Những điều cần biết về xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

1. Thế nào là xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một quá trình sử dụng vi sinh vật và các quá trình sinh học tự nhiên để loại bỏ hoặc biến đổi các chất ô nhiễm trong nước thải thành các sản phẩm không gây hại hoặc giảm đáng kể chúng đến mức an toàn cho môi trường. Phương pháp này tận dụng khả năng của các vi sinh vật như vi khuẩn, vi rút, các tảo, và các quá trình tự nhiên như chuyển hóa  và kết tủa để xử lý nước thải.

2. Cơ chế hoạt động của quá trình sinh học trong xử lý nước thải

Cơ chế hoạt động của quá trình sinh học trong xử lý nước thải liên quan đến sự tương tác giữa các vi sinh vật như vi khuẩn, vi rút, tảo và các quá trình sinh học tự nhiên để loại bỏ hoặc biến đổi các chất ô nhiễm trong nước thải. Dưới đây là một số cơ chế hoạt động chính của quá trình sinh học trong xử lý nước thải:

Xử lý các chất hữu cơ (Biodegradation):

Các vi khuẩn và vi sinh vật khác trong nước thải có khả năng xử lý các chất hữu cơ như các chất hữu cơ phức tạp, dầu mỡ, protein và các chất hữu cơ khác. Quá trình xử lý này thường liên quan đến việc vi khuẩn chuyển hóa các chất hữu cơ thành sản phẩm như CO2, nước, các chất hữu cơ đơn giản hơn và bùn sinh học.

Xử lý chất nitơ và phốtpho (Nitrogen and Phosphorus Removal):

Các vi khuẩn và vi sinh vật khác có khả năng xử lý các hợp chất nitơ và phốtpho trong nước thải, như amonia, nitrat, nitrit và phốtpho hữu cơ. Các vi khuẩn chuyển hóa nitrat hoặc nitrite chúng thành nitơ khí và các vi khuẩn phốt pho chuyển hóa phốt pho thành bùn sinh học, giúp loại bỏ các chất này khỏi nước thải.

Kết tủa sinh học (Biological Precipitation):

Các vi khuẩn trong quá trình sinh học có thể tạo ra các điều kiện để các chất ô nhiễm kết tụ lại thành các cặn không tan. Ví dụ, vi khuẩn sulfat khử có khả năng giảm sulfat thành sulfua, tạo điều kiện để kim loại nặng như sắt và kim loại đa chức năng như selen kết tụ thành các hạt không tan.

Sinh học bùn khuấy trộn kép (Sequencing Batch Reactor - SBR):

Quá trình SBR kết hợp các giai đoạn khác nhau trong một bể duy nhất, trong đó các vi khuẩn chuyển hóa các chất hữu cơ, nitơ và phốt pho. Quá trình được điều khiển bằng cách thay đổi thời gian và chu kỳ hoạt động của các giai đoạn, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình sinh học.

Hố lấp sinh học (Constructed Wetlands):

Hố lấp sinh học sử dụng các thảm thực vật và môi trường ẩm ướt để cung cấp điều kiện phù hợp cho vi khuẩn và vi sinh vật khác để chuyển hóa các chất hữu cơ và loại bỏ các chất ô nhiễm như nitơ và phốt pho.

Cơ chế hoạt động của quá trình sinh học thường phụ thuộc vào loại vi sinh vật có trong môi trường xử lý, điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, lượng oxy hòa tan, cơ chế tương tác giữa chúng và loại chất ô nhiễm có trong nước thải. Các quá trình này hoạt động cùng nhau để giảm thiểu tác động của các chất ô nhiễm đến môi trường và tạo ra nước thải được xử lý có chất lượng tốt hơn.

3. Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải

3.1 Phương pháp nhân tạo

Hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học thường bao gồm nhiều bước và các cấu phần khác nhau để đảm bảo quá trình xử lý hiệu quả. Dưới đây là một ví dụ về cấu tạo cơ bản của hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

- Bể xử lý tiền xử lý: Nước thải đầu vào thường được đưa vào bể xử lý tiền xử lý để loại bỏ các tạp chất lớn, như rác thải, cát, đất và các tạp chất hữu cơ khác. Các bước tiền xử lý có thể bao gồm sàng lọc cơ học, chất lọc và cân bằng pH.

