Tổng quan nghiên cứu

Ngành dệt may toàn cầu mỗi năm tiêu thụ ước tính khoảng 5.800 tỷ lít nước và 391 tỷ kWh điện năng, đồng thời phát sinh hơn 568 triệu tấn khí nhà kính. Tại Việt Nam, dệt may là ngành kinh tế mũi nhọn với kim ngạch xuất khẩu vượt mốc 20 tỷ USD từ năm 2013 và ghi nhận mức thặng dư thương mại đạt 12,7 tỷ USD vào năm 2017. Tỉnh Nam Định được xem là cái nôi của ngành dệt may với 5.980 cơ sở sản xuất, trong đó có 49 doanh nghiệp dệt nhuộm quy mô lớn và 19 làng nghề truyền thống. Tổng lưu lượng nước thải dệt nhuộm toàn tỉnh phát sinh trung bình hơn 33.000 m3/ngày đêm, trong đó 81% lượng thải (khoảng 26.933 m3/ngày đêm) tập trung tại các khu và cụm công nghiệp như Hòa Xá và Bảo Minh.

Nước thải dệt nhuộm mang đặc tính ô nhiễm vô cùng phức tạp với độ kiềm cao (pH từ 8,6 đến 9,8), nhiệt độ dao động 36 - 52 độ C, hàm lượng COD biến thiên từ 360 đến 2.448 mg/L và độ màu đạt mức 350 - 3.710 Pt-Co. Nếu không được xử lý triệt để, nguồn thải này sẽ phá hủy hệ sinh thái thủy vực sông Vĩnh Giang và gây nguy cơ ung thư do tồn dư phẩm nhuộm chứa gốc clo hữu cơ.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Môi trường của tác giả Bùi Văn Đức tập trung đánh giá hiện trạng công nghệ xử lý nước thải nhuộm tại Công ty Cổ phần TCE Vina Denim (KCN Hòa Xá, Nam Định) – đơn vị có công suất 42 triệu mét vải denim/năm và phát sinh khoảng 4.500 m3 nước thải/ngày đêm. Nghiên cứu hướng đến việc lượng hóa hiệu quả xử lý, kiểm chứng khả năng tái sử dụng 1.500 m3 nước/ngày đêm và đề xuất giải pháp tối ưu hóa công nghệ nhằm đảm bảo nước thải đầu ra đạt cột A theo QCVN 13-MT:2015/BTNMT, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành trạm xử lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng khung lý thuyết Đánh giá công nghệ môi trường (Environmental Technology Assessment - EnTA) do Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) ban hành, kết hợp với mô hình Thẩm định công nghệ môi trường (Environmental Technology Verification - ETV) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA) khởi xướng từ năm 1995. Khung lý thuyết này cho phép phân tích toàn diện công nghệ xử lý nước thải dựa trên 4 trụ cột: hiệu quả xử lý kỹ thuật, tính khả thi kinh tế, mức độ thân thiện môi trường và độ ổn định vận hành.

Bên cạnh đó, luận văn vận dụng lý thuyết hóa lý về quá trình keo tụ - tạo bông với chất keo tụ PAC (Poly Alumino Clorua) và chất trợ keo tụ polymer anion, kết hợp cơ chế phân hủy sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính (Aerotank) để bẻ gãy các liên kết vòng thơm bền vững. Các khái niệm then chốt được lượng hóa trong mô hình nghiên cứu bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD), Nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (BOD5), Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), Độ màu (Pt-Co) và bản chất hóa học của thuốc nhuộm không tan Indigo Blue 94% (C16H10N2O2).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp đa dạng các nguồn dữ liệu sơ cấp và thứ cấp. Dữ liệu thứ cấp được tổng hợp từ Báo cáo đánh giá tác động môi trường giai đoạn 2015-2016 của doanh nghiệp và niên giám thống kê ngành tài nguyên môi trường tỉnh Nam Định. Dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua điều tra thực địa và quan trắc chất lượng nước định kỳ.

