Tổng quan nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh đang là vấn đề môi trường nghiêm trọng với khoảng 60% lượng nước thải chỉ được xử lý sơ bộ trước khi xả ra môi trường. Theo ước tính, lượng nước thải sinh hoạt phát sinh hàng ngày tại thành phố lên đến hàng trăm nghìn mét khối, gây áp lực lớn lên hệ thống xử lý và nguồn tiếp nhận. Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Down-flow Hanging Media Reactor (DHM) để xử lý nước thải sinh hoạt, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm như TCOD, TBOD, SS, N, P và tổng Coliform. Thí nghiệm được thực hiện trên quy mô pilot tại khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, sử dụng nguồn nước thải lấy từ khu vực căn tin C6. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba loại vật liệu giá thể Bio-Sponge, Bio-Cord và Bio-Cloth, vận hành với các tỉ số tuần hoàn nội bộ IR=1, IR=2 và IR=3. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn hướng tới giải pháp xử lý nước thải sinh hoạt tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp và có tính ứng dụng cao trong các khu dân cư, trường học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về quá trình sinh trưởng dính bám của vi sinh vật trong xử lý nước thải sinh hoạt, bao gồm:

  • Quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa: Vi sinh vật hiếu khí như Nitrosomonas và Nitrobacter oxy hóa NH₄⁺ thành NO₂⁻ và NO₃⁻, trong khi vi sinh vật thiếu khí thực hiện khử nitrate thành khí N₂, giúp loại bỏ Nitơ hiệu quả.
  • Màng vi sinh (Biofilm): Cấu trúc màng vi sinh gồm lớp hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí, tạo điều kiện cho các quá trình oxy hóa và khử nitrat diễn ra đồng thời trên bề mặt giá thể.
  • Cơ chế hấp thụ và lọc sinh học: Giá thể treo trong DHM tạo môi trường cho vi sinh vật phát triển, hấp thụ các chất hữu cơ và vi sinh vật gây bệnh, đồng thời giữ lại bùn và các hạt lơ lửng.

Ba khái niệm chính được sử dụng là: Thời gian lưu nước thủy lực (HRT), Tải trọng thủy lực (HLR), và Tỉ số tuần hoàn nội bộ (IR), ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thí nghiệm pilot tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, sử dụng nước thải sinh hoạt thực tế lấy từ khu vực căn tin C6. Cỡ mẫu gồm ba mô hình DHM với các loại giá thể Bio-Sponge, Bio-Cord và Bio-Cloth, vận hành ở các tỉ số tuần hoàn IR=1, IR=2 và IR=3. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu nước thải đầu vào và đầu ra định kỳ để phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm như TCOD, TBOD, SS, NH₄⁺-N, tổng Nitơ, Photpho tổng số và tổng Coliform.

Phân tích số liệu sử dụng các phương pháp hóa lý và vi sinh tiêu chuẩn, kết hợp quan sát sinh khối bùn và nguyên sinh động vật trên giá thể để đánh giá hiệu quả xử lý và sự phát triển của vi sinh vật. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2013 đến tháng 7/2014, với các giai đoạn vận hành và điều chỉnh tỉ số tuần hoàn nhằm tối ưu hóa hiệu suất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý của ba mô hình DHM ở IR=1: Cả ba mô hình Bio-Sponge, Bio-Cord và Bio-Cloth cho hiệu quả xử lý tương đương về mặt thống kê với hiệu suất loại bỏ TCOD đạt khoảng 70-75%, TBOD đạt 80-85%, SS đạt trên 70%, TP khoảng 8-14% và tổng Coliform đạt trên 99%. Tuy nhiên, Bio-Sponge cho thấy tính ổn định và khả năng vận hành lâu dài tốt hơn so với hai loại giá thể còn lại.

  2. Ảnh hưởng của tỉ số tuần hoàn IR: Mô hình Bio-Sponge vận hành ở IR=2 đạt hiệu quả xử lý tối ưu với HRT 0,97 giờ và HLR 6,6 m³/m².ngày. Hiệu suất loại bỏ TCOD, TBOD, SS, TP và tổng Coliform lần lượt là 72±8%, 85±4%, 76,1±10%, 8±14% và 99,2±1,7% (3,5±1,5 log₁₀). Khả năng loại bỏ NH₄⁺-N và tổng Nitơ đạt 78,9±7% và 36,1±13%. Tỉ số tuần hoàn IR=3 không cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý so với IR=2.

  3. Tăng độ kiềm và xử lý NH₄⁺-N dư: Ở giai đoạn 4, khi tăng độ kiềm và vận hành ở IR=2, hiệu suất loại bỏ NH₄⁺-N tăng lên 93,7±1,9%, tổng Nitơ đạt 43%. Các chỉ tiêu khác như TCOD, TBOD, SS, TP và tổng Coliform cũng được cải thiện nhẹ, đạt lần lượt 73±2%, 84±4%, 81,2±6%, 18,2±19,2% và 99,98±0,04% (4,8±0,9 log₁₀).

