Tổng quan nghiên cứu

Nước thải tập trung từ các khu công nghiệp (KCN) tại Việt Nam, đặc biệt là KCN Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh, đang đặt ra nhiều thách thức về xử lý do tính biến động lớn về lưu lượng và nồng độ ô nhiễm. Theo báo cáo, đến cuối năm 2011, cả nước có 283 KCN, trong đó chỉ khoảng 72% có trạm xử lý nước thải tập trung, nhưng nhiều trạm hoạt động kém hiệu quả. Nước thải KCN chứa đa dạng các chất hữu cơ, vô cơ, chất rắn lơ lửng, kim loại nặng và các hợp chất độc hại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nếu không được xử lý đúng cách.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tập trung KCN bằng công nghệ kết hợp giữa bể phản ứng sinh học theo mẻ (SBR) truyền thống và giá thể Biofringe của công nghệ Swim-bed, gọi tắt là mô hình BF-SBR. Nghiên cứu tập trung vào hiệu suất xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm chính như COD, NH4+-N, tổng Nitơ (TN) và tổng Photpho (TP) ở các tải trọng hữu cơ khác nhau (0,64; 0,75; 0,96 và 1,28 kg COD/m³/ngày) với các chu kỳ vận hành từ 12 đến 6 giờ.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình thí nghiệm quy mô phòng lab với thể tích 9 lít, sử dụng nước thải lấy từ trạm xử lý nước thải tập trung KCN Tân Bình, vận hành trong điều kiện nhiệt độ phòng 30-32°C. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, giảm chi phí vận hành và lượng bùn thải, đồng thời giúp các KCN đáp ứng các quy chuẩn môi trường quốc gia như QCVN 40:2011/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: quá trình nitrat hóa và quá trình khử photpho trong xử lý sinh học nước thải. Quá trình nitrat hóa gồm hai bước oxy hóa amoni (NH4+) thành nitrit (NO2-) và sau đó thành nitrat (NO3-), chịu ảnh hưởng bởi pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan (DO) và các chất độc hại. Quá trình khử photpho sinh học dựa trên hoạt động của vi sinh vật tích lũy photpho (PAOs), trải qua các giai đoạn thiếu khí, yếm khí và hiếu khí để hấp thụ và giải phóng photpho, từ đó giảm nồng độ TP trong nước thải.

Mô hình BF-SBR kết hợp công nghệ Swim-bed sử dụng giá thể Biofringe (sợi acrylic) có khả năng giữ lại lượng lớn sinh khối vi sinh vật, tăng cường sự tiếp xúc giữa vi sinh và chất ô nhiễm, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh trưởng và hoạt động của vi sinh vật. Giá thể Biofringe có đặc tính cơ học và hóa học ổn định, chịu được môi trường axit, kiềm và nhiệt độ vận hành.

Ba khái niệm chính được áp dụng trong nghiên cứu gồm:

  • COD (Chemical Oxygen Demand): chỉ tiêu đánh giá lượng chất hữu cơ trong nước thải.
  • MLSS (Mixed Liquor Suspended Solids): hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng, phản ánh sinh khối vi sinh vật.
  • SVI (Sludge Volume Index): chỉ số thể tích bùn, đánh giá khả năng lắng của bùn hoạt tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải lấy từ hố thu của trạm xử lý nước thải tập trung KCN Tân Bình, với nồng độ COD dao động từ 469 đến 595 mg/L, NH4+-N khoảng 23 mg/L, TN 57 mg/L và TP 9 mg/L. Mô hình thí nghiệm gồm hai bể acrylic thể tích 9 lít: một bể có giá thể Biofringe (mô hình BF-SBR) và một bể không có giá thể (mô hình SBR truyền thống) làm đối chứng.

Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu nước thải đầu vào và đầu ra theo chu kỳ vận hành của bể, với 4 tải trọng hữu cơ lần lượt là 0,64; 0,75; 0,96 và 1,28 kg COD/m³/ngày, tương ứng với thời gian lưu nước (HRT) giảm dần từ 12 giờ xuống 6 giờ. Các chỉ tiêu phân tích gồm pH, COD, SS, NH4+-N, NO3--N, NO2--N, TN, TP, MLSS được thực hiện theo tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA).

Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel để tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và xây dựng đồ thị minh họa. Độ tin cậy của số liệu thực nghiệm đạt mức 95-98%. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 3/2014 đến tháng 7/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý COD: Mô hình BF-SBR kết hợp giá thể Biofringe cho hiệu suất xử lý COD cao hơn mô hình SBR truyền thống ở tất cả các tải trọng. Cụ thể, tại tải trọng 0,64 kg COD/m³/ngày, hiệu suất xử lý COD đạt 92%, trong khi mô hình SBR truyền thống thấp hơn khoảng 5-7%. Ở tải trọng 0,96 kg COD/m³/ngày, hiệu suất BF-SBR vẫn duy trì ở mức 88%.

  2. Hiệu quả xử lý NH4+-N và TN: Mô hình BF-SBR xử lý NH4+-N đạt hiệu suất 87% tại tải trọng 0,64 kg COD/m³/ngày, cao hơn mô hình SBR truyền thống khoảng 8%. Hiệu quả xử lý tổng Nitơ (TN) cũng đạt 88% ở tải trọng này, giảm nhẹ khi tăng tải trọng nhưng vẫn vượt trội so với mô hình đối chứng.

  3. Hiệu quả xử lý TP: Hiệu suất xử lý tổng Photpho (TP) của BF-SBR đạt 63% ở tải trọng 0,64 kg COD/m³/ngày, giảm còn 59% ở tải trọng 0,96 kg COD/m³/ngày. Mức này cao hơn đáng kể so với mô hình SBR truyền thống, giúp nước thải sau xử lý đạt giới hạn cột A của QCVN 40:2011/BTNMT.

  4. Độ ổn định và khả năng chịu tải: Ở tải trọng cao nhất 1,28 kg COD/m³/ngày, nước thải sau xử lý của BF-SBR vẫn nằm trong giới hạn cột B của QCVN, cho thấy mô hình có khả năng chịu sốc tải tốt và vận hành ổn định hơn so với SBR truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội là do giá thể Biofringe cung cấp bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính, tăng mật độ sinh khối và cải thiện quá trình trao đổi chất. Chuyển động "swimming" của sợi Biofringe giúp tăng cường tiếp xúc giữa vi sinh và chất ô nhiễm, đồng thời giảm thiểu hiện tượng bùn lơ lửng và tăng khả năng lắng của bùn (SVI thấp).

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả này phù hợp với báo cáo của Yingjun Cheng (2006) về hiệu quả xử lý COD trên 80% và giảm lượng bùn sinh ra khi sử dụng công nghệ Swim-bed. Ngoài ra, khả năng xử lý nitơ và photpho cũng được cải thiện rõ rệt, góp phần giúp các KCN đáp ứng tiêu chuẩn môi trường nghiêm ngặt hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất xử lý COD, NH4+-N, TN và TP giữa hai mô hình ở các tải trọng khác nhau, cũng như bảng tổng hợp nồng độ đầu vào và đầu ra theo từng chu kỳ vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ BF-SBR tại các trạm xử lý nước thải tập trung KCN: Động viên các KCN nâng cấp hệ thống xử lý hiện tại bằng cách bổ sung giá thể Biofringe để tăng hiệu quả xử lý hữu cơ và dinh dưỡng, đặc biệt là nitơ và photpho. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 12-18 tháng, chủ thể là các đơn vị quản lý KCN và nhà đầu tư công nghệ.

  2. Tăng cường giám sát và điều chỉnh vận hành: Thiết lập hệ thống giám sát tự động các chỉ tiêu COD, NH4+-N, TN, TP và pH để điều chỉnh chu kỳ vận hành phù hợp với tải trọng biến động, đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định. Thời gian triển khai 6-12 tháng, do đơn vị vận hành trạm xử lý thực hiện.

