Tổng quan nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa tại Việt Nam ghi nhận sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp tập trung. Đến tháng 10 năm 2014, cả nước có 209 khu công nghiệp đi vào hoạt động với tổng diện tích vượt 47.000 ha, đóng góp giá trị sản xuất trung bình 1,6 triệu USD/ha/năm và giải quyết việc làm cho hơn 3,4 triệu lao động trực tiếp lẫn gián tiếp. Đi kèm với sự tăng trưởng kinh tế là thách thức môi trường nghiêm trọng khi lượng chất thải rắn phát sinh đạt khoảng 8.000 tấn/ngày cùng khối lượng lớn nước thải công nghiệp chưa qua xử lý triệt để xả thẳng vào các lưu vực sông.

Khu công nghiệp Nam Cấm tại huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An được thành lập theo Quyết định số 3759/QĐ.UB-CN ngày 03/10/2003 của Ủy ban nhân dân tỉnh Nghệ An với tổng diện tích quy hoạch 327,83 ha, chia thành ba tiểu khu A, B và C. Sau hơn 10 năm hình thành, khu công nghiệp đã thu hút 42 dự án đăng ký và có 19 cơ sở sản xuất kinh doanh đang hoạt động chính thức thuộc các ngành chế biến thực phẩm, thủy sản, lâm sản và chế biến khoáng sản. Tuy nhiên, toàn khu công nghiệp chưa có trạm xử lý nước thải tập trung; tổng lưu lượng dòng thải phát sinh tối đa ước tính đạt 1.500 m3/ngày đêm.

Toàn bộ nước thải sau khi thoát khỏi khuôn viên nhà máy được dẫn qua hệ thống mương hở đổ về Bara Cầu Kiệt rồi xả trực tiếp vào sông Cấm – thủy vực có lưu lượng mùa kiệt là 1,08 m3/s, đóng vai trò cấp nước tưới tiêu và sinh hoạt cho cư dân hạ lưu. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá chi tiết đặc trưng lý hóa học của từng dòng thải, xác định tải lượng ô nhiễm cục bộ và đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tập trung tối ưu nhằm đưa chất lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT Cột A, bảo vệ bền vững hệ sinh thái thủy vực sông Cấm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết Sinh thái học công nghiệp và mô hình Khu công nghiệp sinh thái. Mô hình này xem khu công nghiệp là một hệ sinh thái khép kín, nơi dòng thải hoặc sản phẩm phụ của nhà máy này trở thành nguyên liệu đầu vào của nhà máy khác, tương tự mô hình cộng sinh công nghiệp Kalundborg tại Đan Mạch – nơi từng giúp cắt giảm 19.000 m3 nước tiêu thụ và 130.000 tấn khí thải CO2 mỗi năm.

Về mặt kỹ thuật môi trường, luận văn dựa trên lý thuyết xử lý nước thải ba bậc và xử lý cấp tiến của Metcalf và Eddy (1998, 2003). Hệ thống xử lý hoàn chỉnh bao gồm:

  1. Xử lý bậc 1 (cơ học và hóa lý): Loại bỏ rác thô, cặn lắng, hạt lơ lửng không tan và tách dầu mỡ với hiệu suất loại bỏ 50% chất rắn không tan và 70% đến 80% dầu khoáng.
  2. Xử lý bậc 2 (sinh học hiếu khí và kỵ khí): Sử dụng hệ vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ hòa tan (đo bằng BOD5 và COD) cùng quá trình nitrate hóa để loại bỏ chất dinh dưỡng.
  3. Xử lý bậc 3 và xử lý cấp tiến: Ứng dụng lọc màng vi lọc, hấp phụ than hoạt tính và khử trùng bằng hóa chất hoặc tia cực tím để khử sạch vi sinh vật gây bệnh và các ion khoáng hòa tan trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát thực địa kết hợp điều tra kế thừa từ 42 bộ hồ sơ báo cáo đánh giá tác động môi trường và giám sát định kỳ tại Ban Quản lý Khu kinh tế Đông Nam Nghệ An.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Chương trình quan trắc thu thập 09 mẫu nước thải đại diện bằng phương pháp lấy mẫu tổ hợp phân tầng theo từng ngành sản xuất đặc thù:

