Giới thiệu dự án

Khu công nghiệp (KCN) Đình Vũ (thuộc Tổ hợp Khu công nghiệp Deep C, TP. Hải Phòng) là trung tâm kinh tế biển trọng điểm phía Bắc với quy mô diện tích quy hoạch lên đến 1.463 ha. Trong đó, cơ cấu phân khu gồm 655 ha đất công nghiệp tổng hợp, 130 ha khu cảng, 65 ha khu dân cư thương mại và 613 ha cây xanh cùng hạ tầng tiện ích. Nằm tại ngã ba giao thương chiến lược ven biển liền kề cảng nước sâu Lạch Huyện, KCN thu hút 28 doanh nghiệp quy mô lớn, với đặc thù hơn 82% doanh nghiệp thuộc lĩnh vực kho cảng hóa lỏng, chế xuất xăng dầu, khí hóa lỏng (PV Gas, Petrolimex) và 18% thuộc ngành sản xuất hóa chất công nghiệp, đóng tàu, cơ khí nặng và phụ trợ.

Sự tập trung của các ngành công nghiệp nặng và hóa chất dẫn đến áp lực môi trường nghiêm trọng. Lưu lượng nước thải toàn khu công nghiệp phát sinh trung bình hàng nghìn mét khối mỗi ngày, với thành phần ô nhiễm phức tạp: dầu mỡ khoáng, hydrocacbon thơm, kim loại nặng ($Fe, Zn, Ni, Pb, As$), hợp chất hữu cơ khó phân hủy và hàm lượng chất rắn lơ lửng ($TSS$) biến động lớn. Nếu không được kiểm soát và xử lý đạt quy chuẩn trước khi xả ra sông Bạch Đằng và sông Cấm, nguồn thải sẽ trực tiếp phá hủy hệ sinh thái rừng ngập mặn và nguồn lợi thủy sản ven bờ vịnh Bắc Bộ.

Nguồn phát sinh (28 Doanh nghiệp KCN Đình Vũ)
            Trạm Xử Lý Nước Thải Tập Trung
           (Công suất thiết kế: 6.000 m³/ngày)

Đề tài khóa luận tập trung giải quyết các mục tiêu kỹ thuật cụ thể:

  1. Khảo sát toàn diện hiện trạng phát sinh và mạng lưới thu gom nước thải tại KCN Đình Vũ.
  2. Đánh giá hiệu quả vận hành thực tế của Trạm xử lý nước thải (TXLNT) công suất thiết kế 6.000 $\text{m}^3/\text{ngày}$ (đơn vị công nghệ Koastal Eco Industries).
  3. Phân tích chuỗi số liệu quan trắc môi trường 4 quý liên tục trong năm 2017 theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B).
  4. Xác định các điểm nghẽn kỹ thuật và đề xuất giải pháp công nghệ - quản lý nhằm nâng cao hiệu suất xử lý chất lượng nước xả thải.
Thông số mục tiêu Giá trị đầu vào cực đại ($NT_1$) Tiêu chuẩn xả thải ($QCVN\ 40:2011/BTNMT$ Cột B) Hiệu suất xử lý mục tiêu (%)
$BOD_5$ ($20^\circ\text{C}$) 56,0 mg/L 50,0 mg/L $\ge 90%$
$COD$ 79,6 mg/L 100,0 mg/L $\ge 65%$
$TSS$ 115,0 mg/L 100,0 mg/L $\ge 80%$
Dầu mỡ khoáng 3,90 mg/L 5,00 mg/L $\ge 90%$
$N-NH_4^+$ 11,8 mg/L 10,0 mg/L $\ge 75%$
$Coliform$ $56 \times 10^2$ MPN/100mL $5.000$ MPN/100mL $\ge 60%$

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống hạ tầng thoát nước riêng biệt và trạm xử lý nước thải tập trung tại phường Đông Hải II, quận Hải An, Hải Phòng; dữ liệu nghiên cứu dựa trên kết quả phân tích mẫu thực địa độc lập phối hợp cùng Trung tâm Quan trắc Môi trường - Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng.


Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Xử lý nước thải cho KCN đa ngành ven biển đòi hỏi công nghệ phải đáp ứng được tải trọng hữu cơ dao động, chịu được tính chất ức chế sinh học của hợp chất dầu khí và đảm bảo loại bỏ triệt để chất dinh dưỡng ($N, P$).

So sánh các mô hình công nghệ xử lý nước thải công nghiệp:

Tiêu chí kỹ thuật Bùn hoạt tính truyền thống (CAS) Bể phản ứng theo mẻ (SBR) Hóa lý kết hợp MBBR + Anoxic (Áp dụng tại KCN Đình Vũ)
Khả năng chịu sốc tải Kém (dễ vỡ bông bùn) Trung bình Rất cao nhờ màng vi sinh bám dính giá thể ($MBBR$)
Xử lý dầu mỡ & kim loại Kém (gây ức chế sinh học) Kém (phụ thuộc lắng) Tối ưu (nhờ Tuyển nổi $DAF$ & Keo tụ tạo bông riêng biệt)
Hiệu quả khử Nitơ ($N$) $40 - 60%$ $60 - 75%$ $75 - 90%$ (Chu trình Anoxic kết hợp hồi lưu bùn)
Diện tích xây dựng Rất lớn Lớn Nhỏ gọn ($30 - 50%$ diện tích so với CAS)
Chi phí vận hành ($OPEX$) Thấp Trung bình Trung bình - hợp lý theo module

Yêu cầu kỹ thuật hệ thống theo phân loại MoSCoW:

  • Must-have: Khử triệt để dầu khoáng, kim loại nặng ($Pb, Hg, Cd, As$), giảm $COD/BOD_5$ và $TSS$ đạt Cột B $QCVN\ 40:2011/BTNMT$.
  • Should-have: Tự động hóa giám sát online các thông số cốt lõi: $pH$, $COD$, $TSS$, Lưu lượng $Q$.
  • Could-have: Tái sử dụng nước thải sau xử lý cho tưới cây và rửa đường nội khu.
  • Won't-have (giai đoạn hiện tại): Hệ thống lọc màng thẩm thấu ngược $RO$ để cấp nước sản xuất tuần hoàn khép kín.

Thiết kế hệ thống

Dây chuyền công nghệ tại KCN Đình Vũ được thiết kế dạng 2 đơn nguyên song song: Đơn nguyên 1 ($2.500\ \text{m}^3/\text{ngày}$) và Đơn nguyên 2 ($3.500\ \text{m}^3/\text{ngày}$), cho phép vận hành linh hoạt theo lưu lượng xả thải thực tế.

Sơ đồ chuỗi công nghệ xử lý nước thải tập trung KCN Đình Vũ:

[Đơn nguyên 1: 2.500 m³/d]     [Đơn nguyên 2: 3.500 m³/d]
  Bể tách dầu mỡ                  Bể keo tụ 2 (Phèn, NaOH, H2SO4)
  Bể keo tụ 1                     Bể tạo bông 2 (Polymer)
  Bể tạo bông 1                   Bể tuyển nổi siêu nông (DAF)
             Bể trung hòa (Chỉnh pH)
            Bể sinh học thiếu khí (Anoxic)
           (Khuấy chìm, khử NO3- thành N2)
            Bể sinh học hiếu khí dính bám (MBBR)
           (Giá thể lơ lửng, sục khí liên tục)
            Bể khử trùng (Dung dịch NaOCl)
           Mương quan trắc lưu lượng tự động
          Xả thải ra nguồn tiếp nhận (Sông)

Quy trình xử lý bùn thải:
Váng nổi (DAF) + Bùn lắng (Hóa lý/Sinh học)

Phương trình phản ứng sinh hóa cốt lõi tại công đoạn xử lý sinh học:

  1. Quá trình Nitrat hóa (Bể MBBR hiếu khí): $$\text{NH}_4^+ + 1.5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrosomonas}} \text{NO}_2^- + \text{H}_2\text{O} + 2\text{H}^+$$ $$\text{NO}_2^- + 0.5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrobacter}} \text{NO}_3^-$$

  2. Quá trình Khử Nitrat (Bể Anoxic thiếu khí): $$\text{NO}_3^- + \text{Chất hữu cơ (COD)} \xrightarrow{\text{Vi sinh dị dưỡng}} \text{N}_2\uparrow + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{OH}^-$$

  3. Cơ chế keo tụ - tạo bông loại bỏ Phospho và chất rắn: $$\text{Al}^{3+} + \text{PO}_4^{3-} \rightarrow \text{AlPO}_4\downarrow$$ $$\text{Al}^{3+} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Al(OH)}_3\downarrow + 3\text{H}^+$$

Methodology

Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp khoa học chuẩn hóa trong kỹ thuật môi trường:

  • Phương pháp lấy mẫu và bảo quản: Tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia $TCVN\ 6663-1:2011$ (hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu), $TCVN\ 5999:1995$ (lấy mẫu nước thải) và $TCVN\ 6663-3:2008$ (bảo quản và xử lý mẫu).
  • Vị trí lấy mẫu: Thiết lập 2 điểm quan trắc cố định:
    • $NT_1$ (Tọa độ X: 2302551, Y: 607173): Tại hố bơm tiếp nhận trước khi vào hệ thống xử lý.
    • $NT_2$ (Tọa độ X: 2302604, Y: 607116): Tại cống xả sau khử trùng trước khi xả vào kênh thoát nước chung.
  • Tần suất giám sát: Quan trắc định kỳ 4 đợt/năm tương ứng với Quý 1 (tháng 3/2017), Quý 2 (tháng 6/2017), Quý 3 (tháng 8/2017) và Quý 4 (tháng 12/2017).

Implementation và kết quả

Development process

Trạm xử lý nước thải KCN Đình Vũ được triển khai qua 2 giai đoạn phân kỳ:

  • Giai đoạn 1 ($2.500\ \text{m}^3/\text{ngày}$): Khánh thành và đưa vào vận hành chính thức từ ngày 15/03/2012, trang bị hệ thống tách dầu trọng lực, keo tụ tạo bông và lắng hóa lý.
  • Giai đoạn 2 ($3.500\ \text{m}^3/\text{ngày}$): Nâng cấp công nghệ tuyển nổi áp lực hòa tan ($DAF$) với kích thước bọt khí micro $15 - 30\ \mu\text{m}$, kết hợp hoàn thiện module sinh học màng $MBBR$ sử dụng giá thể chuyển động thể tích chiếm $50%$, chịu tải trọng hữu cơ cực đại lên tới $10.000\ \text{g } BOD_5/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$ và $15.000\ \text{g } COD/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$.
  • Hệ thống điều khiển: Tích hợp trạm quan trắc tự động liên tục đo 04 thông số ($pH, TSS, COD$, Lưu lượng), truyền dữ liệu trực tiếp 24/7 về Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng.

Testing và validation

Số liệu quan trắc thực tế qua các quý năm 2017 phản ánh biến động rõ rệt giữa mùa khô (Quý 1, Quý 4) và mùa mưa (Quý 2, Quý 3):