  3. Đào tạo nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ Swim-bed và quản lý vận hành mô hình BF-SBR cho kỹ thuật viên và cán bộ quản lý nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

  4. Nghiên cứu mở rộng và tối ưu hóa công nghệ: Tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô thực tế, tối ưu hóa thiết kế giá thể và điều kiện vận hành để nâng cao hiệu suất xử lý và giảm chi phí vận hành. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, do các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý KCN và cơ quan môi trường: Giúp hiểu rõ về công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, từ đó xây dựng chính sách và quy định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng môi trường trong các KCN.

  2. Doanh nghiệp vận hành trạm xử lý nước thải: Cung cấp kiến thức và giải pháp công nghệ mới giúp cải thiện hiệu quả xử lý, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Môi trường: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng công nghệ Swim-bed kết hợp SBR trong xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích khoa học.

  4. Nhà cung cấp thiết bị và công nghệ xử lý nước thải: Giúp phát triển và hoàn thiện sản phẩm, dịch vụ phù hợp với nhu cầu thực tế của các KCN, nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ BF-SBR khác gì so với SBR truyền thống?
    BF-SBR kết hợp giá thể Biofringe giúp tăng diện tích bám dính vi sinh, cải thiện hiệu quả xử lý COD, nitơ và photpho, đồng thời tăng khả năng chịu sốc tải và ổn định vận hành so với SBR truyền thống.

  2. Hiệu quả xử lý COD của BF-SBR đạt bao nhiêu phần trăm?
    Ở tải trọng 0,64 kg COD/m³/ngày, hiệu suất xử lý COD của BF-SBR đạt khoảng 92%, cao hơn 5-7% so với SBR truyền thống.

  3. Giá thể Biofringe có đặc điểm gì nổi bật?
    Biofringe là sợi acrylic có độ bền cơ học và hóa học cao, khả năng giữ lại lượng lớn sinh khối vi sinh vật, đồng thời tạo chuyển động "swimming" giúp tăng cường tiếp xúc giữa vi sinh và chất ô nhiễm.

  4. Mô hình nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại nước thải khác không?
    Mô hình có tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho các loại nước thải công nghiệp có thành phần hữu cơ và dinh dưỡng tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh thông số vận hành phù hợp từng loại nước thải.

  5. Làm thế nào để giảm lượng bùn sinh ra trong quá trình xử lý?
    Công nghệ Swim-bed với giá thể Biofringe giúp tăng tỷ lệ polymer ngoại bào trong sinh khối, làm giảm sản lượng bùn thải so với công nghệ bùn hoạt tính truyền thống, từ đó giảm chi phí xử lý bùn.

Kết luận

  • Mô hình BF-SBR kết hợp giá thể Biofringe nâng cao hiệu quả xử lý COD, NH4+-N, TN và TP so với SBR truyền thống, đạt hiệu suất xử lý trên 88% ở tải trọng hữu cơ 0,96 kg COD/m³/ngày.
  • Nước thải sau xử lý bằng BF-SBR đáp ứng các giới hạn của QCVN 40:2011/BTNMT, đặc biệt ở các chỉ tiêu nitơ và photpho.
  • Công nghệ Swim-bed giúp tăng cường sự ổn định vận hành, khả năng chịu sốc tải và giảm lượng bùn sinh ra, góp phần giảm chi phí vận hành.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để áp dụng công nghệ BF-SBR trong xử lý nước thải tập trung KCN tại Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai áp dụng công nghệ trong vòng 12-18 tháng, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và tối ưu hóa để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý KCN và nhà đầu tư công nghệ nên phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế mô hình BF-SBR, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành để đảm bảo hiệu quả lâu dài và bền vững trong xử lý nước thải công nghiệp.