỷ lệ thất thoát nước do bay hơi và rò rỉ đường ống còn ở mức cao từ 15% đến 22%.
  • Công trình đã lượng hóa thành công định mức tiêu hao nước thực tế cho từng khâu sản xuất từ cốc hóa (công suất trên 150.000 tấn/năm), luyện gang, đúc phôi đến cán thép (sản lượng 337.174 tấn/năm).
  • Nghiên cứu khẳng định tiềm năng tiết kiệm nước sạch cấp mới từ 20% đến 30% thông qua việc khép kín chu trình làm mát và tái sử dụng nước thải dập cốc, dập xỉ.
  • Lộ trình hành động chi tiết 12 đến 18 tháng đã được thiết lập rõ ràng, tích hợp giữa giải pháp kỹ thuật công nghệ, tự động hóa đo đạc SCADA và các cơ chế khuyến khích tài chính theo Nghị định 54/2015/NĐ-CP.
  • Các doanh nghiệp sản xuất sắt thép cần khẩn trương số hóa công tác quản trị tài nguyên nước và đầu tư nâng cấp hệ thống tuần hoàn kín nhằm giảm chi phí sản xuất, bảo vệ lưu vực sông Cầu và thúc đẩy tiến trình chuyển đổi sang mô hình công nghiệp xanh, phát triển bền vững.