Công nghệ xử lý nước thải không dùng điện, không sử dụng hóa chất đang được quan tâm trong các dự án nhà ở, khu nghỉ dưỡng, nhà hàng, trang trại, công trình vùng sâu vùng xa và các hệ thống xử lý nước thải phân tán. So với mô hình xử lý truyền thống sử dụng nhiều thiết bị cơ khí, máy thổi khí, bơm và hóa chất, các giải pháp tự nhiên, kỵ khí hoặc ít năng lượng có thể giúp giảm chi phí vận hành và yêu cầu nhân sự kỹ thuật.

Tuy nhiên, cần hiểu đúng rằng không phải mọi công nghệ được gọi là “không dùng điện” đều có thể vận hành hoàn toàn không sử dụng điện trong toàn bộ hệ thống. Khả năng vận hành thụ động phụ thuộc vào địa hình, cao độ, lưu lượng, tải lượng ô nhiễm, yêu cầu chất lượng nước đầu ra và cấu hình công trình. Bài viết này, ThS Hoàng Ngọc Thế với gần 10 năm kinh nghiệm thoát nước và xử lý nước thải sẽ giới thiệu cùng chúng ta các giải pháp xử lý nước thải không dùng điện và các yếu tố giúp vận hành hiệu quả hệ thống.

1. Công nghệ xử lý nước thải không dùng điện, không hóa chất là gì?

Xử lý nước thải không dùng điện là cách gọi phổ biến cho những hệ thống có thể giảm hoặc loại bỏ nhu cầu sử dụng thiết bị điện trong công đoạn xử lý chính. Nước thải có thể được xử lý nhờ trọng lực, quá trình phân hủy kỵ khí, vi sinh vật tự nhiên, vật liệu lọc, đất, cây thủy sinh hoặc các quá trình sinh học diễn ra trong điều kiện tự nhiên.

Trong khi đó, xử lý nước thải không sử dụng hóa chất hướng đến việc hạn chế hoặc không cần các hóa chất như: PAC; phèn nhôm; polymer; chlorine; NaOH; H₂SO₄; các chất oxy hóa hoặc điều chỉnh pH.

Các công nghệ này đặc biệt phù hợp với nước thải sinh hoạt và một số nguồn nước thải có tải lượng ô nhiễm tương đối ổn định.

Vì sao doanh nghiệp quan tâm đến mô hình này?

Đối với một hệ thống xử lý nước thải cho nhà máy, doan nghiệp, chi phí không chỉ nằm ở đầu tư ban đầu mà còn bao gồm: Điện năng; hóa chất; nhân công; bảo trì; thay thế thiết bị; xử lý bùn; kiểm soát vận hành.

Do đó, một hệ thống có thể giảm thiết bị cơ khí và hóa chất sẽ có khả năng giảm đáng kể chi phí vận hành hệ thống trong suốt vòng đời công trình.

2. Có thực sự tồn tại hệ thống xử lý nước thải “không điện – không hóa chất”?

Câu trả lời là có thể trong một số điều kiện, nhưng không nên hiểu theo nghĩa tuyệt đối.

Ví dụ, một bể tự hoại cải tiến vận hành theo cơ chế kỵ khí có thể không cần máy thổi khí hoặc bơm tuần hoàn. Tương tự, một bãi lọc trồng cây được bố trí phù hợp về cao độ có thể sử dụng dòng chảy trọng lực.

Tuy nhiên, toàn bộ hệ thống có thể vẫn cần điện cho: Bơm nâng nước; bơm chuyển tiếp; thiết bị khử trùng; quan trắc; chiếu sáng; điều khiển tự động; hoặc xử lý nước sau cùng ở mức độ cao hơn. Vì vậy, khi tư vấn cho doanh nghiệp, nên sử dụng các khái niệm chính xác hơn như:

“Hệ thống xử lý nước thải không sử dụng hóa chất trong công đoạn sinh học”  hoặc: “Hệ thống xử lý nước thải tự chảy, tiêu thụ năng lượng thấp”. Cách tiếp cận này phù hợp hơn với thực tế thiết kế và giúp chủ đầu tư tránh kỳ vọng sai về công nghệ.

3. 7 công nghệ xử lý nước thải theo hướng không điện, không hóa chất

3.1. Bể tự hoại cải tiến BASTAF – xử lý kỵ khí

Bể tự hoại cải tiến BASTAF là một trong những giải pháp phù hợp với định hướng giảm điện năng và hóa chất đối với nước thải sinh hoạt.

Khác với công nghệ hiếu khí cần cấp oxy liên tục, BASTAF sử dụng quá trình phân hủy kỵ khí. Vi sinh vật kỵ khí phân hủy một phần chất hữu cơ trong nước thải trong điều kiện thiếu oxy.

