Tổng quan nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại các vùng kinh tế trọng điểm đang đặt ra nhiều thách thức gay gắt đối với công tác bảo vệ môi trường nước. Theo thống kê của ngành xây dựng, cả nước hiện chỉ có khoảng 6% đến 10% tổng lượng nước thải đô thị và công nghiệp được xử lý qua các trạm tập trung đạt quy chuẩn trước khi xả ra nguồn tiếp nhận tự nhiên. Phần lớn lượng nước thải còn lại chứa hàm lượng chất hữu cơ, nitơ, photpho và vi sinh vật gây bệnh cao gấp 5 đến 20 lần giới hạn cho phép, đe dọa trực tiếp đến hệ thống thủy vực mặt và nguồn nước ngầm.

Khu công nghiệp Lai Vu tại huyện Kim Thành, tỉnh Hải Dương được quy hoạch với tổng diện tích 212,8956 ha, trong đó 192,3174 ha đã được cấp quyền sử dụng đất. Đến giai đoạn điều chỉnh năm 2015, khu công nghiệp thu hút 15 doanh nghiệp đăng ký với các ngành nghề đa dạng như công nghiệp đóng tàu, lắp ráp điện tử, cơ khí chính xác, công nghệ cao và dệt may. Khi tỷ lệ lấp đầy đạt 100%, tổng lưu lượng nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất quy ước phát sinh ước tính lên tới 7.500 m3/ngày đêm, tương đương khoảng 570 m3/giờ.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm giải quyết bài toán cấp thiết: đánh giá toàn diện hiện trạng phát sinh ô nhiễm, phân tích lựa chọn dây chuyền công nghệ và tính toán thiết kế chi tiết hệ thống xử lý nước thải tập trung cho khu công nghiệp Lai Vu đến năm 2020. Nghiên cứu được triển khai tại xã Lai Vu, huyện Kim Thành, tỉnh Hải Dương trong khoảng thời gian từ tháng 01/2015 đến tháng 05/2016. Kết quả nghiên cứu đóng vai trò là cơ sở kỹ thuật then chốt phục vụ dự án đầu tư hạ tầng kỹ thuật giai đoạn 2 với nguồn vốn hơn 90 tỷ đồng, bảo đảm toàn bộ dòng thải sau xử lý đạt quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT cột A trước khi dẫn vào sông Lai Vu và sông Rạng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kết hợp hóa lý cơ học, trọng tâm là công nghệ bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng đa pha. Hệ thống lý thuyết phân tích dựa trên chu trình chuyển hóa các hợp chất cacbon, nitơ và photpho trong môi trường nước thông qua hệ vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng.

Ba khái niệm học thuật cốt lõi được triển khai xuyên suốt:

  1. Quá trình phân hủy chất hữu cơ hiếu khí: Vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy hòa tan để chuyển hóa hợp chất hữu cơ đo bằng thông số BOD5 (trung bình 220 mg/l) và COD thành sinh khối mới, khí CO2 và nước.
  2. Quá trình Nitrat hóa và Khử Nitrat: Vi khuẩn tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter oxy hóa amoni thành nitrat trong điều kiện hiếu khí, sau đó vi khuẩn dị dưỡng khử nitrat thành khí N2 tự do tại ngăn thiếu khí (Anoxic) với lượng oxy hòa tan duy trì dưới 0,5 mg/l.
  3. Cơ chế khử Photpho sinh học: Vi sinh vật tích lũy polyphosphate (PAOs) giải phóng photpho trong môi trường kỵ khí (Anaerobic) và hấp thụ photpho vượt mức trong môi trường hiếu khí (Aerobic) để loại bỏ triệt để qua dòng bùn thải dư.

Mô hình công nghệ được lựa chọn là quy trình tích hợp AAO (Anaerobic - Anoxic - Aerobic) kết hợp lắng hai đợt và khử trùng tiếp xúc, vận hành theo cơ chế dòng chảy liên tục có tuần hoàn bùn hoạt tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp, khảo sát thực địa, lấy mẫu thực nghiệm và tính toán công trình kỹ thuật. Nguồn dữ liệu thứ cấp gồm các báo cáo đánh giá tác động môi trường, số liệu khí hậu giai đoạn 2011 - 2014 với tổng lượng mưa trung bình 1.682 mm/năm và thời gian nắng trung bình 1.388 giờ/năm.

