Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Sinh Học

Phân Tích Chi Tiết Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Sinh Học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một trong những công nghệ nền tảng và được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới cũng như tại Việt Nam để loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng (Nitơ, Photpho) ra khỏi nước thải sinh hoạt, đô thị và nhiều loại nước thải công nghiệp. Sự phổ biến này đến từ hiệu quả xử lý cao, chi phí vận hành tương đối hợp lý và tính thân thiện với môi trường khi dựa vào hoạt động tự nhiên của vi sinh vật.

Tuy nhiên, hiệu quả của quá trình xử lý sinh học không phải là một hằng số cố định. Nó phụ thuộc chặt chẽ vào một loạt các yếu tố phức tạp và tương tác lẫn nhau, từ điều kiện môi trường trong bể phản ứng, đặc tính của chính nguồn nước thải đầu vào, cho đến các thông số vận hành do con người kiểm soát.

Việc không hiểu rõ hoặc không kiểm soát tốt các yếu tố này có thể dẫn đến hiệu quả xử lý kém, hệ thống hoạt động không ổn định, phát sinh mùi hôi, bùn khó lắng và cuối cùng là không đáp ứng được các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về chất lượng nước thải sau xử lý theo các Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia như QCVN 14:2025/BTNMT hay QCVN 40:2025/BTNMT.

Do đó, việc nhận diện, hiểu rõ bản chất và tầm ảnh hưởng của từng yếu tố là điều kiện tiên quyết để có thể thiết kế, vận hành và tối ưu hóa các hệ thống xử lý nước thải sinh học một cách hiệu quả và bền vững.

Bài viết này sẽ đi sâu phân tích các yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý nước thải sinh học, giải thích cơ chế tác động và đưa ra những lưu ý quan trọng trong thực tiễn.

1. Bản Chất Của Xử Lý Sinh Học: Hoạt Động Sống Của Vi Sinh Vật

Cốt lõi của xử lý nước thải sinh học là lợi dụng khả năng trao đổi chất của một quần xã vi sinh vật đa dạng (bao gồm chủ yếu là vi khuẩn, cùng với nấm, động vật nguyên sinh…) để chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các sản phẩm ít độc hại hơn hoặc thành chính sinh khối của chúng. Chúng xem các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), Amoni, và đôi khi cả Photpho là nguồn “thức ăn” (cơ chất) và năng lượng để duy trì sự sống, sinh trưởng và sinh sản.

Giống như mọi cơ thể sống khác, hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật (tốc độ tăng trưởng, tốc độ sử dụng cơ chất, khả năng thích ứng…) cực kỳ nhạy cảm với các điều kiện của môi trường sống xung quanh chúng.

Bất kỳ sự thay đổi nào về nhiệt độ, pH, nồng độ oxy, sự hiện diện của chất độc, hay nguồn dinh dưỡng… đều có thể tác động trực tiếp đến tốc độ và hiệu quả của các phản ứng sinh hóa mà chúng thực hiện. Do đó, việc tạo ra và duy trì một môi trường sống tối ưu cho các nhóm vi sinh vật mong muốn là chìa khóa để đạt được hiệu quả xử lý cao.

2. Các Yếu Tố Môi Trường Trong Bể Phản ứng

Đây là những yếu tố vật lý và hóa học đặc trưng cho môi trường bên trong các công trình xử lý sinh học.