Cấu tạo bể thường bao gồm nhiều ngăn chức năng, giúp tăng khả năng tiếp xúc giữa nước thải và lớp bùn vi sinh.

Nguyên lý cơ bản: Nước thải đi qua các ngăn của bể theo dòng chảy được kiểm soát. Chất rắn lắng xuống đáy, trong khi các chất hữu cơ hòa tan và dạng lơ lửng tiếp tục được vi sinh vật kỵ khí phân hủy.

Quá trình có thể diễn ra theo các bước: Lắng → phân hủy kỵ khí → lọc kỵ khí → tách cặn → nước sau xử lý.

Ưu điểm của BASTAF:

• Không cần máy thổi khí;
• Có thể vận hành theo nguyên lý tự chảy;
• Không cần châm hóa chất cho quá trình phân hủy sinh học;
• Giảm lượng bùn so với một số công nghệ hiếu khí;
• Phù hợp với nước thải sinh hoạt;
• Có thể chế tạo bằng bê tông hoặc Composite;
• Có thể kết hợp với công trình xử lý phía sau.

Lưu ý: BASTAF không nên mặc định được xem là công trình xử lý cuối cùng cho mọi nguồn nước thải.

Tùy yêu cầu đầu ra, nước sau BASTAF có thể cần xử lý tiếp bằng: BASTAF → Wetland

hoặc: BASTAF → lọc sinh học → khử trùng hoặc: BASTAF → công trình xử lý sinh học bổ sung → khử trùng. Đây là điểm rất quan trọng khi thiết kế hệ thống thực tế.

3.2. Bãi lọc trồng cây Wetland

Bãi lọc trồng cây – Constructed Wetland – là một trong những giải pháp xử lý nước thải theo hướng tự nhiên được sử dụng rộng rãi.

Công nghệ mô phỏng một phần khả năng tự làm sạch của các hệ sinh thái đất ngập nước. Nước thải được đưa qua lớp vật liệu lọc như: sỏi; đá; cát; vật liệu khoáng; giá thể. Cây thủy sinh hoặc thực vật thích hợp được trồng phía trên hoặc trong hệ thống.

Cơ chế xử lý: Hiệu quả xử lý không chỉ đến từ cây mà là sự kết hợp của các quá trình như lọc cơ học; hấp phụ; quá trình sinh học; vi sinh vật bám dính; vùng rễ thực vật; chuyển hóa các hợp chất nitrogen; quá trình oxy hóa – khử.

Do đó, gọi Wetland đơn giản là “bể trồng cây xử lý nước thải” là chưa đầy đủ.

Ưu điểm

• Có thể vận hành với mức tiêu thụ năng lượng thấp;
• Ít thiết bị cơ khí;
• Ít sử dụng hóa chất;
• Chi phí vận hành tương đối thấp;
• Có thể tạo cảnh quan;
• Phù hợp với xử lý nước thải phân tán;

• Có thể kết hợp với BASTAF.

Hạn chế

Wetland cần diện tích đất nhất định. Ngoài ra, thiết kế phải kiểm soát: tải trọng thủy lực; tải trọng hữu cơ; thời gian lưu; độ sâu lớp lọc; loại vật liệu; hệ thống phân phối nước; hệ thống thu nước.

Nếu thiết kế không đúng, hệ thống có thể xảy ra: tắc nghẽn; mùi; dòng chảy ngắn; ngập bề mặt; giảm hiệu suất xử lý.

3.3. Hồ sinh học xử lý nước thải

Hồ sinh học là một trong những phương pháp xử lý nước thải lâu đời, sử dụng các quá trình tự nhiên giữa: vi sinh vật – tảo – ánh sáng – oxy – chất hữu cơ – thời gian lưu nước.

Các dạng hồ phổ biến gồm: hồ kỵ khí; hồ tùy nghi; hồ hiếu khí; hồ hoàn thiện.

Hồ kỵ khí

Hồ kỵ khí có chiều sâu tương đối lớn và tải trọng hữu cơ cao. Quá trình phân hủy chủ yếu diễn ra trong điều kiện thiếu oxy.

Ưu điểm: ít thiết bị; có thể vận hành theo trọng lực; không cần cấp khí cơ học; phù hợp với một số loại nước thải hữu cơ.

Hồ tùy nghi

Trong hồ tùy nghi, các vùng khác nhau có thể tồn tại điều kiện oxy hóa khác nhau.

Quá trình xử lý diễn ra nhờ sự phối hợp giữa: vi sinh vật; tảo; oxy hòa tan; quá trình lắng; phân hủy hữu cơ.

