Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam thúc đẩy sự hình thành nhiều khu công nghiệp tập trung, kéo theo áp lực lớn về ô nhiễm môi trường do chất thải rắn, nước thải và khí thải. Trong các ngành công nghiệp phụ trợ, sản xuất chi tiết và phụ tùng xe máy đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng tỷ lệ nội địa hóa theo định hướng phát triển từ năm 1981, thay thế dần các phụ tùng nhập khẩu từ Nhật Bản, châu Âu và các nước trong khu vực. Tuy nhiên, hoạt động đúc kim loại, gia công cơ khí và phun sơn bảo vệ bề mặt làm phát sinh nhiều thành phần ô nhiễm phức tạp, đặc biệt là hơi dung môi hữu cơ bay hơi (VOCs). Do rào cản về mặt chi phí và công nghệ, việc xử lý triệt để các nguồn thải này tại nhiều cơ sở còn chưa đồng bộ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe người lao động và chất lượng môi trường xung quanh.
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác lập cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tổng quan về hiện trạng công nghệ sản xuất, tiêu thụ nguyên nhiên liệu, điện nước và trang thiết bị của ngành sản xuất chi tiết, phụ tùng xe máy.
- Xác định các nguồn phát sinh chất thải và đánh giá tác động môi trường của từng công đoạn sản xuất (nước thải làm mát, nước thải tẩy dầu, nước dập bụi sơn, khí thải lò nung, bụi kim loại, hơi dung môi hữu cơ và chất thải nguy hại).
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật khả thi nhằm giảm thiểu và xử lý ô nhiễm nước thải, khí thải, quản lý chất thải rắn và phòng ngừa sự cố công nghiệp.
Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là các dòng phát thải vật chất và tác động môi trường trong dây chuyền sản xuất phụ tùng xe máy. Phạm vi nghiên cứu về mặt thực nghiệm và số liệu dựa trên hồ sơ kỹ thuật, số liệu tiêu thụ nguyên liệu và hiện trạng xả thải tại Công ty TNHH Hưng Thịnh, thực hiện trong năm 2020 tại thành phố Hải Phòng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu vận dụng lý thuyết kỹ thuật môi trường kết hợp với cơ chế phản ứng hóa - lý trong sản xuất cơ khí và luyện kim:
- Cơ sở lý thuyết công nghệ và ô nhiễm: Đề tài dựa trên nguyên lý nhiệt luyện và nấu chảy kim loại qua lò than hóa khí, lò trung tần và lò điện hồ quang (EAF); cơ chế bay hơi và độc học của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs gồm Toluen, Xylen, Benzen) và các khí vô cơ ($SO_2$, $NO_x$, $CO$, $CO_2$); lý thuyết hóa keo và cơ chế hoạt động của chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) bao gồm cân bằng ưa béo - ưa nước (HLB), tỷ lệ oleophin/hiđrophin (O/H) và nồng độ tạo đám mixen tới hạn (CMC); lý thuyết hấp phụ khí qua mao quản than hoạt tính dựa trên chỉ số iot và diện tích bề mặt riêng.
- Phương pháp nghiên cứu: Tác giả áp dụng phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu; phương pháp khảo sát và kế thừa số liệu thứ cấp từ Đề án bảo vệ môi trường chi tiết của cơ sở sản xuất; phương pháp đánh giá nhanh dòng thải dựa trên định mức nguyên vật liệu; phương pháp tính toán độc chất học và so sánh quy chuẩn môi trường hiện hành (QCVN, TCVN).
- Nguồn dữ liệu: Hồ sơ kỹ thuật và báo cáo quan trắc định kỳ của Công ty TNHH Hưng Thịnh; giáo trình chuyên ngành "Độc chất học công nghiệp và dự phòng nhiễm độc" của tác giả Hoàng Văn Bính cùng các tài liệu khoa học chuyên ngành kỹ thuật môi trường.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về ngành sản xuất chi tiết và phụ tùng xe máy
Chương này mô tả khái quát vị trí của ngành công nghiệp hỗ trợ xe máy, phân loại sản phẩm (bộ lọc nhớt, bugi, má phanh, bộ nhông xích, trục cam, vách máy...) và thuyết minh chi tiết hai quy trình công nghệ chế tạo cốt lõi:
- Quy trình đúc nhôm: Sử dụng nhôm thỏi nung chảy trong lò ở nhiệt độ 700°C bằng khí nóng từ lò đốt than nhỏ ở 850–860°C. Nhôm lỏng chuyển sang lò trung tần giữ nhiệt, cánh tay robot rót vào máy đúc áp lực tạo bán sản phẩm. Các công đoạn tiếp nối gồm mài bavia, gia công cơ khí (tiện, khoan, ren), kiểm tra dò dầu, tẩy dầu bằng dung dịch nước ấm 70°C pha NaOH nồng độ 3%, phun bi cát inox tạo bóng, phun sơn (sơn pha Toluen), dập bụi sơn bằng màng nước, sấy khô trong tủ sấy 2 tiếng ở 180°C và đóng gói.
