Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang trải qua quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng với hơn 571 thành phố và thị xã, dẫn đến gia tăng áp lực lên hệ thống xử lý nước thải đô thị. Từ năm 1990 đến cuối thập niên 1990, dân số đô thị tăng từ 12 triệu lên gần 18 triệu người, chiếm khoảng 23,5% tổng dân số cả nước. Tuy nhiên, tỷ lệ dân số được phục vụ bởi hệ thống vệ sinh hợp vệ sinh còn rất thấp, đặc biệt ở khu vực nông thôn, vùng ven đô và các khu vực đô thị nghèo. Hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đô thị hiện nay chủ yếu chỉ phục vụ thoát nước mặt, chưa có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn nước mặt và ngầm.

Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống xử lý nước thải phân tán, đặc biệt là bể tự hoại có ngăn (Anaerobic Baffled Reactor - ABR), được xem là giải pháp khả thi nhằm cải thiện hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt tại các khu vực chưa có hệ thống thoát nước tập trung. Luận văn tập trung đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt (chủ yếu là nước xám) bằng hệ thống bể tự hoại có ngăn, so sánh hiệu quả với bể tự hoại truyền thống, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của số lượng ngăn và sự có mặt của bộ lọc kỵ khí đến hiệu quả xử lý.

Nghiên cứu được thực hiện trên các mô hình thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm tại Viện Công nghệ Châu Á (AIT), với nguồn nước thải lấy từ khuôn viên AIT, vận hành ở thời gian lưu thủy lực (HRT) 48 giờ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp xử lý nước thải phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, góp phần nâng cao chất lượng môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính:

  1. Hệ thống xử lý nước thải phân tán (Decentralized Wastewater Treatment Systems - DEWATS): Đây là phương pháp xử lý nước thải tại chỗ hoặc gần nguồn phát sinh, sử dụng các công nghệ đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với các khu vực chưa có hệ thống thoát nước tập trung. DEWATS bao gồm nhiều loại công trình như bể tự hoại, bể Imhoff, hệ thống lọc sinh học, bãi thấm, v.v.

  2. Bể tự hoại có ngăn (Anaerobic Baffled Reactor - ABR): ABR là dạng bể tự hoại được cải tiến bằng cách chia thành nhiều ngăn với các vách ngăn dọc, buộc dòng nước thải phải chảy qua từng ngăn theo chiều lên trên, tăng thời gian tiếp xúc giữa nước thải và bùn kỵ khí. Quá trình xử lý bao gồm các giai đoạn thủy phân, lên men và sinh khí metan, giúp tăng hiệu quả loại bỏ các chất hữu cơ.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học), TS (Tổng chất rắn), TSS (Tổng chất rắn lơ lửng), HRT (Hydraulic Retention Time - thời gian lưu thủy lực), OLR (Organic Loading Rate - tải trọng hữu cơ), và biogas (khí sinh học).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng bốn mô hình bể tự hoại quy mô phòng thí nghiệm làm bằng nhựa acrylic, kích thước 64 cm x 25 cm x 40 cm, thể tích nước xử lý 40 lít, gồm:

  • Bể tự hoại truyền thống (không có ngăn)
  • Bể tự hoại có 3 ngăn
  • Bể tự hoại có 2 ngăn
  • Bể tự hoại có 2 ngăn kết hợp bộ lọc kỵ khí

Nguồn nước thải là nước xám lấy từ khuôn viên AIT, được bơm vào các bể với lưu lượng 20 lít/ngày, vận hành theo chế độ gián đoạn (20 phút mỗi giờ) với HRT 48 giờ. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 4 tháng để đạt trạng thái ổn định.

Các thông số được phân tích gồm COD, TS, TSS, pH, nhiệt độ và thể tích khí sinh học, theo tiêu chuẩn phân tích nước thải của APHA (1995). Mẫu được lấy định kỳ 2 ngày/lần cho các thông số COD, TS, TSS và hàng tuần cho khí sinh học, pH, nhiệt độ. Phương pháp chọn mẫu là mẫu đại diện lấy từ đầu vào, đầu ra và các ngăn trong bể.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả, so sánh hiệu quả xử lý giữa các mô hình, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của số lượng ngăn và bộ lọc kỵ khí đến hiệu quả xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả loại bỏ COD:

    • Bể tự hoại 3 ngăn đạt hiệu quả loại bỏ COD trung bình 65%, cao hơn so với bể truyền thống (57%) và bể 2 ngăn (60%).
    • Bể 2 ngăn kết hợp bộ lọc kỵ khí có hiệu quả thấp hơn, khoảng 50%.
    • Nồng độ COD đầu vào trung bình là 130 mg/L, đầu ra thấp nhất đạt 32 mg/L (bể 2 ngăn), cao nhất 65 mg/L (bể truyền thống).

