Xử lý nước thải chi phí thấp - giải pháp công nghệ phù hợp điều kiện Việt Nam

1. Định nghĩa hệ thống xử lý nước thải chi phí thấp

Hệ thống XLNT thông thường bao gồm các công trình tại đó nước thải được xử lý bằng các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học, để loại bỏ các chất rắn, các chất hữu cơ và đôi khi cả các chất dinh dưỡng có trong nước thải. Nước thải được tiến hành làm sạch theo trình tự tăng mức độ xử lý từ xử lý sơ bộ, xử lý sơ cấp (bậc một), thứ cấp (bậc hai), triệt để (bậc ba) và có thể có thêm các công đoạn xử lý đặc biệt khác. Tại một số nước, công đoạn khử trùng các vi khuẩn, mầm bệnh thường là bước xử lý cuối cùng.

Hệ thống XLNT chi phí thấp là các hệ thống xử lý sinh học tự nhiên tải lượng thấp, có thể xử lý các loại nước thải hữu cơ như nước thải sinh hoạt. Các hệ thống này có cấu tạo đơn giản, có chi phí đầu tư thấp đáng kể, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp. Mặc dù các hệ thống XLNT chi phí thấp đòi hỏi diện tích đất sử dụng nhiều hơn so với các hệ thống xử lý sinh học nhân tạo tải lượng cao, nhưng chúng có hiệu quả hơn và đáng tin cậy trong việc xử lý các vi khuẩn, mầm bệnh, nếu được thiết kế một cách hợp lý và không bị quá tải.

Tất cả các quá trình quản lý và XLNT phụ thuộc vào nhiều yếu tố và điều kiện tự nhiên như tải lượng thủy lực đối với bể lắng và có hoặc không có các yếu tố tự nhiên như vi sinh vật. Tuy nhiên trong các công trình XLNT điển hình, các quá trình tự nhiên này được hỗ trợ bằng một loạt các thiết bị máy móc cơ khí phức tạp tiêu thụ điện năng cao (các máy bơm, máy sục khí v.v...).

Trong nội dung giảng dạy này các hệ thống XLNT chi phí thấp được mô tả bằng các quá trình và các công trình xử lý nước thải được vận hành trong các điều kiện gần tự nhiên hoặc phụ thuộc cơ bản vào các yếu tố tự nhiên. Hệ thống XLNT chi phí thấp có thể được trang bị các máy bơm và đường ống phân phối, thu nước thải, nhưng không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện năng bên ngoài để duy trì khả năng xử lý [Reed và các cộng sự, 1995].

Hệ thống XLNT chi phí thấp được coi là công nghệ xử lý tự nhiên, gần tự nhiên hay trên cơ sở tự nhiên do thực tế là bản chất của các quá trình xử lý các chất ô nhiễm diễn ra trong các hệ thống này đều dựa trên cơ sở các quá trình và chu trình chuyển hóa tự nhiên (như các yếu tố sinh học, cơ học hay năng lượng mặt trời và các yếu tố tự nhiên khác). Hệ thống xử lý chi phí thấp cũng có thể được xem là hệ thống có các đặc tính:

  • Đạt được mức độ xử lý có thể chấp nhận;
  • Vốn đầu tư thấp;
  • Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp;
  • Yêu cầu kỹ năng vận hành không cao so với các công nghệ thông thường khác;
  • Tuổi thọ dài hơn so với tuổi thọ các công nghệ xử lý có sử dụng các thiết bị điện - cơ khí;
  • ít phụ thuộc vào các yếu tố như công tác xây dựng, các thiết bị điện, cơ khí;
  • Công nghệ/quá trình xử lý đơn giản hiệu quả xử lý ổn định và lâu dài;
  • Nhu cầu bảo dưỡng và vận hành ít;
  • Có khả năng vận hành độc lập;
  • Có khả năng tuần hoàn, tái sử dụng tối đa nước sau xử lý và các sản phẩm có ích từ các chất gây ô nhiễm;
  • Đáp ứng được nhu cầu phục vụ đối với người dân có thu nhập thấp và trung bình vùng ngoại thành;
  • Có thiết kế đơn giản, phổ biến với bất cứ quy mô nào từ nhỏ đến lớn.