1. Nhiệt độ (Temperature):

• Ảnh hưởng: Nhiệt độ là một trong những yếu tố môi trường quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ của hầu hết các phản ứng sinh hóa thông qua việc tác động lên hoạt động của enzyme trong tế bào vi sinh vật. Theo quy tắc Van’t Hoff-Arrhenius, trong một khoảng giới hạn nhất định, tốc độ phản ứng sinh học thường tăng gấp đôi hoặc gấp ba khi nhiệt độ tăng 10°C. Ngược lại, nhiệt độ thấp sẽ làm giảm đáng kể tốc độ trao đổi chất, khiến quá trình xử lý diễn ra chậm hơn. Nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp so với ngưỡng chịu đựng của vi sinh vật có thể gây ức chế hoạt động hoặc thậm chí gây chết tế bào.
• Khoảng tối ưu: Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải thông thường hoạt động với quần thể vi sinh vật ưa ấm (mesophilic), có nhiệt độ tối ưu trong khoảng 20°C – 40°C. Các vi khuẩn Nitrat hóa thường nhạy cảm hơn với nhiệt độ thấp (<15°C). Các hệ thống phân hủy kỵ khí có thể hoạt động ở chế độ ưa ấm hoặc ưa nhiệt (thermophilic, 50-60°C) với tốc độ phản ứng cao hơn nhưng đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn.
• Hệ quả thực tế: Sự thay đổi nhiệt độ theo mùa (đặc biệt ở miền Bắc Việt Nam) có thể ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu quả xử lý, đòi hỏi phải điều chỉnh các thông số vận hành khác (như SRT) để bù đắp. Nước thải công nghiệp có nhiệt độ quá cao cần được làm mát trước khi đưa vào xử lý sinh học.

2. pH:

• Ảnh hưởng: pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa của các phân tử trong và ngoài tế bào, hoạt tính của enzyme và tính thấm của màng tế bào. Mỗi nhóm vi sinh vật có một khoảng pH tối ưu cho sự phát triển.
• Khoảng tối ưu: Hầu hết các vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí và tùy nghi trong xử lý nước thải hoạt động tốt nhất ở pH khoảng 6.5 – 8.5. Vi khuẩn Nitrat hóa ưa môi trường hơi kiềm (pH 7.5 – 8.5) và rất nhạy cảm với pH thấp (<6.5). Quá trình phân hủy kỵ khí, đặc biệt là giai đoạn sinh metan, cực kỳ nhạy cảm với sự sụt giảm pH (thường cần duy trì pH 6.8 – 7.5); nếu pH giảm xuống dưới 6.5 do tích tụ axit béo bay hơi, hoạt động sinh metan có thể bị ức chế nghiêm trọng.
• Hệ quả thực tế: Nước thải công nghiệp có pH quá axit hoặc quá kiềm cần được trung hòa trước khi vào hệ thống sinh học. Cần theo dõi pH trong bể phản ứng, đặc biệt là bể hiếu khí thực hiện nitrat hóa (quá trình này tiêu thụ độ kiềm, có thể làm giảm pH) và bể kỵ khí, để có biện pháp điều chỉnh kịp thời (ví dụ, thêm vôi hoặc natri bicarbonat để tăng độ kiềm).

3. Oxy hòa tan (DO – Dissolved Oxygen):

• Ảnh hưởng: DO là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuỗi hô hấp hiếu khí, là yếu tố sống còn đối với vi sinh vật hiếu khí. Nồng độ DO ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ và quá trình nitrat hóa. Ngược lại, sự hiện diện của DO lại gây ức chế mạnh mẽ các quá trình kỵ khí và thiếu khí.
• Yêu cầu:
  • Vùng hiếu khí (Aerobic): Cần duy trì DO ở mức đủ (thường 1.5 – 3.0 mg/L) để đảm bảo vi khuẩn hoạt động hiệu quả và tránh phát sinh mùi. DO thấp (<1.5 mg/L) không chỉ làm giảm hiệu quả xử lý mà còn tạo điều kiện cho vi khuẩn dạng sợi phát triển gây bùn khó lắng. DO quá cao (>4 mg/L) gây lãng phí năng lượng sục khí và có thể ảnh hưởng không tốt đến cấu trúc bông bùn.
  • Vùng thiếu khí (Anoxic): Cần duy trì DO ở mức rất thấp, lý tưởng là gần bằng 0 (thường < 0.5 mg/L, một số tài liệu ghi < 0.2 mg/L) để quá trình khử Nitrat diễn ra. Sự hiện diện của DO sẽ khiến vi khuẩn ưu tiên sử dụng DO thay vì Nitrat.
  • Vùng kỵ khí (Anaerobic): Tuyệt đối không có DO và cả Nitrat để các quá trình lên men, acetat hóa và sinh metan diễn ra.
• Hệ quả thực tế: Kiểm soát DO là một trong những nhiệm vụ vận hành quan trọng nhất trong các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí và hệ thống có kết hợp các vùng khác nhau (A/O, A2O, SBR…). Cần có hệ thống cấp khí linh hoạt và hệ thống giám sát DO (cảm biến online hoặc đo thủ công) để điều chỉnh phù hợp.

