Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng ô nhiễm nước thải đô thị tại Việt Nam ngày càng nghiêm trọng do tốc độ đô thị hóa nhanh chóng, đặc biệt tại các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội và Đà Nẵng. Đến năm 2012, chỉ khoảng 10% lượng nước thải đô thị, tương đương 530.000 m³/ngày, được xử lý, trong khi tổng lượng nước thải phát sinh rất lớn với trên 90 triệu dân. Nước thải từ hệ thống thoát nước riêng có mức độ ô nhiễm cao hơn so với hệ thống thoát nước chung, với nồng độ BOD trung bình lên đến 358 mg/L, gấp hơn 5 lần so với hệ thống chung. Việc xử lý các thành phần hữu cơ và dinh dưỡng (nitơ, photpho) trong nước thải đô thị là một thách thức lớn, đặc biệt khi các nhà máy xử lý hiện tại chưa đáp ứng được các quy chuẩn môi trường quốc gia.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiệu quả xử lý thành phần hữu cơ (COD) và thành phần dinh dưỡng (N, P) của hệ thống thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS (Integrated Fixed Film Activated Sludge) quy mô phòng thí nghiệm, vận hành với các tải trọng hữu cơ từ 0,3 đến 1,7 kgCOD/m³.ngày. Nghiên cứu được thực hiện tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Sinh học và Môi trường, TP. Hồ Chí Minh, sử dụng nước thải đô thị lấy từ thượng nguồn Suối Cái, quận Thủ Đức. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải đô thị hiệu quả, ổn định và tiết kiệm chi phí, góp phần nâng cao chất lượng môi trường nước tại các đô thị Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ IFAS là sự kết hợp giữa quá trình sinh trưởng lơ lửng của bùn hoạt tính truyền thống và màng sinh học bám dính trên giá thể cố định hoặc di động. Quá trình xử lý nước thải trong IFAS bao gồm các giai đoạn sinh học thiếu khí và hiếu khí nối tiếp, tận dụng khả năng khử nitrat trong ngăn thiếu khí và nitrat hóa trong ngăn hiếu khí. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Quá trình nitrat hóa: oxy hóa amoni (NH₄⁺) thành nitrat (NO₃⁻) bởi vi sinh vật tự dưỡng như Nitrosomonas và Nitrobacter trong điều kiện hiếu khí.
  • Quá trình khử nitrat: chuyển nitrat thành khí nitơ (N₂) trong điều kiện thiếu khí, giúp loại bỏ nitơ khỏi nước thải.
  • Xử lý photpho: dựa trên hoạt động của vi sinh vật tích lũy photpho (PAOs) trong điều kiện thiếu khí và hiếu khí, hấp thu và giải phóng photpho nhằm loại bỏ photpho hiệu quả.
  • Màng sinh học (biofilm): lớp vi sinh vật bám dính trên bề mặt giá thể, tạo ra vùng hiếu khí và thiếu khí trong cùng một hệ thống, tăng cường hiệu quả xử lý.

So sánh công nghệ IFAS với MBBR cho thấy IFAS có ưu điểm vận hành đơn giản, hiệu quả xử lý nitơ và photpho cao hơn, đồng thời giảm lượng bùn sinh ra và tiêu thụ điện năng thấp hơn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình phòng thí nghiệm gồm ba ngăn: ngăn thiếu khí với giá thể cố định FXP (thể tích 4,5 lít), ngăn hiếu khí IFAS với giá thể di động Mutag Biochip™ (thể tích 12,7 lít) và ngăn lắng thứ cấp (thể tích 5 lít). Nước thải đầu vào lấy tại thượng nguồn Suối Cái, quận Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh, có nồng độ COD trung bình khoảng 400 mg/L.

Mô hình vận hành với các tải trọng hữu cơ tăng dần từ 0,3 đến 1,7 kgCOD/m³.ngày, tương ứng với thời gian lưu nước giảm từ 19,1 đến 5,7 giờ, tỷ lệ tuần hoàn nước giữ cố định 200%. Các chỉ tiêu môi trường được phân tích gồm pH, COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, tổng nitơ (TN), tổng photpho (TP), DO và MLSS tại các ngăn. Cỡ mẫu lấy theo định kỳ trong suốt 25 ngày vận hành mỗi giai đoạn tải trọng.