- Quy trình đúc gang: Sử dụng gang phế liệu nấu chảy trong lò nung điện ở nhiệt độ 1800°C, chuyển qua lò trung tần và rót vào khuôn cát bọc nhựa. Bán sản phẩm qua mài bavia, gia công cơ khí, nhúng sơn đen (sơn pha nước tỷ lệ 1:2) trong 70–90 giây, sấy khô trong 2 tiếng ở nhiệt độ 200°C và hoàn thiện sản phẩm.
Hệ thống trang thiết bị của cơ sở nghiên cứu gồm 36 danh mục máy móc chính như máy phun cát kiểu treo Q378BE (38,2 kW), máy roa đứng X5424-2 (2,5 kW), các máy đúc áp lực 500T, 630T, 650T, lò than hóa khí (500 kg/h), nồi hơi LSG-0.04-AIII, trạm biến áp 750 kVA và các thiết bị quạt thông gió công nghiệp. Định mức tiêu thụ vật tư kỹ thuật được thống kê chi tiết trong văn bản:
| Tên nguyên liệu / Nhiên liệu / Năng lượng |
Đơn vị tính |
Khối lượng / Định mức |
| Nhôm thỏi |
kW/tấn |
599,2 – 601,5 |
| Gang phế liệu |
kW/tấn |
95,5 – 97,7 |
| Cát bọc nhựa |
kW/tấn |
49,4 – 51,2 |
| Dung môi pha sơn |
$m^3$/kg |
498,4 – 502,1 |
| Sơn trắng |
$m^3$/kg |
1.601,8 |
| Sơn đen |
$m^3$/kg |
498,2 – 501,5 |
| NaOH |
$m^3$/kg |
349,4 – 350,8 |
| Than cho lò than hóa khí |
kW/tấn |
119,2 – 121,5 |
| Than cám dùng cho nồi hơi |
kW/tấn |
29,7 – 31,3 |
| Dầu hỏa |
$m^3$ lít |
1.995 – 2.000 |
| Điện năng sản xuất |
kW/tấn |
2.800 |
| Nước cấp sản xuất |
$m^3$/lít |
2 |
Chương 2: Các tác động tới môi trường từ hoạt động sản xuất chi tiết và phụ tùng xe máy
Tác giả phân tích chi tiết các nguồn thải và cơ chế gây ô nhiễm theo từng môi trường tiếp nhận:
- Môi trường nước: Nước làm mát máy có nhiệt độ khoảng 55°C (cao hơn nhiệt độ thường 5–15°C) chứa chất rắn lơ lửng và cặn kim loại; nước làm nguội khuôn đúc nhôm nhiễm dầu hàm lượng lớn, định kỳ 6 tháng xả một lần; nước tẩy dầu chứa NaOH 3% thải bỏ hàng ngày có pH cao, dầu mỡ khoáng và ion kim loại; nước dập bụi buồng phun sơn thay định kỳ 1 lần/tháng chứa nhiều hạt sơn, độ đục và chất hữu cơ cao phân tử làm suy giảm oxy hòa tan (DO) trong nguồn tiếp nhận.
- Môi trường không khí: Lò than sinh khí nung nhôm tuần hoàn khí kín ở 850°C, chỉ phát thải tro bụi, $CO$, $CO_2$, $SO_2$, $NO_x$ khi xảy ra sự cố áp lực; nồi hơi tiêu thụ than cám 12,5 kg/h phát sinh khói thải chứa khí axit; quá trình nung gang bằng lò điện trung tần nhiệt độ $\ge 1.700^\circ\text{C}$ không dùng than dầu nên không sinh $SO_2$, $NO_x$ từ nhiên liệu mà chỉ thoát khí $CO_2$ và lượng nhỏ $CO$. Phân xưởng gia công cơ khí tạo ra 3.475 kg bụi kim loại/năm (tương đương 11,13 kg/ngày) cùng hơi dầu khoan cắt. Xưởng sơn phát sinh bụi sơn và hơi dung môi hữu cơ bay hơi nguy hại (Toluen, Xylen khi phun sơn trắng và mở buồng sấy chân không).
