Mục lục bài viết

1. Bể Xử Lý Nước Thải: Trái Tim Của Hệ Thống Bảo Vệ Môi Trường

Bạn đang tò mò về “nội thất” bên trong một nhà máy xử lý nước thải? Hiểu rõ cấu tạo bể xử lý nước thải và chức năng của từng thành phần chính là chìa khóa để lựa chọn, thiết kế và vận hành hiệu quả một hệ thống xử lý, góp phần quan trọng vào sứ mệnh bảo vệ nguồn nước và môi trường sống quý giá của chúng ta.

Bể xử lý nước thải, hay chính xác hơn là các công trình đơn vị trong một hệ thống xử lý nước thải (WWTS), là những cấu phần kỹ thuật được thiết kế chuyên biệt để thực hiện các chức năng cụ thể nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu các chất ô nhiễm ra khỏi dòng nước thải. Nước thải, dù phát sinh từ các khu dân cư, tòa nhà, nhà máy công nghiệp hay bệnh viện, đều là một hỗn hợp phức tạp chứa đầy chất hữu cơ dễ phân hủy, vi khuẩn gây bệnh, chất rắn lơ lửng, kim loại nặng, hóa chất độc hại…

Nếu không được “thanh lọc” qua các bể xử lý này, chúng sẽ trở thành mối đe dọa trực tiếp cho môi trường nước, đất, không khí và sức khỏe con người.

Vì vậy, mỗi bể xử lý đóng một vai trò không thể thiếu trong việc làm sạch nguồn nước, đảm bảo nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn an toàn trước khi trả về tự nhiên hoặc được tái sử dụng, đồng thời tuân thủ các quy định pháp luật về môi trường.

2. Cấu Tạo Tổng Thể: Phân Tích Chi Tiết Từng Công Trình Đơn Vị

Mặc dù thiết kế cụ thể của mỗi hệ thống xử lý nước thải có thể khác nhau tùy thuộc vào loại nước thải (sinh hoạt, công nghiệp, y tế), quy mô và công nghệ áp dụng, nhưng nhìn chung, một hệ thống hoàn chỉnh thường bao gồm các công trình/bể chức năng chính sau, được bố trí theo một trình tự logic:

Bể Thu Gom (Collection Pit/Tank): Điểm tập kết đầu tiên của dòng thải.
Công trình Xử lý Sơ bộ (Preliminary Treatment): Loại bỏ rác và cát sỏi.
Bể Điều Hòa (Equalization Tank): “Trái tim” điều tiết lưu lượng và nồng độ.
Bể Xử lý Sơ cấp (Primary Treatment/Clarifier): Lắng tách chất rắn hữu cơ lơ lửng.
Bể Xử lý Sinh học (Biological Treatment Reactors): Nơi vi sinh vật “làm việc” (có thể bao gồm các bể/vùng Kỵ khí, Thiếu khí, Hiếu khí).
Bể Lắng Thứ Cấp (Secondary Clarifier): Tách bùn sinh học ra khỏi nước đã xử lý.
Bể Khử Trùng (Disinfection Tank): Tiêu diệt mầm bệnh còn sót lại.
Công trình Xử lý Bùn (Sludge Treatment Unit): Xử lý sản phẩm phụ không thể tránh khỏi.
Hệ thống Thiết bị Phụ trợ: Bơm, máy thổi khí, đường ống, hệ thống điện và điều khiển…

Hãy cùng đi sâu vào chức năng và cấu tạo của từng thành phần quan trọng này.

3. Bể Thu Gom: Điểm Khởi Đầu Của Hành Trình Xử Lý

Mọi hành trình xử lý đều bắt đầu từ việc tập trung nguồn thải. Bể thu gom đóng vai trò như một “trạm trung chuyển” đầu tiên, có chức năng chính là thu gom và tập trung toàn bộ lượng nước thải phát sinh từ các nguồn khác nhau (nhà vệ sinh, nhà bếp, dây chuyền sản xuất…) thông qua hệ thống đường ống nội bộ hoặc mạng lưới cống rãnh.

Thiết kế: Thường được xây dựng bằng bê tông cốt thép hoặc chế tạo từ vật liệu composite, nhựa (HDPE) với dung tích đủ lớn để chứa lượng nước thải dự kiến và đảm bảo hoạt động liên tục cho hệ thống bơm chuyển tiếp.
Hoạt động: Nước thải chảy vào bể, thường đi qua một song chắn rác hoặc lưới lọc đặt ở miệng cống vào để loại bỏ các vật thể rắn có kích thước lớn (rác, bao bì, cành cây…) có thể gây tắc nghẽn bơm hoặc đường ống. Nước thải sau đó được lưu trữ tạm thời trước khi được bơm chuyển đến các công trình xử lý tiếp theo.
Tầm quan trọng: Việc tập trung nước thải về một điểm giúp quản lý và kiểm soát dòng thải dễ dàng hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho các bước xử lý đồng bộ và hiệu quả, đồng thời hạn chế sự phát tán mùi hôi và ô nhiễm ra môi trường xung quanh.

4. Công Trình Xử Lý Sơ Bộ & Sơ Cấp: Loại Bỏ Tạp Chất Thô và Cặn Lắng

Sau khi được thu gom, nước thải cần trải qua giai đoạn “sàng lọc” ban đầu để loại bỏ các tạp chất cơ học có thể gây hại cho thiết bị hoặc cản trở các quá trình xử lý hóa lý, sinh học phía sau. Giai đoạn này thường bao gồm:

Loại bỏ Rác và Cát (Preliminary Treatment):
- Song chắn rác/Lưới lọc (Screening): Như đã đề cập, loại bỏ rác thô.
- Bể lắng cát (Grit Removal): Thiết kế đặc biệt để loại bỏ các hạt vô cơ nặng như cát, sỏi, mảnh vụn… dựa trên nguyên lý lắng trọng lực hoặc ly tâm, trong khi vẫn giữ lại các chất hữu cơ lơ lửng nhẹ hơn trong dòng nước. Việc loại bỏ cát sỏi giúp bảo vệ các thiết bị cơ khí (bơm, cánh khuấy…) khỏi bị mài mòn.
Xử lý Sơ cấp (Primary Treatment):
- Bể lắng sơ cấp (Primary Clarifier/Settling Tank): Nước thải sau khi loại bỏ rác và cát được đưa vào bể lắng này. Với thời gian lưu đủ dài và tốc độ dòng chảy chậm, các hạt chất rắn hữu cơ lơ lửng nặng hơn nước (phân, vụn thức ăn…) sẽ lắng xuống đáy, tạo thành bùn sơ cấp. Bùn này được thu gom định kỳ. Đồng thời, dầu mỡ và các chất nổi nhẹ hơn sẽ được hệ thống gạt bề mặt loại bỏ.
- Hiệu quả: Quá trình này giúp loại bỏ một phần đáng kể TSS (50-70%) và BOD (25-40%), giảm tải trọng ô nhiễm cho các công đoạn xử lý sinh học phía sau.

5. Bể Điều Hòa: “Nhạc Trưởng” Điều Tiết Dòng Chảy và Nồng Độ

Nước thải, đặc biệt là nước thải công nghiệp, thường có lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm biến động rất lớn theo thời gian (theo giờ, theo ca sản xuất…). Sự biến động này gây khó khăn rất lớn cho hoạt động ổn định và hiệu quả của các công trình xử lý phía sau, đặc biệt là các bể sinh học vốn rất nhạy cảm với sốc tải.

Bể điều hòa ra đời để giải quyết vấn đề này. Nó hoạt động như một “hồ chứa đệm”, tiếp nhận dòng thải biến động và xả ra một dòng chảy đều đặn hơn về lưu lượng và đồng nhất hơn về nồng độ chất ô nhiễm.

Chức năng chính:
- Điều hòa lưu lượng: Giảm thiểu sự chênh lệch giữa lưu lượng đỉnh và lưu lượng thấp, cung cấp dòng chảy ổn định cho hệ thống.
- Điều hòa nồng độ: Khuấy trộn và pha loãng các “mẻ” nước thải có nồng độ ô nhiễm cao hoặc chứa chất độc đột xuất, tạo ra dòng thải có thành phần đồng đều hơn, giảm nguy cơ gây sốc tải hoặc ức chế cho hệ vi sinh vật.
- Trung hòa sơ bộ: Có thể thực hiện việc điều chỉnh pH sơ bộ tại bể này.
- Xử lý sơ bộ (đôi khi): Hệ thống sục khí trong bể điều hòa (nếu có) giúp ngăn ngừa lắng cặn, khử mùi hôi và thực hiện một phần quá trình oxy hóa sinh học ban đầu.
Thiết kế: Dung tích bể phải đủ lớn để chứa được lượng nước thải trong khoảng thời gian cần điều tiết (thường vài giờ đến cả ngày). Bể thường được trang bị hệ thống khuấy trộn (cơ học hoặc bằng khí nén) để đảm bảo sự đồng nhất.

6. Bể Sinh Học Kỵ Khí: Phân Hủy Mạnh Mẽ Trong Môi Trường Thiếu Oxy

Đối với các loại nước thải có nồng độ chất hữu cơ rất cao (COD hàng nghìn đến chục nghìn mg/L) như nước thải chế biến tinh bột sắn, thực phẩm, chăn nuôi, xử lý sinh học kỵ khí thường là lựa chọn ưu tiên ở giai đoạn đầu.

Nguyên lý: Vi sinh vật kỵ khí phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện không có oxy, trải qua nhiều giai đoạn:
- Thủy phân: Enzyme ngoại bào cắt các phân tử lớn (protein, lipid, polysaccharid) thành các phân tử nhỏ hơn (amino acid, acid béo, đường đơn).
- Axit hóa (Acidogenesis): Vi khuẩn lên men chuyển hóa các phân tử nhỏ thành các axit hữu cơ bay hơi (VFA như axit axetic, propionic, butyric), rượu, H2 và CO2. Giai đoạn này thường làm giảm pH.
- Acetat hóa (Acetogenesis): Chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành Axit Acetic, H2 và CO2.
- Metan hóa (Methanogenesis): Bước cuối cùng và nhạy cảm nhất. Vi khuẩn cổ (Archaea) tạo metan chuyển hóa Axit Acetic, H2/CO2 thành khí Metan (CH4) và CO2 (gọi chung là biogas). Giai đoạn này đòi hỏi pH gần trung tính và không có oxy.
Công nghệ phổ biến: Hầm/túi Biogas (quy mô nhỏ/vừa), Bể UASB (hiệu suất cao, quy mô lớn), Bể lọc kỵ khí…
Kết quả: Loại bỏ phần lớn COD, tạo ra năng lượng tái tạo (biogas) và lượng bùn phát sinh ít hơn đáng kể so với xử lý hiếu khí. Tuy nhiên, nước đầu ra vẫn cần xử lý tiếp Amoni, Photpho và COD còn lại.

7. Bể Sinh Học Hiếu Khí: Vi Sinh Vật “Hít Thở” Để Làm Sạch Nước

Đây là công nghệ xử lý sinh học phổ biến nhất, đặc biệt cho nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp sau khi đã qua xử lý sơ bộ/hóa lý.

Nguyên lý: Trong môi trường được cung cấp oxy liên tục (sục khí), quần thể vi sinh vật hiếu khí (chủ yếu là vi khuẩn) sử dụng các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo làm nguồn thức ăn và năng lượng. Quá trình này bao gồm:
- Oxy hóa chất hữu cơ: Chuyển hóa BOD, COD thành CO2, H2O và năng lượng.
- Tổng hợp tế bào mới: Sử dụng năng lượng và dinh dưỡng (N, P) để tạo ra sinh khối vi sinh vật mới (bùn hoạt tính).
- Nitrat hóa (Nitrification): Nếu điều kiện phù hợp (đủ DO, đủ SRT, pH thích hợp), vi khuẩn tự dưỡng hiếu khí sẽ oxy hóa Amoni (NH4+) thành Nitrit (NO2-) rồi thành Nitrat (NO3-).
Yêu cầu: Cần duy trì nồng độ DO đủ (thường 1.5-3 mg/L), nhiệt độ và pH tối ưu (6.5-8.5), đủ dinh dưỡng (C:N:P ~ 100:5:1).
Công nghệ phổ biến: Bể bùn hoạt tính truyền thống (Bể Aerotank kết hợp bể lắng thứ cấp), SBR (Bể phản ứng theo mẻ), MBR (Màng lọc sinh học), MBBR (Giá thể di động)… Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng về diện tích, chi phí, hiệu quả và mức độ tự động hóa.
Kết quả: Loại bỏ hiệu quả BOD, COD dễ phân hủy, Amoni (nếu có Nitrat hóa). Nước đầu ra cần được lắng để tách bùn sinh học.

8. Bể Lắng (Thứ Cấp): Tách Bùn Sinh Học Khỏi Nước Sạch

Sau khi hoàn thành nhiệm vụ trong bể sinh học hiếu khí, quần thể vi sinh vật (bùn hoạt tính) cần được tách ra khỏi dòng nước đã xử lý. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi bể lắng thứ cấp.

Cấu tạo và Nguyên lý: Tương tự bể lắng sơ cấp, nước từ bể hiếu khí chảy vào bể lắng thứ cấp với tốc độ chậm. Các bông bùn hoạt tính nặng hơn sẽ lắng xuống đáy. Nước trong đã được xử lý ở lớp trên được thu gom qua máng tràn và chảy sang công đoạn khử trùng hoặc xả thải.
Tuần hoàn và Xả bỏ bùn: Bùn lắng ở đáy bể (chứa vi sinh vật còn hoạt tính) một phần được bơm tuần hoàn (Return Activated Sludge – RAS) trở lại bể hiếu khí để duy trì mật độ vi sinh vật cần thiết cho quá trình xử lý. Phần bùn dư thừa do vi sinh vật sinh sôi (Waste Activated Sludge – WAS) sẽ được bơm đi xử lý bùn. Việc kiểm soát tỷ lệ tuần hoàn và xả bỏ bùn dư là rất quan trọng để duy trì tuổi bùn (SRT) và nồng độ MLSS tối ưu trong bể hiếu khí.

9. Công Trình Xử Lý Bùn: Giải Quyết Sản Phẩm Phụ

Xử lý nước thải luôn tạo ra bùn – một hỗn hợp rắn-lỏng cần được quản lý và xử lý đúng cách. Đây không chỉ là một “bể chứa” đơn thuần mà là cả một công trình/hệ thống xử lý bùn riêng biệt.

Mục đích: Giảm thể tích bùn (loại bỏ nước), ổn định bùn (giảm mùi, mầm bệnh, khả năng phân hủy), tạo điều kiện thuận lợi cho việc thải bỏ cuối cùng hoặc tái sử dụng.
Các công đoạn chính:
- Cô đặc bùn (Thickening): Tăng hàm lượng chất rắn bằng bể cô đặc trọng lực, ly tâm hoặc tuyển nổi.
- Ổn định bùn (Stabilization): Phân hủy kỵ khí (tạo biogas), phân hủy hiếu khí, xử lý bằng vôi…
- Khử nước (Dewatering): Loại bỏ phần lớn nước, tạo bánh bùn bằng sân phơi bùn, máy ép lọc khung bản, máy ép băng tải, máy ly tâm ép…
Xử lý cuối cùng: Bùn sau xử lý có thể được chôn lấp hợp vệ sinh, đốt, ủ compost làm phân bón (nếu đạt tiêu chuẩn), hoặc sử dụng làm vật liệu xây dựng. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào đặc tính bùn, quy mô và quy định địa phương.

10. Bể Khử Trùng: Tiêu Diệt Mầm Bệnh – Bước An Toàn Cuối Cùng

Nước thải sau các công đoạn xử lý sinh học và lắng vẫn có thể chứa các vi sinh vật gây bệnh. Bể khử trùng là chốt chặn cuối cùng để tiêu diệt hoặc bất hoạt chúng, đảm bảo nước thải đủ an toàn trước khi xả ra môi trường hoặc tái sử dụng.

