Tổng quan nghiên cứu

Nước thải y tế từ các cơ sở khám chữa bệnh là nguồn phát thải nguy hại đặc thù, chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ, hóa chất độc hại, dược phẩm tồn dư và mật độ vi sinh vật gây bệnh cao. Tại Việt Nam, nhiều bệnh viện tuyến huyện gặp khó khăn trong việc lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp do hạn chế về nguồn vốn đầu tư, quỹ đất và năng lực vận hành. Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh được thành lập với quy mô 150 giường bệnh và định hướng nâng cấp lên 200 giường bệnh, phát sinh lượng nước thải trung bình 87 m3/ngày đêm và lưu lượng thiết kế đạt 120 m3/ngày đêm.

Thực trạng phân tích chất lượng nước thải tại bệnh viện cho thấy mức độ ô nhiễm vượt chuẩn nghiêm trọng: nồng độ BOD5 trung bình đạt 250 mg/L, COD đạt 345 mg/L, amoni đạt 25 mg/L, photphat đạt 6,8 mg/L và tổng Coliforms lên tới 8,5x10^6 MPN/100mL. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là đánh giá đặc trưng các mô hình xử lý nước thải y tế hiện hành tại Việt Nam để thiết kế một hệ thống tối ưu cho Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải công suất 120 m3/ngày đêm đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 28:2010/BTNMT Cột B, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Nghiên cứu được triển khai thực hiện tại huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh trong giai đoạn 2010 đến 2011. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua giải pháp công nghệ sinh học kết hợp chi phí thấp, giúp giảm giá thành xử lý xuống mức 1.750 đồng/m3 và tổng mức đầu tư xây dựng - thiết bị chỉ khoảng 1,446 tỷ đồng, mang lại giá trị ứng dụng cao cho các cơ sở y tế tuyến huyện có điều kiện kinh tế tương đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp các lý thuyết nền tảng trong công nghệ môi trường nhằm giải quyết triệt để các thành phần ô nhiễm trong nước thải bệnh viện:

  1. Lý thuyết phân hủy sinh học kỵ khí: Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp thành methane (CH4) và carbon dioxide (CO2) qua bốn giai đoạn: thủy phân, acid hóa, acetic hóa và methane hóa. Trong bể kỵ khí vách ngăn dòng hướng lên kết hợp lọc kỵ khí (BASTAF), tỷ lệ dinh dưỡng tối ưu COD:N:P được xác định ở mức 350:5:1 với tải trọng xử lý đạt 6 kg COD/m3.ngày.
  2. Lý thuyết xử lý hiếu khí màng vi sinh dính bám (Biofilm): Ứng dụng trên tháp lọc sinh học nhỏ giọt với vật liệu tiếp xúc xỉ hoạt tính có diện tích bề mặt riêng Fa đạt 30 m2/m3 và độ rỗng 90%. Quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan diễn ra nhờ màng vi sinh vật hiếu khí gắn kết trên bề mặt giá thể khi được cung cấp không khí liên tục.
  3. Cơ chế xử lý sinh thái của bãi lọc trồng cây ngập nước kiến tạo (Constructed Wetland): Nước thải chuyển động ngang qua lớp vật liệu lọc và hệ thống rễ cây thủy sinh (cỏ nến, sậy, thủy trúc). Hệ thực vật cung cấp oxy cho vùng rễ, tạo môi trường hiếu khí - thiếu khí xen kẽ để thực hiện quá trình nitrat hóa, khử nitrat và hấp thụ triệt để nitơ, photpho.

Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5 đo ở 20 độ C theo tiêu chuẩn TCVN 6001-1995), Nhu cầu oxy hóa học (COD theo tiêu chuẩn TCVN 6491-1999), Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và Chỉ số vi sinh vật chỉ thị Coliforms.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu khảo sát từ 28 bệnh viện tuyến huyện thuộc khuôn khổ dự án y tế miền núi phía Bắc kết hợp chuỗi số liệu quan trắc thực nghiệm tại Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà năm 2010.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Tác giả tiến hành thu thập 12 mẫu nước thải tổ hợp tại 5 phân khu chức năng (khu khám bệnh, phòng mổ, xét nghiệm, điều trị nội trú và khu nhà ăn sinh hoạt). Phương pháp lấy mẫu tổ hợp theo các khung giờ cao điểm (9 giờ đến 17 giờ) và ban đêm nhằm xác định chính xác hệ số không điều hòa theo giờ Kch dao động từ 1,8 đến 2,5.