- Tác hại độc học: Tác giả lập bảng đối chiếu tác động của nồng độ khí $SO_2$ và độc tính của VOCs:
| Chỉ tiêu / Nồng độ $SO_2$ |
Tác hại đối với thực vật và con người |
| 0,03 ppm |
Gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của rau quả |
| 0,15 – 0,3 ppm |
Gây độc kinh niên cho thực vật nhạy cảm (nấm, địa y) |
| 1,0 – 2,0 ppm |
Gây chấn thương, hoại tử lá cây sau vài giờ tiếp xúc |
| 20 – 30 $mg/m^3$ |
Đạt ngưỡng giới hạn gây độc hệ thần kinh ở người |
| 50 $mg/m^3$ |
Kích thích mạnh đường hô hấp, gây phản xạ ho |
| 130 – 260 $mg/m^3$ |
Liều lượng nguy hiểm đến tính mạng khi hít thở 30–60 phút |
| 1.000 – 1.300 $mg/m^3$ |
Nồng độ gây tử vong nhanh chóng sau 30–60 phút |
Khí VOCs (Benzen, Toluen, Xylen) phản ứng quang hóa với $NO_x$ và ánh sáng mặt trời tạo thành tầng ozone mặt đất và khí $CO_2$; gây tổn thương hệ thần kinh trung ương, suy tủy, tổn thương gan, thận, kích ứng kết mạc mắt và ung thư máu.
- Chất thải rắn, tiếng ồn và sự cố: Chất thải rắn gồm phoi nhôm, xỉ than, bavia kim loại, cát khuôn đúc; chất thải nguy hại gồm phoi lẫn dầu, cặn bùn sơn, giẻ lau dính dầu, bóng đèn huỳnh quang hỏng. Nghiên cứu cũng đánh giá các kịch bản sự cố cháy nổ kho dầu, tai nạn điện, nổ lò hơi, tràn đổ hóa chất và mưa bão gây ngập tràn trạm xử lý nước thải.
Chương 3: Đề xuất các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm cho cơ sở sản xuất chi tiết, phụ tùng xe máy
Tác giả đề xuất các công nghệ xử lý chuyên biệt cho từng nguồn phát thải:
- Biện pháp xử lý nước thải:
- Nước làm nguội khuôn đúc nhôm: Thu gom qua bể lắng 3 ngăn có vách ngăn; ngăn 1 lắng tách dầu mỡ nổi trong 30 phút để vớt thủ công và lắng cặn đáy; ngăn 2 tiếp tục lắng hạt cặn nhỏ trong 30 phút; ngăn 3 chứa nước sau xử lý để bơm tuần hoàn tái sử dụng.
- Nước làm mát máy móc thiết bị: Thu vào bể lắng kết hợp tháp tản nhiệt. Cặn kim loại thu gom tại ống đáy bể 1 định kỳ giao xử lý như chất thải nguy hại; nước chảy tràn qua bể 2 được bơm lên tháp tản nhiệt làm mát, sau đó đưa vào bể 3 để hồi lưu chu trình làm mát.
- Nước thải dập bụi sơn: Dẫn qua hố thu gom vào ngăn điều hòa, tiếp tục qua ngăn keo tụ tạo bông có châm hóa chất NaOH và PAC, chảy sang ngăn lắng để thu gom bùn sơn thải (xử lý theo quy trình CTNH), qua ngăn lọc và ngăn chứa để tuần hoàn về buồng phun sơn.
- Biện pháp xử lý khí thải và bụi:
- Hệ thống tích hợp than hoạt tính: Khí thải và bụi từ các xưởng đúc nhôm, đúc gang và gia công cơ khí được chụp hút dẫn qua tháp hấp thụ sử dụng dung dịch kiềm $NaOH / Na(OH)_2$ để khử bụi và các khí axit ($SO_2, NO_x, CO_x$), sau đó dẫn qua tháp hấp phụ chứa than hoạt tính (chỉ số iot tiêu chuẩn 500–1200 mg/g, diện tích bề mặt riêng đạt 800–1000 $m^2/g$) để hấp phụ hơi dung môi hữu cơ trước khi thải qua ống khói cao 20 m.
