5+ Kỹ Thuật Xử Lý Nước Thải

Nước thải, phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt, công nghiệp và đô thị, chứa nhiều thành phần ô nhiễm có thể gây hại nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người nếu không được xử lý đúng cách. Kỹ thuật xử lý nước thải là lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp vật lý, hóa học, hóa lý và sinh học nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu các chất ô nhiễm trong nước thải đến mức độ an toàn trước khi xả ra môi trường hoặc tái sử dụng.

Việc xử lý nước thải không chỉ là yêu cầu bắt buộc theo các quy định pháp luật như QCVN 14:2025/BTNMT về nước thải sinh hoạt, đô thị và QCVN 40:2025/BTNMT về nước thải công nghiệp, mà còn là giải pháp quan trọng để bảo vệ nguồn nước, hệ sinh thái và đảm bảo sự phát triển bền vững.

1. Phân loại và Đặc tính Nước thải

Để lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, việc đầu tiên là phải hiểu rõ về nguồn gốc và đặc tính của nước thải. Nước thải thường được phân loại chính thành:

• Nước thải sinh hoạt: Phát sinh từ các hoạt động hàng ngày của con người như tắm giặt, vệ sinh, nấu nướng. Đặc trưng bởi hàm lượng cao các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (protein, carbohydrate, chất béo), chất dinh dưỡng (Nitơ, Phốt pho), chất rắn lơ lửng (SS) và vi sinh vật gây bệnh. Lưu lượng và thành phần nước thải sinh hoạt dao động tùy thuộc vào mức sống, thói quen và tiêu chuẩn cấp nước. Một số loại hình kinh doanh dịch vụ như khách sạn, nhà hàng, giặt là,… cũng phát sinh nước thải có tính chất tương tự và được quản lý như nước thải sinh hoạt.
• Nước thải công nghiệp (Sản xuất): Phát sinh từ các quá trình sản xuất, chế biến của các nhà máy, xí nghiệp. Đặc tính rất đa dạng, phụ thuộc vào loại hình công nghiệp, công nghệ sản xuất. Có thể chứa các chất hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng, hóa chất độc hại, dầu mỡ, độ pH, nhiệt độ và màu sắc biến động lớn. Lưu lượng nước thải công nghiệp cũng dao động lớn và phụ thuộc vào quy mô, công nghệ.
• Nước thải đô thị, khu dân cư tập trung: Là hỗn hợp của nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp (nếu có) trong khu đô thị, khu dân cư. Thành phần và lưu lượng phức tạp, dao động lớn theo thời gian trong ngày, theo mùa và các yếu tố kinh tế-xã hội.
• Nước mưa chảy tràn: Nước mưa chảy trên bề mặt đường sá, mái nhà,… cuốn theo bụi bẩn, rác, dầu mỡ và các chất ô nhiễm khác. Ở các đô thị có hệ thống thoát nước chung, nước mưa có thể hòa lẫn với nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Các thông số quan trọng đặc trưng cho mức độ ô nhiễm bao gồm: Lưu lượng, pH, Nhiệt độ, Chất rắn lơ lửng (SS), Tổng chất rắn (TS), Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5​), Nhu cầu oxy hóa học (COD), Tổng Nitơ (T-N), Tổng Phốt pho (T-P), Dầu mỡ, Coliform, Kim loại nặng và các chất độc hại khác. Việc xác định chính xác các thông số này là cơ sở để thiết kế và lựa chọn công nghệ xử lý.

2. Các kỹ thuật Xử lý Nước thải Phổ biến

Một hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh thường bao gồm nhiều công đoạn, mỗi công đoạn sử dụng các phương pháp khác nhau để loại bỏ các nhóm chất ô nhiễm cụ thể. Các phương pháp chính bao gồm:

2.1. Xử lý Cơ học (Mechanical Treatment)

Mục đích là loại bỏ các chất rắn không hòa tan, các tạp chất thô và một phần chất rắn lơ lửng ra khỏi nước thải. Đây thường là giai đoạn xử lý sơ bộ.

• Song chắn rác (Screens): Loại bỏ rác có kích thước lớn (giấy, túi nilon, cành cây,…) để bảo vệ các thiết bị phía sau. Có thể là song chắn thô hoặc tinh, làm sạch bằng tay hoặc cơ giới. Tính toán dựa trên lưu lượng, tốc độ dòng chảy qua khe, kích thước khe hở.
• Bể lắng cát (Grit Chambers): Loại bỏ các hạt vô cơ nặng như cát, sỏi, mảnh vỡ,… để tránh mài mòn thiết bị và giảm cặn nặng cho các công trình sau. Có các loại: bể lắng cát ngang, đứng, tiếp tuyến, và bể lắng cát sục khí. Tính toán dựa trên tốc độ lắng của hạt cát, thời gian lưu, tải trọng bề mặt.
• Bể điều hòa (Equalization Tanks): Điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm, giảm sốc tải cho các công trình xử lý sinh học phía sau, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn. Có thể kết hợp sục khí để tránh lắng cặn và khử mùi. Tính toán thể tích dựa trên biểu đồ dao động lưu lượng và nồng độ trong ngày.
• Bể lắng đợt I (Primary Sedimentation): Loại bỏ phần lớn chất rắn lơ lửng có khả năng lắng bằng trọng lực. Thường là bể lắng ngang (chữ nhật) hoặc bể lắng đứng/ly tâm (tròn). Hiệu quả phụ thuộc vào thời gian lưu nước, tải trọng bề mặt, tốc độ dòng chảy.
• Bể vớt dầu mỡ (Grease Traps/Flotation): Tách các chất nổi như dầu, mỡ có tỷ trọng nhẹ hơn nước, thường áp dụng cho nước thải nhà ăn, chế biến thực phẩm,… Có thể dùng phương pháp vớt bề mặt hoặc tuyển nổi bằng cách sục khí. Tính toán dựa trên thời gian lưu, tốc độ nổi của hạt dầu mỡ.

2.2. Xử lý Hóa học và Hóa lý (Chemical & Physico-Chemical Treatment)

Sử dụng các phản ứng hóa học hoặc quá trình hóa lý để loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan, keo hoặc các chất khó xử lý bằng phương pháp cơ học và sinh học.

• Trung hòa (Neutralization): Điều chỉnh pH của nước thải về khoảng trung tính (thường 6.5-8.5) phù hợp cho các quá trình xử lý tiếp theo (đặc biệt là sinh học) hoặc đạt tiêu chuẩn xả thải, bằng cách thêm axit hoặc kiềm. Có thể trung hòa bằng cách trộn lẫn nước thải axit và kiềm, dùng hóa chất hoặc lọc qua vật liệu trung hòa.
• Keo tụ – Tạo bông (Coagulation – Flocculation): Loại bỏ các chất rắn lơ lửng mịn và các hạt keo bằng cách thêm hóa chất keo tụ (phèn nhôm, phèn sắt, PAC,…) để gây mất ổn định hệ keo, sau đó thêm chất trợ keo tụ (polymer) và khuấy trộn nhẹ để hình thành các bông cặn lớn hơn, dễ lắng. Quá trình này cần các thiết bị hòa trộn hóa chất, bể phản ứng tạo bông.
• Tuyển nổi (Flotation): Tách các hạt rắn hoặc lỏng có tỷ trọng nhỏ hoặc các chất lơ lửng khó lắng bằng cách sục các bọt khí mịn (thường là không khí) vào nước thải. Bọt khí dính vào hạt và kéo chúng nổi lên bề mặt tạo thành lớp bọt để vớt bỏ. Có nhiều phương pháp tuyển nổi: cơ học, áp lực, chân không, điện hóa,…
• Hấp phụ (Adsorption): Loại bỏ các chất ô nhiễm hòa tan (hữu cơ, kim loại nặng, màu, mùi) bằng cách cho nước thải tiếp xúc với vật liệu có khả năng hấp phụ cao (than hoạt tính, silicagel, zeolit,…). Các chất ô nhiễm sẽ bị giữ lại trên bề mặt vật liệu hấp phụ. Có thể thực hiện trong điều kiện tĩnh hoặc động (lọc qua cột hấp phụ).
• Trao đổi Ion (Ion Exchange): Loại bỏ các ion kim loại (Cu, Zn, Ni, Cr,…) hoặc các ion hòa tan khác (nitrat, photphat,…) bằng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu trao đổi ion (nhựa cationit, anionit). Các ion trong nước thải sẽ trao đổi với các ion trên bề mặt vật liệu.
• Quá trình Màng (Membrane Processes): Sử dụng màng bán thấm để tách các chất ô nhiễm. Các kỹ thuật phổ biến gồm:
  • Siêu lọc (Ultrafiltration – UF): Tách các phân tử lớn, hạt keo, vi khuẩn.
  • Thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis – RO): Loại bỏ hầu hết các chất hòa tan, muối, tạo ra nước chất lượng cao.
  • Điện thẩm tách (Electrodialysis – ED): Tách các ion muối bằng màng trao đổi ion dưới tác dụng của điện trường.
• Oxy hóa – Khử (Oxidation – Reduction): Sử dụng các chất oxy hóa mạnh (Clo, Ozon, H2O2, KMnO4,…) hoặc chất khử để chuyển hóa các chất độc hại thành dạng ít độc hơn hoặc dễ loại bỏ hơn (ví dụ: khử Cr6+ thành Cr3+, oxy hóa Xyanua, Phenol, H2S,…).

2.3. Xử lý Sinh học (Biological Treatment)

Là phương pháp dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật) để phân hủy các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo trong nước thải thành các chất đơn giản, ít độc hại hơn (CO2, H2O, tế bào mới,…). Đây là công đoạn xử lý chính đối với nước thải chứa nhiều chất hữu cơ.

• Xử lý Sinh học Hiếu khí (Aerobic Treatment): Diễn ra trong điều kiện có oxy hòa tan (DO).
  • Bể Aerotank (Activated Sludge): Là công nghệ phổ biến nhất. Nước thải được trộn lẫn với bùn hoạt tính (chứa quần thể vi sinh vật hiếu khí) và sục khí liên tục. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn và tạo thành sinh khối mới. Hỗn hợp sau đó được đưa sang bể lắng đợt II để tách bùn. Một phần bùn được tuần hoàn về bể Aerotank để duy trì nồng độ vi sinh vật, phần bùn dư được xử lý riêng. Có nhiều biến thể như Aerotank truyền thống, Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh, Aerotank tiếp xúc ổn định, Aerotank kéo dài,… Tính toán thiết kế dựa trên các thông số động học (Y, Kd, Ks, μm), tải trọng hữu cơ (F/M), tuổi bùn (θc), thời gian lưu nước (θ), nồng độ bùn (X),…
  • Bể lọc sinh học (Biofilter): Vi sinh vật phát triển thành lớp màng (biofilm) bám trên bề mặt vật liệu lọc (đá, sỏi, nhựa,…). Nước thải được tưới hoặc chảy qua lớp vật liệu này. Vi sinh vật trong màng sẽ phân hủy chất hữu cơ. Cần có hệ thống thông khí tự nhiên hoặc cưỡng bức để cấp oxy. Gồm bể lọc sinh học nhỏ giọt (vật liệu không ngập nước) và bể lọc sinh học ngập nước. Tính toán dựa trên tải trọng thủy lực, tải trọng hữu cơ, hiệu quả xử lý yêu cầu.
  • Hồ sinh học hiếu khí (Aerobic Ponds): Thường nông (0.3-1.5m), oxy được cung cấp chủ yếu từ khuếch tán bề mặt và quang hợp của tảo. Có thể làm thoáng nhân tạo để tăng hiệu quả và giảm diện tích.
• Xử lý Sinh học Kỵ khí (Anaerobic Treatment): Diễn ra trong điều kiện không có oxy. Thường dùng cho nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao (COD >>) hoặc xử lý bùn cặn.
  • Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Nước thải được phân phối từ đáy bể đi lên qua lớp bùn kỵ khí dạng hạt hoặc dạng bông lơ lửng. Vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ thành khí sinh học (metan CH4, CO2) và sinh khối. Bể có hệ thống tách pha rắn-lỏng-khí ở phía trên. Tính toán dựa trên tải trọng hữu cơ, tốc độ dòng chảy ngược, thời gian lưu.
  • Bể Methane (Metan Tank) / Bể phân hủy bùn kỵ khí: Chủ yếu dùng để phân hủy, ổn định bùn cặn hữu cơ từ các bể lắng hoặc bùn hoạt tính dư. Quá trình lên men sinh ra khí biogas có thể thu hồi để làm năng lượng. Thường cần gia nhiệt (30-35°C hoặc 50-55°C) và khuấy trộn để tăng hiệu quả.
  • Hồ sinh học kỵ khí (Anaerobic Ponds): Thường sâu (2.5-5m) để hạn chế oxy xâm nhập, dùng để xử lý sơ bộ nước thải có tải trọng hữu cơ rất cao.
• Xử lý Sinh học Tùy nghi (Facultative Treatment):
  • Hồ sinh học tùy nghi (Facultative Ponds): Là loại hồ phổ biến nhất. Có lớp hiếu khí ở trên bề mặt (do quang hợp của tảo và khuếch tán oxy), lớp kỵ khí ở đáy (phân hủy cặn lắng) và lớp trung gian. Chiều sâu thường từ 1-2.5m.