Phương pháp phân tích được thực hiện bằng phương pháp phân tích hóa lý tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm, kết hợp mô hình hóa cân bằng vật chất, tính toán thủy lực công trình và phân tích hiệu quả kinh tế tài chính. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích này là nhằm đảm bảo các thông số thiết kế vừa chuẩn xác về mặt kỹ thuật công nghệ, vừa phù hợp với khả năng cân đối ngân sách và mặt bằng xây dựng thực tế của địa phương. Toàn bộ quá trình khảo sát, tính toán và hoàn thiện thiết kế được thực hiện xuyên suốt từ tháng 6 năm 2010 đến tháng 5 năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và đánh giá so sánh công nghệ đã mang lại 4 kết quả cốt lõi:

  1. Hiệu suất xử lý vượt trội của các mô hình công nghệ: Phân tích so sánh 4 mô hình xử lý y tế tại Việt Nam cho thấy công nghệ AAO kết hợp màng lọc MBR đạt hiệu suất tổng hợp cao nhất là 53,84%, xử lý chất rắn lơ lửng đạt 90-97% và chất hữu cơ đạt trên 96%. Tuy nhiên, thiết bị Johkaso AAO-MBR đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn. Trong khi đó, mô hình sinh học phân tán DEWATS kết hợp bãi lọc trồng cây đạt hiệu suất xử lý SS từ 67-70%, hữu cơ đạt 75% với chi phí vận hành chỉ bằng 35-40% so với thiết bị hợp khối nhân tạo.
  2. Đặc tính nước thải thuận lợi cho xử lý sinh học: Nước thải Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà có tỷ lệ BOD5/COD đạt 0,71 (250 mg/L so với 345 mg/L), vượt xa ngưỡng 0,5, chứng minh dòng thải có khả năng phân hủy sinh học rất cao mà không cần bổ sung hóa chất keo tụ đắt tiền.
  3. Chuẩn hóa thông số kích thước công trình xử lý 120 m3/ngày đêm: Hệ thống được thiết kế theo dây chuyền liên hoàn gồm: Bể điều hòa thể tích 40 m3 (kích thước 2,5 x 3,5 x 4,6 m, thời gian lưu 8 giờ, giảm 5% BOD5 và COD); Bể lọc kỵ khí BASTAF 5 ngăn thể tích 100 m3 (gồm 2 đơn nguyên kích thước 2,5 x 2,5 x 8 m, thời gian lưu 20 giờ, hiệu suất khử 40% COD, tương ứng giảm 133 mg/L COD); Tháp lọc sinh học thể tích 32,4 m3 (chiều cao tầng lọc 3,5 m, diện tích mặt cắt 9,3 m2, cấp khí cưỡng bức 67,8 m3/h); Bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng diện tích 308 m2 (gồm 2 bãi song song kích thước 10 x 15,4 m); Bể tiếp xúc khử trùng Chlorine thể tích 10,42 m3 (gồm 5 ngăn ziczac, thời gian lưu 30 phút).
  4. Hiệu quả kinh tế - tài chính tối ưu: Tổng vốn đầu tư xây dựng và thiết bị là 1.446.366.000 đồng (trong đó xây dựng cơ bản chiếm 1,066 tỷ đồng, máy móc thiết bị chiếm 380,3 triệu đồng). Chi phí vận hành hàng năm là 116.856.000 đồng, bao gồm điện năng tiêu thụ 192 kWh/ngày (249.600 đồng/ngày), hóa chất khử trùng 1,5 kg Chlorine/ngày (75.000 đồng/ngày) và chi phí nhân công 7.000.000 đồng/tháng. Suất chi phí xử lý trên mỗi mét khối nước thải đạt mức 1.750 đồng/m3.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân hủy đa tầng kỵ khí - hiếu khí - sinh thái tự nhiên tạo ra độ ổn định vận hành rất cao. Việc bố trí bể kỵ khí BASTAF nhiều ngăn giúp tăng thời gian lưu bùn hoạt tính, hấp thụ phần lớn chất hữu cơ mạch dài mà không tiêu tốn điện năng sục khí. Tháp lọc sinh học nhỏ giọt phía sau có chức năng oxy hóa triệt để các hợp chất khử còn lại và khử mùi hôi đặc trưng phát sinh từ pha kỵ khí.