Phương pháp khảo sát và chọn mẫu được thiết kế chặt chẽ nhằm bảo đảm tính đại diện cao:

  • Khảo sát lưu lượng: Thực hiện đo đạc ngẫu nhiên 05 đợt trong thời gian hoạt động sản xuất thông qua phương pháp gián tiếp đo tiết diện cống và vận tốc dòng chảy (Q = A.V).
  • Cỡ mẫu và điểm lấy mẫu môi trường nền: Lấy ngẫu nhiên 04 mẫu nước mặt (ký hiệu M1 tại sông Lai Vu, M2 tại mương thoát nước trước khu công nghiệp, M3 tại kênh thoát nước dân cư xã Lai Vu, M4 tại hồ điều hòa khu công nghiệp) và 03 mẫu nước ngầm (ký hiệu N1 tại Công ty Tinh Lợi, N2 tại Ban Quản lý khu công nghiệp, N3 tại khu dân cư Lai Vu). Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng tại các điểm giao cắt thủy vực và giếng khoan đại diện giúp phản ánh chính xác nền chất lượng nước chịu tác động trực tiếp từ hoạt động sản xuất.

Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn Việt Nam: BOD5 đo theo TCVN 6001-1995; COD xác định bằng phương pháp oxy hóa K2Cr2O7 theo TCVN 6491-1999; tổng chất rắn lơ lửng (TSS) đo theo TCVN 4560-1988 sấy ở 103 - 105 độ C; Amoni phân tích theo TCVN 5988-1995; Nitrat đo theo TCVN 6180:1996; Tổng photpho đo theo TCVN 6202-1996; Dầu mỡ khoáng phân tích theo US EPA Method 1664; và Coliform xác định theo TCVN 6187. Số liệu được tổng hợp, xử lý thống kê trên phần mềm chuyên dụng và tính toán thiết kế kích thước công trình dựa trên quy chuẩn TCXDVN 51:2008 của Bộ Xây dựng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính chất nước thải khu công nghiệp Lai Vu sau khi đã qua xử lý sơ bộ tại từng cơ sở có đặc tính tương đương nước thải sinh hoạt giàu dinh dưỡng. Nồng độ ô nhiễm đầu vào trung bình gồm: BOD5 dao động từ 110 đến 400 mg/l (trung bình 220 mg/l), COD đạt khoảng 350 - 500 mg/l, tổng chất rắn lơ lửng TSS từ 100 đến 350 mg/l (trung bình 220 mg/l), tổng Nitơ từ 20 đến 85 mg/l (trung bình 40 mg/l), tổng Photpho khoảng 8 mg/l và mật độ Coliform dao động từ 10^6 đến 10^9 MPN/100ml.

Thứ hai, kết quả tính toán thủy lực và cân bằng công nghệ cho thấy công suất thiết kế trạm xử lý cần đạt 7.500 m3/ngày đêm, đáp ứng trọn vẹn lưu lượng xả thải cực đại 570 m3/giờ khi 15 doanh nghiệp hiện hữu và các phân kỳ mở rộng đạt 100% công suất hoạt động.

Thứ ba, hiệu quả xử lý của dây chuyền công nghệ sinh học AAO kết hợp khử trùng đạt hiệu suất vượt trội. Tỷ lệ loại bỏ BOD5 đạt 92% - 95%, nồng độ sau xử lý giảm xuống dưới 30 mg/l; hiệu suất loại bỏ COD đạt 88% - 90%, nồng độ đầu ra dưới 50 mg/l; hiệu suất khử chất rắn lơ lửng TSS đạt trên 90%, nồng độ còn dưới 50 mg/l; tổng Nitơ và tổng Photpho giảm lần lượt 75% - 85%, đưa các thông số về ngưỡng an toàn theo QCVN 14:2008/BTNMT cột A.

Thứ tư, phương án khử trùng nước thải bằng hóa chất Clo với liều lượng 3 g/m3 cho nước thải sau xử lý sinh học hoàn toàn giúp tiêu diệt 99,9% vi khuẩn đường ruột, khống chế Coliform đầu ra dưới 3.000 MPN/100ml.

Thảo luận kết quả

Khi xem xét tương quan giữa các công nghệ xử lý nước thải phổ biến, hệ thống sinh học AAO chứng minh ưu thế vượt bậc so với công nghệ Aeroten truyền thống hay mương oxy hóa. Bể Aeroten truyền thống chỉ xử lý tốt hợp chất hữu cơ chứa cacbon nhưng hiệu quả khử nitơ và photpho chỉ đạt dưới 30% - 40%. Ngược lại, việc bố trí liên hoàn ba vùng kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí với tỷ lệ dòng tuần hoàn hỗn hợp nước và bùn từ 150% đến 250% lưu lượng giúp kích hoạt triệt để chu trình oxy hóa amoniac và khử nitrat thành khí nitơ.

