Tổng quan nghiên cứu

Hoạt động sản xuất, gia công vật liệu nổ quân sự và bảo dưỡng vũ khí khí tài tại Việt Nam phát sinh nguồn nước thải chứa nhiều chất độc hại đặc thù, đặc biệt là các hợp chất nitramin mạch vòng như RDX (hexogen), HMX (octogen) và Tetryl. Các hợp chất này có độc tính vượt trội so với TNT, xếp vào nhóm tác nhân có khả năng gây ung thư, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái thủy vực và sức khỏe cộng đồng. Nghiên cứu của tác giả Hồ Thanh Nga thực hiện năm 2017 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội tập trung phân tích hiện trạng công nghệ xử lý nước thải tại 03 nhà máy quốc phòng trọng điểm khu vực phía Bắc có quy mô xả thải dao động từ 28 m3/ngày đến 120 m3/ngày, tiêu biểu như cơ sở sản xuất RDX đạt sản lượng 500 tấn/năm và DNT 300 tấn/năm.

Mục tiêu chính của đề tài là đánh giá toàn diện công nghệ xử lý hiện hữu, đo lường nồng độ phát thải của các hợp chất nitramin và đề xuất giải pháp kỹ thuật, quản lý nhằm nâng cao hiệu suất làm sạch. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc lượng hóa 21 chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế - môi trường - xã hội, cung cấp cơ sở thực tiễn để kiểm soát các thông số ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy sinh học, giảm thiểu rủi ro lan truyền độc chất vào nước ngầm và bảo đảm nước thải đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT Cột B cùng quy chuẩn chất thải nguy hại QCVN 07:2009/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn dựa trên động học phản ứng phân hủy hóa lý của nhóm hợp chất nitro hữu cơ và phương pháp luận đánh giá công nghệ môi trường. Nhóm nitramin bao gồm RDX (hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine) với khối lượng phân tử 222,12 g/mol, độ tan 38,4 đến 38,9 mg/l ở 20 độ C và bắt đầu phân hủy nhiệt ở 170 độ C; HMX (octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine) có khối lượng phân tử 296,20 g/mol, độ tan trong nước rất thấp ở mức 5 mg/l tại 20 độ C; cùng Tetryl có khối lượng riêng 1,73 g/cm3 với khả năng phân hủy nhanh tạo dẫn xuất nitro.

Luận văn tiếp cận các mô hình xử lý tiên tiến như quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) dựa trên gốc tự do hydroxyl hoạt tính cao sinh ra từ hệ xúc tác Fenton (Fe2+/H2O2), quang Fenton, ozon hóa và công nghệ oxy hóa nước siêu tới hạn (SCWO) vận hành ở nhiệt độ 550 độ C và áp suất 240 Mpa giúp triệt tiêu trên 99% COD. Đồng thời, nghiên cứu tích hợp phương pháp luận đánh giá công nghệ môi trường ETA từ Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (UNEP) và khung xác nhận công nghệ ETV của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA), chuẩn hóa theo hướng dẫn năm 2011 của Tổng cục Môi trường Việt Nam gồm 04 nhóm tiêu chí và 21 chỉ tiêu chi tiết.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập dữ liệu thực nghiệm tại 03 nhà máy công nghiệp quốc phòng đặc trưng ở miền Bắc, gồm Nhà máy TN tại Thái Nguyên (diện tích 68 ha, 733 cán bộ công nhân), Nhà máy TQ tại Tuyên Quang (diện tích 809 ha, 1.758 cán bộ công nhân) và Nhà máy VP tại Vĩnh Phúc. Cỡ mẫu khảo sát gồm 06 mẫu nước thải đại diện, lấy định kỳ tại 02 vị trí trọng yếu cho mỗi cơ sở: đầu ra phân xưởng sản xuất thuốc nổ và cống xả sau hệ thống xử lý tập trung vào khung giờ từ 15 đến 17 giờ trước khi kết thúc ca làm việc.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn: xác định chất rắn lơ lửng (TSS) theo TCVN 6625:2000, đo BOD5 theo TCVN 6001-1:2008, xác định COD theo phương pháp SMEWW 5220C, phân tích kim loại nặng (Pb, Fe3+, Cr6+) qua phổ khối plasma cảm ứng cao tần EPA 200.8, và định lượng RDX, HMX, Tetryl bằng hệ thống sắc ký lỏng hiệu năng cao HPLC Model HP 1100 tích hợp detector mảng đi-ốt DAD của hãng Agilent. Việc lựa chọn tổ hợp phương pháp phân tích này bảo đảm độ nhạy cao với giới hạn phát hiện ở nồng độ vết, phản ánh khách quan cơ chế biến đổi hóa học của các chất ô nhiễm trong suốt timeline khảo sát từ phòng thí nghiệm đến hiện trường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích mẫu thực tế cho thấy nước thải phát sinh trực tiếp từ dây chuyền sản xuất có tải lượng ô nhiễm cực kỳ nghiêm trọng trước khi qua các công trình xử lý:

  • Tại Nhà máy VP, nước thải từ phân xưởng sản xuất thuốc nổ ghi nhận nồng độ RDX lên tới 30,25 mg/l, HMX đạt 18,46 mg/l, đi kèm hàm lượng TSS đạt 420 mg/l và COD ở mức 420 mg/l. Sau hệ thống xử lý, hàm lượng RDX còn tồn dư 3,31 mg/l (hiệu suất loại bỏ 89,1%) và HMX còn 2,89 mg/l (hiệu suất loại bỏ 84,3%).
  • Tại Nhà máy TN, nồng độ RDX đầu vào đạt 3,58 mg/l, HMX đạt 1,01 mg/l, Tetryl đạt 0,22 mg/l. Hệ thống kết hợp sinh học, oxy hóa và than hoạt tính chỉ giảm RDX xuống 1,39 mg/l (hiệu suất 61,2%), HMX xuống 0,25 mg/l (hiệu suất 75,2%), trong khi Tetryl đạt hiệu suất xử lý tốt nhất ở mức 95,5% (còn 0,01 mg/l). Nồng độ COD đầu ra vẫn ở mức 86 mg/l với hiệu suất loại bỏ chỉ đạt 34,1%.
  • Tại Nhà máy TQ, công nghệ hấp phụ than hoạt tính đạt hiệu suất xử lý TNT rất cao lên đến 97,9% (giảm từ 28 mg/l xuống 0,6 mg/l). Tuy nhiên, hiệu quả loại bỏ nhóm nitramin rất hạn chế khi RDX chỉ giảm 26,3% (từ 2,13 mg/l xuống 1,57 mg/l) và TSS sau xử lý vẫn vượt ngưỡng ở mức 188 mg/l (hiệu suất 18,3%).

Thảo luận kết quả

Thực trạng phân tích cho thấy các hệ thống xử lý hiện tại của các nhà máy quốc phòng được thiết kế chủ yếu để xử lý TNT hoặc DNT từ những năm 2005 đến 2016, hoàn toàn chưa có chuỗi công nghệ chuyên biệt để bẻ gãy cấu trúc vòng nitramin bền vững của RDX và HMX. Sự hiện diện của RDX và HMX ở nồng độ từ 1,39 mg/l đến 3,31 mg/l tại cống xả chung khiến nước thải có màu vàng nhạt đặc trưng, gây ức chế vi sinh vật tự nhiên và tích lũy trong môi trường thủy vực tiếp nhận.

Về phương diện kinh tế, suất đầu tư xây dựng thực tế chênh lệch rất lớn giữa các cơ sở: Nhà máy TN đạt 44.667 đồng/m3 với chi phí vận hành 6.795 đồng/m3 nước thải (khoảng 815.385 đồng/ngày cho công suất 120 m3/ngày), trong khi Nhà máy TQ có suất đầu tư lên tới 114.667 đồng/m3 do công suất thiết kế nhỏ (30 m3/ngày) nhưng vận hành hoàn toàn thủ công.

Dữ liệu khảo sát khi được tổng hợp qua bảng ma trận 21 tiêu chí và biểu đồ cột so sánh hiệu suất sẽ làm rõ khoảng cách công nghệ giữa Việt Nam và thế giới. Nghiên cứu thực nghiệm đối chứng cho thấy việc ứng dụng công nghệ điện phân kết hợp bể bùn hoạt tính thiếu khí - hiếu khí (A/O) với nồng độ MLSS từ 4.300 đến 4.700 mg/l có thể hạ nồng độ COD từ 3.420 mg/l xuống 2.080 mg/l và triệt tiêu RDX từ 32,5 mg/l xuống dưới 0,8 mg/l, mang lại hiệu quả vượt bậc so với công nghệ hấp phụ than hoạt tính đơn thuần.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá thực trạng kỹ thuật và kinh tế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản lý đồng bộ:

  • Tích hợp cụm tiền xử lý oxy hóa nâng cao AOPs dạng Fenton quang hóa hoặc UV/H2O2 ngay tại các phân xưởng phát sinh dòng thải: Mục tiêu bẻ gãy liên kết vòng nitramin, nâng tỷ lệ loại bỏ RDX và HMX đạt trên 95% trước khi hòa vào hệ thống gom chung. Lộ trình triển khai thí điểm trong thời gian 6 đến 12 tháng do Ban Quản lý Kỹ thuật và Phân xưởng xử lý nước thải chủ trì.
  • Nâng cấp bể xử lý sinh học hiện hữu sang mô hình bùn hoạt tính Anoxic - Oxic (A/O) đa bậc: Duy trì nồng độ chất rắn lơ lửng trong bùn hoạt tính (MLSS) ở ngưỡng 4.500 mg/l, kiểm soát DO bể thiếu khí dưới 0,5 mg/l và bể hiếu khí ở 5,0 mg/l nhằm khoáng hóa hoàn toàn các sản phẩm trung gian độc hại. Thời gian hoàn thiện hệ thống trong 12 tháng dưới sự điều hành của Ban Chỉ huy Nhà máy.
  • Thiết lập quy trình thu hồi và nhiệt phân tái sinh than hoạt tính khép kín: Thay thế việc lưu kho hoặc chôn lấp bùn than nhiễm độc, giảm thiểu hơn 80% khối lượng chất thải nguy hại thứ cấp phát sinh ra môi trường xung quanh. Kế hoạch thực hiện trong 18 tháng phối hợp cùng Viện Công nghệ mới - Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự.
  • Lắp đặt hệ thống điều khiển tự động hóa kiểm soát nồng độ pH từ 6,5 đến 7,5 và lưu lượng cấp hóa chất liên tục: Tối ưu hóa chi phí điện năng và vật tư, hạ giá thành vận hành từ mức 6.795 đồng/m3 xuống dưới 5.000 đồng/m3 nước thải. Tiến độ hoàn thành trong vòng 24 tháng do Phòng An toàn và Bảo vệ Môi trường giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Cán bộ kỹ thuật và chỉ huy các nhà máy công nghiệp quốc phòng: Ứng dụng trực tiếp bảng tiêu chí 21 chỉ tiêu để rà soát, kiểm toán môi trường và tái cấu trúc hệ thống xử lý nước thải tại các dây chuyền gia công vũ khí, xì đạn dược và sản xuất vật liệu nổ quy mô từ 28 đến 150 m3/ngày.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ môi trường: Sử dụng các thông số vận hành thực nghiệm của quy trình oxy hóa nâng cao kết hợp bùn hoạt tính A/O để tính toán module xử lý nước thải chứa hợp chất cơ nitro khó phân hủy cho các khu công nghiệp hóa chất đặc thù.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường: Khai thác làm tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về động học phản ứng, độc tính sinh thái của RDX, HMX, Tetryl và phương pháp luận đánh giá công nghệ ETA/ETV.
  • Cơ quan hoạch định chính sách thuộc Bộ Quốc phòng và Bộ Tài nguyên và Môi trường: Sử dụng số liệu thực chứng để xây dựng bộ quy chuẩn xả thải đặc thù cho ngành sản xuất vũ khí, đạn dược, bảo đảm 100% cơ sở đạt tiêu chuẩn an toàn sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

  • Nước thải nhiễm RDX, HMX gây ra những tác động nguy hại nào đối với môi trường và sức khỏe? Các hợp chất nitramin như RDX và HMX rất khó bay hơi, khó bị vi sinh vật tự nhiên phân hủy và có khả năng hòa tan từ 5 đến 38,9 mg/l, dễ dàng thẩm thấu gây ô nhiễm nước ngầm lâu dài. Khi xâm nhập vào cơ thể sinh vật, chúng gây tổn thương hệ thần kinh trung ương, suy thoái chức năng gan, thận và được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ xác định là tác nhân có nguy cơ gây ung thư nhóm C.

