07/07/2023
1. Mở đầu
Công nghiệp sản xuất thép là ngành kinh tế mũi nhọn, là động lực thúc đẩy phát triển các ngành công nghiệp khác. Trong những năm qua, ngành thép Việt Nam đã phát triển mạnh mẽ cả về năng lực và công nghệ sản xuất, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và một phần xuất khẩu. Các khu liên hợp sản xuất gang thép công suất lớn, chất lượng thép cao đã được đầu tư xây dựng và đi vào hoạt động, tạo đòn bẩy cho kinh tế địa phương phát triển, như Khu Liên hợp (KLH) Gang thép Hòa Phát Dung Quất, KLH Gang thép Hòa Phát Kinh Môn, KLH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh,… Đến năm 2021, năng lực thiết kế sản xuất phôi thép của các doanh nghiệp trong nước đạt 27 triệu tấn/năm, trong đó thép cuộn cán nóng (HRC) là 7-8 triệu tấn/năm.
Sản lượng các loại thép xuất khẩu năm 2021 của Việt Nam đạt 13,096 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 11,795 tỷ USD (tăng 123,4% so với năm 2020), nhập khẩu đạt 11,523 tỷ USD (tăng 42,6% so với năm 2020), xuất siêu đạt 272 triệu USD [4]. Các sản phẩm thép của Việt Nam được xuất khẩu sang hơn 30 nước trên thế giới; trong đó các loại thép xây dựng xuất khẩu năm 2021 đạt khoảng 2,2 triệu tấn (tăng gấp 1,5 lần so với năm 2020). Một số thị trường nhập khẩu thép lớn của Việt Nam năm 2021 như ASEAN đạt 3,093 tỷ USD (chiếm 26,2% tổng kim ngạch); EU đạt 1,866 tỷ USD (chiếm 15,98%), Trung Quốc đạt 1,666 tỷ USD (chiếm 14,12%); Mỹ đạt 1,365 tỷ USD (chiếm 11,57%) [2]. Ngành thép Việt Nam trong hai năm liên tiếp 2020 và 2021 đã được Hiệp hội Thép thế giới xếp thứ 13 trong số các nước sản xuất thép lớn trên thế giới, với sản lượng phôi thép tương ứng đạt 23 triệu tấn và 20 triệu tấn [6].
Bên cạnh hiệu quả to lớn về kinh tế, quá trình sản xuất thép thường phát sinh lượng lớn khí thải, bụi, chất thải mang tính chất axít và kiềm, các nguyên tố kim loại nặng, nước thải... Đứng trước xu hướng chuyển đổi xanh và phát triển kinh tế tuần hoàn, đòi hỏi ngành công nghiệp thép Việt Nam phải chuyển đổi công nghệ, phát triển bền vững nhằm tuân thủ pháp luật về bảo vệ môi trường và cam kết của Chính phủ tại COP26 đưa phát thải ròng về “0” vào năm 2050. Vì vậy, các doanh nghiệp sản xuất thép nước ta đã và đang sử dụng công nghệ tiên tiến, coi chất thải (khí, rắn, lỏng) là nguồn tài nguyên cần được tuần hoàn, tái sử dụng và giảm thiểu lượng phát thải. Trong bài báo này, các tác giả tập trung vào vấn đề nước thải ngành sản xuất thép.
2. Các nguồn nước thải chính của nhà máy sản xuất thép
Trong một nhà máy sản xuất thép điển hình, nước thải phát sinh từ các nguồn:
- Nước mưa chảy tràn trên mặt bằng nhà máy (có thể chảy qua các bãi liệu…);
- Nước thải sinh hoạt từ hoạt động của cán bộ, công nhân, nhân viên nhà máy;
- Nước thải từ hoạt động sản xuất, bao gồm: (1) nước làm mát gián tiếp (vỏ các lò như lò cao, lò coke, máy thiêu kết, lò nung vôi - Dolomi, lò LD, ống thổi ôxy lò chuyển, chụp khói lò chuyển, khuôn kết tinh của máy đúc liên tục, động cơ máy cán…), loại nước thải này chỉ bị ô nhiễm nhiệt, qua làm mát để hạ nhiệt độ sẽ bảo đảm tuần hoàn và tái sử dụng, chỉ bổ sung thêm phần nước đã thất thoát do bay hơi; (2) nước làm mát trực tiếp (máy đúc gang thỏi, khâu xử lý xỉ, làm mát phôi đúc liên tục, khâu cán sản phẩm…), loại nước thải này cần xử lý triệt để tuân thủ QCVN 52:2017/BTNMT mới được phép tái sử dụng (cho sản xuất và tưới cây, rửa đường…).
