Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp da giày và thuộc da đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam với kim ngạch xuất khẩu đạt trên 18 tỷ USD trong 5 tháng đầu năm 2018 và sản lượng giày dép quý 1/2019 đạt 432,1 triệu đôi. Tuy nhiên, hoạt động thuộc da đòi hỏi lượng tài nguyên rất lớn khi tiêu thụ trung bình từ 35 đến 40 m3 nước cho mỗi tấn da muối tươi tại Việt Nam, cao gấp đôi so với định mức 15 đến 20 m3/tấn ở các quốc gia tiên tiến. Đồng thời, khoảng 25% khối lượng da nguyên liệu bị loại bỏ dưới dạng chất thải rắn chứa hóa chất độc hại như Crom, vôi và sunfua, gây áp lực nặng nề lên hệ sinh thái tiếp nhận.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm được đặt ra tại Công ty Cổ phần Thương mại Sản xuất Da Nguyên Hồng (tỉnh Lạng Sơn), doanh nghiệp hoạt động với công suất chế biến khoảng 730 tấn da nguyên liệu/năm (tương đương 2 tấn/ngày) và sản xuất 36.500 tấm da thuộc/năm. Quá trình vận hành thực tế tại cơ sở bộc lộ nhiều điểm nghẽn về thất thoát nguyên vật liệu, lãng phí năng lượng tại hệ thống lò hơi và phát sinh dòng thải ô nhiễm phức tạp.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tiến hành kiểm toán dòng vật chất và năng lượng trong toàn bộ dây chuyền sản xuất da thuộc, nhận diện chính xác các công đoạn gây thất thoát và đề xuất 21 giải pháp sản xuất sạch hơn. Nghiên cứu thực hiện đánh giá đa chiều về kinh tế, kỹ thuật, môi trường nhằm xây dựng thứ tự ưu tiên thực thi cho doanh nghiệp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quy trình công nghệ thuộc da và sản xuất keo Gelatin tại xã Tân Mỹ, huyện Văn Lãng, tỉnh Lạng Sơn trong giai đoạn từ tháng 10/2018 đến tháng 9/2019. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi giúp doanh nghiệp tiết kiệm 8-15% chi phí năng lượng và hóa chất, đồng thời giảm thiểu đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường tự nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng khung lý thuyết Sản xuất sạch hơn (Cleaner Production) do Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP, 1994) khởi xướng, tiếp cận theo triết lý phòng ngừa ô nhiễm liên tục tại nguồn thay vì kiểm soát thụ động ở cuối đường ống. Mô hình đánh giá được xây dựng dựa trên hướng dẫn 6 bước và 18 nhiệm vụ cốt lõi của Ngân hàng Thế giới (World Bank, 2008), bao gồm: Khởi động; Phân tích công đoạn; Đề xuất cơ hội; Lựa chọn giải pháp; Thực thi và Duy trì.

Bảy nhóm kỹ thuật sản xuất sạch hơn chính được tích hợp vào mô hình đánh giá gồm: Quản lý nội vi; Kiểm soát quá trình; Thay đổi nguyên vật liệu; Cải tiến thiết bị; Thay đổi công nghệ; Cải tiến sản phẩm; Tuần hoàn và tái sử dụng tại chỗ.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm:

  1. Cân bằng vật chất: Xác định định luật bảo toàn khối lượng trong dây chuyền sản xuất, theo đó tổng dòng vào bằng tổng sản phẩm cộng với tổng chất thải và lượng tích lũy.
  2. Kiểm toán năng lượng: Phân tích hiệu suất sinh nhiệt và tổn thất nhiệt lượng của hệ thống lò hơi sử dụng dầu FO hoặc than đá.
  3. Chi phí dòng thải: Bao gồm chi phí bên trong (giá trị nguyên liệu, hóa chất, nước, năng lượng mất đi theo dòng thải) và chi phí bên ngoài (chi phí xử lý, bùn thải, quan trắc và phí bảo vệ môi trường theo quy định pháp luật).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ số liệu thứ cấp (báo cáo đánh giá tác động môi trường, định mức hóa chất, hồ sơ tiêu thụ năng lượng của công ty) và dữ liệu sơ cấp thu thập trực tiếp tại hiện trường. Cỡ mẫu nghiên cứu môi trường bao gồm: 3 mẫu nước thải (nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại, nước thải tại bể gom tập trung, nước thải sau hệ thống xử lý); 3 mẫu nước mặt suối Đồng Đăng tại các vị trí tiếp nhận, thượng nguồn 50m và hạ nguồn 350m; 1 mẫu khí thải tại ống khói lò hơi; 2 mẫu không khí xung quanh nhà máy và 6 mẫu không khí nội vi tại các phân xưởng sản xuất (tẩm ướp, ngâm da, rửa da, hấp da, khu nhà xưởng và văn phòng).