2.4. Xử lý Bùn cặn (Sludge Treatment)

Bùn cặn là sản phẩm phụ không thể tránh khỏi của quá trình xử lý nước thải, bao gồm cặn từ bể lắng I (bùn tươi) và sinh khối dư từ quá trình xử lý sinh học (bùn hoạt tính, màng vi sinh). Bùn chứa nhiều nước (thường >95%), chất hữu cơ dễ phân hủy và có thể chứa vi sinh vật gây bệnh, kim loại nặng. Mục đích xử lý bùn là giảm thể tích, ổn định chất hữu cơ, khử trùng và tạo điều kiện thuận lợi cho việc thải bỏ hoặc tái sử dụng.

• Cô đặc bùn (Sludge Thickening): Giảm hàm lượng nước, tăng nồng độ chất rắn. Có thể dùng bể nén bùn trọng lực, tuyển nổi hoặc ly tâm.
• Ổn định bùn (Sludge Stabilization): Phân hủy chất hữu cơ dễ thối rữa, giảm mùi hôi và mầm bệnh.
  • Phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion): Như trong bể Metan.
  • Phân hủy hiếu khí (Aerobic Digestion): Sục khí vào bể chứa bùn.
  • Ủ compost (Composting): Trộn bùn với vật liệu độn và ủ trong điều kiện hiếu khí.
  • Xử lý bằng vôi (Lime Stabilization): Nâng pH lên cao (>12) để khử trùng và ổn định.
• Khử nước (Sludge Dewatering): Loại bỏ phần lớn nước còn lại sau khi ổn định, tạo thành bánh bùn rắn hơn. Các phương pháp phổ biến:
  • Sân phơi bùn (Sludge Drying Beds): Phơi bùn trên lớp cát/sỏi để nước thấm và bay hơi tự nhiên.
  • Máy ép bùn (Filter Press, Belt Press): Dùng áp lực cơ học để ép nước ra khỏi bùn.
  • Máy ly tâm (Centrifuge): Dùng lực ly tâm để tách pha rắn và lỏng.
• Thải bỏ/Tái sử dụng (Disposal/Reuse): Bùn sau khi xử lý có thể được chôn lấp hợp vệ sinh, sử dụng làm phân bón (nếu đảm bảo tiêu chuẩn), vật liệu san lấp, hoặc đốt.