- Bể xử lý sinh học: Sau khi qua bước tiền xử lý, nước thải được đưa vào bể xử lý sinh học, nơi các quá trình sinh học diễn ra để loại bỏ các chất ô nhiễm. Bể này thường bao gồm các khu vực khác nhau với điều kiện môi trường khác nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn và vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ.

a. Bể kỵ khí (Anaerobic Tank): Nếu hệ thống sử dụng phương pháp anaerobic, bể kỵ khí sẽ có môi trường thiếu oxy để tạo điều kiện cho vi khuẩn anaerobic phân hủy các chất hữu cơ thành khí metan và các sản phẩm phân giải khác.

b. Bể thiếu khí (Anoxic Tank): Trong một số trường hợp, có thể có bể thiếu khí để loại bỏ các chất ô nhiễm khác như nitrat. Vi khuẩn trong bể này sẽ sử dụng các chất ô nhiễm thay vì oxy để tiến hành quá trình xử lý.

c. Bể hiếu khí (Aerated Tank): Bể hiếu khí cung cấp khí oxy cho vi khuẩn aerobic để tạo điều kiện cho vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ thành nước, CO2 và các sản phẩm phân giải khác.

- Bể kết tủa và lắng: Sau giai đoạn xử lý sinh học, nước thải được đưa vào bể kết tủa và lắng để loại bỏ các tạp chất lơ lửng còn lại. Trong quá trình này, các hạt tụ tập lại và lắng xuống đáy bể.

- Bể chứa nước đã xử lý: Nước đã qua quá trình xử lý sinh học và lắng tụ được đưa vào bể chứa cuối cùng trước khi được xả ra môi trường hoặc sử dụng lại.

- Hệ thống điều khiển và giám sát: Hệ thống xử lý nước thải thường được điều khiển và giám sát bằng các thiết bị và công nghệ để đảm bảo quá trình xử lý diễn ra theo đúng thông số và đáp ứng các yêu cầu môi trường.

Cấu tạo của hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học có thể thay đổi tùy theo quy mô và yêu cầu cụ thể của từng dự án.

3.2. Xử lý nước thải bằng hệ thống sinh thái

Hệ thống hồ sinh thái và hệ thống bãi lọc vi sinh là hai phương pháp xử lý nước thải sử dụng quá trình sinh học và vi sinh vật để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải. Dưới đây là mô tả chi tiết về mỗi phương pháp:

Hệ thống hồ sinh thái (Ecological Pond System):

Hệ thống hồ sinh thái là một hệ thống xử lý nước thải sử dụng môi trường tự nhiên, bao gồm các hồ nước và các loài thực vật và động vật sống trong môi trường này. Quá trình xử lý nước thải trong hệ thống hồ sinh thái diễn ra thông qua các quá trình sinh học tự nhiên như chuyển hóa hữu cơ, hấp thụ chất dinh dưỡng bởi thực vật, và cơ chế sinh thái tự cân bằng.

Nước thải được đổ vào các hồ trong hệ thống, và các loài thực vật như cây cỏ, tảo và vi khuẩn trong hồ bắt đầu chuyển hóa các chất hữu cơ và hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitơ và phốtpho. Các loài động vật sống trong hồ cũng đóng góp vào quá trình xử lý bằng cách chuyển hóa các tế bào vi khuẩn và các chất hữu cơ khác.

Quá trình sinh thái tự nhiên trong hệ thống hồ sinh thái tạo ra một môi trường cân bằng giữa các loại thực vật và động vật, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước thải.

Hệ thống bãi lọc vi sinh (Biofilter System):

Hệ thống bãi lọc vi sinh là một phương pháp xử lý nước thải sử dụng vi khuẩn và vi sinh vật để loại bỏ các chất ô nhiễm. Hệ thống này thường bao gồm một bể cứa chất liệu lọc như cát, đá vụn hoặc các loại vật liệu lọc khác. Trong bể lọc này, vi khuẩn và vi sinh vật chuyển hóa các chất hữu cơ và loại bỏ các chất dinh dưỡng.

Nước thải được đổ vào bể lọc và thông qua chất liệu lọc. Các vi khuẩn và vi sinh vật trong chất liệu lọc chuyển hóa các chất ô nhiễm như trong quá trình sinh thái tự nhiên. Sau đó, nước thải được thoát ra khỏi hệ thống với chất lượng tốt hơn.

Cả hệ thống hồ sinh thái và hệ thống bãi lọc vi sinh đều tận dụng khả năng của vi sinh vật và quá trình sinh học để loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước thải. Đồng thời, chúng cũng là các phương pháp có thể sử dụng các thành phần tự nhiên trong quá trình xử lý, giảm thiểu tác động tiêu cực đối với môi trường.