  • 01 mẫu tại Nhà máy Bia Hà Nội – Nghệ An (ngành đồ uống).
  • 01 mẫu tại Nhà máy chế biến bột cá Minh Thái Sơn (ngành thủy sản).
  • 02 mẫu tại Nhà máy nguyên liệu giấy Nghệ An và Xưởng sơ chế gỗ Tân Việt Trung (ngành lâm sản).
  • 03 mẫu tại Công ty Cổ phần khoáng sản Á Châu, Công ty TNHH Liên Hiệp và Công ty TNHH Châu Tiến (ngành khoáng sản).
  • 01 mẫu tại Nhà máy linh kiện điện tử BSE Việt Nam.
  • 01 mẫu nước tiếp nhận tổng hợp tại Bara Cầu Kiệt.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Các thông số được đo đạc theo Tiêu chuẩn Quốc gia (TCVN) và thiết bị phân tích tiêu chuẩn của hãng Hach để đảm bảo giới hạn phát hiện thấp và sai số thực nghiệm dưới 5%. Các phép thử bao gồm TCVN 6492:2011 (đo pH), TCVN 6185:2008 (độ màu Pt/Co), TCVN 6001-1:2008 (BOD5), thiết bị Hach 8000 (COD), TCVN 6625:2000 (TSS), phương pháp so màu quang phổ Hach 10071 (Tổng Nitơ), Hach 8190 (Tổng Photpho) và Hach 10029 (Tổng Coliform). Toàn bộ dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2013-2014 được xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích chất lượng nước thải tại các nhà máy đại diện bộc lộ sự phân hóa rõ rệt về thành phần ô nhiễm giữa các nhóm ngành:

  1. Ngành sản xuất đồ uống (Nhà máy Bia Hà Nội – Nghệ An): Dù nhà máy đã vận hành hệ thống xử lý nội bộ gồm bể UASB kết hợp Aerotank và hồ sinh học, nước thải đầu ra vẫn tồn tại ô nhiễm vi sinh và dinh dưỡng đáng kể. Hàm lượng BOD5 đạt 10,4 mg/l và COD đạt 31 mg/l (đáp ứng QCVN 40:2011/BTNMT Cột B). Tuy nhiên, chỉ số Coliform đạt 23.800 MPN/100ml, vượt 4,76 lần quy chuẩn Cột B (giới hạn 5.000 MPN/100ml). Nồng độ Tổng Nitơ đạt 30 mg/l và độ màu đạt 88 Pt/Co, vượt hơn 1,5 lần so với quy chuẩn Cột A.

  2. Ngành chế biến thủy sản (Nhà máy Bột cá Minh Thái Sơn): Dòng thải có hàm lượng ô nhiễm hữu cơ rất cao do nước rửa nguyên liệu và khí ngưng tụ lò sấy. Các chỉ số quan trắc sau xử lý cơ học cục bộ đều vượt ngưỡng cho phép: BOD5 đạt 63 mg/l (vượt 1,26 lần QCVN 11:2008/BTNMT Cột B), COD đạt 100 mg/l (vượt 1,25 lần), nồng độ Amoni đạt 16 mg/l, tiềm ẩn nguy cơ phú dưỡng hóa và bốc mùi hôi thối.

  3. Ngành chế biến khoáng sản (Sản xuất bột đá siêu mịn): Khối lượng nước thải trung bình của một cơ sở khoảng 62 m3/ngày. Đặc trưng lớn nhất là hàm lượng chất rắn lơ lửng rất cao với chỉ số TSS dao động từ 59,3 mg/l đến 85 mg/l (vượt giới hạn Cột A là 50 mg/l), độ màu dao động từ 65 đến 132 Pt/Co. Ngược lại, nồng độ các chất hữu cơ khá thấp với BOD5 chỉ từ 10 đến 15 mg/l và COD từ 25 đến 41 mg/l.

  4. Ngành chế biến lâm sản và gỗ nhân tạo: Nước thải sản xuất phát sinh không đáng kể, chủ yếu chứa xơ dăm (chiếm khoảng 2% phế phẩm), cặn gỗ và dầu bôi trơn từ máy mài. Nước thải sau bể lắng và tự hoại có các thông số nằm trong ngưỡng an toàn của Cột B, riêng Tổng Nitơ ở mức 25 mg/l.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu quan trắc có thể được mô hình hóa trực quan thông qua biểu đồ tương quan giữa tỷ lệ BOD5/COD và nồng độ chất rắn lơ lửng TSS giữa các phân khu công nghiệp. Tỷ số BOD5/COD ở ngành bia đạt 0,33 và ngành bột cá đạt 0,63 chứng minh nước thải có khả năng phân hủy sinh học rất tốt, hoàn toàn phù hợp để xử lý bằng công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí và kỵ khí. Ngược lại, ngành bột đá có tỷ số BOD5/COD thấp (dưới 0,3) nhưng tải lượng TSS và độ màu chiếm hơn 70% tổng tải lượng hạt của toàn khu, đòi hỏi quy trình keo tụ tạo bông và lắng trọng lực nghiêm ngặt.