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc gia (TCVN), tiêu chuẩn Standard Methods (SMEWW) và phương pháp của Cơ quan Bảo vệ Môi sinh Hoa Kỳ (EPA Method). Việc lựa chọn phương pháp phân tích này xuất phát từ yêu cầu phải định lượng chính xác các chỉ tiêu ô nhiễm đặc thù của ngành thuộc da như COD, BOD5, Cr tổng, Cr3+, H2S, NH3, độ màu, TSS và các khí thải lò hơi (CO, SO2, NOx, bụi tổng số).

Dữ liệu cân bằng vật chất và năng lượng được xử lý trên phần mềm chuyên dụng để tính toán các chỉ số hiệu quả tài chính gồm Giá trị hiện tại ròng (NPV), Tỷ suất sinh lời nội tại (IRR) và Thời gian hoàn vốn (PB). Thứ tự ưu tiên của các giải pháp được xác định qua ma trận trọng số đa tiêu chí với tỷ trọng phân bổ: Kinh tế chiếm trọng số 4, Kỹ thuật chiếm trọng số 3 và Môi trường chiếm trọng số 3. Toàn bộ quá trình khảo sát, lấy mẫu và phân tích thực nghiệm được triển khai từ tháng 10/2018 đến tháng 9/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kiểm toán cân bằng vật chất cho thấy để xử lý 1 tấn da muối tươi đầu vào, doanh nghiệp cần sử dụng khoảng 300 kg muối ăn bảo quản, 60-80 kg vôi tôi (CaO), 25-30 kg Na2S, 64 kg bột Crom và 35-40 m3 nước sạch. Quá trình này tạo ra khoảng 250 kg phế phẩm rắn (chiếm 25% khối lượng nguyên liệu), bao gồm vụn da, bạc nhạc, mỡ và diềm mép.

Chất lượng nước thải sản xuất ghi nhận nồng độ ô nhiễm cực kỳ nghiêm trọng tại các dòng thải cục bộ. Dòng thải công đoạn tẩy lông và ngâm vôi có nồng độ COD lên tới 8.086 mg/L, BOD5 đạt 4.273 mg/L và SS đạt 2.287 mg/L. Nước thải từ công đoạn thuộc Crom có nồng độ Cr tổng lên đến 1.309 mg/L (trong đó Cr3+ chiếm 803,33 mg/L và Cr6+ chiếm 225,33 mg/L), vượt nhiều lần ngưỡng quy định tại QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B quy định Cr tổng không vượt quá 1 mg/L).

Hiệu suất năng lượng tại hệ thống lò hơi đốt dầu FO ghi nhận sự thất thoát nhiệt đáng kể. Nhiệt độ khói thải đo được tại ống khói dao động ở mức 180-220 độ C kết hợp với tỷ lệ khí dư cao chưa được kiểm soát và hệ thống đường ống dẫn hơi nước thiếu lớp vật liệu bảo ôn đạt chuẩn, làm thất thoát ước tính khoảng 15-20% tổng nhiệt lượng cung cấp cho quá trình hấp và sấy da.

Tổng chi phí dòng thải bị mất đi trong quá trình sản xuất 1 tấn da tươi ước tính ở mức rất cao, trong đó chi phí bên trong chiếm hơn 75% tổng tổn thất (chủ yếu do thất thoát hóa chất Crom, muối, axit và protein hòa tan), phần còn lại là chi phí xử lý bùn thải nguy hại và phí bảo vệ môi trường đối với nước thải xả ra suối Đồng Đăng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng thất thoát dòng vật chất và phát thải ô nhiễm cao bắt nguồn từ việc công nghệ thuộc da của công ty vẫn phụ thuộc vào phương pháp thủ công, công nhân định lượng hóa chất dựa trên kinh nghiệm mà thiếu thiết bị đo lường tự động. Lượng bột Crom sử dụng thực tế đạt 64 kg/tấn da, cao hơn 28% so với định mức công nghệ tiên tiến (50 kg/tấn), khiến dư lượng Crom không hấp thụ hết bị cuốn trôi vào nước thải.

Khi so sánh với các nghiên cứu điển hình trong ngành thuộc da tại Hy Lạp (công ty Germanakos SA tiết kiệm 193.000 USD/năm nhờ giảm 50% nước nhuộm) và Ấn Độ, việc áp dụng sản xuất sạch hơn tại Công ty Nguyên Hồng có tiềm năng cắt giảm từ 20% đến 30% lượng nước tiêu thụ và thu hồi ít nhất 25% hóa chất Crom dư thừa.