Phương pháp phân tích tuân thủ tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế (Standard Methods). Dữ liệu được xử lý thống kê bằng phần mềm Excel, đánh giá hiệu quả xử lý qua tỷ lệ loại bỏ các chỉ tiêu ô nhiễm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD): Hệ thống IFAS đạt hiệu suất loại bỏ COD trung bình từ 82,45% đến 94,06% khi tải trọng hữu cơ tăng từ 0,5 đến 1,7 kgCOD/m³.ngày. Ở các tải trọng 0,5; 0,8 và 1,1 kgCOD/m³.ngày, nồng độ COD đầu ra nằm trong giới hạn cột A của QCVN 40:2011/BTNMT, còn ở tải trọng 1,4 và 1,7 kgCOD/m³.ngày, nằm trong giới hạn cột B.

  2. Hiệu quả xử lý nitơ (N): Khả năng loại bỏ nitơ cao, với tỷ lệ trung bình từ 77,55% đến 86,79%. Nồng độ NH₄⁺-N, NO₃⁻-N và tổng nitơ đầu ra đều nằm trong giới hạn quy chuẩn quốc gia tương ứng với từng tải trọng. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat diễn ra hiệu quả nhờ sự phối hợp giữa ngăn thiếu khí và hiếu khí.

  3. Hiệu quả xử lý photpho (P): Tỷ lệ loại bỏ tổng photpho đạt từ 58,22% đến 72,64%. Mặc dù thấp hơn so với xử lý COD và nitơ, kết quả vẫn đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra phù hợp với quy chuẩn môi trường.

  4. Ổn định vận hành và sinh khối vi sinh vật: Hệ thống vận hành ổn định dù nồng độ COD, NH₄⁺-N, TN và TP đầu vào biến động. Nồng độ MLSS tại ngăn thiếu khí và hiếu khí duy trì ổn định, cho thấy sự linh động của hệ vi sinh vật trong công nghệ IFAS.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của công nghệ IFAS được giải thích bởi sự kết hợp giữa bùn hoạt tính lơ lửng và màng sinh học bám dính trên giá thể, tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình sinh học thiếu khí và hiếu khí diễn ra đồng thời. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả tương đồng hoặc vượt trội, đặc biệt trong việc xử lý nitơ và photpho.

Biểu đồ thể hiện hiệu suất xử lý COD, NH₄⁺-N và TP theo từng tải trọng hữu cơ sẽ minh họa rõ sự tăng giảm hiệu quả xử lý tương ứng với điều kiện vận hành. Bảng so sánh nồng độ các chỉ tiêu đầu vào và đầu ra với quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cũng giúp đánh giá mức độ đạt chuẩn của nước thải sau xử lý.

Kết quả này khẳng định công nghệ IFAS là giải pháp phù hợp cho xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh diện tích xây dựng hạn chế và yêu cầu xử lý chất dinh dưỡng ngày càng cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng công nghệ IFAS trong các hệ thống xử lý nước thải đô thị: Khuyến khích các nhà quản lý và đơn vị vận hành áp dụng công nghệ IFAS để nâng cao hiệu quả xử lý hữu cơ và dinh dưỡng, đặc biệt tại các khu dân cư có hệ thống thoát nước riêng. Thời gian triển khai đề xuất trong vòng 2-3 năm.

