Mục lục bài viết

Tổng quan Xử lý Nước thải bằng Phương pháp Sinh học: Nguyên lý và Các Công nghệ Phổ biến

Nước thải, dù phát sinh từ sinh hoạt hay sản xuất công nghiệp, đều chứa các thành phần ô nhiễm cần được loại bỏ trước khi trả lại môi trường. Trong số các phương pháp xử lý đa dạng, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học nổi lên như một giải pháp nền tảng, hiệu quả và đặc biệt thân thiện với môi trường. Phương pháp này về bản chất là “mượn sức” của các vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh…) để phân hủy, chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ phức tạp thành các dạng đơn giản, ít độc hại hơn.

Các chất gây ô nhiễm đặc trưng thường được nhắm đến bởi phương pháp sinh học bao gồm: chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (gây ra BOD, COD), các hợp chất chứa Nitơ (N) và Phốt pho (P) gây phú dưỡng hóa, và một phần chất rắn lơ lửng (TSS). Đôi khi, các phương pháp sinh học còn có thể xử lý một phần dầu mỡ hoặc các hợp chất hữu cơ đặc thù khác.

Với tính hiệu quả và tính bền vững, xử lý sinh học đã và đang được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho cả nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp.

Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan và chi tiết về nguyên lý hoạt động cũng như các công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học phổ biến nhất hiện nay.

1. Nguyên tắc Cơ bản: Vai trò Trung tâm của Vi sinh vật

Cốt lõi của phương pháp xử lý sinh học là quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Quần thể vi sinh vật đa dạng có trong nước thải (hoặc được nuôi cấy bổ sung) sử dụng các chất ô nhiễm như nguồn “thức ăn” (cung cấp cacbon, năng lượng) và các chất dinh dưỡng (Nitơ, Phốt pho…) để sinh trưởng, phát triển và tạo ra tế bào mới (sinh khối). Thông qua các phản ứng sinh hóa phức tạp, chúng:

Phân hủy chất hữu cơ: Chuyển hóa các hợp chất hữu cơ phức tạp (protein, carbohydrate, chất béo…) thành các chất đơn giản như CO₂, H₂O (trong điều kiện hiếu khí) hoặc CH₄, CO₂ (trong điều kiện kỵ khí).
Chuyển hóa chất dinh dưỡng: Biến đổi các dạng Nitơ và Phốt pho thành các dạng khác (ví dụ: NH₄⁺ thành NO₃⁻ rồi thành N₂; PO₄³⁻ được hấp thụ vào sinh khối).
Loại bỏ chất ô nhiễm: Bằng cách chuyển hóa các chất ô nhiễm hòa tan thành sinh khối rắn (bùn vi sinh) có thể tách ra khỏi nước bằng lắng hoặc lọc.

Hiệu quả của quá trình xử lý sinh học phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường then chốt: sự có mặt hoặc vắng mặt của oxy, nhiệt độ, độ pH, tỷ lệ dinh dưỡng (C:N:P), và sự hiện diện của các chất độc hại có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật.

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

2. Phương pháp Xử lý Sinh học Kỵ khí (Anaerobic Treatment)

Điều kiện: Diễn ra trong môi trường hoàn toàn không có oxy phân tử (O₂).

Cơ chế: Là một chuỗi các phản ứng sinh hóa phức tạp được thực hiện bởi nhiều nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau, thường được chia thành 4 giai đoạn chính:

Thủy phân: Các enzyme do vi khuẩn tiết ra sẽ cắt mạch các hợp chất hữu cơ cao phân tử, không tan (protein, lipid, polysacarit…) thành các chất đơn giản hơn, hòa tan (axit amin, đường đơn, axit béo…). Đây thường là giai đoạn giới hạn tốc độ của toàn quá trình.
Axit hóa (Acidogenesis): Các vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan từ giai đoạn thủy phân thành các axit hữu cơ dễ bay hơi (như acetic, propionic, butyric…), rượu, H₂ và CO₂. Độ pH trong giai đoạn này có xu hướng giảm xuống.
Acetat hóa (Acetogenesis): Các vi khuẩn acetogen chuyển hóa các sản phẩm từ giai đoạn axit hóa (trừ axetat, H₂, CO₂) thành axetat, H₂ và CO₂.
Metan hóa (Methanogenesis): Giai đoạn cuối cùng, các vi khuẩn sinh metan (methanogens) rất nhạy cảm với môi trường sẽ chuyển hóa axetat, H₂/CO₂ thành khí Metan (CH₄) và CO₂.

Ưu điểm:

Tiết kiệm năng lượng: Không cần cấp khí oxy tốn kém.
Sản xuất Biogas: Khí CH₄ sinh ra là nguồn năng lượng tái tạo có giá trị, có thể dùng để đun nấu, sưởi ấm, hoặc chạy máy phát điện.
Giảm thiểu lượng bùn dư: Vi sinh vật kỵ khí phát triển chậm hơn, tạo ra ít sinh khối (bùn) hơn so với xử lý hiếu khí.
Xử lý hiệu quả nước thải có nồng độ hữu cơ (COD, BOD) rất cao.

Nhược điểm:

Tốc độ xử lý chậm hơn hiếu khí, đòi hỏi thời gian lưu nước (HRT) dài hoặc thể tích bể lớn (trừ các công nghệ hiệu suất cao).
Nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ, pH, tải trọng và các chất độc hại.
Quá trình khởi động (start-up) hệ thống thường kéo dài.
Chất lượng nước đầu ra thường chưa đạt tiêu chuẩn xả thải, cần phải xử lý bổ sung bằng phương pháp hiếu khí để loại bỏ BOD/COD dư, Amoni và khử mùi H₂S.

Ứng dụng: Rất phù hợp cho nước thải có nồng độ ô nhiễm hữu cơ rất cao như: nước thải chăn nuôi (heo, bò), chế biến thực phẩm (tinh bột sắn, bia, sữa, bún…), sản xuất giấy, xử lý bùn hữu cơ…

Công nghệ Phổ biến:

Hầm/Bể Biogas: Thiết kế đơn giản (hầm xây, phủ bạt HDPE, composite), phù hợp quy mô vừa và nhỏ, đặc biệt trong chăn nuôi nông hộ hoặc trang trại.
Bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket – Bể kỵ khí dòng chảy ngược qua tầng bùn hạt): Công nghệ hiệu suất cao, giữ lại vi sinh vật dưới dạng bùn hạt mật độ cao, giảm đáng kể thể tích bể. Phổ biến trong xử lý nước thải công nghiệp.
Các công nghệ khác: Bể lọc kỵ khí (Anaerobic Filter – AF), Bể tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact)…

3. Phương pháp Xử lý Sinh học Hiếu khí (Aerobic Treatment)

Điều kiện: Yêu cầu cung cấp oxy hòa tan (DO) liên tục và đầy đủ (thường duy trì DO > 1.5 – 2 mg/L).

Cơ chế: Quần thể vi sinh vật hiếu khí đa dạng (vi khuẩn, nấm, protozoa…) sử dụng oxy làm chất nhận điện tử cuối cùng để oxy hóa (phân hủy) các chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối cùng là CO₂, H₂O và tạo ra sinh khối vi sinh vật mới (bùn hoạt tính). Đồng thời, trong điều kiện hiếu khí, quá trình Nitrat hóa (Nitrification) chuyển hóa Amoni (NH₄⁺) thành Nitrat (NO₃⁻) cũng diễn ra nhờ các vi khuẩn tự dưỡng đặc hiệu.