Dữ liệu vận hành hệ thống được biểu diễn trực quan thông qua các bảng cân bằng vật chất từng đơn nguyên và biểu đồ thanh so sánh nồng độ chất ô nhiễm trước và sau xử lý. Biểu đồ cho thấy đường xu hướng giảm mạnh nồng độ COD và BOD5 ngay sau khi đi qua bể lắng đợt 1 và cụm AAO, chứng minh tải trọng bùn hoạt tính duy trì từ 3 đến 5 g/l là hoàn toàn tối ưu.

Đối với công tác xử lý bùn thải, việc áp dụng máy ép bùn cơ học băng tải kết hợp bể nén bùn trọng lực giúp giảm thể tích bùn dư từ độ ẩm 99,4% xuống còn 65% - 75%, tiết kiệm hơn 60% diện tích đất xây dựng so với sân phơi bùn truyền thống và ngăn ngừa nguy cơ phát tán mùi hôi ra môi trường xung quanh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hoàn chỉnh trạm xử lý nước thải tập trung công suất 7.500 m3/ngày đêm: Công ty TNHH một thành viên KCN Lai Vu và Ban Quản lý khu công nghiệp cần ưu tiên phân bổ nguồn vốn đầu tư công hơn 90 tỷ đồng trong giai đoạn 2016 - 2018 để thi công đồng bộ cụm công trình gồm hố thu, mương lắng cát ngang, bể lắng sơ cấp, bể phản ứng sinh học AAO, bể lắng thứ cấp và trạm khử trùng Clo.
  2. Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động liên tục: Thiết lập trạm quan trắc tự động 24/7 tại cửa xả cuối cùng trước quý IV/2017 nhằm giám sát liên tục 6 thông số: lưu lượng xả thải, pH, nhiệt độ, TSS, COD và Amoni. Dữ liệu quan trắc phải được truyền dữ liệu trực tuyến về Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hải Dương nhằm bảo đảm tính minh bạch tuyệt đối.
  3. Ban hành quy chế kiểm soát chất lượng nước thải đầu vào: Doanh nghiệp phát triển hạ tầng cần quy định 100% cơ sở sản xuất thứ cấp (đặc biệt là 06 doanh nghiệp dệt may, giặt nhuộm và cơ khí đang hoạt động) phải xây dựng hệ thống xử lý sơ bộ đạt tiêu chuẩn xả thải nội bộ (BOD5 < 300 mg/l, tổng dầu mỡ < 20 mg/l) trước khi đấu nối vào mạng lưới thu gom chung của khu công nghiệp.
  4. Tối ưu hóa vận hành và xử lý bùn thải định kỳ: Đơn vị vận hành nhà máy xử lý nước thải cần duy trì kiểm soát nồng độ oxy hòa tan (DO) trong khoảng 2,0 - 4,0 mg/l tại ngăn hiếu khí, kiểm soát lưu lượng hóa chất Clo định lượng chuẩn 3 g/m3 nước thải và vận hành máy ép bùn định kỳ 1 lần/ngày để thu gom bùn khô độ ẩm dưới 75% chuyển giao cho đơn vị có chức năng xử lý chất thải nguy hại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Ban Quản lý các Khu công nghiệp và Chủ đầu tư hạ tầng kỹ thuật: Luận văn cung cấp toàn bộ phương pháp luận, cơ sở dữ liệu thực địa và bảng dự toán khối lượng xây lắp cho các khu công nghiệp quy mô từ 150 ha đến 300 ha có cơ cấu ngành nghề tương đồng.
  • Kỹ sư thiết kế công trình cấp thoát nước và môi trường: Cung cấp đầy đủ công thức tính toán kích thước hình học, thủy lực chi tiết của từng hạng mục từ song chắn rác, bể lắng cát, ngăn AAO đến trạm bơm bùn tuần hoàn theo tiêu chuẩn TCXDVN 51:2008.
  • Cán bộ quản lý môi trường tại các cơ quan quản lý nhà nước: Tài liệu tham khảo có giá trị cao trong việc thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), cấp giấy phép môi trường và phê duyệt thiết kế cơ sở các trạm xử lý nước thải công suất từ 5.000 đến 10.000 m3/ngày đêm.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Môi trường: Nguồn tài liệu học thuật thực tế hỗ trợ đắc lực cho các học phần Thiết kế công trình xử lý nước thải, Quản lý môi trường khu công nghiệp và Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ thuật môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ AAO mang lại ưu điểm gì vượt trội trong xử lý nước thải khu công nghiệp? Công nghệ AAO xử lý đồng thời cả ba thành phần ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), Nitơ và Photpho trong cùng một hệ thống liên tục. Nhờ tích hợp vùng kỵ khí và thiếu khí trước vùng hiếu khí, hệ thống đạt hiệu suất loại bỏ BOD trên 92% và khử Nitơ trên 80% mà không đòi hỏi bổ sung hóa chất khử nitrat đắt đỏ, giúp tiết kiệm 15% đến 20% chi phí điện năng vận hành.