4. Sự hiện diện của Chất độc hại (Toxic Substances):

• Ảnh hưởng: Nhiều hợp chất hóa học có thể gây độc cho vi sinh vật ở những nồng độ nhất định, làm ức chế hoạt động hoặc thậm chí giết chết chúng. Mức độ độc tính phụ thuộc vào bản chất hóa học, nồng độ, thời gian tiếp xúc và khả năng thích nghi của quần thể vi sinh vật. Các chất độc phổ biến bao gồm:
  • Kim loại nặng (Hg, Cd, Pb, Cr6+, Cu, Zn, Ni…).
  • Hợp chất hữu cơ độc hại (Phenol, Formaldehyde, Cyanide, thuốc trừ sâu, dung môi hữu cơ, một số chất hoạt động bề mặt…).
  • Nồng độ muối (TDS) quá cao.
  • Nồng độ Amoniac tự do (NH3) hoặc Axit Nitrơ (HNO2) quá cao.
  • Nồng độ Sulfide (H2S) cao (đặc biệt trong hệ thống kỵ khí).
  • Các chất oxy hóa mạnh (Clo dư…).
• Hệ quả thực tế: Gây suy giảm đột ngột hiệu quả xử lý, thậm chí làm hệ thống “chết” hoàn toàn. Đây là vấn đề nghiêm trọng khi xử lý nước thải công nghiệp. Giải pháp bao gồm: kiểm soát nguồn thải (loại bỏ hoặc giảm thiểu chất độc tại nguồn), tiền xử lý hóa lý để loại bỏ/giảm độc tính, pha loãng nước thải (nếu khả thi), hoặc nuôi cấy quần thể vi sinh vật có khả năng thích nghi (acclimatization) dần dần.

3. Đặc Tính Nước Thải Đầu Vào

Chất lượng và số lượng của “thức ăn” (nước thải) cung cấp cho vi sinh vật cũng quyết định lớn đến hiệu quả xử lý.

1. Bản chất và Nồng độ Chất hữu cơ (BOD, COD):

• Ảnh hưởng: Là nguồn carbon và năng lượng chính cho vi sinh vật dị dưỡng. Nồng độ BOD, COD cao đòi hỏi hệ thống phải có đủ sinh khối vi sinh vật và thời gian xử lý để phân hủy. Quan trọng hơn là bản chất của chất hữu cơ:
  • Dễ phân hủy sinh học (tỷ lệ BOD5/COD cao > 0.5): Vi sinh vật dễ dàng sử dụng, quá trình xử lý sinh học diễn ra nhanh và hiệu quả (ví dụ: nước thải sinh hoạt, thực phẩm).
  • Khó phân hủy sinh học (tỷ lệ BOD5/COD thấp < 0.3): Vi sinh vật phân hủy chậm hoặc không phân hủy được, hiệu quả xử lý sinh học thấp, COD đầu ra còn cao. Cần thời gian lưu dài hơn, công nghệ sinh học tiên tiến hơn hoặc kết hợp/thay thế bằng hóa lý.
• Hệ quả thực tế: Ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn công nghệ, kích thước bể phản ứng, nhu cầu oxy và lượng bùn sinh ra.