Yêu cầu vận hành:

Cấp khí hiệu quả: Sử dụng máy thổi khí, máy khuấy bề mặt, ejector… kết hợp hệ thống phân phối khí (đĩa, ống…) để đảm bảo DO đủ và đồng đều.
Duy trì bùn hoạt tính: Giữ nồng độ sinh khối (MLSS) phù hợp trong bể phản ứng.
Kiểm soát dinh dưỡng: Đảm bảo tỷ lệ C:N:P phù hợp cho vi sinh vật phát triển.
Kiểm soát các yếu tố ức chế: Tránh sốc tải hữu cơ, pH quá cao/thấp, nồng độ hóa chất độc hại.

Ưu điểm:

Hiệu quả xử lý BOD/COD rất cao, đặc biệt với các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Chất lượng nước đầu ra (về mặt hữu cơ) thường tốt.
Tốc độ xử lý nhanh hơn phương pháp kỵ khí.
Loại bỏ được Amoni thông qua quá trình Nitrat hóa.
Vận hành tương đối ổn định và dễ kiểm soát hơn kỵ khí.

Nhược điểm:

Tiêu tốn nhiều năng lượng cho việc cấp khí, chiếm phần lớn chi phí vận hành.
Phát sinh lượng bùn hoạt tính dư lớn hơn kỵ khí, cần có hệ thống xử lý bùn hiệu quả.
Nhạy cảm với sốc tải và các chất độc hại có thể gây chết vi sinh hoặc các vấn đề về lắng bùn (bùn nổi, bùn khối).

Ứng dụng: Là phương pháp xử lý sinh học phổ biến nhất, áp dụng rộng rãi cho: nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nhiều loại nước thải công nghiệp có BOD/COD ở mức vừa phải hoặc sau khi đã qua xử lý kỵ khí/hóa lý.

Công nghệ Phổ biến:

Hệ thống Bùn hoạt tính Lơ lửng (Suspended Growth Activated Sludge – AS):

Bể Aerotank: Bể phản ứng chính nơi diễn ra quá trình hiếu khí, bùn hoạt tính được giữ ở trạng thái lơ lửng nhờ sục khí và khuấy trộn.
Bể Lắng thứ cấp: Tách bùn hoạt tính khỏi nước sau xử lý.
Tuần hoàn bùn: Bơm một phần bùn lắng về bể Aerotank.
Các biến thể: CAS (Conventional Activated Sludge – Bùn hoạt tính truyền thống), Extended Aeration (Thông khí kéo dài), SBR (Sequencing Batch Reactor – Xử lý theo mẻ),…

Hệ thống Sinh trưởng Bám dính (Attached Growth) / Biofilm: Vi sinh vật phát triển trên bề mặt giá thể cố định hoặc di động.

Bể lọc sinh học nhỏ giọt (Trickling Filter).
Đĩa quay Sinh học (RBC).
MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor – Giá thể di động).
IFAS (Integrated Fixed-film Activated Sludge – Kết hợp bùn lơ lửng và giá thể cố định).

Hồ sinh học Hiếu khí / Hồ Hoàn thiện (Aerated Lagoons / Maturation Ponds): Hồ nông được cấp khí nhân tạo hoặc dựa vào quang hợp của tảo.

4. Phương pháp Xử lý Sinh học Thiếu khí (Anoxic Treatment)

Điều kiện: Môi trường không có oxy hòa tan (DO ≈ 0), nhưng có mặt Nitrat (NO₃⁻) hoặc Nitrit (NO₂⁻) đóng vai trò là chất nhận điện tử.
Mục đích chính: Thực hiện quá trình Khử Nitrat (Denitrification), chuyển hóa NO₃⁻ và NO₂⁻ thành khí Nitơ (N₂) không gây ô nhiễm và thoát ra khỏi nước. Đây là bước then chốt để loại bỏ Nitơ tổng khỏi nước thải.
Cơ chế: Các vi sinh vật dị dưỡng tùy nghi (như Bacillus, Pseudomonas, Paracoccus…) sử dụng Nitrat/Nitrit thay cho Oxy để oxy hóa chất hữu cơ (cần có nguồn cacbon hữu cơ – BOD từ nước thải hoặc nguồn bổ sung như methanol, axetat…).
Ứng dụng: Luôn đi kèm và kết hợp chặt chẽ với quá trình xử lý hiếu khí (nơi tạo ra Nitrat từ Amoni). Thường được bố trí trong các hệ thống xử lý Nitơ tổng (BNR) như:
- Đặt trước bể hiếu khí (Pre-Anoxic): Nhận dòng tuần hoàn nội bộ giàu Nitrat từ bể hiếu khí về.
- Đặt sau bể hiếu khí (Post-Anoxic): Cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ từ bên ngoài.
Thiết bị: Bể phản ứng có hệ thống khuấy trộn chậm (mixer) để giữ bùn lơ lửng và tăng tiếp xúc, nhưng không được cấp khí.

Bùn vi sinh hiếu khí trong xử lý nước thải

5. Phương pháp Xử lý Sinh học Kết hợp (Combined Systems)

Mục đích: Tối ưu hóa việc loại bỏ đồng thời nhiều loại chất ô nhiễm, đặc biệt là chất hữu cơ (BOD/COD) và chất dinh dưỡng (Tổng Nitơ – TN, Tổng Phốt pho – TP). Các quy trình này thường được gọi chung là Loại bỏ Dinh dưỡng Sinh học (BNR – Biological Nutrient Removal).

Nguyên tắc: Thiết kế các bể/vùng xử lý với các điều kiện môi trường khác nhau (Kỵ khí – Anaerobic, Thiếu khí – Anoxic, Hiếu khí – Oxic/Aerobic) được sắp xếp một cách khoa học theo trình tự hoặc xen kẽ để tạo điều kiện cho các nhóm vi sinh vật chuyên biệt (phân hủy hữu cơ, nitrat hóa, khử nitrat, vi khuẩn tích lũy phốt pho – PAOs…) hoạt động tối ưu.

Công nghệ Phổ biến:

AAO hoặc A²/O (Anaerobic – Anoxic – Oxic): Quy trình 3 bậc kinh điển để loại bỏ đồng thời cả N và P. Ngăn Anaerobic tạo điều kiện cho PAOs giải phóng P; Ngăn Anoxic khử Nitrat; Ngăn Oxic xử lý BOD/COD, Nitrat hóa Amoni và giúp PAOs hấp thụ dư thừa P. Yêu cầu hệ thống tuần hoàn bùn và tuần hoàn nội bộ Nitrat phức tạp.
SBR (Sequencing Batch Reactor – Bể phản ứng theo mẻ): Xử lý tất cả các giai đoạn (Làm đầy – Phản ứng – Lắng – Xả nước – Chờ) trong cùng một bể theo chu trình thời gian. Có thể tạo ra các pha kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí trong giai đoạn Phản ứng bằng cách điều khiển linh hoạt việc cấp khí và khuấy trộn. Hệ thống nhỏ gọn, linh hoạt nhưng vận hành gián đoạn.
AO/A²O kết hợp MBBR: Sử dụng giá thể MBBR trong các ngăn Anoxic và/hoặc Oxic để tăng cường sinh khối, nâng cao hiệu quả xử lý N, P, tăng tính ổn định và giảm thể tích bể so với AO/A²O truyền thống.
AO/A²O kết hợp MBR: Thay thế bể lắng cuối cùng bằng màng MBR, cho chất lượng nước đầu ra tốt nhất, loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn và cực kỳ nhỏ gọn. Là giải pháp tiên tiến nhất hiện nay.