Tùy thuộc vào dây chuyền sản xuất của từng nhà máy thép, các nguồn phát sinh nước thải có thể thay đổi. Tính chất nước thải phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, nguyên liệu đầu vào từ quặng sắt hay thép phế liệu, sản phẩm đầu ra, hóa chất sử dụng,… Nhìn chung, nước thải nhà máy thép thường chứa kim loại nặng, xyanua, sunfat, phenol, chất rắn lơ lửng, dầu mỡ cao.
Hình 1. Quy trình công nghệ sản xuất thép (nguồn: Hội Khoa học Kỹ thuật Đúc - Luyện kim Việt Nam và Hiệp hội Thép Việt Nam)
Theo nghiên cứu gần đây đối với một nhà máy gang thép điển hình ở Việt Nam công suất 2 triệu tấn/năm, nhu cầu sử dụng nước và lượng nước thải phát sinh trung bình trên 01 tấn thép thành phẩm lần lượt là 15,6 m3 và 12,14 m3 (có tuần hoàn, tái sử dụng nước làm mát). Trong đó, quá trình xử lý quặng phát sinh lượng nước thải nhiều nhất (5 m3/tấn thép thành phẩm); tiếp đến quá trình luyện coke và phát điện phát sinh khoảng 3,371 m3/tấn thép thành phẩm; từ luyện thép, đúc phôi là 2,3 m3/tấn thép thành phẩm [1]. Lượng nước thải khá lớn từ quá trình sản xuất thép nêu trên chứa các chất ô nhiễm, như các hợp chất phenol, NH4, H2S, HCN, kim loại nặng [7]. Do vậy, nước thải từ các công đoạn trên cần được thu gom, xử lý bằng các công nghệ thích hợp bảo đảm không gây ô nhiễm môi trường, đạt QCVN 52:2017/BTNMT.
3. Giải pháp công nghệ tiên tiến xử lý nước thải ngành thép cho tuần hoàn, tái sử dụng
Với đặc điểm thành phần nước thải chứa các chất độc hại, phương pháp xử lý sinh học không phù hợp, các phương pháp hóa lý thường được áp dụng để xử lý nước thải của các nhà máy sản xuất thép (Hình 2), với các giai đoạn xử lý khác nhau. Dù sử dụng phương pháp nào, quy trình xử lý nước thải sản xuất thép đều phải bảo đảm loại bỏ được các thành phần ô nhiễm (chất rắn lơ lửng, dầu mỡ, xyanua, phenol, kim loại nặng,…). Trong hệ thống xử lý nước thải thường có công đoạn keo tụ - tạo bông để khử các kim loại; sau đó là quá trình ôxy hóa nâng cao để loại bỏ các hợp chất độc hại. Để xử lý xyanua, phenol thường dùng phương pháp hấp phụ. Một số nhà máy thép đã sử dụng bùn hoạt tính trong xử lý bậc ba để xử lý hợp chất hữu cơ. Ngoài ra, công nghệ tách màng cũng đang được áp dụng trong xử lý nước thải sản xuất thép để loại bỏ chất ô nhiễm với hiệu suất cao, tái sử dụng nước đầu ra và duy trì tính ổn định, thân thiện với môi trường. Với quy trình công nghệ nhiều bước như vậy, nước thải đầu ra của hệ thống xử lý nước thải của các nhà máy sản xuất thép đều đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp sản xuất thép (QCVN 52:2017/BTNMT).
Tuy nhiên, đứng trên quan điểm kinh tế tuần hoàn, việc sử dụng các công nghệ xử lý theo hướng loại bỏ các chất ô nhiễm, trong đó có các kim loại nặng ra khỏi nước thải sản xuất thép chưa phải là giải pháp tối ưu, trong quá trình xử lý vẫn tạo ra bùn thải chứa các chất độc hại và không đáp ứng mục tiêu thu hồi và tái sử dụng các nguồn tài nguyên có giá trị. Để giải quyết triệt để vấn đề này, hiện nay công nghệ tạo hạt kết tinh tầng sôi (FBHC) nổi lên như là một công nghệ mới đầy hứa hẹn để khắc phục được các nhược điểm của những công nghệ hiện nay trong xử lý nước thải công nghiệp nói chung và nước thải sản xuất thép nói riêng (Hình 2).