2. Thành phần và Tỷ lệ Chất dinh dưỡng (N, P, C):

• Ảnh hưởng: Vi sinh vật cần một tỷ lệ cân đối các nguyên tố dinh dưỡng để xây dựng tế bào và thực hiện trao đổi chất. Tỷ lệ C:N:P (Carbon:Nitrogen:Phosphorus) tối ưu cho xử lý hiếu khí thường được coi là khoảng 100:5:1 (tính theo khối lượng).
  • Thiếu N hoặc P: Sẽ giới hạn sự phát triển của sinh khối, làm giảm hiệu quả xử lý BOD/COD và có thể gây ra hiện tượng bùn khó lắng do vi khuẩn tạo EPS kém. Thường xảy ra với một số loại nước thải công nghiệp nghèo dinh dưỡng (ví dụ: ngành giấy, dệt…).
  • Thừa N hoặc P: Không ảnh hưởng trực tiếp đến xử lý BOD/COD nhưng lại là nguyên nhân gây ô nhiễm phú dưỡng nếu không được loại bỏ. Đây là trường hợp phổ biến của nước thải sinh hoạt và chăn nuôi.
• Hệ quả thực tế: Cần phân tích N, P đầu vào. Nếu thiếu, phải bổ sung thêm (dưới dạng Ure, DAP, H3PO4…). Nếu thừa và cần loại bỏ để đáp ứng QCVN 14/40, phải thiết kế các quy trình xử lý N, P chuyên biệt (Nitrat hóa/Khử Nitrat, EBPR…).

3. Tải trọng hữu cơ và Tải trọng thủy lực (OLR & HLR):

• Ảnh hưởng:
  • OLR (kg BOD hoặc COD/m³ bể/ngày): Thể hiện lượng “thức ăn” nạp vào bể mỗi ngày. OLR quá cao so với khả năng xử lý của lượng vi sinh vật trong bể sẽ gây quá tải, xử lý không triệt để.
  • HLR (m³/m² bể lắng/ngày hoặc m³/m³ bể phản ứng/ngày): Thể hiện tốc độ dòng chảy qua hệ thống. HLR quá cao sẽ làm giảm thời gian lưu nước (HRT), giảm hiệu quả xử lý và có thể gây cuốn trôi bùn ở bể lắng.
• Hệ quả thực tế: Thiết kế phải tính toán OLR và HLR phù hợp với công nghệ lựa chọn và đặc tính nước thải. Vận hành cần kiểm soát để tránh tình trạng quá tải đột ngột. Bể điều hòa giúp giảm biến động tải trọng.

4. Sự biến động của Lưu lượng và Nồng độ:

• Ảnh hưởng: Các thay đổi đột ngột về lưu lượng (shock thủy lực) hoặc nồng độ chất ô nhiễm (shock tải trọng) có thể gây xáo trộn lớn cho quần thể vi sinh vật vốn cần thời gian để thích nghi. Shock tải có thể làm giảm DO đột ngột, gây chết vi sinh vật hoặc làm trôi bùn. Shock độc tố có thể làm tê liệt hệ thống.
• Hệ quả thực tế: Đây là thách thức lớn, đặc biệt với nước thải công nghiệp sản xuất theo mẻ. Cần có bể điều hòa đủ lớn, thiết kế hệ thống có khả năng chống chịu sốc tải tốt (ví dụ: hệ thống biofilm như MBBR thường ổn định hơn bùn hoạt tính lơ lửng) và vận hành linh hoạt để đối phó.

4. Các Thông Số Vận Hành Hệ Thống

Đây là các yếu tố mà người thiết kế và vận hành có thể chủ động kiểm soát để tối ưu hóa hiệu quả xử lý.

1. Thời gian lưu nước (HRT – Hydraulic Retention Time):

• Ảnh hưởng: Là thời gian trung bình mà một phân tử nước lưu lại trong bể phản ứng. Phải đủ dài để vi sinh vật có đủ thời gian tiếp xúc và phân hủy chất ô nhiễm. HRT cần thiết phụ thuộc vào loại công nghệ, nhiệt độ, tải trọng và mức độ xử lý yêu cầu.
• Kiểm soát: Chủ yếu được quyết định bởi thiết kế thể tích bể và lưu lượng đầu vào.