- Ứng dụng chất hoạt động bề mặt (CHĐBM): Phân tích tiềm năng của CHĐBM trong xử lý môi trường nhờ cấu trúc phân tử phân cực gồm đầu ưa nước (nhóm chức $-COONa, -SO_3Na, -OH...$) và đuôi kỵ nước (mạch hidrocacbon lipophin). Dựa vào các thông số đặc tính:
| Nhóm chất hoạt động bề mặt |
Chỉ số HLB |
Tỷ lệ O/H |
Nồng độ mixen tới hạn (CMC) |
Ứng dụng chính |
| Nhóm 1 (phân cực, tạo mixen) |
> 15 |
< 0,5 |
> 7 g/l |
Làm chất thấm ướt |
| Nhóm 2 (kém phân cực, tạo dung dịch thật) |
10 – 15 |
0,5 – 30 |
0,1 – 7 g/l |
Làm chất giặt rửa, khử nhũ |
- Quản lý CTR, giảm ồn và an toàn lao động: Bố trí kho lưu chứa có mái che, dán nhãn mã CTNH, định kỳ chuyển giao cho đơn vị có chức năng; bọc cách âm máy móc, trang bị bảo hộ lao động (kính, mũ chụp, khẩu trang than hoạt tính); định kỳ kiểm định an toàn nồi hơi, bình áp lực và thiết lập phương án ứng phó tràn đổ dầu mỡ.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã hoàn thành việc mô tả và phân tích định lượng toàn bộ dòng vật chất và dòng thải của một quy trình sản xuất phụ tùng xe máy hoàn chỉnh:
- Định lượng các nguồn thải chuyên biệt: Xác định chính xác lượng bụi kim loại phân xưởng gia công cơ khí là 3.475 kg/năm (11,13 kg/ngày); lượng than cám nồi hơi tiêu thụ 12,5 kg/h; nhiệt độ nước làm mát thiết bị đạt 55°C; tần suất xả thải định kỳ của nước làm nguội khuôn (6 tháng/lần) và nước màng dập bụi sơn (1 tháng/lần).
- Đề xuất các chu trình xử lý tuần hoàn: Đưa ra sơ đồ công nghệ xử lý nước làm nguội khuôn đúc bằng bể lắng tách dầu 3 ngăn (thời gian lưu 30 phút mỗi ngăn) và hệ thống keo tụ - lắng - lọc tái sử dụng nước dập bụi sơn bằng hóa chất PAC kết hợp NaOH.
- Giải pháp xử lý khí thải hỗn hợp: Thiết kế hệ thống chụp hút kết hợp tháp hấp thụ kiềm và tháp hấp phụ than hoạt tính dẫn ra ống khói cao 20 m, đồng thời tổng hợp cơ sở lý thuyết về việc ứng dụng chất hoạt động bề mặt trong xử lý khí thải hữu cơ chứa Toluen và Xylen.
So với các nghiên cứu lý thuyết chung về ô nhiễm công nghiệp, tác giả đã gắn kết các số liệu thiết bị và định mức tiêu hao thực tế từ một doanh nghiệp cụ thể, giúp các giải pháp công nghệ có tính bám sát quy trình sản xuất thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận còn một số hạn chế nhất định dựa trên phạm vi và nội dung văn bản trình bày:
- Các thông số phát thải và định mức tiêu thụ chủ yếu kế thừa từ số liệu thứ cấp trong hồ sơ Đề án bảo vệ môi trường của doanh nghiệp, chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm mẫu khí và mẫu nước tại thời điểm nghiên cứu bằng các thiết bị phân tích hiện trường.
- Phần đề xuất ứng dụng chất hoạt động bề mặt (CHĐBM) để hấp thụ hơi dung môi hữu cơ mới dừng lại ở việc tổng quan lý thuyết hóa lý, phân loại chỉ số HLB, CMC và nguyên lý tạo đám mixen; văn bản chưa cung cấp mô hình thực nghiệm pilot, chưa xác định tỷ lệ phối trộn hóa chất cụ thể và chưa có phương án tái sinh thu hồi dung dịch sau hấp thụ.
- Hướng mở tiếp theo của đề tài là xây dựng mô hình thử nghiệm hấp thụ hơi Toluen và Xylen quy mô phòng thí nghiệm bằng dung dịch chất hoạt động bề mặt để xác định hiệu suất xử lý thực tế trước khi áp dụng ở quy mô công nghiệp.
Giá trị tham khảo
Báo cáo khóa luận cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị cho:
- Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường làm tài liệu tham khảo cho đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về chuyên đề kiểm soát ô nhiễm công nghiệp luyện kim, gia công cơ khí.