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm vượt chuẩn tại điểm xả chung Bara Cầu Kiệt là do các nhà máy chỉ áp dụng các công trình xử lý đơn lẻ, lạc hậu và thiếu module loại bỏ Nitơ, Photpho chuyên sâu. Khi các dòng thải có tính chất trái ngược (giàu hữu cơ từ tiểu khu B và giàu cặn vô cơ từ tiểu khu C) trộn lẫn trên hệ thống mương hở dài hơn 500 m, hiện tượng phân hủy kỵ khí tự nhiên phát sinh mùi hôi và làm suy giảm nghiêm trọng lượng oxy hòa tan của nguồn tiếp nhận sông Cấm.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để bài toán ô nhiễm nguồn nước tại Khu công nghiệp Nam Cấm, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản lý đồng bộ:

  1. Xây dựng Trạm xử lý nước thải tập trung công suất 2.000 m3/ngày đêm: Áp dụng dây chuyền công nghệ đa bậc kết hợp bao gồm: Song chắn rác tinh -> Bể lắng cát -> Bể điều hòa lưu lượng và pH -> Cụm phản ứng keo tụ - tạo bông (sử dụng phèn nhôm/PAC và polymer) -> Bể lắng sơ cấp -> Bể kỵ khí dòng ngược UASB -> Bể bùn hoạt tính hiếu khí Anoxic kết hợp Aerotank (khử triệt để COD và Nitơ) -> Bể lắng thứ cấp -> Bể khử trùng bằng dung dịch Chlorine -> Hồ sinh học kiểm chứng dung tích 5.000 m3. Mục tiêu đưa 100% dòng thải đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột A trước năm 2017. Chủ thể thực hiện là Ban Quản lý Khu kinh tế Đông Nam Nghệ An.

  2. Chuẩn hóa quy định tiền xử lý cục bộ tại nguồn: Bắt buộc các cơ sở sản xuất bột cá nâng cấp bể Aerotank nhằm giảm thiểu nồng độ BOD5 và COD đầu ra tối thiểu 30% trước khi đấu nối vào mạng lưới thu gom chung; các nhà máy bột đá phải xây dựng hồ lắng thu hồi cặn đảm bảo TSS dưới 50 mg/l. Timeline hoàn thành trong 12 tháng. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp trong khu công nghiệp.

  3. Triển khai các giải pháp sản xuất sạch hơn và tuần hoàn nước: Thiết lập chu trình tái sử dụng 40% đến 50% lượng nước làm mát tại nhà máy bia để phục vụ vệ sinh két chai, rửa sàn; tái tuần hoàn 100% nước rửa đá sau bể lắng thu hồi cặn tại các cơ sở chế biến khoáng sản. Timeline áp dụng thường niên từ năm 2015. Chủ thể thực hiện là các đơn vị trực tiếp sản xuất.

  4. Thiết lập hệ thống quan trắc tự động liên tục: Lắp đặt trạm cảm biến đo đạc tự động 24/7 tại cống xả Bara Cầu Kiệt kiểm soát 6 thông số gồm lưu lượng, pH, nhiệt độ, TSS, COD và Amoni, truyền dữ liệu trực tuyến về cơ quan quản lý. Timeline hoàn thiện trong năm 2016. Chủ thể thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Nghệ An.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và Ban Quản lý các Khu kinh tế, Khu công nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học để rà soát quy hoạch hạ tầng kỹ thuật môi trường, thiết lập quy chế tiếp nhận nước thải cục bộ và ban hành định mức xả thải cho các khu công nghiệp hỗn hợp đa ngành.

  2. Kỹ sư môi trường và các đơn vị tư vấn thiết kế công trình xử lý nước: Sử dụng thông số động học, tải trọng hữu cơ và sơ đồ dây chuyền công nghệ UASB kết hợp Anoxic-Aerotank như một tài liệu tham khảo để tính toán thiết kế trạm xử lý nước thải công nghiệp hỗn hợp công suất từ 1.000 đến 5.000 m3/ngày đêm.

  3. Ban lãnh đạo và cán bộ kỹ thuật của 19 doanh nghiệp đang hoạt động tại các khu công nghiệp: Áp dụng các chỉ dẫn kỹ thuật về sản xuất sạch hơn, kiểm toán dòng thải để giảm thiểu 30% đến 50% chi phí xử lý nước thải thông qua các giải pháp tuần hoàn và thu hồi tài nguyên tại chỗ.

  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường: Khai thác bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm gồm 09 nhóm mẫu phân tích chuyên sâu cùng khung lý thuyết sinh thái học công nghiệp để phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến quản lý ô nhiễm lưu vực sông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đặc trưng ô nhiễm nổi bật nhất của dòng thải tổng hợp tại Khu công nghiệp Nam Cấm là gì? Nước thải tại đây có tính chất hỗn hợp phức tạp do sự đan xen giữa các ngành công nghiệp. Dòng thải từ ngành chế biến bột cá chứa hàm lượng BOD5 lên tới 63 mg/l, ngành bia có lượng vi sinh vật Coliform đạt 23.800 MPN/100ml, trong khi ngành bột đá làm tăng hàm lượng chất rắn lơ lửng TSS lên 85 mg/l, đòi hỏi hệ thống xử lý phải kết hợp cả hóa lý và sinh học nhiều bậc.