Hình 2. Quy trình công nghệ phổ biến xử lý nước thải sản xuất thép
Bản chất của công nghệ FBHC dựa trên quá trình kết tinh tăng cường [5]. Do đó, các quá trình keo tụ, kết tủa và lắng nêu trên là không cần thiết, nên giảm được diện tích xây dựng công trình xử lý nước thải. Mặt khác, hàm lượng nước trong các hạt tinh thể kết tinh thu được rất thấp, dễ dàng tách pha rắn và pha lỏng của hệ thống xử lý nước thải. Nước thải đầu ra sau quá trình xử lý bằng công nghệ FBHC đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia và bảo đảm chất lượng để tuần hoàn, tái sử dụng 100%. Ưu điểm lớn nhất của công nghệ FBHC là không tạo ra các chất ô nhiễm thứ cấp trong suốt quá trình xử lý (bùn thải) và thu hồi hầu hết các kim loại (Fe, Al, Cu, Ni, Zn,...) có trong nước thải để tái sử dụng. Đặc biệt, công nghệ FHBC cung cấp giải pháp có ý nghĩa quan trọng trong phát triển các mô hình kinh tế tuần hoàn tại các nhà máy sản xuất thép và thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất thép phát triển bền vững.
Hình 3. So sánh công nghệ kết tủa thông thường và công nghệ FHBC
(nguồn: Viện Tài nguyên và Môi trường, 2022)
Với công nghệ FHBC, Nhóm nghiên cứu mạnh về “Thu hồi tài nguyên và Tái tạo năng lượng bền vững” của Viện Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội đã thành công thu hồi các chất có trong nước thải dưới dạng hạt kết tinh như ở Hình 4 dưới đây: (a) MgCO3, (b) MgNH4PO4, (c) MgKPO4, (d) Fe3(PO4)2, (e) BaHPO4, (f) MgHPO4, (g) NiCO3, (h) Cu4H(PO4)3, (i) Al(OH)3, (j) FePO4 (k) Cu2(OH)2CO3, (l) Ba(B(OH)3OOH)2, (m) Mn3(PO4)2, (n) Ca5(PO4)3(OH), (o) CaCO3, (p) FeOOH, (q) CoC2O4, (r) CoO(OH), (s) BaCO3, (t) CoCO3, (u) NiO(OH), (v) BaB2O4(OH)4, (w) Ca(B(OH)3OOH)2, (x) Co3(PO4)2, (y) SrHPO4.
Hình 4. Các sản phẩm thu hồi từ các nguồn nước thải khác nhau bằng công nghệ FBHC
(nguồn: Viện Tài nguyên và Môi trường, 2022)
Ngành công nghiệp sản xuất thép sử dụng lượng nước khá lớn. Do vậy, việc tuần hoàn, tái sử dụng nước rất có ý nghĩa đối với các nhà máy thép. Với các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến hiện nay, việc tuần hoàn, tái sử dụng 100% lượng nước thải của các nhà máy sản xuất thép hoàn toàn khả thi, giúp tiết kiệm được chi phí thông qua việc giảm thiểu nhu cầu sử dụng nước đầu vào và giảm lượng nước phát thải.
4. Quy trình khép kín tạo ra sự khác biệt của Khu liên hợp sản xuất thép Hòa Phát
Hòa Phát là doanh nghiệp thép lớn ở Việt Nam thành công với công nghệ lò cao liên động khép kín 100%, từ quặng sắt đến thép thành phẩm (hay sản xuất thép đi từ thượng nguồn). Quy trình sản xuất thép đi từ thượng nguồn gồm 4 bước: (1) quặng sắt thô các loại sẽ được đưa vào nhà máy chế biến nguyên liệu để loại tạp chất, tăng hàm lượng sắt và vê viên thành dạng cục tròn; (2) quặng sắt vê viên, quặng thiêu kết, than coke, vôi và phụ gia khác đưa vào lò cao để nấu thành nước gang lỏng; (3) gang lỏng từ lò cao được chuyển sang lò chuyển LD, lò tinh luyện của nhà máy luyện thép để cho ra phôi đúc liên tục bảo đảm tiêu chuẩn; (4) phôi vừa ra khỏi máy đúc liên tục được chuyển sang nhà máy cán (cán nóng để tận dụng nhiệt của phôi đúc) cho ra thép thành phẩm. Đến nay, Tập đoàn Hòa Phát đang vận hành KLH sản xuất thép tại Kinh Môn (Hải Dương) có công suất 2 triệu tấn/năm và KLH sản xuất thép tại Khu kinh tế Dung Quất (Quảng Ngãi) có công suất 6 triệu tấn/năm, đang xây dựng KLH Hòa Phát Dung Quất thứ hai với công suất 5,6 triệu tấn phôi dẹt/năm.