2. Thời gian lưu bùn (SRT – Sludge Retention Time / Tuổi bùn):

• Ảnh hưởng: Có lẽ là thông số vận hành quan trọng nhất, quyết định cấu trúc quần thể vi sinh vật trong hệ thống. SRT dài cho phép các vi sinh vật phát triển chậm (như vi khuẩn nitrat hóa) tồn tại và phát triển, giúp hệ thống ổn định hơn, xử lý triệt để hơn nhưng cần bể lớn hơn và có thể gặp vấn đề về bùn già. SRT ngắn phù hợp với tải trọng cao, bể nhỏ hơn nhưng hiệu quả xử lý có thể không cao bằng và kém ổn định hơn.
• Kiểm soát: Điều chỉnh bằng cách thay đổi lượng bùn hoạt tính dư xả bỏ (WAS) mỗi ngày. Cần tính toán và kiểm soát SRT chặt chẽ dựa trên nhiệt độ và mục tiêu xử lý (đặc biệt khi cần nitrat hóa).

3. Tỷ lệ Thức ăn trên Vi sinh vật (F/M Ratio):

• Ảnh hưởng: Liên quan mật thiết đến SRT và MLSS. F/M cao kích thích vi sinh vật phát triển nhanh nhưng có thể tạo bông bùn yếu. F/M thấp giúp xử lý triệt để hơn nhưng tăng trưởng chậm và có thể gây khó lắng nếu quá thấp.
• Kiểm soát: Điều chỉnh gián tiếp thông qua việc kiểm soát SRT (xả bùn).

4. Chế độ Khuấy trộn (Mixing):

• Ảnh hưởng: Đảm bảo sự phân tán đồng đều của vi sinh vật, cơ chất, oxy (ở vùng hiếu khí); ngăn ngừa lắng cặn trong bể phản ứng; duy trì điều kiện thiếu khí/kỵ khí hiệu quả bằng cách khuấy trộn mà không đưa oxy vào.
• Kiểm soát: Lựa chọn thiết bị khuấy/sục khí phù hợp, đảm bảo cường độ và phạm vi khuấy trộn đủ theo yêu cầu thiết kế, bảo trì thiết bị thường xuyên.

5. Tỷ lệ Tuần hoàn bùn (Sludge Recirculation Rate – trong hệ thống bùn hoạt tính):

• Ảnh hưởng: Đưa sinh khối từ bể lắng thứ cấp về bể Aerotank để duy trì MLSS. Tỷ lệ tuần hoàn ảnh hưởng đến nồng độ MLSS và hiệu quả hoạt động của bể lắng.
• Kiểm soát: Điều chỉnh lưu lượng bơm bùn tuần hoàn (RAS) dựa trên nồng độ MLSS mong muốn và đặc tính lắng của bùn.

Kết Luận: Quản Lý Tổng Hợp Các Yếu Tố Để Tối Ưu Hóa Hiệu Quả Xử Lý Sinh Học

Hiệu quả của quá trình xử lý nước thải sinh học là kết quả của sự tương tác phức tạp giữa hàng loạt yếu tố thuộc về môi trường bể phản ứng, đặc tính của nguồn nước thải đầu vào và các thông số vận hành hệ thống. Không có một yếu tố đơn lẻ nào quyết định hoàn toàn sự thành bại, mà là sự cân bằng và tối ưu hóa tổng hợp của tất cả các yếu tố đó.

Việc hiểu rõ cơ chế tác động của nhiệt độ, pH, DO, chất độc, bản chất chất hữu cơ, thành phần dinh dưỡng, tải trọng, thời gian lưu nước, thời gian lưu bùn, tỷ lệ F/M… là nền tảng vững chắc cho việc thiết kế các hệ thống xử lý sinh học phù hợp và hiệu quả.

Quan trọng hơn, trong quá trình vận hành, việc giám sát chặt chẽ, kiểm soát linh hoạt và điều chỉnh kịp thời các yếu tố này dựa trên dữ liệu thực tế là chìa khóa để duy trì hiệu suất xử lý ổn định, đối phó với các biến động và đảm bảo chất lượng nước đầu ra luôn đáp ứng các tiêu chuẩn quốc gia ngày càng nghiêm ngặt như QCVN 14:2025 và QCVN 40:2025.

Quản lý tốt các yếu tố ảnh hưởng chính là cách chúng ta khai thác tối đa sức mạnh của vi sinh vật để làm sạch nguồn nước một cách bền vững