- Cán bộ quản lý an toàn - sức khỏe - môi trường (HSE), kỹ sư vận hành tại các cơ sở đúc nhôm, đúc gang, cơ sở gia công và sơn phủ kim loại trong việc thiết kế hệ thống tuần hoàn nước giải nhiệt và hệ thống hút lọc hơi sơn.
- Phần quy trình công nghệ đúc nhôm, đúc gang kèm danh mục thiết bị và định mức nguyên liệu tại Chương 1 là nguồn dữ liệu thực tế hữu ích cho việc tính toán cân bằng vật chất trong lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao công đoạn nấu luyện gang trong lò điện trung tần không phát sinh khí $SO_2$ và $NO_x$ từ nhiên liệu?
Quá trình nấu luyện gang sử dụng lò điện trung tần chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành nhiệt năng (nhiệt độ $\ge 1.700^\circ\text{C}$), không đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch như than đá hay dầu hỏa, do đó không tạo ra các sản phẩm cháy chứa lưu huỳnh và nitơ. Khí thoát ra từ lò chủ yếu là $CO_2$ và lượng nhỏ $CO$ phát sinh từ quá trình nung chảy nguyên liệu.
2. Tần suất thải bỏ và phương án xử lý đối với nước làm nguội khuôn đúc nhôm được xác định như thế nào?
Nước làm nguội khuôn đúc nhôm chứa hàm lượng dầu rất lớn nên không thể tuần hoàn liên tục tuyệt đối như nước làm mát vỏ máy. Lượng nước này được thay thế và thải bỏ định kỳ 6 tháng một lần. Trước khi tuần hoàn hoặc thải bỏ, nước được đưa qua bể lắng cặn và tách dầu 3 ngăn, trong đó ngăn 1 lưu nước 30 phút để dầu nổi lên vớt thủ công, ngăn 2 lắng 30 phút để khử cặn lơ lửng, và ngăn 3 dùng để trữ nước phục vụ tuần hoàn.
3. Khối lượng bụi kim loại phát sinh từ xưởng gia công cơ khí được tác giả tính toán là bao nhiêu?
Lượng bụi kim loại phát sinh từ các nguyên công tiện, khoan, mài và roa trong phân xưởng gia công cơ khí được tính toán là 3.475 kg/năm, tương đương trung bình 11,13 kg/ngày.
4. Quy trình xử lý khí thải và hơi dung môi hữu cơ bằng than hoạt tính được thiết kế theo sơ đồ nào?
Khí thải thu gom từ xưởng đúc nhôm, đúc gang và xưởng cơ khí được hút qua hệ thống chụp hút và đường ống dẫn vào tháp hấp thụ bằng dung dịch kiềm $NaOH / Na(OH)_2$ để xử lý bụi và khí vô cơ ($SO_2, NO_x, CO_x$). Dòng khí tiếp tục đi qua tháp hấp phụ than hoạt tính để loại bỏ hơi dung môi hữu cơ trước khi xả ra môi trường qua ống khói cao 20 m.
5. Mục đích của việc sử dụng dung dịch NaOH 3% ở nhiệt độ 70°C là gì và nước thải từ đây có tính chất gì?
Dung dịch nước ấm 70°C pha xút NaOH 3% được sử dụng ở công đoạn làm sạch bề mặt bán sản phẩm nhằm tẩy sạch lượng dầu mỡ bám dính sau gia công cơ khí trước khi đưa vào công đoạn sơn. Nước thải từ bể tẩy dầu được thay thế và thải bỏ hàng ngày, có đặc trưng độ kiềm pH rất cao, hàm lượng chất rắn lơ lửng lớn, chứa dầu mỡ khoáng và các hạt kim loại nặng.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Mỹ Linh đã hệ thống hóa toàn diện quy trình công nghệ, danh mục thiết bị và định mức tiêu thụ tài nguyên của loại hình sản xuất chi tiết phụ tùng xe máy. Nghiên cứu chỉ rõ các nguồn tác động môi trường đặc trưng, tập trung vào nước thải nhiễm dầu, nước dập bụi sơn, khí lò nung và hơi dung môi hữu cơ bay hơi (VOCs). Các giải pháp kỹ thuật đề xuất như bể lắng tách dầu 3 ngăn, hệ thống keo tụ xử lý nước dập sơn và tháp hấp thụ kiềm kết hợp hấp phụ than hoạt tính ống khói cao 20 m là những phương án xử lý có tính khả thi kỹ thuật cao cho cơ sở sản xuất.