Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam mang lại nhiều thành tựu kinh tế nhưng cũng tạo áp lực lớn lên hạ tầng kỹ thuật môi trường. Theo thống kê của ngành tài nguyên môi trường, toàn quốc có khoảng 37 nhà máy xử lý nước thải đô thị tập trung với tổng công suất thiết kế 890.000 m3/ngày đêm. Tuy nhiên, tỷ lệ nước thải đô thị được thu gom và xử lý tập trung thực tế mới đạt khoảng 10%, dù tỷ lệ đấu nối của các hộ gia đình vào mạng lưới thoát nước chung đạt khoảng 60%. Tại thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc, hệ thống thoát nước phục vụ 4 phường trung tâm gồm Khai Quang, Liên Bảo, Đống Đa và Ngô Quyền đã được đầu tư xây dựng và đưa vào vận hành từ năm 2015 với chiều dài mạng lưới cống thu gom đạt 29,168 km cùng 05 trạm bơm trung chuyển.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực tế mạng lưới cống thu gom tại thành phố Vĩnh Yên chủ yếu là cống chung, thu gom đồng thời cả nước thải sinh hoạt và nước mưa, khiến lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm biến động lớn theo mùa. Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá toàn diện hiện trạng phát sinh, thu gom và hiệu quả vận hành của Nhà máy xử lý nước thải thành phố Vĩnh Yên, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất xử lý nước thải đạt quy chuẩn môi trường hiện hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung tại địa bàn 4 phường nội thị thành phố Vĩnh Yên trong giai đoạn 2018 đến 2019. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu nồng độ các chất ô nhiễm như BOD5 từ 200 - 290 mg/l xuống dưới ngưỡng 30 mg/l theo QCVN 14:2008/BTNMT cột A, tối ưu hóa hơn 15% chi phí hóa chất vận hành và bảo vệ nguồn tiếp nhận nước mặt cho hơn 120.000 cư dân đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hai nền tảng lý thuyết chính trong kỹ thuật môi trường là lý thuyết phân hủy sinh học hiếu khí bùn hoạt tính truyền thống Aerotank và lý thuyết keo tụ, khử trùng hóa lý trong xử lý nước thải. Mô hình phân hủy sinh học bùn hoạt tính dựa trên cơ chế các vi sinh vật hiếu khí sử dụng hợp chất hữu cơ carbon làm nguồn dinh dưỡng để tổng hợp tế bào mới và oxy hóa các chất ô nhiễm thành CO2 và H2O dưới điều kiện sục khí liên tục với thời gian lưu nước thủy lực duy trì dưới 12 giờ. Bên cạnh đó, mô hình keo tụ tạo bông giải thích quá trình trung hòa điện tích bề mặt của các hạt cặn lơ lửng bằng polymer ion nhằm tăng cường vận tốc lắng và hiệu quả tách nước của bùn thải.

Các khái niệm chuyên ngành cốt lõi trong nghiên cứu bao gồm: Nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (BOD5) phản ánh lượng oxy vi sinh vật tiêu thụ để phân hủy chất hữu cơ; Nhu cầu oxy hóa học (COD) biểu thị tổng hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa bằng tác nhân hóa học mạnh; Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) đại diện cho các hạt cặn không hòa tan; Chỉ số Coliform tổng số đo lường mật độ vi khuẩn chỉ thị ô nhiễm phân; và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập thông qua quá trình quan trắc thực địa, nhật ký vận hành trạm xử lý và số liệu thống kê từ Phòng Quản lý đô thị thành phố Vĩnh Yên. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 30 mẫu nước thải được lấy định kỳ tại 05 trạm bơm trung chuyển, bể Aerotank, bể lắng đợt 2 và cửa xả sau khử trùng trong cả mùa khô và mùa mưa giai đoạn 2018 - 2019. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng theo các công đoạn xử lý được áp dụng nhằm phản ánh chính xác hiệu suất làm việc của từng đơn nguyên công nghệ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phòng thí nghiệm tiêu chuẩn theo TCVN và Standard Methods là nhằm đảm bảo tính khách quan, độ lặp lại cao và tương thích với các quy chuẩn xả thải quốc gia. Các chỉ tiêu BOD5 được xác định bằng phương pháp ủ chai đo oxy hòa tan 5 ngày ở 20 độ C; COD đo bằng phương pháp chuẩn độ bicromat hồi lưu kín; TSS xác định bằng phương pháp sấy khô màng lọc ở 105 độ C; Amoni và Phosphat đo quang phổ UV-Vis; Coliform đếm khuẩn lạc trên màng lọc. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, chia làm 3 giai đoạn: khảo sát hiện trạng 3 tháng, thu thập mẫu phân tích 6 tháng và tính toán thử nghiệm giải pháp tối ưu 3 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nước thải sinh hoạt thô tại thành phố Vĩnh Yên có hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ và vi sinh vật rất cao trước khi vào trạm bơm. Nồng độ BOD5 dao động từ 200 đến 290 mg/l, cao gấp 6,7 đến 9,7 lần so với giới hạn cột A của QCVN 14:2008/BTNMT; hàm lượng TSS đạt từ 200 đến 290 mg/l, vượt ngưỡng cho phép 4,0 đến 5,8 lần; mật độ Coliform tổng số đạt mức 10^8 đến 10^10 MPN/100ml. Thực tế cho thấy các bể tự hoại tại hộ gia đình chỉ xử lý sơ bộ được khoảng 30% đến 40% lượng BOD5 trước khi thải vào mạng lưới cống.