3.  Các phương pháp xử lý bùn thải tạo ra sau quá trình xử lý sinh học

Xử lý bùn sinh học là một phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải. Bùn sinh học là sản phẩm phụ của các quá trình sinh học trong các hệ thống xử lý nước thải, và việc quản lý và xử lý bùn sinh học đảm bảo rằng chất thải này không gây ô nhiễm và có thể được loại bỏ một cách an toàn. Dưới đây là một số phương pháp xử lý bùn sinh học trong xử lý nước thải:

Xử lý bùn hệ thống bùn hoạt tính (Activated Sludge Sludge Treatment):

Bùn sinh học từ hệ thống bùn hoạt tính thường được xử lý bằng cách dùng một phần bùn tái sử dụng để khởi đầu vi khuẩn trong giai đoạn xử lý tiếp theo. Phần còn lại của bùn có thể được xử lý qua quá trình khử trùng hoặc thải ra môi trường sau khi đảm bảo rằng nó không gây ô nhiễm.

Xử lý bùn bằng lục bình (Sludge Digestion):

Quá trình xử lý bùn sinh học bằng lục bình là một phương pháp phổ biến để giảm lượng bùn và sản xuất khí metan hữu ích. Trong quá trình này, bùn được đặt trong môi trường thiếu oxy để tạo điều kiện cho vi khuẩn xử lý bùn. Kết quả là lượng bùn giảm đi và khí metan được sản xuất.

Xử lý bùn bằng công nghệ đốt (Sludge Incineration):

Bùn sinh học có thể được đốt để giảm thể tích và khử trùng. Quá trình đốt này còn tạo ra nhiệt năng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho quá trình xử lý nước thải.

Xử lý bùn bằng công nghệ lọc (Sludge Dewatering):

Quá trình lọc bùn giúp loại bỏ nước từ bùn, làm cho bùn trở nên khô hơn và dễ xử lý hơn. Các phương pháp lọc bùn bao gồm lọc áp suất, lọc băng, lọc khung và lọc đĩa.

Xử lý bùn bằng công nghệ biến đổi bùn (Sludge Treatment by Anaerobic Digestion):

Quá trình này sử dụng vi khuẩn khử phân hủy trong môi trường thiếu oxy để chuyển hóa  bùn sinh học. Quá trình này không chỉ giảm thể tích bùn mà còn sản xuất khí metan có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng.

Xử lý bùn sinh học đảm bảo rằng bùn sinh học từ quá trình xử lý nước thải không gây ô nhiễm và có thể được quản lý, xử lý và tiêu hủy một cách an toàn và hiệu quả.

Ứng dụng trong xử lý bùn từ các bể xử lý nước thải

Xử lý bùn là một phần quan trọng trong quá trình xử lý nước thải, để đảm bảo rằng bùn sinh học được quản lý và xử lý một cách an toàn, không gây ô nhiễm và có thể được sử dụng hoặc tiêu hủy một cách hiệu quả. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến của xử lý bùn từ các bể xử lý nước thải:

Tái sử dụng bùn tái sinh (Sludge Reuse):

Bùn từ các bể xử lý nước thải có thể được tái sử dụng để khởi đầu vi khuẩn cho quá trình xử lý nước thải trong giai đoạn tiếp theo. Bùn tái sử dụng giúp tăng hiệu suất xử lý và giảm lượng bùn mới được tạo ra.

Tiêu hủy bùn (Sludge Disposal):

Bùn sinh học có thể bị tiêu hủy bằng cách đốt, tráng khử trùng hoặc xử lý bằng các phương pháp khác để giảm thể tích và loại bỏ các tác nhân gây ô nhiễm.

Xử lý và khử trùng bùn (Sludge Treatment and Disinfection):

Bùn từ các bể xử lý nước thải cần được xử lý và khử trùng trước khi được tiêu hủy hoặc tái sử dụng. Các phương pháp xử lý bùn bao gồm quá trình khử trùng bằng nhiệt độ cao, khử trùng bằng hóa chất như clo hoặc ozon.

Tạo năng lượng từ bùn (Energy Generation from Sludge):

Bùn sinh học có thể được sử dụng để tạo năng lượng trong các quá trình chuyển hóa anaerobic, sản xuất khí metan. Khí metan có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng đốt hoặc tạo nhiệt.