  • Vì sao phương pháp hấp phụ bằng than hoạt tính đơn thuần tại các nhà máy chưa đạt hiệu quả tối ưu? Than hoạt tính chỉ có tác dụng lưu giữ cơ học và hóa lý các phân tử thuốc nổ trên bề mặt xốp mà không phá hủy được liên kết phân tử. Khi dòng thải có nồng độ nitramin cao từ 18,46 đến 30,25 mg/l, than sẽ nhanh chóng bị bão hòa, làm suy giảm hiệu suất loại bỏ RDX xuống dưới 30% và tạo ra khối lượng lớn bùn thải nguy hại cần chi phí xử lý rất tốn kém.

  • Công nghệ oxy hóa nâng cao AOPs xử lý hợp chất nitramin theo cơ chế nào? AOPs sử dụng các phản ứng hóa học, quang hóa hoặc điện hóa để sản sinh tức thời các gốc tự do hydroxyl hoạt tính cực mạnh. Các gốc tự do này tấn công không chọn lọc vào khung phân tử hữu cơ của RDX, HMX, cắt đứt các liên kết nitro và mạch vòng triazine để chuyển hóa chúng thành các hợp chất vô cơ không độc hại gồm CO2, H2O, NO3- với hiệu suất khử COD đạt trên 90%.

  • Bộ tiêu chí đánh giá công nghệ môi trường trong luận văn gồm những nội dung gì? Luận văn áp dụng khung đánh giá toàn diện gồm 04 nhóm tiêu chí và 21 chỉ tiêu: Nhóm kỹ thuật (tuân thủ QCVN, hiệu suất xử lý, tuổi thọ, mức độ tự động hóa); Nhóm kinh tế (suất đầu tư từ 44.667 đến 114.667 đồng/m3, chi phí vận hành); Nhóm môi trường (diện tích xây dựng, phát sinh chất thải thứ cấp); và Nhóm xã hội (tính thẩm mỹ, mức độ thích ứng vùng miền và nhân lực vận hành).

  • Chi phí vận hành trạm xử lý nước thải nhiễm thuốc nổ hiện nay khoảng bao nhiêu? Theo khảo sát tại Nhà máy TN, chi phí vận hành cho hệ thống công suất 120 m3/ngày là 815.385 đồng/ngày, tương đương khoảng 6.795 đồng cho mỗi mét khối nước thải xử lý. Khoản chi phí này bao gồm tiền điện năng khoảng 9.000.000 đồng/tháng, hóa chất 4.000.000 đồng/tháng và tiền lương cho 02 công nhân vận hành định kỳ 26 ngày/tháng.

Kết luận

  • Công trình đã khảo sát toàn diện hiện trạng phát tán chất thải nguy hại tại 03 nhà máy quốc phòng, phát hiện nồng độ RDX đầu vào lên đến 30,25 mg/l và HMX đạt 18,46 mg/l, vượt xa khả năng tự làm sạch của môi trường.
  • Đánh giá định lượng 21 chỉ tiêu kỹ thuật - kinh tế - môi trường - xã hội, chứng minh các hệ thống xử lý than hoạt tính hiện hành chỉ đạt hiệu suất xử lý RDX từ 26,3% đến 89,1%, vẫn để lại dư lượng độc chất đáng kể trong nước thải sau xử lý.
  • Đề xuất mô hình công nghệ tích hợp giữa quá trình oxy hóa nâng cao AOPs và bể sinh học thiếu khí - hiếu khí (A/O), nâng hiệu suất phân hủy nitramin đạt trên 95% và hạ COD về ngưỡng an toàn.
  • Hoàn thiện bài toán kinh tế - kỹ thuật với suất đầu tư dao động từ 44.667 đến 114.667 đồng/m3 và chi phí vận hành hợp lý ở mức 6.795 đồng/m3, hoàn toàn phù hợp với điều kiện cơ sở hạ tầng tại Việt Nam.
  • Thiết lập lộ trình chuyển giao công nghệ và hoàn thiện chính sách kiểm soát môi trường quân sự trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Các cơ sở công nghiệp quốc phòng cần nhanh chóng áp dụng các khuyến nghị công nghệ từ luận văn để triệt tiêu nguồn ô nhiễm nitramin, bảo vệ an toàn sinh thái và sức khỏe cộng đồng bền vững.