  2. Hiệu quả loại bỏ TS (Tổng chất rắn):

    • Bể 3 ngăn loại bỏ được 57% TS, cao hơn bể truyền thống (49%) và bể 2 ngăn (55%).
    • Bể 2 ngăn có bộ lọc kỵ khí đạt 50%.
    • Nồng độ TS đầu vào trung bình 234 mg/L, đầu ra thấp nhất 72 mg/L (bể 3 ngăn).

  3. Hiệu quả loại bỏ TSS (Tổng chất rắn lơ lửng):

    • Bể 3 ngăn đạt hiệu quả loại bỏ TSS cao nhất 90%, bể truyền thống 82%, bể 2 ngăn 86%, bể 2 ngăn + bộ lọc kỵ khí 64%.
    • Nồng độ TSS đầu vào trung bình 44 mg/L, đầu ra thấp nhất 4 mg/L (bể 3 ngăn).

  4. Sản lượng khí sinh học:

    • Bể 3 ngăn tạo ra lượng khí sinh học trung bình 30 mL/tuần, cao hơn bể truyền thống (15 mL/tuần).
    • Thành phần khí metan trong khí sinh học của bể 3 ngăn đạt khoảng 73%, vượt trội so với bể truyền thống (52%).

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý của bể tự hoại có ngăn cao hơn đáng kể so với bể truyền thống, đặc biệt là bể 3 ngăn, do dòng chảy bị chia thành nhiều ngăn, tăng thời gian tiếp xúc và khả năng phân hủy kỵ khí. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy bể ABR có hiệu quả xử lý COD và chất rắn cao hơn nhờ cơ chế phân hủy sinh học theo tầng.

Việc bổ sung bộ lọc kỵ khí trong bể 2 ngăn không cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý, có thể do thiết kế chưa tối ưu hoặc hiện tượng rửa trôi bùn sinh học. Thời gian lưu thủy lực 48 giờ được xác định là phù hợp để đạt hiệu quả xử lý tối ưu, đồng thời nhiệt độ vận hành trong khoảng 29-30°C thuộc vùng mesophilic, thuận lợi cho quá trình kỵ khí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu quả loại bỏ COD, TS, TSS giữa các mô hình, cũng như bảng thể hiện sản lượng khí sinh học và thành phần khí metan, giúp minh họa rõ ràng sự vượt trội của bể 3 ngăn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy bể tự hoại có ngăn là giải pháp khả thi, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, đặc biệt cho các khu vực đô thị và ven đô chưa có hệ thống thoát nước tập trung. Việc áp dụng công nghệ này góp phần giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước, cải thiện vệ sinh môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế và triển khai bể tự hoại 3 ngăn tại các khu dân cư:

    • Áp dụng thiết kế bể tự hoại có 3 ngăn với thể tích và kích thước phù hợp theo tiêu chuẩn mới.
    • Mục tiêu nâng cao hiệu quả xử lý COD, TS, TSS lên trên 60%, giảm tải ô nhiễm cho môi trường.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm cho giai đoạn thử nghiệm và nhân rộng.
    • Chủ thể thực hiện: Các cơ quan quản lý đô thị, đơn vị xây dựng và quản lý hạ tầng vệ sinh.

  2. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật vận hành, bảo trì:

    • Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và người dân về vận hành, bảo dưỡng bể tự hoại có ngăn.
    • Mục tiêu giảm thiểu tình trạng bể quá tải, tắc nghẽn và ô nhiễm do vận hành kém hiệu quả.
    • Thời gian: liên tục trong quá trình triển khai và vận hành.
    • Chủ thể: Sở Tài nguyên Môi trường, các tổ chức phi chính phủ.