Các dữ liệu nghiên cứu về sự suy giảm nồng độ ô nhiễm qua từng công trình đơn vị được trình bày rõ nét qua biểu đồ thanh thể hiện tải lượng ô nhiễm giảm dần: COD giảm từ 350 mg/L qua bể điều hòa xuống 332,5 mg/L, qua BASTAF xuống 199,5 mg/L và sau bãi lọc đạt dưới 100 mg/L; Coliforms từ 8,5x10^6 MPN/100mL giảm xuống dưới 5.000 MPN/100mL sau bể khử trùng. Đồng thời, bảng tổng hợp so sánh đa tiêu chí giữa công nghệ BASTAF cải tiến và thiết bị CN-2000, Johkaso khẳng định phương án lựa chọn tiết kiệm hơn 50% chi phí khấu hao thiết bị hàng năm, giải quyết bài toán thiếu kinh phí vận hành thường xuyên tại các bệnh viện cấp huyện.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán kỹ thuật và phân tích thực tế, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp chiến lược:

  1. Xây dựng hệ thống tách dòng và xử lý sơ bộ tại nguồn phát thải: Ban Giám đốc Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà cần chỉ đạo lắp đặt ngay các thiết bị tách dầu mỡ tại khu vực nhà ăn, hệ thống bể lắng thu gom chất phóng xạ và bể trung hòa hóa chất tại các phòng xét nghiệm, hoàn thành trong vòng 3 tháng đầu triển khai dự án nhằm loại bỏ hoàn toàn các chất ức chế sinh học trước khi nước thải đi vào trạm xử lý trung tâm.
  2. Chuẩn hóa quy trình vận hành và bảo trì thiết bị định kỳ: Đội ngũ kỹ thuật viên quản lý trạm xử lý phải duy trì chế độ cấp khí cho tháp lọc sinh học với lưu lượng 67,8 m3/h, thực hiện xả bùn kỵ khí và rửa ngược vật liệu xỉ hoạt tính định kỳ 6 tháng một lần để đảm bảo độ rỗng tầng lọc duy trì ở mức 90%, ngăn ngừa hiện tượng tắc nghẽn màng vi sinh.
  3. Kiểm soát chặt chẽ quy trình khử trùng và quan trắc chất lượng nước: Bộ phận kiểm soát nhiễm khuẩn duy trì liều lượng hóa chất khử trùng Chlorine ở mức 1,5 kg/ngày (tương đương 3 g hoạt tính/m3 nước thải), đồng thời thực hiện lấy mẫu quan trắc định kỳ 3 tháng/lần đối với 6 thông số bắt buộc (BOD5, COD, Amoni, Photphat, TSS, Coliforms) nhằm đảm bảo 100% nguồn nước xả thải ra môi trường luôn đạt chuẩn QCVN 28:2010/BTNMT Cột B.
  4. Nhân rộng mô hình công nghệ sinh học cho hệ thống y tế cơ sở: Sở Y tế và Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hà Tĩnh cần phối hợp ban hành sổ tay hướng dẫn kỹ thuật áp dụng mô hình BASTAF kết hợp bãi lọc thực vật ngập nước cho khoảng 10 đến 12 bệnh viện tuyến huyện và trung tâm y tế khu vực trong giai đoạn 2012-2020 để tối ưu hóa vốn đầu tư công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, phục vụ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư thiết kế công trình cấp thoát nước và môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về công thức tính toán thủy lực, thiết kế hệ thống tưới phản lực 4 ống phân phối quay 30 vòng/phút và xác định dung tích các bể xử lý sinh học bậc cao.
  2. Ban Giám đốc và cán bộ quản lý cơ sở hạ tầng bệnh viện: Hỗ trợ xây dựng kế hoạch đầu tư, dự toán kinh phí lắp đặt thiết bị (380,3 triệu đồng) và tính toán chi phí vận hành thường xuyên (116,8 triệu đồng/năm) cho các bệnh viện quy mô 150-200 giường.
  3. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Làm căn cứ khoa học để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), cấp phép xả thải và định hướng công nghệ xử lý chất thải y tế phù hợp với đặc thù quy hoạch nông thôn và đô thị loại 4, loại 5.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Môi trường: Làm tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về mô hình xử lý nước thải sinh học phân tán, cơ chế loại bỏ dinh dưỡng trong bãi lọc ngập nước kiến tạo.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải bệnh viện tuyến huyện chứa những chất ô nhiễm nguy hại nào?