Hệ thống XLNT chi phí thấp có thêm những ưu điểm là giảm thiểu các tác động đến môi trường và ít ảnh hưởng đến các hệ sinh thái, có khả năng ứng dụng tốt trong các điều kiện môi trường nước, đất và đất ngập nước.

  • Xử lý trong môi trường nước

Hồ sinh học tùy tiện là dạng công trình xử lý trong nước được ứng dụng phổ biến nhất. Điều kiện hiếu khí được hình thành tại các tầng nước gần bề mặt, trong khi tại khu vực đáy với sự có mặt của lớp bùn lắng tích tụ tạo nên vùng kị khí. Tại các tầng nước giữa tồn tại hỗn hợp các vùng hiếu khí phần phía trên và kị khí phần phía đáy. Các hồ hiếu khí thường nhỏ và nông hơn các hồ tùy tiện. Hồ hiếu khí thường được bố trí sau các hồ kị khí hoặc hồ tùy tiện nhằm tăng cường làm thoáng và thoát khí hoặc mùi phát sinh từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ.

  • Xử lý trong môi trường đất

Bao gồm các hệ thống dòng chảy chậm trên bề mặt đất, dòng thấm chậm và thấm nhanh ngầm dưới mặt đất. Ngoài khả năng XLNT với chi phí bảo dưỡng thấp, các hệ thống này còn có thêm các khả năng ưu việt khác như cung cấp nước bổ sung cho nguồn nước ngầm, cho tái trồng rừng, cho nông nghiệp và hoặc cho đồng cỏ nuôi súc vật. Hiệu quả xử lý của các hệ thống này phụ thuộc vào các phản ứng sinh học, hóa học, lý học diễn ra trên và trong  lòng đất.  Hệ thống dòng chảy bề mặt cần được cấy trồng thực vật để hấp thụ chất dinh dưỡng cũng như các chất ô nhiễm đồng thời làm tăng thời gian lưu nước trong hệ thống và khả năng tiếp xúc giữa các ô nhiễm với đất/ hệ thực vật. Các hệ thống thấm chậm và thấm nhanh ngầm dưới mặt đất là các hệ thống "không xả" các dòng chảy ra rất hiếm khi xả trực tiếp ra suối hoặc các thủy vực nước mặt khác. Mỗi hệ thống có khả năng lưu giữ nước/dòng chảy khác nhau phụ thuộc đặc tính thấm của đất.

  • Xử lý trong môi trường đất ngập nước

Các vùng đất hoặc bãi đất nhân tạo mà tại đó đất được duy trì thường xuyên trong trạng thái bão hòa nước và có cấy trồng các loại thực vật có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm là môi trường tốt được ứng dụng để XLNT. Có hai dạng bãi lọc ngập nước được ứng dụng trong XLNT: Hệ thống bãi lọc dòng chảy bề  mặt và hệ thống bãi lọc dòng chảy ngầm. Cả hai hệ thống đều sử dụng rễ cây trồng làm nơi lưu giữ và phát triển của các loài vi sinh vật, đồng thời luân chuyển ôxi từ không khí cung cấp cho vi sinh vật sử dụng trong quá trình phân hủy các chất ô nhiễm có trong nước thải. Vi khuẩn đóng vai trò lớn trong cơ chế xử lý nước thải của các hệ thống này, mặc dù một phần các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho và natri cũng được cây cối hấp thụ. Hệ thống bãi lọc dòng chảy bề mặt về cơ bản gần giống như các đầm lầy tự nhiên. Cấu trúc điển hình của loại hệ thống này thường được thiết kế với bề rộng hẹp, chiều dài lớn và có độ sâu nhỏ hơn 1m, có cấy trồng các loại thực vật nước. Các hệ thống bãi lọc dòng chảy ngầm thường sử dụng sỏi hoặc cát dễ thấm làm vật liệu cố định rễ thực vật nước và lọc dòng nước thải chảy qua.