Phương pháp chọn mẫu được thực hiện nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6663-1:2011 và TCVN 6663-3:2016. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 02 vị trí lấy mẫu đại diện: Vị trí 01 tại hố thu gom nước thải tổng trước xử lý (tọa độ 20°24'40,2"B - 106°08'16"Đ) và Vị trí 02 tại hồ sinh học sau xử lý trước khi xả ra sông Vĩnh Giang (tọa độ 20°24'41,2"B - 106°08'17,9"Đ). Mẫu được lấy lặp lại ở 04 thời điểm quan trắc điển hình trong năm. Đồng thời, tác giả thực hiện khảo sát bảng hỏi với cỡ mẫu 27 phiếu điều tra trực tiếp cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành trong các ngày 22, 23 và 24 tháng 3 năm 2017.

Các phương pháp phân tích phòng thí nghiệm được chuẩn hóa bao gồm: đo COD bằng phương pháp chuẩn độ SMEWW 5220C:2012 (giới hạn phát hiện 2 mg/L), đo BOD5 bằng phương pháp cấy vi sinh TCVN 6001-1:2008 (giới hạn 2,0 mg/L), phân tích TSS theo TCVN 6625:2000 (giới hạn 5 mg/L) và đo độ màu bằng máy so màu quang phổ theo TCVN 6185:2008. Việc lựa chọn các phương pháp phân tích này đảm bảo tính tương thích cao với quy chuẩn xả thải quốc gia và kiểm soát sai số đo lường dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nước thải đầu vào từ dây chuyền dệt, nhuộm và giặt mài vải denim của Công ty Cổ phần TCE Vina Denim có nồng độ chất ô nhiễm rất cao. Giá trị pH đầu vào duy trì ở mức kiềm cao từ 8,8 đến 9,6; COD dao động từ 1.800 đến 2.200 mg/L; BOD5 đạt 450 - 600 mg/L; TSS nằm trong khoảng 250 - 350 mg/L và độ màu vượt ngưỡng 1.200 Pt-Co do tồn dư lượng lớn thuốc nhuộm Indigo Blue 94%.

Thứ hai, trạm xử lý nước thải tập trung gồm 2 modul với tổng công suất thiết kế 4.000 m3/ngày đêm thể hiện hiệu quả chuyển hóa vượt bậc. Hiệu suất xử lý COD đạt trên 90% (nồng độ sau xử lý giảm xuống dưới 75 mg/L), hiệu suất loại bỏ BOD5 đạt khoảng 92% (xuống dưới 30 mg/L), TSS giảm 94% (đạt dưới 30 mg/L) và độ màu giảm hơn 95% (đạt mức 30 - 45 Pt-Co). Toàn bộ 15 thông số phân tích đều đạt cột A theo QCVN 13-MT:2015/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả thải ra sông Vĩnh Giang.

Thứ ba, doanh nghiệp đã vận hành thành công dây chuyền tái sử dụng nước thải với lưu lượng 1.500 m3/ngày đêm trên tổng lưu lượng phát sinh 4.500 m3/ngày đêm (đạt tỷ lệ tuần hoàn 33,3%). Lượng nước tái chế này phục vụ trực tiếp cho các công đoạn giũ hồ và giặt thô, giúp cắt giảm đáng kể lượng nước sạch khai thác từ nguồn nước ngầm.

Thứ tư, phân tích kinh tế - kỹ thuật cho thấy chi phí vận hành trạm xử lý chịu áp lực rất lớn từ tiền điện và hóa chất keo tụ (PAC, Polymer, H2SO4, NaOH), chiếm tới 68% tổng chi phí vận hành hàng ngày của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý ấn tượng của hệ thống bắt nguồn từ quy trình công nghệ kết hợp đa bậc: xử lý hóa lý bậc 1 (keo tụ - lắng) giúp loại bỏ phần lớn cặn lơ lửng và chất màu không tan, tiếp nối bởi bể sinh học Aerotank nhằm oxy hóa triệt để các chất hữu cơ hòa tan, và hoàn thiện qua hồ sinh học lắng lọc tự nhiên. Cơ chế này giúp phân giải cấu trúc mạch phức tạp của thuốc nhuộm hoàn nguyên mà các phương pháp đơn lẻ không thể thực hiện được.