Nước thải phát sinh từ khu khám bệnh, phẫu thuật, xét nghiệm và sinh hoạt chứa các chất hữu cơ cao (BOD5 đạt 250 mg/L, COD đạt 345 mg/L), các hợp chất dinh dưỡng nitơ, photpho, hóa chất tẩy rửa, kim loại nặng và mật độ vi sinh vật gây bệnh rất cao với tổng Coliforms lên tới 8,5x10^6 MPN/100mL.

Vì sao công nghệ BASTAF kết hợp bãi lọc trồng cây được lựa chọn cho Bệnh viện Thạch Hà?

Mô hình này tận dụng quỹ đất sẵn có của bệnh viện, đảm bảo khoảng cách ly vệ sinh trên 200m, vận hành đơn giản, chịu sốc tải tốt và tiết kiệm chi phí. Tổng mức đầu tư chỉ 1,446 tỷ đồng và giá thành xử lý là 1.750 đồng/m3, thấp hơn nhiều so với công nghệ MBR hay thiết bị Johkaso nhập ngoại.

Tháp lọc sinh học nhỏ giọt trong hệ thống đóng vai trò gì?

Tháp lọc sinh học chứa vật liệu xỉ hoạt tính (diện tích bề mặt 30 m2/m3, độ rỗng 90%) tiếp nhận nước thải sau bể BASTAF để thực hiện quá trình oxy hóa hiếu khí cưỡng bức với lưu lượng gió 67,8 m3/h. Công trình giúp giảm nhanh nồng độ BOD5 xuống 100 mg/L và khử triệt để mùi hôi kỵ khí.

Bãi lọc trồng cây xử lý các chất ô nhiễm bằng cơ chế nào?

Bãi lọc dòng chảy đứng diện tích 308 m2 sử dụng các loài thực vật như sậy, cỏ nến. Rễ cây cung cấp oxy tạo môi trường hiếu khí cục bộ để vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ, chuyển hóa amoni thành nitrat và hấp thụ trực tiếp các hợp chất nitơ, photpho làm chất dinh dưỡng phát triển sinh khối.

Nước thải sau xử lý của hệ thống đạt quy chuẩn kỹ thuật nào?

Toàn bộ nước thải sau khi qua chuỗi xử lý sinh học và khử trùng bằng Chlorine (liều lượng 3 g/m3) đạt đầy đủ các giới hạn quy định tại QCVN 28:2010/BTNMT Cột B với BOD5 dưới 50 mg/L, COD dưới 100 mg/L, amoni dưới 10 mg/L, photphat dưới 6 mg/L và Coliforms dưới 5.000 MPN/100mL.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng công nghệ xử lý nước thải y tế tại Việt Nam và xác lập luận cứ khoa học vững chắc để lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho bệnh viện tuyến huyện.
  • Thiết kế thành công hệ thống xử lý nước thải công suất 120 m3/ngày đêm cho Bệnh viện Đa khoa huyện Thạch Hà dựa trên chuỗi liên hoàn: Bể điều hòa - Bể lọc kỵ khí BASTAF 5 ngăn - Tháp lọc sinh học - Bãi lọc trồng cây - Bể khử trùng.
  • Nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 28:2010/BTNMT Cột B, loại bỏ trên 90% các chất hữu cơ và hơn 99,9% vi khuẩn gây bệnh.
  • Tối ưu hóa toàn diện về mặt kinh tế với tổng mức đầu tư 1.446.366.000 đồng, chi phí vận hành hàng năm 116.856.000 đồng và giá thành xử lý chỉ 1.750 đồng/m3 nước thải.
  • Công trình đóng góp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao, dễ dàng chuyển giao công nghệ và nhân rộng cho các cơ sở y tế quy mô dưới 200 giường tại khu vực nông thôn và miền núi.

Kế hoạch tiếp theo cần tập trung thi công hoàn thiện các hạng mục công trình, tiến hành nuôi cấy vi sinh vật khởi động hệ thống trong thời gian từ 6 đến 9 tháng và lập quy trình quan trắc xả thải tự động. Hãy liên hệ với các đơn vị tư vấn môi trường hoặc tác giả nghiên cứu để nhận bộ hồ sơ bản vẽ thiết kế kỹ thuật thi công và hướng dẫn chuyển giao công nghệ chi tiết cho cơ sở y tế của bạn.