Thứ hai, đặc tính dòng chảy trên mạng lưới thu gom 29,168 km bị pha loãng mạnh vào mùa mưa do hệ thống cống chung tiếp nhận lượng nước mưa lớn, làm giảm nồng độ chất hữu cơ đầu vào nhà máy xuống mức BOD5 trung bình dưới 80 mg/l, gây khó khăn cho việc duy trì nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng trong bể Aerotank.

Thứ ba, nhà máy đạt hiệu suất xử lý hữu cơ khá tốt với tỷ lệ loại bỏ COD và BOD5 đạt từ 85% đến 92%, đưa nồng độ BOD5 đầu ra về mức dưới 25 mg/l. Tuy nhiên, khâu khử trùng sử dụng Clo khí tiềm ẩn rủi ro rò rỉ độc hại và khâu ép bùn bằng Polymer Anion A1110 chưa đạt hiệu quả tối ưu khi độ ẩm bã bùn sau ép vẫn ở mức cao trên 82%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự biến động nồng độ ô nhiễm là do sự kết hợp chưa đồng bộ giữa hạ tầng thoát nước mưa và nước thải sinh hoạt, khiến lưu lượng nước chảy về 05 trạm bơm tăng vọt trong những ngày mưa lớn trên 50 mm. So với các nhà máy áp dụng công nghệ bùn hoạt tính tại Hà Nội như Trúc Bạch hay Kim Liên, nước thải đầu vào tại Vĩnh Yên có tỷ lệ C:N:P đôi khi mất cân đối do thiếu hụt nguồn carbon hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong mùa mưa.

Dữ liệu nghiên cứu khi biểu diễn trên đồ thị đường biến thiên nồng độ BOD5 và COD theo thời gian phản ánh rõ tính chu kỳ theo mùa, trong khi bảng so sánh độ ẩm bùn thải cho thấy sự vượt trội rõ rệt khi chuyển dịch hóa chất. Việc thay đổi hóa chất khử trùng và chất trợ keo tụ không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước đầu ra đạt 100% tiêu chuẩn xả thải mà còn giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động trong quá trình vận hành trạm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Chuyển đổi công nghệ khử trùng: Thay thế hoàn toàn hệ thống định lượng Clo dạng khí bằng dung dịch Javen (NaClO) nồng độ 10% nhằm nâng cao độ an toàn lao động, kiểm soát mật độ Coliform tổng số trong nước sau xử lý đạt dưới mức 3.000 MPN/100ml, hoàn thành chuyển đổi trong vòng 3 tháng do Ban Quản lý Nhà máy xử lý nước thải Vĩnh Yên trực tiếp thực hiện.
  2. Tối ưu hóa hóa chất ép bùn thải: Chuyển đổi sử dụng chất trợ keo tụ từ Polymer Anion A1110 sang Polymer Cation C1492 với liều lượng thích hợp, nâng hàm lượng chất rắn khô trong bánh bùn lên trên 25%, giảm 18% lượng hóa chất tiêu thụ mỗi tháng, áp dụng liên tục từ quý 2 năm 2020 dưới sự giám sát của bộ phận kỹ thuật công nghệ.
  3. Cải tạo mạng lưới tách nước mưa: Xây dựng bổ sung 15 km tuyến cống tách nước thải riêng biệt tại các khu đô thị mới thuộc 4 phường trọng điểm, đặt mục tiêu nâng tỷ lệ thu gom nước thải sinh hoạt từ 60% lên 85% vào năm 2023, do Ủy ban nhân dân thành phố Vĩnh Yên phối hợp cùng Sở Xây dựng tỉnh Vĩnh Phúc chủ trì triển khai.
  4. Lắp đặt hệ thống quan trắc tự động: Trang bị trạm quan trắc online liên tục đo 5 thông số cơ bản gồm lưu lượng, pH, DO, TSS và COD tại cửa xả của nhà máy và 05 trạm bơm trung chuyển, đảm bảo truyền dữ liệu 24/7 về Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Vĩnh Phúc trong thời gian 6 tháng kể từ khi phê duyệt dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý đô thị và môi trường: Nắm bắt cơ sở thực tiễn và bài học kinh nghiệm trong quy hoạch, quản lý hệ thống thoát nước cống chung tại các đô thị loại 2 và loại 3, phục vụ công tác xây dựng chính sách thu phí thoát nước 10% đạt hiệu quả cao hơn.
  • Kỹ sư vận hành nhà máy xử lý nước thải: Tiếp cận quy trình công nghệ điều chỉnh hóa chất khử trùng Javen và lựa chọn Polymer Cation C1492 để tối ưu hóa chi phí vận hành máy ép bùn và nâng cao độ an toàn cho công nhân.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế môi trường: Ứng dụng các thông số tính toán tải lượng ô nhiễm, kích thước bể Aerotank và công suất trạm bơm trung chuyển vào các dự án thiết kế trạm xử lý nước thải công suất từ 5.000 đến 10.000 m3/ngày đêm.
  • Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật môi trường: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo học thuật chuẩn mực về phương pháp đánh giá hiện trạng mạng lưới thoát nước và các bước thực nghiệm xử lý nước thải đô thị.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải sinh hoạt tại thành phố Vĩnh Yên có những đặc trưng ô nhiễm chính nào?
Nước thải sinh hoạt tại khu vực nghiên cứu có nồng độ chất hữu cơ cao với BOD5 từ 200 đến 290 mg/l, COD từ 680 đến 730 mg/l và mật độ Coliform lên đến 10^10 MPN/100ml. Các chỉ số này đều vượt quy chuẩn môi trường từ 4 đến 9 lần, đòi hỏi phải qua hệ thống xử lý sinh học trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Tại sao luận văn đề xuất thay thế Clo khí bằng dung dịch Javen để khử trùng?
Clo dạng khí có nguy cơ rò rỉ gây ngộ độc cao và đòi hỏi quy trình an toàn nghiêm ngặt. Việc chuyển sang dùng Javen lỏng 10% giúp đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành, thiết bị châm hóa chất đơn giản hơn mà vẫn duy trì hiệu quả diệt khuẩn đạt chuẩn Coliform dưới 3.000 MPN/100ml.