Khi so sánh với các mô hình xử lý tại KCN Giang Tô - Trung Quốc (công suất 60.000 m3/ngày đêm, COD đầu ra khoảng 80 mg/L) hay mô hình xử lý hóa lý kết hợp lọc tại Công ty Cổ phần Dệt may Hoàng Dũng (chỉ đạt tiêu chuẩn cột B), công nghệ của TCE Vina Denim cho thấy tính ổn định cao hơn hẳn và giảm thiểu rủi ro sốc tải vi sinh.

Trong các báo cáo kỹ thuật, dữ liệu biến thiên chất lượng nước trước và sau xử lý có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ cột kép so sánh nồng độ COD, BOD5, TSS theo từng mốc thời gian, kết hợp bảng ma trận đánh giá chi phí - hiệu quả theo khung ETV. Điều này giúp các nhà quản lý dễ dàng nhận diện khâu tiêu hao nhiều năng lượng nhất trong toàn bộ chu trình xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá thực nghiệm, luận văn đề xuất 4 giải pháp chiến lược nhằm tối ưu hóa công nghệ xử lý và tăng cường công tác quản lý môi trường tại doanh nghiệp:

  1. Ứng dụng công nghệ oxy hóa nâng cao (Fenton cải tiến hoặc Ozon hóa sâu): Tiến hành lắp đặt modul phản ứng oxy hóa nâng cao cho dòng thải nhuộm nồng độ cao trước khi hòa trộn vào hố thu gom chung. Giải pháp này hướng tới mục tiêu giảm 15% lượng phèn PAC tiêu thụ, hạ nồng độ COD sau xử lý xuống dưới 50 mg/L. Lộ trình thực hiện dự kiến trong vòng 6 tháng do Phòng Kỹ thuật Môi trường chủ trì phối hợp với đơn vị tư vấn công nghệ.

  2. Nâng cấp công suất hệ thống màng lọc tái tuần hoàn nước: Đầu tư bổ sung hệ thống màng lọc siêu lọc (UF) và thẩm thấu ngược (RO) nhằm nâng tỷ lệ tái sử dụng nước từ mức 33,3% (1.500 m3/ngày) lên 50% (tương đương 2.250 m3/ngày đêm). Dự án thực hiện trong timeline 12 tháng, do Ban Giám đốc phê duyệt ngân sách và Phòng Cơ điện triển khai lắp đặt.

  3. Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động liên tục 24/7: Tích hợp các trạm sensor quan trắc online đối với 5 thông số cốt lõi: lưu lượng, pH, nhiệt độ, COD và TSS, kết nối truyền dữ liệu trực tiếp về Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nam Định. Thời gian hoàn thành trong vòng 3 tháng với kinh phí dự toán khoảng 1,2 tỷ đồng.

  4. Tự động hóa quy trình châm hóa chất theo cảm biến pH/ORP: Thay thế phương pháp châm hóa chất bán tự động bằng hệ thống bơm định lượng thông minh kiểm soát theo tải lượng thực tế. Mục tiêu giúp tiết kiệm từ 10% đến 12% chi phí hóa chất vận hành mỗi tháng, triển khai ngay trong vòng 4 tháng do Đội vận hành trạm xử lý nước thải phụ trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Ban lãnh đạo và kỹ sư vận hành tại các nhà máy dệt may, dệt nhuộm: Cung cấp case study thực tế về bài toán vận hành trạm xử lý 4.000 m3/ngày đêm, phương pháp tái sử dụng nước 1.500 m3/ngày và các giải pháp tiết giảm chi phí hóa chất.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn công nghệ môi trường: Sử dụng làm tài liệu tham khảo để tính toán thông số công nghệ, định mức hóa chất PAC, thời gian lưu nước trong bể sinh học Aerotank và thiết kế hồ sinh học đạt chuẩn cột A.
  • Cán bộ quản lý nhà nước tại các Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý Khu công nghiệp: Tham khảo mô hình thẩm định công nghệ ETV/EnTA để xây dựng tiêu chí giám sát và cấp phép xả thải cho 49 doanh nghiệp dệt nhuộm trên địa bàn.
  • Học viên cao học, giảng viên và sinh viên chuyên ngành Môi trường, Kỹ thuật Hóa học: Làm tài liệu học thuật giá trị với đầy đủ dữ liệu thực nghiệm, quy trình QA/QC lấy mẫu phân tích 15 thông số và phương pháp luận đánh giá công nghệ chuẩn mực.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải dệt nhuộm vải denim của TCE Vina Denim có đặc trưng ô nhiễm gì nổi bật? Nước thải chứa hàm lượng lớn phẩm nhuộm hữu cơ không tan Indigo Blue 94%, nồng độ pH kiềm cao từ 8,6 đến 9,8, COD lên tới 2.448 mg/L và độ màu cực đại đạt 3.710 Pt-Co. Lượng nước thải phát sinh biến động lớn từ 16 đến 900 m3 trên mỗi tấn sản phẩm.