  2. Tăng cường nghiên cứu và phát triển giá thể sinh học: Đầu tư nghiên cứu phát triển các loại giá thể có diện tích bề mặt lớn, độ bền cao và phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm tối ưu hóa hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành hệ thống IFAS: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật và quản lý vận hành nhằm đảm bảo vận hành ổn định, kiểm soát tốt các thông số môi trường và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư công nghệ xử lý nước thải tiên tiến: Các cơ quan quản lý nhà nước cần ban hành các chính sách ưu đãi, hỗ trợ tài chính và kỹ thuật cho các dự án xử lý nước thải áp dụng công nghệ IFAS và các công nghệ sinh học tiên tiến khác. Thời gian thực hiện trong giai đoạn kế hoạch phát triển đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Giúp hiểu rõ về công nghệ xử lý nước thải tiên tiến, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch phát triển hệ thống xử lý nước thải phù hợp với điều kiện thực tế.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành nhà máy xử lý nước thải: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ IFAS, các thông số vận hành và cách kiểm soát hiệu quả xử lý, giúp nâng cao chất lượng vận hành.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Môi trường: Là tài liệu tham khảo quý giá về công nghệ xử lý nước thải sinh học, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực môi trường.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý nước thải: Hỗ trợ đánh giá tiềm năng ứng dụng công nghệ IFAS, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả, tiết kiệm chi phí và đáp ứng yêu cầu môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ IFAS là gì và có ưu điểm gì so với công nghệ truyền thống?
    IFAS là công nghệ kết hợp giữa bùn hoạt tính lơ lửng và màng sinh học bám dính trên giá thể. Ưu điểm gồm hiệu quả xử lý cao hơn, đặc biệt trong loại bỏ nitơ và photpho, vận hành ổn định, giảm lượng bùn sinh ra và tiết kiệm diện tích xây dựng.

  2. Tải trọng hữu cơ ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý của hệ thống IFAS?
    Kết quả nghiên cứu cho thấy khi tải trọng hữu cơ tăng từ 0,5 đến 1,7 kgCOD/m³.ngày, hiệu suất xử lý COD giảm nhẹ nhưng vẫn duy trì trên 82%, cho thấy hệ thống có khả năng thích ứng tốt với biến động tải trọng.

  3. Làm thế nào để kiểm soát nồng độ vi sinh vật trong hệ thống IFAS?
    Nồng độ MLSS được kiểm soát thông qua tuần hoàn bùn và xả bùn dư định kỳ. Việc duy trì nồng độ MLSS ổn định giúp đảm bảo hiệu quả xử lý và tránh hiện tượng rửa trôi vi sinh vật trên màng sinh học.

  4. Công nghệ IFAS có phù hợp với điều kiện nước thải đô thị Việt Nam không?
    Có, nghiên cứu cho thấy IFAS phù hợp với đặc điểm nước thải đô thị Việt Nam, đặc biệt là nước thải từ hệ thống thoát nước riêng có nồng độ ô nhiễm cao, giúp đạt chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành công nghệ IFAS như thế nào?
    So với công nghệ truyền thống, IFAS có chi phí đầu tư và vận hành hợp lý do tiết kiệm diện tích và giảm lượng bùn sinh ra. Tuy nhiên, cần đầu tư vào giá thể và thiết bị tuần hoàn bùn để đảm bảo hiệu quả vận hành.

Kết luận

  • Công nghệ thiếu khí kết hợp hiếu khí IFAS đạt hiệu quả xử lý cao với tỷ lệ loại bỏ COD trung bình 82,45% - 94,06%, nitơ 77,55% - 86,79% và photpho 58,22% - 72,64%.
  • Nước thải sau xử lý tại các tải trọng thấp đạt tiêu chuẩn cột A, còn tải trọng cao đạt tiêu chuẩn cột B của QCVN 40:2011/BTNMT.
  • Hệ thống vận hành ổn định, linh hoạt trước biến động nồng độ ô nhiễm đầu vào nhờ sự phối hợp giữa bùn hoạt tính và màng sinh học.
  • Công nghệ IFAS phù hợp để ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt đô thị tại Việt Nam, góp phần cải thiện chất lượng môi trường nước.
  • Đề xuất triển khai nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa giá thể và quy trình vận hành nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và giảm chi phí.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý và vận hành cần xem xét áp dụng công nghệ IFAS trong các dự án xử lý nước thải đô thị, đồng thời tăng cường đào tạo và nghiên cứu phát triển công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam.