Các phương pháp hiệu quả để xử lý nước thải sinh hoạt

Hiểu Về Việc Phát Sinh Nước Thải Đô Thị Và Nhu Cầu Xử Lý

Đô thị hóa gia tăng thúc đẩy nhu cầu xử lý nước thải

Hiện nay, hơn một nửa dân số thế giới sống ở các khu vực đô thị, điều này tạo ra khoảng 380 tỷ mét khối nước thải đô thị mỗi năm theo báo cáo mới nhất của Liên Hợp Quốc từ năm 2023. Khi các thành phố phát triển nhanh chóng, cơ sở hạ tầng cũ không thể theo kịp. Hãy xem xét các thành phố lớn có trên ba triệu cư dân – khoảng sáu mươi phần trăm trong số đó đơn giản là không có đủ cơ sở vật chất để xử lý đúng cách lượng chất thải khổng lồ này. Khi nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý bị đổ trực tiếp vào các con sông và dòng suối, nó mang theo những chất độc hại như vi sinh vật gây bệnh, các hạt vi nhựa nhỏ và thuốc còn sót lại từ tủ thuốc gia đình chúng ta. Những chất ô nhiễm này len lỏi vào nguồn nước ngầm, và chúng ta đang nói đến gần một phần tư số nguồn cung cấp nước uống bị ảnh hưởng theo cách này.

Thống kê xả nước thải toàn cầu và tác động môi trường

Trên toàn thế giới, khoảng 80 phần trăm nước thải chảy trở lại vào hệ thống thủy lợi mà không được làm sạch đúng cách trước đó, dẫn đến việc thải khoảng 580 tấn nitơ gây ô nhiễm vào các con sông và hồ mỗi năm. Điều gì xảy ra tiếp theo? Chất này cuối cùng tạo ra những vùng chết đáng sợ ở hơn 700 khu vực ven biển nơi mà dường như chẳng còn sinh vật nào sống sót do toàn bộ lượng oxy đã bị rút cạn. Vấn đề thực sự đến từ những loại hóa chất mới mà chúng ta đang phát hiện ở khắp mọi nơi hiện nay, như các hợp chất nonylphenol và thuốc carbamazepine, những chất này lọt qua các nhà máy xử lý nước thông thường. Chúng tồn tại trong cá và các sinh vật biển khác, tích tụ theo thời gian cho đến khi đạt đến mức độ nguy hiểm, đôi khi lên tới 1,2 miligam trên lít theo nghiên cứu được công bố bởi Ponemon trong báo cáo năm 2022 của họ.

Các hệ thống xử lý nước thải hiện đại ngày nay ưu tiên hai mục tiêu kép: bảo vệ sức khỏe cộng đồng thông qua việc loại bỏ tác nhân gây bệnh (mục tiêu dưới 1 CFU/100mL E. coli) và thu hồi các nguồn tài nguyên như phốt pho (lên đến tỷ lệ tái thu hồi 90% ) để tái sử dụng trong nông nghiệp.

Các quá trình xử lý sinh học chính trong xử lý nước thải

Quá trình bùn hoạt tính như phương pháp xử lý hiếu khí chủ yếu

Các hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí vẫn là nền tảng của công nghệ xử lý nước thải hiện đại, sử dụng vi khuẩn phụ thuộc oxy để phân hủy 85–90% chất ô nhiễm hữu cơ trong các bể sục khí. Các nhà máy xử lý đô thị thường đạt được mức giảm nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) vượt quá 95% nhờ vào việc tối ưu hóa cộng đồng vi sinh vật và kiểm soát chính xác lượng oxy hòa tan.

Xử lý sinh học bằng vi sinh vật và giun để phân hủy chất hữu cơ

Kỹ thuật lọc sinh học bằng giun bổ sung cho quá trình tiêu hóa vi sinh bằng Eisenia fetida giun đất, tăng tốc độ phân hủy cellulose lên 40% so với các phương pháp thông thường. Cách tiếp cận lai này giảm thể tích bùn từ 30–35% đồng thời loại bỏ mùi hôi—một lợi ích quan trọng đối với các hệ thống phi tập trung.

Lên men kỵ khí và tiêu hóa kỵ khí để thu hồi năng lượng

Các bể tiêu hóa kỵ khí kín chuyển đổi năng lượng hóa học trong nước thải thành khí sinh học, với các nghiên cứu gần đây cho thấy sản lượng khí sinh học đạt 0,35–0,45 m³ trên mỗi kg COD được loại bỏ. Việc đồng tiêu hóa cùng chất thải thực phẩm làm tăng hàm lượng methane lên 65–70%, biến các nhà máy xử lý thành những cơ sở sản xuất năng lượng ròng.

Hệ thống dựa trên tảo và phục hồi sinh học bằng thực vật để loại bỏ chất dinh dưỡng

Các dự án thí điểm sử dụng Chlorella vulgaris tảo vi sinh đạt hiệu quả thu hồi 89% nitơ và 76% phốt pho thông qua mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và nước thải. Các hồ lục bình kết hợp với đầm lầy nhân tạo loại bỏ kim loại nặng còn lại với hiệu suất 60–80%, cho phép tái sử dụng an toàn nguồn nước trong tưới tiêu nông nghiệp.

Các giai đoạn xử lý vật lý - hóa học cấp hai và cấp ba

Kết tủa, Keo tụ và Lắng để Loại bỏ Chất rắn

Sau khi giai đoạn xử lý sinh học hoàn tất, quá trình tiếp theo là keo tụ, trong đó các hóa chất như phèn nhôm hoặc ferric chloride được thêm vào để phá vỡ các hạt lơ lửng dai dẳng trong nước. Tiếp theo là quá trình gọi là tạo bông – về cơ bản là khuấy chậm giúp những hạt nhỏ này kết dính lại với nhau thành các bông cặn lớn hơn, sau đó lắng xuống đáy trong quá trình lắng. Hầu hết các nhà máy xử lý hiện đại có thể giảm mức độ đục xuống khoảng 80 đến 90 phần trăm trong vòng một giờ. Khi nhân viên vận hành điều chỉnh liều lượng hóa chất một cách chính xác, họ thường thu được kết quả tốt hơn. Tỷ lệ loại bỏ chất rắn tăng thêm khoảng 35 đến 40 phần trăm, đồng thời lượng bùn thải ra cũng giảm đáng kể, giúp công tác quản lý chất thải trở nên dễ dàng hơn cho nhân viên nhà máy.

Lọc và Oxy hóa Nâng cao để Phân hủy Chất ô nhiễm

Các bộ lọc cát và hệ thống màng (lọc vi và lọc nano) có khả năng giữ lại các hạt xuống đến 0,1 micron, loại bỏ 95% vi nhựa và tác nhân gây bệnh. Các quá trình oxy hóa nâng cao (AOPs) như ozone/UV hoặc phản ứng Fenton phân hủy dược phẩm và thuốc trừ sâu thông qua tạo thành gốc hydroxyl, đạt hiệu quả phân hủy >99% các hợp chất hữu cơ khó phân hủy.

Khử trùng bằng Clo, Cloamin và Tia UV

Khử trùng cuối cùng loại bỏ các tác nhân gây bệnh còn sót lại thông qua:

Các phân tích gần đây cho thấy hệ thống UV làm giảm vi khuẩn coliform phân xuống dưới 10 CFU/100ml ở 98% các nhà máy xử lý nước đô thị, đồng thời tránh tạo ra các sản phẩm phụ khử trùng (DBPs).

Loại bỏ EDCs và PPCPs trong các giai đoạn xử lý bậc ba

Hấp phụ bằng than hoạt tính và ôzôn hóa nhằm vào các hợp chất gây rối loạn nội tiết (EDCs) và dược phẩm (PPCPs) lọt qua quá trình xử lý bậc hai. Các bộ lọc than hoạt tính dạng hạt (GAC) loại bỏ 60–80% các hợp chất gây estrogen, trong khi liều lượng ozone 3–5 mg/L phân hủy 90% các loại kháng sinh như sulfamethoxazole.

Quản lý bùn thải, thu hồi tài nguyên và tích hợp nền kinh tế tuần hoàn

Từ bùn thải đến biosolids: ổn định, giảm độ ẩm và xử lý an toàn

Hầu hết các cơ sở xử lý nước thải hiện đại hiện nay có thể chuyển đổi khoảng 95% bùn thải của họ thành chất rắn sinh học ổn định bằng các phương pháp như khử trùng kỵ khí kết hợp với quá trình sấy nhiệt. Nghiên cứu công bố vào năm 2025 đã xem xét cách hoạt động của các hệ thống carbon hóa thủy nhiệt, và những gì họ phát hiện ra thực sự ấn tượng. Các hệ thống này giảm chi phí xử lý xuống khoảng hai phần ba, đồng thời tạo ra một sản phẩm gọi là hydrochar mà nông dân có thể sử dụng trên ruộng đất của họ. Thời gian hoàn vốn đầu tư cũng diễn ra khá nhanh, thường chỉ trong khoảng ba năm. Điều làm cho phương pháp này đặc biệt có giá trị là nó loại bỏ các tác nhân gây bệnh có hại và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khó chịu. Điều đó có nghĩa là sản phẩm cuối cùng đáp ứng đầy đủ các yêu cầu do EPA đặt ra đối với chất rắn sinh học loại A, điều này rất quan trọng đối với bất kỳ cơ sở nào muốn tuân thủ các quy định về môi trường.

Tái thu hồi dinh dưỡng và năng lượng từ dòng nước thải

Công nghệ hiện đại có thể tách ra khoảng 80 đến 90 phần trăm phốt pho và nitơ từ bùn thải, sau đó được sử dụng để sản xuất phân bón. Điều này giúp giải quyết vấn đề khan hiếm khoáng sản trên toàn thế giới. Các cơ sở xử lý đáp ứng khoảng một phần ba đến một nửa nhu cầu năng lượng của họ từ khí mê tan được tạo ra trong các bể lên men lớn, và đôi khi còn cung cấp thêm điện năng vào lưới điện. Một số hệ thống nhiệt phân mới hơn đang bắt đầu chuyển đổi lipid trong bùn thành nhiên liệu diesel sinh học với tỷ lệ dao động từ khoảng 120 đến 150 lít cho mỗi tấn chất thải được xử lý. Những đổi mới này làm giảm đáng kể mức độ phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch truyền thống để sản xuất năng lượng.

Xử lý nước thải và tính tuần hoàn: Khép kín vòng tuần hoàn tài nguyên

Công nghệ sinh học chiết xuất kim loại tiên tiến nhất được kết nối IoT đang tạo ra làn sóng trong lĩnh vực thu hồi kim loại, giúp chiết xuất đồng, kẽm và các nguyên tố đất hiếm khó xử lý nhanh hơn khoảng 40% so với các phương pháp truyền thống. Các thành phố đang nghiêm túc theo đuổi các nguyên tắc nền kinh tế tuần hoàn đang tìm cách đưa gần như toàn bộ nước đã qua xử lý trở lại chu trình sử dụng. Khoảng 98% lượng nước này được tái sử dụng cho các mục đích như tưới công viên hoặc làm mát thiết bị công nghiệp. Và đừng quên chất cellulose được tách từ bùn nước thải, hiện đang trở nên khá giá trị trên thị trường ngày càng mở rộng cho các vật liệu đóng gói phân hủy sinh học. Theo những gì chúng ta có thể thấy, các phương pháp này đáp ứng được nhiều tiêu chí trong Kế hoạch Hành động Kinh tế Tuần hoàn của EU. Chỉ số dấu chân carbon trong suốt vòng đời sản phẩm thấp hơn khoảng 18 đến 22 phần trăm so với việc vứt bỏ mọi thứ sau một lần sử dụng.