  4. Sinh khối bùn và nguyên sinh động vật: Sinh khối bùn trên giá thể Bio-Sponge đạt 23,5±0,5 gTS/m³ với thời gian lưu bùn (SRT) lên đến 215 ngày, sản lượng bùn thấp 0,04 gVSS/gTCOD. Nguyên sinh động vật đa dạng, tập trung nhiều ở vị trí trên đỉnh giá thể với các loài Amoebae và Ciliata, góp phần loại bỏ vi khuẩn gây bệnh như Coliform gần như hoàn toàn.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của mô hình Bio-Sponge nhờ đặc tính vật liệu có độ rỗng lớn, khả năng giữ nước và tạo môi trường thuận lợi cho màng vi sinh phát triển. Tỉ số tuần hoàn IR=2 cân bằng tốt giữa thời gian tiếp xúc và khả năng tái sử dụng nước, giúp tăng hiệu suất xử lý mà không làm tăng chi phí vận hành quá mức. Việc tăng độ kiềm hỗ trợ quá trình nitrat hóa, giúp loại bỏ NH₄⁺-N hiệu quả hơn, phù hợp với các điều kiện nước thải sinh hoạt có tính axit nhẹ.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về hiệu suất xử lý NH₄⁺-N và tổng Nitơ, đồng thời lượng bùn sinh ra thấp hơn nhiều so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống. Quan sát nguyên sinh động vật cho thấy vai trò quan trọng của hệ sinh thái vi sinh trong việc kiểm soát vi khuẩn gây bệnh, góp phần nâng cao chất lượng nước đầu ra.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hiệu suất xử lý theo từng tỉ số tuần hoàn, bảng so sánh nồng độ các chỉ tiêu đầu vào và đầu ra, cũng như hình ảnh quan sát sinh khối và nguyên sinh động vật trên giá thể.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình DHM Bio-Sponge với tỉ số tuần hoàn IR=2 trong các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư và trường học nhằm đạt hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm diện tích và chi phí vận hành. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng cho giai đoạn thử nghiệm và mở rộng.

  2. Tăng cường kiểm soát và điều chỉnh độ kiềm trong hệ thống xử lý để nâng cao hiệu quả loại bỏ NH₄⁺-N, đặc biệt trong các khu vực có nước thải có tính axit hoặc biến động pH. Chủ thể thực hiện là các đơn vị vận hành trạm xử lý và cơ quan quản lý môi trường.

  3. Xây dựng quy trình quan trắc sinh khối và nguyên sinh động vật định kỳ để đánh giá sức khỏe hệ thống vi sinh, từ đó điều chỉnh vận hành phù hợp nhằm duy trì hiệu suất xử lý ổn định. Thời gian thực hiện hàng quý.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển thêm các loại vật liệu giá thể mới có tính năng tương tự hoặc vượt trội Bio-Sponge nhằm đa dạng hóa lựa chọn và tối ưu hóa chi phí đầu tư. Các viện nghiên cứu và trường đại học là chủ thể chính thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách và quy hoạch hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hiệu quả, tiết kiệm chi phí.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ môi trường: Áp dụng công nghệ DHM Bio-Sponge trong thiết kế và vận hành các trạm xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa, đặc biệt tại các khu dân cư và trường học.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và phân tích để phát triển các công trình nghiên cứu tiếp theo về xử lý nước thải sinh hoạt.

  4. Các doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xử lý nước thải: Đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ DHM để đầu tư xây dựng các hệ thống xử lý nước thải tiết kiệm năng lượng và chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ DHM có ưu điểm gì so với công nghệ xử lý nước thải truyền thống?
    Công nghệ DHM sử dụng giá thể treo giúp tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật phát triển, tiết kiệm diện tích xây dựng, không cần cấp khí ngoài, giảm lượng bùn sinh ra và chi phí vận hành thấp. Ví dụ, mô hình Bio-Sponge đạt hiệu suất loại bỏ TCOD trên 70% với thời gian lưu nước dưới 1 giờ.

  2. Tỉ số tuần hoàn nội bộ (IR) ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Tỉ số tuần hoàn IR=2 được xác định là tối ưu trong nghiên cứu, cân bằng giữa thời gian tiếp xúc và khả năng tái sử dụng nước, giúp tăng hiệu suất xử lý NH₄⁺-N lên gần 79% so với IR=1 hoặc IR=3.

  3. Làm thế nào để xử lý NH₄⁺-N dư trong nước thải?
    Tăng độ kiềm trong hệ thống giúp thúc đẩy quá trình nitrat hóa, nâng cao hiệu quả loại bỏ NH₄⁺-N lên trên 93%. Đây là giải pháp được áp dụng trong giai đoạn 4 của nghiên cứu.

  4. Sinh khối bùn và nguyên sinh động vật có vai trò gì trong hệ thống DHM?
    Sinh khối bùn tích lũy trên giá thể tạo điều kiện cho vi sinh vật nitrat hóa phát triển, trong khi nguyên sinh động vật như Amoebae và Ciliata giúp kiểm soát vi khuẩn gây bệnh, góp phần làm sạch nước đầu ra.

  5. Công nghệ DHM có thể áp dụng ở đâu?
    DHM phù hợp cho xử lý nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư nhỏ, trường học, ký túc xá và các công trình dịch vụ công cộng, nơi có diện tích hạn chế và yêu cầu chi phí vận hành thấp.

Kết luận

  • Công nghệ DHM với giá thể Bio-Sponge cho hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt cao, ổn định với tỉ số tuần hoàn IR=2 là tối ưu.
  • Hiệu suất loại bỏ TCOD, TBOD, SS, TP và tổng Coliform đạt trên 70%, trong đó loại bỏ NH₄⁺-N lên đến 93,7% khi tăng độ kiềm.
  • Sinh khối bùn tích lũy lớn với thời gian lưu bùn dài giúp duy trì hoạt động vi sinh ổn định, đồng thời nguyên sinh động vật góp phần kiểm soát vi khuẩn gây bệnh.
  • Nghiên cứu cung cấp giải pháp xử lý nước thải sinh hoạt tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện thực tế tại các đô thị Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ DHM trong các hệ thống xử lý nước thải quy mô nhỏ và vừa, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển vật liệu giá thể mới để nâng cao hiệu quả xử lý.

Hành động tiếp theo là thử nghiệm mở rộng quy mô và phối hợp với các đơn vị quản lý môi trường để đưa công nghệ vào ứng dụng thực tế, góp phần cải thiện chất lượng môi trường nước đô thị.