2. ưu điểm và nhược điểm của hệ thống XLNT chi phí thấp

- ưu điểm

Các hệ thống XLNT chi phí thấp được xây dựng một cách hợp lý, có thiết kế phù hợp với các đặc điểm địa hình khu vực sẽ có những ưu điểm sau:

Đảm bảo hiệu suất xử lý cao và ổn định

Hệ thống XLNT chi phí thấp được thiết kế, xây dựng, bảo dưỡng, và quản lý một cách hợp lý có thể đảm bảo duy trì hiệu suất xử lý nước thải cao và ổn định. Các kết quả thực nghiệm cho thấy phôtpho, nitrat, nitrit, amonia, BOD5, và các chất rắn lơ lửng có thể được xử lý đạt tới mức có thể chấp nhận. Nhìn chung, hiệu suất xử lý các thành phần BOD, TSS, COD, các kim loại, và chất hữu cơ bền vững trong nước thải sinh hoạt có thể đạt mức cao với thời gian lưu nước hợp lý. Với thời gian lưu nước lâu hơn đáng kể, nitơ và phốt pho cũng có thể được xử lý triệt để. Các hệ thống XLNT tự nhiên chi phí thấp áp dụng cho xử lý bậc hai có thể được vận hành quanh năm ngoại trừ khi thời tiết lạnh nhất. Đối với xử lý bậc ba hoặc xử lý đặc biệt có thể vận hành quanh năm đối với các khu vực có điều kiện thời tiết ấm.

Chi phí đầu tư xây dựng thấp

Đối với những khu vực có quỹ đất với giá đất có thể chấp nhận được, việc đầu tư xây dựng hệ thống XLNT chi phí thấp sẽ kinh tế hơn so với các hệ thống XLNT thông thường có sử dụng các thiết bị cơ khí. Không sử dụng các thiết bị xử lý phức tạp góp phần làm giảm đáng kể giá thành đầu tư. Khi thiết kế hệ thống XLNT chi phí thấp cần quan tâm tới các đặc điểm tại vị trí xây dựng như địa hình, địa chất, nguồn cấp nước, loại đất, loại nước thải được xử lý v.v... Lựa chọn vị trí với các đặc điểm thích hợp sẽ làm giảm được giá thành xây dựng.

Chi phí vận hành thấp

Hệ thống XLNT chi phí thấp thường có chi phí vận hành thấp, giảm thiểu các chi phí sử dụng điện năng và các thiết bị, không cần sử dụng hóa chất. Các bãi lọc thường được thiết kế đảm bảo khả năng tự chảy của nước trong hệ thống. Nếu địa hình không thuận lợi, không đảm bảo khả năng tự chảy của nước trong hệ thống thì sẽ cần đến bơm và làm tăng giá thành vận hành. Hệ thống XLNT tự nhiên nếu được thiết kế và xây dựng hợp lý có khả năng tự duy trì và bảo dưỡng trong thời gian lâu dài. Nhìn chung, mặc dù hệ thống xử lý nước thải tự nhiên thường chỉ duy trì được hiệu suất xử lý một cách thụ động nhưng giảm thiểu được các nhu cầu về thiết bị cơ khí, điện năng, và các yểu cầu cao về kỹ năng của người vận hành. 

Giảm và hạn chế tối thiểu mùi khó chịu

Phát sinh mùi khó chịu là một trong những vấn đề cần quan tâm khi lưu giữ và xử lý nước thải, đặc biệt nếu vị trí của trạm XLNT được đặt gần nhà dân. Các bãi lọc thường ít hoặc không phát sinh mùi khó chịu.

Duy trì được khả năng XLNT với tải lượng ô nhiễm không ổn định

Hệ thống XLNT chi phí thấp được thiết kế một cách hợp lý có khả năng tự điều tiết và duy trì hiệu suất xử lý đối với các loại tải lượng ô nhiễm khác nhau của nước thải. Đây là ưu điểm nổi bật của hệ thống XLNT chi phí thấp vì các thành phần ô nhiễm trong nước thải rất đa dạng và chế độ thải nước không đều, các điều kiện thời tiết thay đổi, sự phát triển của dân cư trong lưu vực hay sự thay đổi quản lý các hoạt động thương mại trong lưu vực làm thay đổi đáng kể tải lượng ô nhiễm.