Sản xuất phân bón hữu cơ (Production of Organic Fertilizer):

Bùn sau quá trình chuyển hóa sinh học có thể được sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ. Phân bón này chứa các dưỡng chất cần thiết cho cây trồng và có thể tái sử dụng trong nông nghiệp.

Sử dụng trong xây dựng (Use in Construction):

Bùn từ quá trình xử lý nước thải có thể được sử dụng làm nguyên liệu trong các công trình xây dựng như làm đất đắp, làm vật liệu xây dựng, hoặc làm vật liệu trồng cây trong các khu vực xanh.

Những ứng dụng này đảm bảo rằng bùn sinh học không chỉ là một tác nhân gây ô nhiễm mà còn có thể được sử dụng và tái chế một cách hiệu quả để tạo ra giá trị và hạn chế tác động tiêu cực đối với môi trường.

4. Ưu điểm và hạn chế của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

4.1 Ưu điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học

Phương pháp xử lý nước thải sinh học có nhiều ưu điểm quan trọng, giúp loại bỏ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng nước thải một cách hiệu quả. Dưới đây là một số ưu điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học:

Tính bền vững và tự nhiên: Phương pháp xử lý nước thải sinh học tận dụng các quá trình sinh học tự nhiên và sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm. Điều này tạo ra một môi trường xử lý bền vững và cân bằng với thiên nhiên, giảm thiểu tác động tiêu cực đối với môi trường.

Hiệu suất cao: Phương pháp xử lý nước thải sinh học có thể đạt được hiệu suất xử lý cao trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, nitơ, phốtpho và các chất ô nhiễm khác từ nước thải. Vi sinh vật trong quá trình sinh học có khả năng chuyển hóa các chất này một cách hiệu quả.

Tiết kiệm năng lượng: Một số phương pháp xử lý nước thải sinh học, như quá trình chuyển hóaanaerobic và xử lý bùn bằng lục bình, có thể tạo ra khí metan có thể được sử dụng làm nguồn năng lượng hoặc nhiệt. Điều này giúp giảm tiêu thụ năng lượng từ các nguồn năng lượng truyền thống.

Giảm lượng bùn và thể tích nước thải: Phương pháp xử lý nước thải sinh học giúp giảm lượng bùn tạo ra trong quá trình xử lý và có thể loại bỏ một phần nước từ bùn, làm cho bùn khô hơn và dễ xử lý hơn.

Tạo giá trị từ sản phẩm phụ: Bùn sinh học tạo ra trong quá trình xử lý nước thải có thể được tái chế và sử dụng để sản xuất phân bón hữu cơ hoặc tạo năng lượng. Điều này tạo ra giá trị từ sản phẩm phụ và giảm chi phí xử lý.

Không cần sử dụng hóa chất: Phương pháp xử lý nước thải sinh học không yêu cầu sử dụng hóa chất để loại bỏ các chất ô nhiễm. Thay vào đó, nó dựa vào quá trình tự nhiên và vi sinh vật để xử lý nước thải.

Phương pháp xử lý nước thải sinh học mang lại nhiều ưu điểm về hiệu suất, bền vững và tiết kiệm năng lượng, đồng thời giảm tác động tiêu cực đối với môi trường và tạo ra giá trị từ các sản phẩm phụ.

4.2 Nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học

Mặc dù phương pháp xử lý nước thải sinh học có nhiều ưu điểm, nhưng cũng có một số nhược điểm cần được xem xét. Dưới đây là một số nhược điểm của phương pháp xử lý nước thải sinh học:

Tốn diện tích: Một số phương pháp xử lý nước thải sinh học, như hệ thống hồ sinh thái và hệ thống bãi lọc vi sinh, đòi hỏi diện tích lớn để triển khai. Điều này có thể gây khó khăn trong việc tìm kiếm đủ không gian để xây dựng các hệ thống xử lý.

Thời gian xử lý kéo dài: Phương pháp xử lý nước thải sinh học thường đòi hỏi thời gian xử lý dài hơn so với một số phương pháp xử lý nước thải hóa học hoặc cơ học. Vi khuẩn và vi sinh vật cần thời gian để chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nước thải.

Yêu cầu kiến thức chuyên môn: Triển khai và quản lý các hệ thống xử lý nước thải sinh học đòi hỏi kiến thức chuyên môn về vi sinh vật, sinh thái học, và kỹ thuật xử lý nước thải. Điều này có thể tạo ra một thách thức đối với việc đào tạo và duy trì nhân lực có kỹ năng cần thiết.