Hạn chế lớn nhất

Hồ sinh học cần diện tích đất tương đối lớn. Do đó, đây thường là giải pháp phù hợp hơn với: khu vực nông thôn; trang trại; khu nghỉ dưỡng; dự án có quỹ đất; hệ thống xử lý phân tán.

Đối với nhà máy nằm trong khu công nghiệp có giá đất cao, hồ sinh học thường khó cạnh tranh về diện tích.

3.4. Hố thấm và hệ thống xử lý bằng đất

Hệ thống thấm sử dụng khả năng lọc và xử lý tự nhiên của đất.

Sau khi nước thải được xử lý sơ bộ, nước được phân phối vào khu vực thấm. Đất và các lớp vật liệu phía dưới có thể tham gia vào quá trình: lọc; hấp phụ; giữ cặn; phân hủy sinh học; chuyển hóa chất ô nhiễm.

Đây là giải pháp có thể rất ít thiết bị và không cần hóa chất trong công đoạn xử lý. Tuy nhiên, không phải khu đất nào cũng phù hợp để áp dụng.

Trước khi thiết kế cần xem xét: loại đất; khả năng thấm; mực nước ngầm; địa hình; khoảng cách tới giếng khai thác nước; nguy cơ ô nhiễm nước ngầm; lưu lượng nước thải; yêu cầu pháp lý của dự án.

Vì vậy, hố thấm không nên được xem là giải pháp “đào một hố rồi cho nước thải xuống đất”. Đây là một hệ thống cần được thiết kế có kiểm soát.

3.5. Anaerobic Baffled Reactor – ABR

ABR là bể phản ứng sinh học kỵ khí có vách ngăn.

Cấu trúc vách ngăn buộc nước thải di chuyển qua các vùng phản ứng khác nhau, tạo điều kiện tăng tiếp xúc giữa nước thải và lớp bùn vi sinh.

Một hệ thống ABR có thể bao gồm: Ngăn lắng → ngăn kỵ khí → ngăn phản ứng → ngăn lọc → nước ra.

Ưu điểm của ABR

• Không cần cấp khí;
• Có thể vận hành theo trọng lực;
• Ít thiết bị cơ khí;
• Ít tiêu thụ năng lượng;
• Không cần hóa chất cho quá trình phân hủy kỵ khí;
• Có thể phù hợp với hệ thống xử lý nước thải phân tán.

ABR đặc biệt đáng quan tâm khi doanh nghiệp muốn xây dựng hệ thống xử lý đơn giản, bền, ít phụ thuộc vào máy móc. Tuy nhiên, ABR cũng có giới hạn. Nước sau ABR thường vẫn cần được đánh giá trước khi xả thải trực tiếp.

3.6. Kênh oxy hóa – giải pháp hiệu quả nhưng không nên gọi là “0 điện”

Kênh oxy hóa là công nghệ xử lý sinh học hiếu khí sử dụng hệ thống khuấy trộn và cấp oxy.

Đây là điểm cần phân biệt với nhóm công nghệ kỵ khí. Vi sinh vật hiếu khí cần oxy để phân hủy chất hữu cơ. Vì vậy, trong hệ thống thông thường, điện năng được sử dụng cho: Máy thổi khí; máy khuấy; bơm; thiết bị tuần hoàn.

Kênh oxy hóa có ưu điểm là khả năng xử lý sinh học tốt, vận hành ổn định nếu được thiết kế đúng.

Tuy nhiên, nếu mục tiêu của dự án là: “không sử dụng điện” thì đây không phải lựa chọn phù hợp nếu hệ thống vẫn sử dụng thiết bị cấp khí cơ học. 

Do đó, cần phân biệt giữa: công nghệ ít hóa chất và: công nghệ không dùng điện. Đây là một trong những điểm quan trọng khi tư vấn giải pháp cho chủ đầu tư.

3.7. Jokasou – Giải pháp xử lý nước thải phân tán

Jokasou là mô hình xử lý nước thải phân tán được phát triển mạnh tại Nhật Bản, đặc biệt đối với những khu vực không có hệ thống thoát nước tập trung.

Hệ thống có thể tích hợp nhiều công đoạn xử lý trong một thiết bị nhỏ gọn. Tùy cấu hình, Jokasou có thể sử dụng: Xử lý sinh học; giá thể vi sinh; lắng; lọc; khử trùng.

Điểm mạnh của Jokasou là khả năng tích hợp hệ thống xử lý vào một module chế tạo sẵn, giúp giảm diện tích xây dựng tại công trường. Tuy nhiên, Jokasou không phải là công nghệ “không dùng điện” theo nghĩa tuyệt đối. Một số cấu hình cần thiết bị cấp khí hoặc thiết bị điều khiển. Do đó, nếu chủ đầu tư yêu cầu zero-electricity, cần lựa chọn cấu hình ngay từ giai đoạn thiết kế.