  3. Nghiên cứu bổ sung về xử lý các thông số khác:

    • Tiếp tục nghiên cứu hiệu quả loại bỏ nitơ, photpho, BOD và các chất ô nhiễm khác trong bể tự hoại có ngăn.
    • Mục tiêu hoàn thiện công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt toàn diện hơn.
    • Thời gian: 1-3 năm.
    • Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy chuẩn thiết kế:

    • Cập nhật và ban hành tiêu chuẩn thiết kế bể tự hoại có ngăn phù hợp với điều kiện Việt Nam.
    • Mục tiêu đảm bảo chất lượng công trình, hiệu quả xử lý và an toàn môi trường.
    • Thời gian: 1 năm.
    • Chủ thể: Bộ Xây dựng, Bộ Tài nguyên Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý môi trường và đô thị:

    • Lợi ích: Có cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy hoạch hệ thống xử lý nước thải phân tán phù hợp.
    • Use case: Lập kế hoạch cải tạo hệ thống vệ sinh đô thị, giảm thiểu ô nhiễm nước mặt.

  2. Các nhà thiết kế và thi công công trình vệ sinh:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ bể tự hoại có ngăn, áp dụng thiết kế tối ưu, nâng cao hiệu quả xử lý.
    • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho khu dân cư, trường học, bệnh viện.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, kỹ thuật:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả thực nghiệm và phân tích khoa học về công nghệ xử lý nước thải.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn, luận án liên quan đến xử lý nước thải.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư:

    • Lợi ích: Hiểu rõ lợi ích và cách vận hành hệ thống xử lý nước thải phân tán, nâng cao ý thức bảo vệ môi trường.
    • Use case: Triển khai các dự án vệ sinh môi trường tại địa phương, vận động người dân sử dụng công nghệ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bể tự hoại có ngăn (ABR) khác gì so với bể tự hoại truyền thống?
    ABR được chia thành nhiều ngăn với các vách ngăn dọc, buộc dòng nước thải phải chảy qua từng ngăn, tăng thời gian tiếp xúc với bùn kỵ khí, giúp tăng hiệu quả xử lý COD, TS và TSS so với bể truyền thống chỉ có một ngăn.

  2. Thời gian lưu thủy lực (HRT) ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    HRT càng dài thì nước thải càng có thời gian tiếp xúc với vi sinh vật, tăng hiệu quả xử lý. Nghiên cứu cho thấy HRT 48 giờ cho hiệu quả xử lý tốt hơn so với 24 giờ, đặc biệt trong điều kiện nước thải sinh hoạt.

  3. Bể tự hoại có ngăn có phù hợp với điều kiện Việt Nam không?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy bể 3 ngăn phù hợp với điều kiện khí hậu và đặc điểm nước thải tại Việt Nam, có thể áp dụng rộng rãi tại các khu vực đô thị và ven đô chưa có hệ thống thoát nước tập trung.

  4. Có cần bảo trì định kỳ cho bể tự hoại có ngăn không?
    Có, bể cần được hút bùn định kỳ khoảng 2-3 năm một lần để duy trì hiệu quả xử lý và tránh tắc nghẽn. Việc bảo trì đúng cách giúp kéo dài tuổi thọ công trình và bảo vệ môi trường.

  5. Khí sinh học tạo ra trong bể có thể sử dụng được không?
    Khí sinh học chủ yếu là metan, có thể thu hồi và sử dụng làm nguồn năng lượng sinh học. Tuy nhiên, trong quy mô hộ gia đình, việc thu hồi khí cần thiết bị chuyên dụng và đầu tư thêm.

Kết luận

  • Bể tự hoại có 3 ngăn cho hiệu quả xử lý COD, TS, TSS cao nhất, lần lượt đạt khoảng 65%, 57% và 90%, vượt trội so với bể truyền thống và các mô hình khác.
  • Sản lượng khí sinh học và tỷ lệ metan trong khí của bể 3 ngăn cũng cao hơn, chứng tỏ quá trình phân hủy kỵ khí hiệu quả.
  • Công nghệ bể tự hoại có ngăn phù hợp với điều kiện nước thải và khí hậu Việt Nam, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt phân tán.
  • Cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng về xử lý các thông số khác như nitơ, photpho và cải tiến thiết kế để khắc phục hiện tượng tràn bọt.
  • Đề xuất xây dựng tiêu chuẩn thiết kế và hướng dẫn vận hành bể tự hoại có ngăn, đồng thời triển khai đào tạo, nâng cao nhận thức cộng đồng.

Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và nhân rộng công nghệ nhằm góp phần cải thiện môi trường nước và sức khỏe cộng đồng tại Việt Nam.