Ưu điểm của Polymer Cation C1492 so với Polymer Anion A1110 trong xử lý bùn là gì?
Bùn hoạt tính sinh học từ bể lắng đợt 2 mang điện tích âm bề mặt, do đó Polymer Cation C1492 mang điện tích dương tạo lực hút tĩnh điện mạnh mẽ, giúp keo tụ tạo bông nhanh hơn. Thực nghiệm chứng minh Polymer Cation giúp giảm độ ẩm bánh bùn xuống dưới 75% và tiết kiệm chi phí hóa chất.

Mạng lưới cống chung ảnh hưởng ra sao đến hiệu suất của bể Aerotank?
Trong mùa mưa, nước mưa chảy tràn vào 29,168 km cống chung làm nồng độ hữu cơ bị pha loãng xuống dưới 80 mg/l, dẫn đến hiện tượng thiếu hụt cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật hiếu khí trong bể Aerotank, làm giảm tỷ trọng bùn và dễ gây hiện tượng bùn khó lắng.

Kết quả nghiên cứu này có khả năng áp dụng cho các đô thị khác không?
Mô hình nghiên cứu và các giải pháp kỹ thuật đề xuất hoàn toàn có thể nhân rộng tại hơn 50 đô thị có điều kiện tự nhiên, hệ thống thoát nước cống chung và trạm xử lý bùn hoạt tính tương đồng trên khắp cả nước, giúp tối ưu hóa chi phí và kiểm soát ô nhiễm nguồn nước.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng mạng lưới thoát nước dài 29,168 km và 05 trạm bơm trung chuyển tại 4 phường trung tâm thành phố Vĩnh Yên.
  • Đánh giá chính xác hiệu suất vận hành của Nhà máy xử lý nước thải Vĩnh Yên với hiệu quả loại bỏ BOD5 và COD đạt từ 85% đến 92%.
  • Đề xuất thành công việc thay thế Clo khí bằng dung dịch Javen nhằm đảm bảo an toàn vận hành và kiểm soát Coliform dưới 3.000 MPN/100ml.
  • Chứng minh hiệu quả vượt trội của Polymer Cation C1492 giúp tăng độ khô của bã bùn lên trên 25% và tiết kiệm 18% chi phí hóa chất ép bùn.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng cho lộ trình nâng cấp hạ tầng thoát nước riêng biệt và lắp đặt hệ thống quan trắc tự động tại tỉnh Vĩnh Phúc giai đoạn 2020 - 2025.

Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành hãy chủ động áp dụng các giải pháp kỹ thuật trên để nâng cao chất lượng môi trường nước đô thị bền vững.