Các KLH sản xuất gang thép Hoà Phát sử dụng công nghệ lò cao - lò thổi (BF-BOF), hầu như không xả nước thải ra môi trường. Toàn bộ chất thải rắn, khí thải và bụi, nước thải đều được xử lý đáp ứng các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất thải công nghiệp sản xuất thép, cho phép tái sử dụng 100% nước thải. Hệ thống hạ tầng xử lý nước thải của KLH bao gồm các mạng lưới thu gom riêng biệt hoặc kết hợp, hệ thống các trạm xử lý nước thải với các mức độ và phương pháp xử lý khác nhau, tùy theo đặc trưng của từng nguồn nước thải phát sinh.
Nước thải sinh hoạt từ khu vệ sinh nhà văn phòng hành chính; khu nhà ăn; từ sau bể tự hoại của khu vệ sinh tại xưởng sản xuất, khu phụ trợ, khu cảng sẽ được thu gom xử lý sơ bộ, tách dầu rồi được đưa về trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung để xử lý. Toàn bộ nước thải sinh hoạt sau xử lý được tuần hoàn, tái sử dụng 100%, không thải bỏ ra môi trường.
Nước làm mát tuần hoàn trực tiếp (tại công đoạn đúc của nhà máy luyện thép, các giá cán tại nhà máy cán thép) và nước làm mát tuần hoàn gián tiếp (nước làm mát động cơ thủy lực, rulo cảm ứng lò gia nhiệt tại các nhà máy thiêu kết, vê viên, luyện gang, luyện thép, cán thép, vôi xi măng, luyện coke và nhiệt điện, nguyên liệu) được thu gom qua hệ thống đường ống riêng về các trạm xử lý tương ứng, sau xử lý sẽ được tuần hoàn, tái sử dụng 100%. Nước thải xả đáy của hệ thống xử lý nước làm mát trực tiếp và hệ thống xử lý nước làm mát gián tiếp được thu gom bằng đường ống riêng dẫn về trạm xử lý nước thải tập trung để xử lý triệt để; sau đó được tuần hoàn, tái sử dụng toàn bộ. Nước mưa chảy tràn qua bãi chứa phế liệu được xử lý sơ bộ qua bể lắng tách dầu, sau đó được thu gom bằng đường ống riêng về trạm xử lý nước thải tập trung; nước mưa chảy qua mặt bằng mái công trình, hạng mục sản xuất, sân đường nội bộ, bãi chứa vảy cán có mái che, khu vực cảng, khu vực sửa chữa, bảo dưỡng phương tiện vận chuyển và thiết bị phục vụ sản xuất của KLH trong 30 phút đầu được thu gom, xử lý lắng cặn, tách dầu tại hệ thống xử lý nước mưa đợt đầu, sau đó được dẫn về hồ chứa nước mưa cùng với nước mưa sau 30 phút. Toàn bộ nước mưa trong KLH cũng được thu gom, xử lý để tuần hoàn, tái sử dụng.
Hình 5. Hệ thống thu gom, xử lý nước thải sản xuất của KLH sản xuất gang thép
Hòa Phát Dung Quất (nguồn: Công ty Cổ phần Thép Hòa Phát Dung Quất, 2022)
5. Công ty TNHH gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh đổi mới công nghệ thực hiện cam kết bảo vệ môi trường
Sau sự cố môi trường biển tại 04 tỉnh miền Trung năm 2016 do nước thải của Công ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh (FHS) gây ra, cùng với công tác bồi thường, tích cực đóng góp cho an sinh xã hội trên địa bàn, trong những năm qua, Công ty đã chủ động, tích cực khắc phục các lỗi vi phạm pháp luật về bảo vệ môi trường, ưu tiên đầu tư đổi mới công nghệ, xây dựng hệ thống xử lý môi trường hiện đại; chuyển đổi công nghệ dập coke ướt sang khô - CDQ đảm bảo tiêu chuẩn quốc tế theo cam kết với Chính phủ Việt Nam. Ước tính tổng kinh phí đầu tư xây dựng công trình bảo vệ môi trường này của Công ty FHS là trên 400 triệu USD.
Toàn bộ nước mưa của KLH (tại nhà máy điện, xưởng lò vôi, lò luyện coke số 1, xưởng thiêu kết, xưởng lò cao, xưởng luyện thép, xưởng cán nóng, xưởng cán dây,…) được thu gom vào các hệ thống thu gom nước mưa đưa về các trạm xử lý tương ứng với các công nghệ khác nhau trước khi đưa vào hệ thống hồ sinh học.