2.5. Khử trùng (Disinfection)

Là công đoạn cuối cùng, tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh còn sót lại trong nước thải sau các quá trình xử lý trước đó, đảm bảo an toàn trước khi xả ra môi trường hoặc tái sử dụng.

• Clo hóa (Chlorination): Sử dụng Clo lỏng hoặc các hợp chất của Clo (Clorua vôi, Natri hypochlorite – Javen). Clo phản ứng với nước tạo HOCl, là chất có tính oxy hóa mạnh, diệt khuẩn hiệu quả. Hiệu quả phụ thuộc liều lượng, thời gian tiếp xúc, pH, nhiệt độ, và hàm lượng các chất hữu cơ, amoniac trong nước. Cần bể tiếp xúc để đảm bảo thời gian phản ứng đủ (thường 15-30 phút).
• Ozon hóa (Ozonation): Sử dụng Ozon (O3​), một chất oxy hóa rất mạnh, diệt khuẩn nhanh và hiệu quả hơn Clo, không tạo sản phẩm phụ độc hại, đồng thời khử màu, mùi. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành cao hơn. Ozon được tạo ra tại chỗ bằng máy phát Ozon.
• Chiếu tia cực tím (UV Irradiation): Sử dụng đèn phát tia UV (thường có bước sóng 254nm) để phá hủy DNA của vi sinh vật, ngăn chúng sinh sản. Không làm thay đổi tính chất hóa lý của nước, không tạo sản phẩm phụ. Hiệu quả phụ thuộc cường độ tia, thời gian tiếp xúc và độ đục của nước (chất rắn lơ lửng có thể che chắn vi sinh vật). Chi phí lắp đặt và thay thế đèn khá cao.
• Các phương pháp khác: Siêu âm, phương pháp nhiệt, ion kim loại nặng (ít phổ biến).

3. Lựa chọn Công nghệ và Quản lý Hệ thống Xử lý

Việc lựa chọn công nghệ xử lý nước thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

• Đặc tính nước thải đầu vào: Lưu lượng, thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm.
• Yêu cầu chất lượng nước đầu ra: Phải tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 14:2025/BTNMT, QCVN 40:2025/BTNMT) hoặc quy chuẩn địa phương, tùy thuộc vào mục đích sử dụng nguồn tiếp nhận (Cột A, B, C).
• Điều kiện kinh tế: Chi phí đầu tư xây dựng, chi phí vận hành và bảo dưỡng.
• Điều kiện kỹ thuật: Mức độ phức tạp của công nghệ, yêu cầu về trình độ quản lý, vận hành.
• Điều kiện tự nhiên: Diện tích đất xây dựng, địa hình, khí hậu, mực nước ngầm.

Quá trình thiết kế và vận hành một trạm xử lý nước thải đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa các yếu tố Môi trường (Environment), Kỹ thuật (Engineering) và Kinh tế (Economic). Việc quản lý vận hành hiệu quả, bao gồm kiểm tra thường xuyên chất lượng nước, theo dõi hoạt động của thiết bị, xử lý sự cố kịp thời, là yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt hiệu quả xử lý mong muốn. Các quy trình nghiệm thu, đưa vào hoạt động và bảo trì cần được tuân thủ nghiêm ngặt.

Kết luận

Kỹ thuật xử lý nước thải là một lĩnh vực phức tạp nhưng cực kỳ quan trọng. Việc hiểu rõ đặc tính nước thải, lựa chọn đúng công nghệ và quy trình xử lý, kết hợp với quản lý vận hành hiệu quả sẽ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và tuân thủ các quy định pháp luật ngày càng nghiêm ngặt về bảo vệ môi trường nước. Sự phát triển của khoa học công nghệ tiếp tục mang đến những giải pháp xử lý tiên tiến, hiệu quả và bền vững hơn cho bài toán ô nhiễm nước thải.