Chất lượng nước thải sau xử lý của hệ thống đạt mức quy chuẩn nào? Sau quy trình xử lý hóa lý kết hợp sinh học hiếu khí, toàn bộ 15 thông số ô nhiễm đều đạt cột A theo QCVN 13-MT:2015/BTNMT. Nồng độ COD giảm trên 90% (xuống dưới 75 mg/L), TSS giảm 94% (dưới 30 mg/L) và độ màu giảm hơn 95% trước khi thải ra sông Vĩnh Giang.

Quy mô và hiệu quả của hệ thống tái sử dụng nước tại công ty ra sao? Hệ thống xử lý tái tuần hoàn của doanh nghiệp vận hành với lưu lượng 1.500 m3/ngày đêm trên tổng lượng nước thải phát sinh khoảng 4.500 m3/ngày đêm. Nguồn nước tái chế này đáp ứng 33,3% nhu cầu sản xuất, dùng cho khâu giặt thô và giũ hồ vải denim.

Luận văn sử dụng khung lý thuyết nào để đánh giá sự phù hợp của công nghệ? Nghiên cứu tích hợp mô hình Đánh giá công nghệ môi trường EnTA của UNEP và phương pháp Thẩm định công nghệ ETV của USEPA. Khung này lượng hóa toàn diện các tiêu chí về hiệu suất kỹ thuật, chi phí xử lý trên mỗi m3 nước và độ tin cậy vận hành.

Giải pháp nào giúp trạm xử lý giảm thiểu chi phí vận hành hàng ngày? Luận văn khuyến nghị ứng dụng bơm định lượng hóa chất tự động theo tín hiệu pH/ORP và áp dụng công nghệ oxy hóa nâng cao Fenton/Ozon hóa. Giải pháp này giúp cắt giảm 10% đến 15% lượng phèn PAC và hóa chất kiềm, tiết kiệm hàng chục triệu đồng mỗi tháng.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp và phân tích toàn diện bức tranh phát sinh hơn 33.000 m3 nước thải dệt nhuộm mỗi ngày đêm tại tỉnh Nam Định.
  • Đánh giá thực nghiệm khẳng định trạm xử lý nước thải công suất 4.000 m3/ngày đêm tại Công ty Cổ phần TCE Vina Denim xử lý hiệu quả 15 thông số đạt cột A QCVN 13-MT:2015/BTNMT.
  • Chứng minh tính khả thi của mô hình tái tuần hoàn 1.500 m3 nước thải/ngày đêm (đạt tỷ lệ 33,3%) phục vụ sản xuất thực tế.
  • Đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và tự động hóa giúp cắt giảm 10 - 15% lượng hóa chất tiêu thụ và tối ưu chi phí vận hành.
  • Xây dựng bộ dữ liệu khoa học và phương pháp luận EnTA/ETV chuẩn mực, làm tiền đề nhân rộng cho các nhà máy dệt nhuộm trên toàn quốc.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là giải quyết bài toán hài hòa giữa tăng trưởng sản xuất dệt nhuộm denim công suất 42 triệu mét vải/năm với bảo vệ nguồn nước mặt lưu vực sông Vĩnh Giang. Doanh nghiệp cần triển khai lắp đặt trạm quan trắc tự động trong 3 tháng tới và mở rộng hệ thống màng lọc nâng tỷ lệ tái sử dụng nước lên 50% trong lộ trình 2019-2021. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu nghiên cứu để ứng dụng vào công tác thiết kế và quản trị môi trường thực tế tại doanh nghiệp.