6. Phương pháp Hồ Sinh học (Stabilization Ponds / Lagoons)

Quá trình: Là hệ thống các ao hồ nông, diện tích lớn, nước thải chảy qua từ từ, dựa chủ yếu vào các quá trình xử lý tự nhiên dưới tác động của ánh sáng mặt trời, gió và hoạt động của cộng đồng vi sinh vật tự nhiên (vi khuẩn, vi tảo, động vật nguyên sinh…).
Các loại hồ: Thường bố trí nối tiếp: Hồ Kỵ khí (sâu, xử lý cặn và COD cao) → Hồ Tùy nghi (Facultative – có cả vùng hiếu khí bề mặt và kỵ khí đáy) → Hồ Hiếu khí/Hoàn thiện (Maturation – nông, DO cao, xử lý nốt BOD và khử trùng).
Ưu điểm: Chi phí đầu tư và vận hành rất thấp, không cần nhiều thiết bị phức tạp, kỹ thuật vận hành đơn giản.
Nhược điểm: Yêu cầu diện tích đất cực kỳ lớn, thời gian lưu nước rất dài (hàng chục ngày đến cả tháng), hiệu quả xử lý bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố khí hậu, có thể phát sinh tảo (gây tăng TSS đầu ra) và mùi (nếu quá tải). Hiệu quả loại bỏ N, P thường không cao.
Ứng dụng: Phù hợp với các vùng nông thôn, thị trấn nhỏ có quỹ đất dồi dào, khí hậu ấm áp; xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, một số loại nước thải công nghiệp có khả năng phân hủy sinh học tốt và lưu lượng không quá lớn.

7. Phương pháp Lọc Sinh học (Biofiltration)

Quá trình: Cho nước thải chảy qua một lớp vật liệu lọc (giá thể cố định) mà trên bề mặt vật liệu đó có lớp màng vi sinh vật (biofilm) phát triển. Vi sinh vật trong biofilm sẽ hấp thụ và phân hủy các chất ô nhiễm trong nước thải khi nó đi qua.

Ưu điểm: Hệ thống tương đối đơn giản, ổn định, chịu sốc tải tốt hơn bùn hoạt tính lơ lửng, không gặp các vấn đề về lắng bùn.

Hệ thống phổ biến:

Bể lọc sinh học nhỏ giọt (Trickling Filter): Nước thải được phân phối đều và nhỏ giọt xuống lớp vật liệu lọc (đá, sỏi, hoặc giá thể nhựa cấu trúc). Không khí đối lưu qua lớp vật liệu cung cấp oxy.
Bể lọc sinh học ngập nước (Submerged Biofilter): Vật liệu lọc ngập hoàn toàn trong nước, có thể vận hành hiếu khí (cấp khí), thiếu khí hoặc kỵ khí.

Kết luận: Sức mạnh Vi sinh vật trong Hành trình Làm sạch Nước thải

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một lĩnh vực rộng lớn và không ngừng phát triển, đóng vai trò nền tảng trong hầu hết các hệ thống xử lý nước thải hiện đại. Bằng cách khai thác khả năng trao đổi chất kỳ diệu của các quần thể vi sinh vật, các công nghệ sinh học (từ kỵ khí Biogas, hiếu khí bùn hoạt tính, MBBR, MBR đến các hồ sinh học tự nhiên) có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), dinh dưỡng (Nitơ, Phốt pho) và nhiều thành phần khác ra khỏi nước thải.

Mỗi phương pháp sinh học (kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí, kết hợp) đều có những nguyên lý hoạt động, ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc vào đặc tính cụ thể của nguồn nước thải, yêu cầu về chất lượng nước sau xử lý, điều kiện mặt bằng, chi phí và năng lực vận hành.

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học không chỉ là giải pháp kỹ thuật hiệu quả mà còn là một cách tiếp cận thân thiện với môi trường, góp phần quan trọng vào việc bảo vệ nguồn tài nguyên nước quý giá, duy trì cân bằng hệ sinh thái và đảm bảo môi trường sống trong lành cho cộng đồng. Đây là minh chứng cho trách nhiệm của con người đối với môi trường và là chìa khóa cho sự phát triển bền vững.