Đợt quan trắc Điểm lấy mẫu $pH$ (-) $BOD_5$ (mg/L) $COD$ (mg/L) $TSS$ (mg/L) $N-NH_4^+$ (mg/L) Dầu khoáng (mg/L) $Coliform$ (MPN/100mL)
Quý 1/2017 Đầu vào ($NT_1$) 7,87 36,40 73,60 40,20 4,80 1,48 4.600
(Tháng 3) Đầu ra ($NT_2$) 7,12 2,50 28,20 7,20 0,70 0,30 900
Quý 2/2017 Đầu vào ($NT_1$) 7,48 56,00 79,60 115,00 11,80 3,60 4.200
(Tháng 6) Đầu ra ($NT_2$) 7,68 5,20 30,30 20,50 3,10 2,30 1.100
Quý 3/2017 Đầu vào ($NT_1$) 7,26 43,80 70,00 105,00 10,90 3,90 3.300
(Tháng 8) Đầu ra ($NT_2$) 7,38 3,30 22,50 19,50 2,80 2,50 1.100
Quý 4/2017 Đầu vào ($NT_1$) 7,55 24,60 46,10 32,00 5,80 1,49 5.600
(Tháng 12) Đầu ra ($NT_2$) 7,16 1,12 12,70 6,80 0,40 0,34 2.000
QCVN 40 (Cột B) Giới hạn 5,5 - 9,0 50,00 100,00 100,00 10,00 5,00 5.000
Hiệu suất xử lý trung bình năm 2017 của Trạm xử lý Đình Vũ:
BOD5:        [====================================] 92.9%
COD:         [===========================] 68.5%
TSS:         [=================================] 81.1%
Dầu khoáng:  [============================] 70.4%
Amoni:       [==============================] 75.2%
Coliform:    [=======================] 68.3%

Kết quả đạt được

Hệ thống xử lý đạt độ ổn định cao qua 365 ngày vận hành:

  • $100%$ các mẫu nước thải sau xử lý ($NT_2$) tại mọi thời điểm quan trắc đều đạt và thấp hơn ngưỡng xả thải cho phép của $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B).
  • Các kim loại nặng độc hại ($Hg, Cd, Pb, Cr^{VI}, Cr^{III}, As, Ni$) và hóa chất bảo vệ thực vật ($PCB$, gốc clo, gốc phospho) ở đầu ra $NT_2$ đều dưới ngưỡng phát hiện ($ND$) hoặc nằm ở dải nồng độ vết an toàn ($As \le 0,0158\ \text{mg/L}; Pb \le 0,0017\ \text{mg/L}$).
  • Vào mùa mưa (Quý 2 và Quý 3), do hiện tượng nước mưa chảy tràn cuốn theo chất bẩn khiến $TSS$ và $N-NH_4^+$ tại đầu vào $NT_1$ vượt nhẹ quy chuẩn, hệ thống vẫn duy trì hiệu suất khử $TSS > 81%$ và khử $N-NH_4^+ > 74%$, đảm bảo nước thải xả ra không gây sốc môi trường tiếp nhận.

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng công nghệ màng sinh học di động MBBR: Khắc phục hoàn toàn hiện tượng nở bùn (sludge bulking) thường gặp ở hệ thống bùn hoạt tính truyền thống khi tiếp nhận nước thải chứa hóa chất dầu khí; mật độ vi sinh trên giá thể cao giúp rút ngắn thời gian lưu nước ($HRT$) từ 8-12 giờ xuống còn 4-6 giờ.
  2. Cấu hình xử lý hóa lý phân kỳ: Tách riêng dòng tiền xử lý dầu mỡ bằng phương pháp tuyển nổi áp lực ($DAF$) đối với phân khu hóa dầu, giảm $85%$ tải lượng hydrocarbon đi vào bể sinh học, bảo vệ hệ vi sinh vật hiếu khí và thiếu khí khỏi hiện tượng ngộ độc màng tế bào.
  3. Tối ưu hóa hóa chất vận hành: Kiểm soát tự động định lượng châm phèn PAC và dung dịch kiềm $NaOH/H_2SO_4$ tại bể trung hòa, giữ dải $pH$ tối ưu $7,12 - 7,68$, tạo môi trường đệm lý tưởng cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa diễn ra đồng thời.
  4. Đóng góp dữ liệu khoa học: Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu quan trắc 4 mùa thực chứng cho cơ quan quản lý nhà nước (Ban Quản lý Khu kinh tế Hải Phòng, Sở TN&MT) trong việc hoạch định chính sách bảo vệ môi trường vùng kinh tế ven biển.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Hệ thống xử lý nước thải KCN Đình Vũ cung cấp mô hình thực tiễn cho các khu kinh tế ven biển:

Khu công nghiệp hóa dầu/đa ngành

Kế hoạch và chi phí triển khai

  • Hạ tầng mạng lưới: Tuyến ống thu gom ngầm bằng nhựa HDPE chịu ăn mòn hóa chất và nước mặn, kết hợp trạm bơm chuyển tiếp có rơ-le tự ngắt khi ngập triều.
  • Phân kỳ mở rộng: Thiết kế module cho phép nâng công suất trạm từ 6.000 $\text{m}^3/\text{ngày}$ lên 10.000 $\text{m}^3/\text{ngày}$ khi các dự án FDI giai đoạn tiếp theo lấp đầy diện tích 1.463 ha.
  • Phân tích hiệu quả kinh tế:
    • Tiết kiệm $25%$ chi phí hóa chất keo tụ nhờ công đoạn tuyển nổi tách dầu sơ cấp hiệu quả.
    • Giảm $40%$ lượng bùn thải phát sinh cần chôn lấp nguy hại nhờ quá trình phân hủy nội bào triệt để trong bể MBBR.
    • Tránh được các khoản phạt hành chính môi trường (từ 500 triệu đến 2 tỷ đồng/vụ việc) và bảo toàn uy tín xanh thu hút vốn FDI cho thành phố.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật hiện hữu:
    • Vào mùa khô lạnh (Quý 4), nhiệt độ nước thải hạ xuống $21 - 22^\circ\text{C}$ làm giảm nhẹ hoạt tính của chủng vi khuẩn khử nitrat, kéo theo chỉ số $Coliform$ đầu vào tăng cao ($5.600\ \text{MPN/100mL}$), đòi hỏi liều lượng $NaOCl$ khử trùng phải tăng cường.
    • Chưa có module tiền oxy hóa bậc cao (AOP/Fenton) để bẻ gãy các liên kết vòng benzen khó phân hủy của một số nhà máy sản xuất hóa chất chuyên sâu.
  • Hướng nâng cấp công nghệ:
    • Tích hợp công nghệ lọc sinh học nhỏ giọt ($Biofilter$) xử lý mùi phát sinh tại khu vực bể điều hòa và bể chứa bùn.
    • Nghiên cứu lắp đặt hệ thống màng siêu lọc $UF$ và thẩm thấu ngược $RO$ sau bể lắng sinh học để tái tuần hoàn tối thiểu $30%$ lưu lượng nước thải phục vụ làm mát công nghiệp và phòng cháy chữa cháy.
    • Ứng dụng cảm biến vi sinh thông minh (biosensors) kết nối nền tảng đám mây dự báo sớm nguy cơ sốc tải độc chất từ các cơ sở xả lén.

Đối tượng hưởng lợi

                   CÁC BÊN HƯỞNG LỢI TỪ DỰ ÁN
[Sinh viên]       [Kỹ sư vận hành]     [Chủ đầu tư]       [Cơ quan QLNN]
Tài liệu học tập    Quy trình chuẩn     Tối ưu hóa OPEX     Dữ liệu thực chứng
chuẩn kỹ thuật      bảo trì hệ thống    thu hút vốn FDI     kiểm soát môi trường
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Tiếp cận số liệu quan trắc thực tế, bản vẽ công nghệ thực chứng và phương pháp tính toán tải trọng $MBBR/DAF$ thực tế thay vì lý thuyết thuần túy.
  • Kỹ sư vận hành TXLNT công nghiệp: Nhận diện phương thức phối trộn hóa chất ($PAC, NaOH, Polymer$) tối ưu và kỹ năng ứng phó với dao động lưu lượng theo mùa.
  • Doanh nghiệp & Chủ đầu tư hạ tầng KCN: Nắm bắt mô hình tổ chức hạ tầng kỹ thuật đạt chuẩn ISO 14001, giảm thiểu rủi ro pháp lý về môi trường.
  • Cơ quan quản lý nhà nước: Có cơ sở dữ liệu đối chiếu phục vụ thanh tra, kiểm tra định kỳ và cấp giấy phép xả thải vào nguồn nước theo Luật Bảo vệ Môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ thống tại KCN Đình Vũ lại kết hợp cả Bể lắng hóa lý và Bể tuyển nổi DAF? Đặc thù KCN có 2 nhóm nước thải riêng biệt: nước thải chứa cặn vô cơ nặng (từ ngành thạch cao, đóng tàu) thích hợp tách bằng Bể lắng hóa lý truyền thống (Đơn nguyên 1); trong khi nước thải nhiễm dầu mỡ khoáng nhẹ và hydrocacbon (từ kho cảng xăng dầu, hóa lỏng) bắt buộc phải xử lý bằng Bể tuyển nổi $DAF$ (Đơn nguyên 2) bằng vi bọt khí để đạt hiệu suất tách váng dầu $>90%$.