Khả năng bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường: Hiệu suất của phương pháp xử lý nước thải sinh học có thể bị ảnh hưởng bởi các thay đổi trong điều kiện môi trường như nhiệt độ, pH, và lượng ánh sáng mặt trời. Điều này có thể làm giảm hiệu suất xử lý trong một số trường hợp.

Cần quản lý và duy trì thường xuyên: Các hệ thống xử lý nước thải sinh học cần được quản lý và duy trì thường xuyên để đảm bảo rằng chúng hoạt động hiệu quả. Việc này bao gồm việc kiểm tra vi sinh vật, đảm bảo luồng nước thải đúng lưu lượng và cung cấp các điều kiện tốt cho quá trình sinh học.

Khả năng không đáp ứng đủ trong các tình huống khẩn cấp: Trong các tình huống khẩn cấp hoặc khi nhu cầu xử lý nước thải đột ngột tăng cao, phương pháp xử lý nước thải sinh học có thể không đáp ứng đủ và cần thời gian để tăng cường hiệu suất.

Phương pháp xử lý nước thải sinh học có nhược điểm riêng, nhưng khi được thiết kế, triển khai và quản lý đúng cách, nó vẫn là một phương pháp hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng nước thải và bảo vệ môi trường.

5.  Ứng dụng thực tế của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

Phương pháp xử lý nước thải sinh học có nhiều ứng dụng thực tế trong việc xử lý và cải thiện chất lượng nước thải. Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng thực tế của phương pháp xử lý nước thải sinh học:

Hệ thống xử lý nước thải trong thành phố: Các thành phố và khu vực đô thị sử dụng hệ thống xử lý nước thải sinh học để loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước thải trước khi nước này được xả ra môi trường. Các hệ thống này bao gồm các hồ sinh thái, bãi lọc vi sinh, và các hệ thống bùn hoạt tính để chuyển hóa các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng.

Nhà máy xử lý nước thải công nghiệp: Các nhà máy và cơ sở sản xuất công nghiệp thường sử dụng phương pháp xử lý nước thải sinh học để loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước thải công nghiệp. Điều này giúp ngăn chặn việc xả nước thải ô nhiễm vào môi trường tự nhiên.

Xử lý nước thải từ trang trại: Trang trại và khu vực nông nghiệp sử dụng phương pháp xử lý nước thải sinh học để giảm thiểu tác động tiêu cực của nước thải từ hoạt động nông nghiệp. Hệ thống xử lý này có thể giảm lượng chất dinh dưỡng và các chất ô nhiễm khác từ nước thải trước khi nước này được xả ra môi trường.

Hệ thống xử lý nước thải tại khu du lịch và khu nghỉ dưỡng: Các khu du lịch và khu nghỉ dưỡng thường sử dụng phương pháp xử lý nước thải sinh học để xử lý nước thải từ các hoạt động du lịch và giảm tác động đến môi trường địa phương.

Xử lý nước thải từ ngành công nghiệp thực phẩm: Ngành công nghiệp thực phẩm thường sử dụng phương pháp xử lý nước thải sinh học để loại bỏ các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và các tạp chất từ nước thải sản xuất.

Hệ thống xử lý nước thải trong khu dân cư hẻo lánh: Trong các khu vực hẻo lánh hoặc không có hệ thống xử lý nước thải truyền thống, phương pháp xử lý nước thải sinh học có thể được sử dụng để đảm bảo rằng nước thải không gây ô nhiễm cho môi trường xung quanh.

Những ứng dụng thực tế này chỉ ra rằng phương pháp xử lý nước thải sinh học đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau để giảm thiểu tác động tiêu cực của nước thải đối với môi trường và cải thiện chất lượng nước thải.

Phương pháp xử lý sinh học thường tận dụng quá trình sinh học tự nhiên và không yêu cầu sử dụng hóa chất. Điều này có thể là một lợi ích về môi trường và giảm tác động tiêu cực đối với môi trường xung quanh. Ngoài xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học còn có phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học, xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý. Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải nào cần được xem xét dựa trên tính chất của nước thải, yêu cầu hiệu suất, tài chính, không gian, khả năng quản lý và các yếu tố khác. Nên hợp nhất các yếu tố này để đưa ra quyết định phù hợp.