Để trực quan hóa các dữ liệu này trong báo cáo quản trị, kết quả cân bằng vật chất có thể được biểu diễn qua biểu đồ dòng Sankey nhằm làm nổi bật tỷ lệ thất thoát nguyên liệu qua từng công đoạn (từ hồi tươi, ngâm vôi đến thuộc Crom). Đồng thời, đồ thị cột so sánh nồng độ ô nhiễm (BOD5, COD, Crom tổng) trước và sau khi áp dụng các giải pháp sản xuất sạch hơn sẽ minh chứng rõ nét mức độ đáp ứng các quy chuẩn xả thải môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả kiểm toán dòng thải, luận văn đề xuất 21 giải pháp sản xuất sạch hơn, tập trung vào 4 nhóm giải pháp ưu tiên cao có tính khả thi vượt trội:

Thứ nhất, tối ưu hóa quá trình đốt lò hơi bằng cách kiểm soát hệ số khí dư và bọc bảo ôn toàn bộ hệ thống đường ống cấp hơi nhiệt. Giải pháp này giúp nâng cao hiệu suất nhiệt lò hơi, giảm từ 8% đến 12% lượng tiêu hao nhiên liệu dầu FO, thời gian hoàn vốn đầu tư chỉ trong vòng 4,5 tháng. Bộ phận Kỹ thuật và Vận hành Lò hơi chịu trách nhiệm thực hiện ngay trong Quý I.

Thứ hai, thay thế hệ thống bẫy hơi cơ học hiện tại sang cụm bẫy hơi dạng tiết lưu và lắp đặt đường ống thu hồi 100% nước ngưng nóng về bồn cấp nước nồi hơi. Giải pháp kỹ thuật này giúp tiết kiệm 10-15% nhiệt lượng, giảm tiêu thụ than/dầu và cắt giảm lượng nước cấp mềm cho lò hơi. Dự án có chỉ số NPV dương, tỷ suất hoàn vốn nội bộ IRR đạt trên 35%, giao Ban Quản đốc phân xưởng chủ trì triển khai trong 6 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa công đoạn thuộc Crom bằng việc lắp đặt bể lắng thu hồi dịch thuộc tuần hoàn và sử dụng hóa chất nâng kiềm kiểm soát (Na2CO3 kết hợp formate natri) nhằm nâng cao tỷ lệ hấp phụ Crom của da cật lên trên 85%. Giải pháp giúp cắt giảm 20-25% lượng bột Crom nguyên liệu tiêu thụ, giảm tải lượng Cr tổng trong nước thải cục bộ xuống dưới 400 mg/L, do Phòng Kỹ thuật Hóa nghiệm phối hợp công nhân tổ thuộc da triển khai trong 6 tháng.

Thứ tư, tái cơ cấu phân xưởng sản xuất keo Gelatin và tận thu triệt để phế phẩm bạc nhạc, diềm da, mỡ động vật phát sinh từ công đoạn nạo thịt để chế biến Gelatin thương phẩm và ủ phân vi sinh. Giải pháp giúp giảm hơn 80% khối lượng chất thải rắn hữu cơ phải thuê xử lý ngoài, tạo nguồn thu phụ và giảm chi phí môi trường, giao Phân xưởng Gelatin thực hiện định kỳ hàng quý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Ban Giám đốc và Kỹ sư Vận hành tại các doanh nghiệp thuộc da và chế biến da giày: Luận văn cung cấp cẩm nang thực chiến về phương pháp kiểm toán vật chất - năng lượng, giúp doanh nghiệp áp dụng ngay 10 giải pháp quản lý nội vi không tốn chi phí và 4 giải pháp công nghệ mang lại hiệu quả hoàn vốn dưới 1 năm.
  2. Cán bộ Quản lý Môi trường tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Công Thương các tỉnh: Tài liệu hữu ích phục vụ công tác thanh tra, giám sát xả thải và hướng dẫn doanh nghiệp thực hiện Chiến lược sản xuất sạch hơn trong công nghiệp theo Quyết định 1419/QĐ-TTg và Nghị định 40/2019/NĐ-CP.
  3. Chuyên gia tư vấn Độc lập và Đơn vị Kiểm toán Năng lượng: Cung cấp khung phương pháp luận chuẩn xác về tính toán cân bằng dòng vật chất, phân tích tài chính môi trường (NPV, IRR, PB) và phương pháp ma trận trọng số đa tiêu chí áp dụng cho các cơ sở công nghiệp vừa và nhỏ.
  4. Giảng viên, Học viên Cao học và Sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên: Sử dụng làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu với số liệu thực nghiệm đầy đủ về các công đoạn công nghệ thuộc da, phân tích đặc trưng nước thải phức tạp và quy trình thực hiện luận văn thạc sĩ chuẩn mực.

Câu hỏi thường gặp

Sản xuất sạch hơn khác biệt như thế nào so với giải pháp xử lý cuối đường ống truyền thống?