Giảm diện tích đất cần thiết khi tái sử dụng nước thải

Hệ thống XLNT chi phí thấp có khả năng xử lý triệt để các chất ô nhiễm. Vì vậy, diện tích đất cần thiết cho việc tái sử dụng nước sau xử lý từ các bãi lọc nhân tạo ít hơn diện tích đất cần thiết khi trực tiếp sử dụng nước thải.

Giảm khối lượng chất phát sinh trong quá trình xử lý

Hệ thống XLNT chi phí thấp có thể giảm tối thiểu khối lượng các chất bị loại và phát sinh trong quá trình xử lý. Lượng bùn/sinh khối dư phát sinh ít hơn nhiều so với các quá trình xử lý thứ cấp khác. Rất nhiều hệ thống XLNT chi phí thấp không làm phát sinh bùn dư đòi hỏi phải xử lý tiếp theo hay tiêu hủy.

Tạo cảnh quan

Tùy thuộc vào thiết kế, vị trí, và chủng loại thực vật, các hệ thống XLNT chi phí thấp đặc biệt là các bãi lọc ngập nước nhân tạo có thể làm nổi bật phong cảnh với màu sắc, bố cục và sự đa dạng của các loài cây. Hệ thống XLNT chi phí thấp có thể tăng cường không gian, diện tích cây xanh trong đô thị và kết hợp cả các chức năng giải trí công cộng.

Tăng cường đa dạng sinh học

Hệ thống XLNT chi phí thấp có khả năng kiến tạo môi trường tốt thu hút một số loài động vật hoang dã đến sinh sống và phát triển và làm tăng thêm lợi ích, sự hấp dẫn về du lịch cho khu vực.

- Nhược điểm

Ngay cả khi được thiết kế tối ưu nhất, hệ thống XLNT chi phí thấp vẫn tồn tại những hạn chế:

Hạn chế trong việc loại bỏ các vi khuẩn gây bệnh

Hệ thống XLNT chi phí thấp có thể loại bỏ phần lớn các vi khuẩn gây bệnh từ nước thải sinh hoạt. Tuy nhiên, khả năng xử lý này cũng có thể chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn xả cho phép và cần thiết phải thực hiện thêm công đoạn khử trùng. Nguyên nhân cơ bản là do các loài chim và các loài thú hoang dã khác sinh sống trong và tại khu vực hệ thống xử lý có thể là nguồn phát sinh và lan truyền các vi khuẩn gây bệnh.

Yêu cầu vệ sinh định kỳ lớp bùn lắng

Bùn lắng và các chất trơ cần phải định kỳ được lấy đi. Hệ thống XLNT chi phí thấp có thể bị lấp đầy bởi bùn và các chất rắn làm tắc dòng chảy trong hệ thống nếu khi thiết kế không tính đến việc loại bỏ rác và các chất rắn trước khi nước thải vào hệ thống. Tổng lượng bùn phát sinh sẽ cao hơn tại các giai đoạn vận hành trong điều kiện thời tiết lạnh do nhiệt độ thấp gây ức chế các hoạt động của vi sinh vật (VSV). Vì vậy cần định kỳ hàng năm làm sạch lượng bùn tích tụ và các chất hữu cơ trên bề mặt của hệ thống.

Giá thành xây dựng

Với điều kiện địa hình thuận lợi và các đặc điểm tự nhiên khác như loại đất phù hợp sẽ giảm được chi phí đầu tư xây dựng của hệ thống XLNT chi phí thấp. Chi phí xây dựng sẽ tăng trong trường hợp xây dựng hệ thống tại các khu vực có điều kiện không thuận lợi. Thực tế cho thấy đối với các bãi lọc ngập nước nhân tạo được xây dựng tại các khu vực có điều kiện mặt bằng, địa hình thay đổi, cần bổ sung hoặc thay thế đất, bố trí các vật liệu lót chống thấm, cần hoạt động kết hợp với máy bơm, v.v... có thể làm cho giá thành xây dựng tăng đáng kể.

ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết

Sự thay đổi thời tiết theo mùa như lạnh, hạn hán làm giảm hiệu suất xử lý của hệ thống. Các số liệu về sự biến đổi của thời tiết trong năm rất quan trọng cần được đề cập tới trong thiết kế và vận hành hệ thống. Khả năng xử lý BOC, COD, và nitơ của hệ thống về bản chất là dựa trên các quá trình sinh học nên  về cơ bản có thể được phục hồi liên tục. Phôtpho, các kim loại, và một số hợp chất hữu cơ bền vững được xử lý trong hệ thống bởi các quá trình lắng đọng, tích tụ theo thời gian. Điều kiện khí hậu lạnh, nhiệt độ thấp vào mùa đông làm giảm tốc độ xử lý BOD và các phản ứng sinh học nitrat hóa và khử nitrat. Tăng thời gian lưu nước trong hệ thống có thể nâng được hiệu suất xử lý, nhưng đồng thời sẽ làm tăng diện tích công tác cần thiết của các bãi lọc dẫn tới làm giảm hiệu quả kinh tế hoặc tính khả thi về mặt ký thuật của hệ thống.

Các vấn đề về mùi

Hệ thống XLNT chi phí thấp thường sử dụng các công đoạn xử lý kị khí có phát sinh mùi khó chịu, làm tăng ảnh hưởng tới các khu dân cư lân cận đặc biệt trong điều kiện thời tiết nóng. Vì vậy khi thiêt kế cần đề cập tới khoảng cách li an toàn tới các khu dân cư.

Có thể mất khả năng xử lý do sự quá tải về chất rắn hoặc amonia

Trong hệ thống XLNT chi phí thấp, amonia là thành phần khó kiểm soát và dự đoán trước được trong nước đầu ra. Tình trạng nồng độ amonia cao tồn tại trong thời gian dài cũng có thể gây ức chế sự phát triển của thực vật trong hệ thống XLNT chi phí thấp.

Hạn chế tái sử dụng chất dinh dưỡng đối với cây trồng

Một vài chất dinh dưỡng được xử lý bằng hệ thống xử lý nước thải chi phí thấp không tái sử dụng được đối với đất và các sản phẩm cây trồng.

Sự có mặt của các động vật và côn trùng không mong muốn

Muỗi và các sinh vật, côn trùng lây nhiễm có thể là một trở ngại nếu không kiểm soát được sự phát triển của các loại thực vật. Các động vật đào bới cũng có thể là một trở ngại. Sự gia tăng về số lượng của các loài chim trong hệ thống XLNT chi phí thấp có thể có tác động bất lợi nếu có sân bay gần đó.

Diện tích đất yêu cầu tính theo dân số tương đương có thể lớn

Diện tích đất cần thiết cho hệ thống XLNT chi phí thấp có thể lớn, đặc biệt nếu phải xử lý nitơ hay phôtpho. Các hệ thống xử lý cơ khí thông thường (ví dụ bùn hoạt tính, các hệ thống lọc nhỏ giọt hay tiếp xúc sinh học quay) thường có ưu thế và khả thi hơn hệ thống XLNT chi phí thấp trong điều kiện giới hạn về diện tích đất sử dụng [0,5 -1m2/người (dân số tương đương), so sánh với các hệ thống xử lý tự nhiên 5 -10m2/người]. Mặt khác, khả năng ứng dụng các hệ thống XLNT thông thường còn tùy thuộc vào tiềm năng kinh tế. 

Nguồn Intenet

Biên tập: Nguyễn Hữu Tuyên - Tiểu ban quản lý nước thải phân tán, chi phí thấp

ĐT: 094.222.6986. email: vinaceeco@gmail.com

Viết bình luận

Bạn đã gửi bình luận thành công. Xin cảm ơn!