  2. Tại sao nước thải của nhà máy bia dù đã xử lý nội bộ nhưng vẫn chưa đạt chuẩn xả ra môi trường? Hệ thống xử lý của nhà máy bia vận hành tương đối tốt đối với các chỉ tiêu BOD5 (10,4 mg/l) và COD (31 mg/l) nhưng thiếu công đoạn khử trùng chuyên sâu và khử dinh dưỡng triệt để. Do đó, nồng độ Tổng Nitơ vẫn ở mức 30 mg/l (vượt 1,5 lần quy chuẩn Cột A) và mật độ Coliform vượt 4,76 lần quy chuẩn Cột B, đe dọa trực tiếp đến vệ sinh nguồn nước.

  3. Tác động của nước thải Khu công nghiệp Nam Cấm đến nguồn tiếp nhận sông Cấm như thế nào? Với lưu lượng xả thải lên đến 1.500 m3/ngày đêm qua mương hở Bara Cầu Kiệt, trong khi lưu lượng dòng chảy mùa kiệt của sông Cấm chỉ đạt 1,08 m3/s, nước thải chưa xử lý triệt để đã làm suy giảm lượng oxy hòa tan tự nhiên của hạ lưu sông Cấm, làm gia tăng nguy cơ ô nhiễm vi sinh đối với các vùng canh tác nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản lân cận.

  4. Giải pháp tuần hoàn nước nào có tính khả thi cao nhất cho các doanh nghiệp trong khu vực? Biện pháp khả thi nhất là tái tuần hoàn nước rửa nguyên liệu sau bể lắng cặn trong ngành chế biến bột đá vôi và thu hồi nước làm mát cho công đoạn vệ sinh công nghiệp tại các nhà máy sản xuất bia. Giải pháp này giúp cắt giảm từ 40% đến 50% lượng nước cấp sạch sử dụng mỗi ngày và giảm tải lượng chất thải xả ra môi trường.

  5. Vì sao công nghệ kết hợp kỵ khí UASB và bùn hoạt tính hiếu khí lại được đề xuất làm trọng tâm? Bể UASB cho phép phân hủy các chất hữu cơ có nồng độ cao với chi phí năng lượng thấp và phát sinh ít bùn thải, trong khi bể hiếu khí Anoxic kết hợp Aerotank giúp loại bỏ triệt để các chất hữu cơ còn lại cùng các hợp chất Nitơ và Photpho, đảm bảo hiệu suất khử COD toàn hệ thống đạt trên 85% và nước đầu ra đạt quy chuẩn Cột A.

Kết luận

  • Đã đánh giá và định lượng toàn diện hiện trạng phát sinh dòng thải của 19 cơ sở sản xuất đang hoạt động tại Khu công nghiệp Nam Cấm với tổng lưu lượng xả thải 1.500 m3/ngày đêm.
  • Xác lập cơ sở dữ liệu lý hóa học chi tiết cho 4 nhóm ngành công nghiệp đặc trưng, chỉ rõ các điểm nghẽn ô nhiễm về vi sinh (Coliform 23.800 MPN/100ml), dinh dưỡng (Tổng Nitơ 30 mg/l) và chất rắn lơ lửng (TSS 85 mg/l).
  • Chứng minh mức độ suy thoái môi trường nước tại cống xả Bara Cầu Kiệt và nguy cơ tác động tiêu cực đến lưu vực sông Cấm trong mùa kiệt.
  • Đề xuất hoàn chỉnh sơ đồ công nghệ trạm xử lý nước thải tập trung công suất 2.000 m3/ngày đêm tích hợp hóa lý và sinh học kỵ khí - hiếu khí (UASB - Anoxic - Aerotank) đảm bảo nước đầu ra đạt QCVN 40:2011/BTNMT Cột A.
  • Đưa ra khung giải pháp quản lý kỹ thuật đồng bộ kết hợp giữa tiền xử lý tại nguồn, tuần hoàn 40% lượng nước làm mát và lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục.

Kế hoạch hành động giai đoạn 2015-2018 cần tập trung hoàn thiện dự án xây dựng trạm xử lý nước thải tập trung, kết nối 100% mạng lưới thu gom nội bộ và đưa các cảm biến quan trắc tự động vào vận hành ổn định. Các nhà quản lý, kỹ sư và doanh nghiệp hãy áp dụng ngay các giải pháp công nghệ và mô hình tuần hoàn dòng thải từ luận văn để kiến tạo một hạ tầng công nghiệp xanh, hiện đại và phát triển bền vững cho tỉnh Nghệ An.