Các phương pháp hiệu quả để xử lý nước thải sinh hoạt

Lựa chọn Phương pháp Xử lý Nước Thải Phù hợp

Phối hợp Phương pháp Xử lý với Loại Nước thải và Đặc điểm Ô nhiễm

Đạt được kết quả tốt từ xử lý nước thải bắt đầu bằng việc xem xét các hóa chất hiện có và mức độ ô nhiễm thực tế. Khi xử lý chất thải công nghiệp chứa kim loại nặng hoặc thuốc còn sót lại, các phương pháp xử lý đặc biệt như oxy hóa nâng cao hoặc trao đổi ion thường hiệu quả nhất. Đối với nước thải đô thị thông thường chứa nhiều chất hữu cơ, các phương pháp sinh học thường là lựa chọn phù hợp hơn. Quá trình bùn hoạt tính vẫn phổ biến đối với loại chất thải này. Theo các phát hiện gần đây từ Báo cáo Tái sử dụng Nước được công bố năm ngoái, các hệ thống xử lý tùy chỉnh nhắm mục tiêu vào các chất gây ô nhiễm cụ thể có thể tăng hiệu suất lên khoảng 30% so với các phương pháp chung chung. Điều này hoàn toàn hợp lý vì các loại chất thải khác nhau đòi hỏi các phương pháp xử lý khác nhau để hoàn thành công việc một cách đúng đắn.

Tuân thủ các Tiêu chuẩn Quy định và Yêu cầu Sử dụng Cuối cùng

Các nhà máy xử lý nước thải cần tuân thủ các giới hạn cụ thể về hàm lượng BOD, hàm lượng nitơ và số lượng vi sinh vật gây bệnh theo quy định của các cơ quan quản lý như EPA và Tổ chức Y tế Thế giới. Lấy ví dụ khử trùng bằng tia UV, phương pháp này hoạt động hiệu quả đối với vi sinh vật khi nước cần được tái sử dụng cho mục đích tưới tiêu. Mặt khác, các hệ thống phản ứng sinh học màng (membrane bioreactor) giúp các cơ sở đáp ứng những yêu cầu khắt khe khi xả nước đã xử lý vào hệ thống cống thành phố hoặc các tuyến thủy lưu. Nhiều trung tâm xử lý lớn, xử lý chất thải từ cộng đồng trên 10.000 người, hiện đang lắp đặt thiết bị giám sát thời gian thực chỉ để đảm bảo tuân thủ giấy phép và quy định theo hướng dẫn gần đây từ các cơ quan y tế năm 2023.

Hệ thống đô thị so với công nghiệp và các giải pháp phân tán tại chỗ

• Các nhà máy đô thị ưu tiên khả năng mở rộng, thường tích hợp các giai đoạn bậc ba như lọc cát
• Hệ thống Công nghiệp tập trung vào các thách thức đặc thù ngành (ví dụ: thiết bị tách dầu-nước cho các nhà máy lọc dầu)
• Các giải pháp phân tán như các đơn vị MBR đóng gói hoặc đầm lầy nhân tạo phục vụ các cộng đồng vùng sâu vùng xa, giảm chi phí cơ sở hạ tầng lên đến 45% (Global Water Intelligence 2024)

Các Xu Hướng Mới Nổi trong Tái Sử Dụng Nước và Thiết Kế Xử Lý Bền Vững

Các phát triển mới nhất trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo (AI) nhằm tối ưu hóa quy trình và thu hồi chất dinh dưỡng đang làm thay đổi cuộc chơi trong xử lý nước thải sinh hoạt. Hơn 40 phần trăm các nhà máy xử lý mới hiện nay thực sự thu gom khí biogas thông qua quá trình tiêu hóa kỵ khí. Trong khi đó, các dự án tái sử dụng trực tiếp nước uống cao cấp, dựa trên công nghệ thẩm thấu ngược kết hợp với tia cực tím và xử lý oxy hóa nâng cao, đã tăng số lượng gần gấp đôi so với mức năm 2022. Một số phương pháp lai thú vị cũng đang xuất hiện, khi kết hợp các hồ tảo truyền thống với các hệ thống quản lý bùn tự động thông minh. Những hệ thống này thực sự thể hiện rõ cách mà việc áp dụng các khái niệm nền kinh tế tuần hoàn có thể cắt giảm đáng kể chi phí vận hành, vào khoảng 18 đến 22 phần trăm mỗi năm theo các báo cáo ngành gần đây.