Sản xuất sạch hơn tiếp cận chủ động bằng cách phòng ngừa, giảm thiểu chất thải ngay tại nguồn phát sinh thông qua quản lý nội vi, tối ưu hóa nguyên liệu và tuần hoàn nội bộ. Ngược lại, xử lý cuối đường ống là biện pháp thụ động sau khi chất thải đã hình thành, đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành hệ thống xử lý rất cao nhưng không loại bỏ được triệt để nguyên nhân gây thất thoát tài nguyên.

Tại sao nước thải từ công đoạn ngâm vôi, tẩy lông và thuộc da lại có tải lượng ô nhiễm đặc biệt cao?

Công đoạn tẩy lông, ngâm vôi sử dụng khối lượng lớn Na2S và CaO để hòa tan chân lông, phân hủy protein không sợi, tạo ra dòng thải có tính kiềm mạnh (pH 12,2) với COD lên tới 8.086 mg/L và BOD5 đạt 4.273 mg/L. Trong khi đó, công đoạn thuộc sử dụng muối Cr(OH)SO4 nồng độ cao khiến dòng thải axit chứa tới 1.309 mg/L Crom tổng, đe dọa nghiêm trọng hệ sinh thái nước nếu không xử lý cục bộ.

Việc áp dụng các giải pháp quản lý nội vi đơn giản mang lại lợi ích gì cho doanh nghiệp?

Quản lý nội vi là nhóm giải pháp không đòi hỏi vốn đầu tư lớn, có thể triển khai ngay như: sửa chữa đường ống rò rỉ, kiểm soát định lượng hóa chất bằng cân đong chuẩn xác, đậy kín nắp thùng quay và duy trì vệ sinh sàn xưởng. Những thay đổi nhỏ này giúp doanh nghiệp tiết kiệm ngay từ 3% đến 5% lượng nước và hóa chất tiêu hao mà không làm gián đoạn dây chuyền sản xuất.

Phương pháp ma trận trọng số được áp dụng ra sao để xếp hạng ưu tiên các giải pháp?

Nhóm nghiên cứu thiết lập hội đồng đánh giá gồm cán bộ quản lý, kỹ sư kỹ thuật và chuyên viên môi trường. Ba tiêu chí Kinh tế, Kỹ thuật và Môi trường được gán trọng số lần lượt là 4, 3 và 3 (tổng trọng số bằng 10). Từng giải pháp được chấm điểm khả thi từ 1 đến 3 điểm cho mỗi tiêu chí, sau đó tính tổng điểm có trọng số để xác định chính xác thứ tự ưu tiên triển khai trong thực tế.

Các giải pháp cải tiến hệ thống lò hơi tại Công ty Nguyên Hồng có thời gian hoàn vốn bao lâu?

Hai giải pháp cải tiến nhiệt trọng điểm gồm: kiểm soát hệ số khí dư, bảo ôn đường ống hơi và thay thế bẫy hơi dạng tiết lưu thu hồi nước ngưng có tổng mức đầu tư thấp nhưng mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu từ 10% đến 15%. Tính toán tài chính cho thấy chỉ số NPV đều dương và thời gian hoàn vốn đầu tư chỉ kéo dài từ 4 đến 10 tháng.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công bức tranh toàn diện về cân bằng vật chất và năng lượng cho quy trình chế biến 730 tấn da nguyên liệu/năm tại Công ty Cổ phần Thương mại Sản xuất Da Nguyên Hồng.
  • Nghiên cứu đã nhận diện chính xác 10 nhóm nguồn phát sinh chất thải chính, chỉ rõ lượng thất thoát 25% chất thải rắn hữu cơ và định lượng nồng độ ô nhiễm cực đại tại các dòng thải kiềm và dòng thải Crom.
  • Đề xuất hệ thống 21 giải pháp sản xuất sạch hơn đồng bộ, trong đó phân tích sâu tính khả thi kinh tế, kỹ thuật và môi trường của 4 nhóm giải pháp công nghệ cốt lõi với thời gian hoàn vốn dưới 1 năm.
  • Xây dựng mô hình kinh tế tuần hoàn khép kín thông qua việc tận thu phế phẩm da, bạc nhạc để sản xuất keo Gelatin và phân vi sinh, giảm thiểu tối đa chi phí dòng thải bên ngoài cho doanh nghiệp.
  • Lộ trình thực hiện khuyến nghị: Doanh nghiệp triển khai ngay 10 giải pháp quản lý nội vi trong vòng 3 tháng đầu; tiếp tục lắp đặt hệ thống tiết lưu lò hơi, thu hồi nước ngưng và tuần hoàn dịch thuộc Crom trong vòng 6 đến 12 tháng tiếp theo nhằm đạt mục tiêu phát triển bền vững và tuân thủ toàn diện các quy chuẩn môi trường hiện hành.