Nước thải sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên làm việc trong KLH sau khi qua bể tự hoại được thu gom theo đường ống riêng về trạm xử lý nước thải sinh hoạt, sau đó dẫn về trạm xử lý nước thải sản xuất và cuối cùng đưa về hệ thống hồ sinh học.
Lượng nước thải sau làm mát gián tiếp các thiết bị công nghệ từ các xưởng sản xuất khác nhau, từ xưởng lò vôi, xưởng luyện coke số 1, xưởng thiêu kết, xưởng luyện thép, xưởng cán nóng, xưởng cán dây được thu gom và xử lý bằng các hệ thống trạm xử lý nước thải riêng để tuần hoàn và tái sử dụng toàn bộ. Nước thải của nhà máy nhiệt điện và xưởng lò cao được thu gom, xử lý sơ bộ và sau đó dẫn bằng hệ thống ống riêng về trạm xử lý nước thải công nghiệp tập trung của KLH xử lý trước khi đưa vào hệ thống hồ sinh học.
Công ty FHS đã đầu tư xây dựng hệ thống hồ sinh học có công suất 36.000 m3/ngày, trên diện tích 10 ha. Hệ thống hồ sinh học này vừa có chức năng kiểm soát sự cố, chỉ thị sinh học, xử lý bổ sung 2 dòng nước thải sau trạm xử lý nước thải sinh hóa và sau trạm xử lý nước thải công nghiệp; vừa tạo cảnh quan và không gian xanh KLH. Đồng thời, đây là nơi tổ chức các hoạt động tập huấn, tuyên truyền và giáo dục môi trường.
Hình 6. Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống hồ sinh học kết hợp bãi lọc trồng cây tại KLH sản xuất gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh [3]
Hiện nay, nước thải đầu ra của các trạm xử lý nước thải tập trung ở KLH sản xuất gang thép Formosa Hà Tĩnh và Hòa Phát Dung Quất đã được lắp đặt hệ thống quan trắc tự động, liên tục và truyền số liệu về Sở Tài nguyên và Môi trường địa phương, Bộ Tài Nguyên và Môi trường để giám sát chặt chẽ, thường xuyên.
Qua thực tiễn triển khai công tác bảo vệ môi trường tại KLH sản xuất gang thép Formosa Hà Tĩnh và Hòa Phát Dung Quất 1 cho thấy, các giải pháp công nghệ hiện nay hoàn toàn bảo đảm tính khả thi để các nhà máy sản xuất thép ở Việt Nam đầu tư xây dựng hệ thống thu gom, xử lý triệt để các nguồn nước thải phát sinh để tuần hoàn và tái sử dụng, góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy phát triển mô hình kinh tế tuần hoàn. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ môi trường, đòi hỏi các doanh nghiệp sản xuất thép cần nâng cao nhận thức và trách nhiệm để đầu tư thỏa đáng cho hệ thống hạ tầng xử lý môi trường với công nghệ hiện đại và thân thiện môi trường, cùng với nâng cao hiệu lực và hiệu quả quản lý nhà nước trên cơ sở tăng cường hoạt động thanh tra, kiểm tra và giám sát.
PGS.TS. Lưu Thế Anh
Viện Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội
ThS. Chu Đức Khải
Chủ tịch Hội KHKT Đúc - Luyện kim Việt Nam
Tài liệu tham khảo
Nguyễn Trà My, Chu Thị Bình, Nguyễn Hoàng Anh, 2021. Ứng dụng mô hình phân tích dòng vật chất trong quản lý tài nguyên nước ngành công nghiệp gang thép. Tạp chí Tài nguyên và Môi trường.
Tạp chí Con số & Sự kiện, 2022. Ngành thép Việt Nam: Triển vọng và thách thức trong năm 2022.
Tạp chí Môi trường, 2017. Giải pháp cải thiện môi trường, kiểm soát sự cố do nước thải tại Công ty Formosa Hà Tĩnh.
Tổng cục Thống kê, 2022. Niên giám thống kê Việt Nam năm 2021.
C.S. Chen, Y.J. Shih, Y.H. Huang, 2015. Remediation of lead (Pb (II)) wastewater through recovery of lead carbonate in a fluidized-bed homogeneous crystallization (FBHC) system. Chemical Engineering Journal, 279:120-128.
World Steel Association, 2023. World steel in figures 2023.
World Bank Group, 2020. Multilateral investment guarantee agency environmental guidelines for coke manufacturing.