  2. Nước thải sau khi qua trạm xử lý KCN Lai Vu đạt quy chuẩn kỹ thuật nào? Toàn bộ dòng nước thải sau xử lý qua hệ thống AAO và khử trùng bằng Clo đáp ứng nghiêm ngặt QCVN 14:2008/BTNMT cột A. Quy chuẩn này bảo đảm các chỉ tiêu an toàn như BOD5 dưới 30 mg/l, COD dưới 50 mg/l và Coliform dưới 3.000 MPN/100ml, cho phép xả an toàn vào nguồn nước mặt sông Lai Vu dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt và tưới tiêu nông nghiệp.

  3. Công suất thiết kế 7.500 m3/ngày đêm được tính toán dựa trên căn cứ khoa học nào? Công suất được xác định dựa trên quy hoạch sử dụng đất 212,8956 ha của khu công nghiệp, định mức cấp nước công nghiệp trung bình từ 25 đến 40 m3/ha.ngày đêm và hệ số thải nước bằng 80% lưu lượng cấp. Với dự báo 15 đến 20 doanh nghiệp lấp đầy đến năm 2020, tổng nhu cầu thoát nước sinh hoạt và sản xuất được xác định chuẩn xác ở mức 7.500 m3/ngày đêm (tương đương 570 m3/giờ).

  4. Tổng chi phí đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải được ước tính như thế nào? Dự án nằm trong tổng thể gói đầu tư hạ tầng kỹ thuật giai đoạn 2 của KCN Lai Vu với kinh phí hơn 90 tỷ đồng. Chi phí bao gồm xây dựng các khối bể bê tông cốt thép, nhà điều hành, hệ thống máy thổi khí, máy khuấy chìm, hệ thống tuần hoàn bùn, máy ép bùn băng tải và các thiết bị đo lường tự động đồng bộ.

  5. Bùn thải phát sinh từ hệ thống sinh học được thu gom và xử lý ra sao? Bùn hoạt tính dư sinh ra từ bể lắng đợt 2 với độ ẩm từ 98% đến 99,4% được bơm về bể nén bùn trọng lực để giảm thể tích, sau đó chuyển qua máy ép bùn cơ học. Sau khi ép, bùn đạt độ ẩm từ 65% đến 75%, được lưu trữ tại kho bãi có mái che đạt chuẩn vệ sinh trước khi ký hợp đồng chuyển giao cho đơn vị có chức năng xử lý theo định kỳ.

Kết luận

  • Luận văn đã tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống xử lý nước thải tập trung cho Khu công nghiệp Lai Vu với công suất 7.500 m3/ngày đêm trên tổng diện tích quy hoạch 212,8956 ha.
  • Công nghệ sinh học AAO kết hợp lắng hai bậc và khử trùng bằng Clo được chứng minh là giải pháp kỹ thuật tối ưu, đưa nước thải đầu ra đạt 100% các tiêu chí của QCVN 14:2008/BTNMT cột A.
  • Thiết lập cơ sở dữ liệu quan trắc toàn diện từ 04 mẫu nước mặt và 03 mẫu nước ngầm, phản ánh khách quan bức tranh môi trường nền khu vực huyện Kim Thành, tỉnh Hải Dương.
  • Đề xuất giải pháp kiểm soát bùn thải cơ học giúp hạ độ ẩm bùn xuống 65% - 75%, tối ưu hóa diện tích mặt bằng xây dựng và tiết kiệm chi phí xử lý chất thải thứ cấp.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc cho dự án hạ tầng giai đoạn 2 trị giá hơn 90 tỷ đồng, nâng cao vị thế và uy tín thu hút đầu tư bền vững cho khu công nghiệp Lai Vu.

Về kế hoạch triển khai tiếp theo, chủ đầu tư cần khẩn trương hoàn thiện các thủ tục phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công và tiến hành xây dựng trạm xử lý trong vòng 12 đến 18 tháng. Các đơn vị phát triển hạ tầng và cơ quan quản lý môi trường nên nhanh chóng ứng dụng mô hình công nghệ AAO đồng bộ này để hiện thực hóa mục tiêu tăng trưởng công nghiệp xanh và bảo vệ an ninh nguồn nước quốc gia.