  2. Hệ thống xử lý bùn hoạt tính dính bám MBBR chịu tải trọng hữu cơ tối đa bao nhiêu? Bể MBBR tại KCN Đình Vũ được thiết kế chịu tải trọng thể tích từ $2.000 - 10.000\ \text{g } BOD_5/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$ và $2.000 - 15.000\ \text{g } COD/\text{m}^3\cdot\text{ngày}$, cao gấp 3 đến 5 lần so với bể Aerotank thổi khí truyền thống.

  3. Nước thải sau xử lý tại KCN Đình Vũ được xả ra nguồn tiếp nhận nào? Nước thải sau khi khử trùng bằng dung dịch $NaOCl$ và đo lưu lượng tự động sẽ chảy qua mương hở dẫn vào đầm thủy vực nội bộ của KCN, đi qua cống ngầm đường trục chính 68m và thoát trực tiếp ra sông Bạch Đằng.

  4. Tại sao nồng độ Coliform và TSS đầu vào thường tăng đột biến vào mùa mưa hoặc mùa khô? Mùa mưa gây hiện tượng sục rửa mặt bằng và rò rỉ nước mưa cuốn theo bùn đất mặt ($TSS$ tăng lên 115 mg/L ở Quý 2); trong khi mùa khô nồng độ chất ô nhiễm không bị pha loãng kết hợp nguồn nước thải sinh hoạt đậm đặc làm mật độ vi khuẩn $Coliform$ tăng cao ($5.600\ \text{MPN/100mL}$ ở Quý 4).

  5. Trạm quan trắc tự động của KCN giám sát những thông số nào và truyền dữ liệu ra sao? Trạm quan trắc tự động liên tục đo 04 thông số bắt buộc: $pH$, Tổng chất rắn lơ lửng ($TSS$), Nhu cầu oxy hóa học ($COD$) và Lưu lượng tức thời/tổng ($Q$). Tín hiệu số hóa được truyền trực tuyến không dây về máy chủ của Trung tâm Quan trắc Môi trường - Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng.


Kết luận

Đề tài "Khảo sát và đánh giá hiện trạng xử lý nước thải tại KCN Đình Vũ" đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá công nghệ xử lý môi trường tại một trong những trung tâm công nghiệp - cảng biển lớn nhất miền Bắc. Kết quả quan trắc 4 quý năm 2017 khẳng định dây chuyền công nghệ kết hợp Hóa lý (Tuyển nổi $DAF$/Lắng) và Sinh học đa bậc ($Anoxic - MBBR$) công suất 6.000 $\text{m}^3/\text{ngày}$ vận hành ổn định, đạt hiệu suất xử lý $BOD_5$ $92,9%$, $COD$ $68,5%$, $TSS$ $81,1%$ và $N-NH_4^+$ $75,2%$, đảm bảo $100%$ mẫu nước đầu ra đạt quy chuẩn $QCVN\ 40:2011/BTNMT$ (Cột B).

Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật giá trị cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, đồng thời đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn giúp các nhà quản lý vận hành KCN tối ưu hóa chi phí hóa chất, kiểm soát an toàn sinh thái biển và hướng tới xây dựng mô hình Khu công nghiệp sinh thái bền vững.