4. Bảng so sánh 7 nhóm công nghệ

Công nghệ	Điện năng	Hóa chất	Diện tích	Vận hành	Phù hợp
BASTAF	Rất thấp/có thể tự chảy	Thấp	Nhỏ–vừa	Đơn giản	Nước thải sinh hoạt
Wetland	Thấp	Không/ít	Vừa–lớn	Đơn giản	Khu dân cư, resort
Hồ sinh học	Rất thấp	Không/ít	Lớn	Đơn giản	Trang trại, nông thôn
Hố thấm	Rất thấp	Không	Phụ thuộc đất	Đơn giản	Công trình phù hợp địa chất
ABR	Rất thấp	Không	Vừa	Đơn giản	Nước thải hữu cơ
Kênh oxy hóa	Có	Có thể thấp	Vừa–lớn	Trung bình	Nước thải cần xử lý sinh học
Jokasou	Thấp–trung bình tùy cấu hình	Thấp	Nhỏ	Tương đối đơn giản	Xử lý phân tán

Lưu ý: “Không dùng điện” chỉ có thể xác định chính xác sau khi xem xét toàn bộ hệ thống, bao gồm bơm, cấp khí, khử trùng và cao độ công trình.

5. Nên chọn công nghệ nào theo quy mô?

Không có một công nghệ duy nhất phù hợp cho mọi dự án.

5.1. Công trình rất nhỏ

Đối với nhà ở, khu lưu trú nhỏ hoặc công trình độc lập, có thể xem xét: Bể tự hoại cải tiến → lọc/Wetland → khử trùng nếu cần.

5.2. Coong trình có công suất Khoảng 1–20 m³/ngày

Có thể nghiên cứu: BASTAF; ABR; Wetland; Jokasou; module xử lý sinh học.

5.3. Công suất Khoảng 20–100 m³/ngày

Cần đánh giá kỹ hơn: Lưu lượng trung bình; lưu lượng giờ cao điểm; BOD; COD; TSS; nitrogen; phosphorus; diện tích; yêu cầu đầu ra. Một số dự án có thể kết hợp: kỵ khí + hiếu khí + lọc + khử trùng.

5.4. Công suất trên 100 m³/ngày

Việc yêu cầu hoàn toàn không điện thường trở nên khó khăn hơn. Khi quy mô tăng, doanh nghiệp cần cân bằng giữa: diện tích; chi phí dầu tư, chi phí vận hành; độ ổn định; yêu cầu chất lượng nước; tự động hóa; nhân sự vận hành. Trong nhiều trường hợp, hệ thống ít năng lượng sẽ thực tế hơn mục tiêu “0 điện”.

6. Mô hình kết hợp BASTAF + Wetland

Một trong những cấu hình đáng xem xét đối với nước thải sinh hoạt là: Nước thải → song chắn rác → bể lắng/tách cặn → BASTAF → Wetland → lọc → khử trùng → nước sau xử lý.

Trong đó:

• BASTAF Giảm tải hữu cơ và cặn trước khi đưa sang công trình phía sau.
• Wetland: Tiếp tục xử lý các chất hữu cơ và một phần chất dinh dưỡng thông qua vật liệu lọc và hệ vi sinh.
• Khử trùng: Được bổ sung khi yêu cầu chất lượng nước đầu ra cần kiểm soát vi sinh.

Cấu hình này có ưu điểm là giảm sự phụ thuộc vào thiết bị cơ khí trong một số trường hợp, đồng thời tạo ra hệ thống có tính tự nhiên cao. Tuy nhiên, thiết kế thực tế vẫn phải dựa trên tải lượng và quy chuẩn áp dụng cho dự án.

7. Ưu điểm của công nghệ xử lý nước thải ít điện, không hóa chất

7.1 Giảm chi phí vận hành

Nếu giảm được máy bơm, máy thổi khí và hóa chất, chi phí OPEX có thể giảm.

7.2. Giảm phụ thuộc vào thiết bị

Hệ thống ít thiết bị cơ khí thường giảm số lượng bộ phận cần bảo trì.

7.3. Phù hợp khu vực hạ tầng hạn chế

Những nơi: điện không ổn định; không có hệ thống thoát nước tập trung; khó bố trí nhân sự vận hành; có thể xem xét công nghệ xử lý phân tán.

7.4. Thân thiện môi trường

Các hệ thống tự nhiên có thể giảm: tiêu thụ điện; sử dụng hóa chất; tiếng ồn; lượng thiết bị cơ khí.

7.5. Có thể kết hợp cảnh quan

Wetland và hồ sinh học có thể được tích hợp vào cảnh quan của: resort; khu sinh thái; khu dân cư; trang trại; trường học.