Công nghệ phổ biến:
- Clo hóa (Chlorination): Dùng Clo lỏng hoặc hợp chất chứa Clo (Javel, Cloramin B…). Hiệu quả, rẻ tiền, có khả năng duy trì dư lượng bảo vệ. Nhược điểm: có thể tạo sản phẩm phụ độc hại (DBPs) nếu còn chất hữu cơ, cần kiểm soát Clo dư đầu ra.
- Chiếu tia cực tím (UV): Dùng đèn UV phát tia cực tím phá hủy DNA/RNA của vi sinh vật. Hiệu quả, không tạo hóa chất tồn dư. Nhược điểm: hiệu quả giảm khi nước đục, không có tác dụng bảo vệ sau xử lý.
- Ozone hóa (Ozonation): Dùng Ozone (O3) là chất oxy hóa cực mạnh. Hiệu quả khử trùng cao (cả với vi sinh vật kháng thuốc), đồng thời khử màu, mùi. Nhược điểm: chi phí đầu tư và vận hành cao.
Tầm quan trọng: Đảm bảo tuân thủ chỉ tiêu vi sinh (Tổng Coliforms) trong QCVN và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

11. Các Thiết Bị Phụ Trợ Khác: Mắt Xích Vận Hành Hệ Thống

Để các bể xử lý chính hoạt động hiệu quả, không thể thiếu vai trò của các thiết bị phụ trợ:

Máy thổi khí: Cung cấp nguồn oxy sống còn cho bể hiếu khí, quyết định hiệu quả xử lý hiếu khí và tiêu thụ phần lớn năng lượng của hệ thống.
Hệ thống bơm: Vận chuyển nước thải và bùn giữa các công trình (bơm cấp liệu, bơm tuần hoàn bùn RAS, bơm xả bùn dư WAS, bơm hóa chất…).
Bơm định lượng hóa chất: Bơm chính xác liều lượng hóa chất cần thiết cho các quá trình (trung hòa, keo tụ, khử trùng…).
Hệ thống đường ống và van: Kết nối các công trình, điều khiển dòng chảy.
Hệ thống điện và Tủ điều khiển: Cung cấp nguồn điện và trung tâm điều khiển, giám sát hoạt động tự động hoặc bán tự động của toàn bộ hệ thống (thường sử dụng PLC, HMI, cảm biến…).

Các thiết bị này cần được lựa chọn đúng công suất, lắp đặt đúng kỹ thuật và bảo trì thường xuyên để đảm bảo toàn bộ hệ thống vận hành trơn tru, ổn định.

Kết luận: Sự Hòa Hợp Của Các Thành Tố Tạo Nên Hệ Thống Hiệu Quả

Qua phân tích chi tiết, có thể thấy một hệ thống xử lý nước thải hiệu quả là một tổ hợp phức tạp nhưng được thiết kế khoa học, nơi mỗi bể, mỗi công trình đơn vị đảm nhiệm một chức năng chuyên biệt và phối hợp nhịp nhàng với nhau.

Từ bể thu gom tập trung dòng thải, bể điều hòa ổn định dòng chảy, các bể xử lý sơ cấp loại bỏ tạp chất thô, đến “trái tim” là các bể xử lý sinh học phân hủy ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng, rồi bể lắng tách bùn, bể khử trùng tiêu diệt mầm bệnh và cuối cùng là hệ thống xử lý bùn… tất cả tạo thành một chu trình khép kín.

Sự kết hợp hợp lý giữa các công đoạn xử lý, việc lựa chọn công nghệ phù hợp với đặc tính nước thải và mục tiêu chất lượng đầu ra theo Quy chuẩn quốc gia là yếu tố quyết định đến hiệu quả tổng thể của hệ thống. Hiểu rõ cấu tạo và chức năng của từng thành phần không chỉ giúp chúng ta hình dung được quá trình “tái sinh” của nước thải mà còn là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống một cách tối ưu, góp phần thiết thực vào công cuộc bảo vệ môi trường nước tại Việt Nam