Nghiên cứu áp dụng công nghệ lọc sinh học xử lý nước thải đô thị: Kết quả thực nghiệm tại thành phố Đà Nẵng

1. Đặt vấn đề

Các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tại Đà Nẵng hiện đang sử dụng công nghệ hồ kỵ khí dạng đơn giản. Nước thải đô thị được thu gom từ hệ thống thoát nước chung, sau khi loại bỏ rác và cát, được đưa vào hồ kỵ khí và được thải vào nguồn tiếp nhận. Với thời gian lưu trong từ 3 đến 5 ngày, không có các biện pháp khuấy trộn và quản lý và vận hành đơn giản.
Sau khi đưa vào sử dụng, đã phát sinh vấn đề ô nhiễm môi trường do mùi và bọt tại các thời điểm tiếp nhận nước sau xử lý. Nguyên nhân do quá trình kỵ khí không xử lý hoàn toàn được các chất hữu cơ và mùi, dẫn đến chất lượng nước sau xử lý thời điểm không đáp ứng được các quy định về xả thải và việc không kiểm soát các chất khó phân hủy tích lũy trong hồ sẽ dẫn đến sức tải của hồ giảm và mức độ gây ô nhiễm tại điểm tiếp nhận ngày càng trầm trọng hơn.

Trong chiến lược quản lý nước thải thành phố Đà Nẵng đến năm 2020 và định hướng đến năm 2040, về XLNT sẽ: đầu tư xây dựng mới nhà máy tại Hòa Xuân với công nghệ sục khí kéo dài và xả nước theo đợt nâng công suất; nhà máy XLNT Sơn Trà sẽ thí điểm cải tạo theo hướng công nghệ bùn hoạt tính truyền thống (CAS) làm cơ sở cho việc lựa chọn công nghệ cho 3 nhà máy Hòa Cường, Phú Lộc và Ngũ Hành Sơn. Với quan điểm nguồn thu phí phải đáp ứng đầy đủ các nhu cầu: quản lý, vận hành bão dưỡng hệ thống và tái đầu tư.

Các số liệu khảo sát về thực trạng XLNT của Ngân hàng Thế giới cho thấy, mặc dù công nghệ áp dụng XLNT ở các đô thị ở Việt Nam có sự khác biệt lớn về trang thiết bị và chi phí quản lý vận hành, nhưng chất lượng nước sau xử lý hầu hết các nhà máy XLNT đều đạt tiêu chuẩn xả thải cột B, QCVN 40:2011/BTNMT, do nước thải đầu vào được thu gom từ hệ thống thoát nước chung có nồng độ các chất ô nhiễm thấp. Việc áp dụng và vận hành các nhà máy XLNT có mức đầu tư và chi phí vận hành cao đã làm giảm đáng kể hiệu quả của nguồn vốn đầu tư và để quản lý bền vững nước thải đô thị, đảm bảo dự án có hiệu quả kinh tế - tài chính, việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp với đặc điểm nước thải đầu vào, đáp ứng được tiêu chuẩn xã thải và thích hợp với hiện trạng sử dụng đất, cần được đặc biệt cân nhắc trước khi đưa ra quyết định.

Từ các bài học kinh nghiệm thực tiễn trên cho thấy, để giải quyết được các vấn đề tồn tại, nâng cao hiệu quả của nguồn vốn đầu tư và tiếp cận quản lý nước thải bền vững cho thành phố Đà Nẵng, việc lựa chọn công nghệ xử lý thí điểm thuộc nhóm có mức đầu tư và chi phí vận hành cứu áp dụng các công nghệ thuộc nhóm có mức chi phí thấp hơn, để có đủ dữ liệu cơ sở cho việc so sánh, đánh giá và lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp nhất với điều kiện thực tiễn của Đà Nẵng.

Công nghệ lọc sinh học đã được nghiên cứu và áp dụng trong XLNT đô thị có hệ thống thoát nước chung từ năm 2007 tại Tokyo và đang triển khai áp dụng rộng rãi cho các đô thị có điều kiện tương tụ ở Nhật Bản. Với mục đích phát triển công nghệ mới, mở rộng áp dụng cho các quốc gia đang phát triển, nghiên cứu áp dụng công nghệ lọc sinh học XLNT đô thị được thực hiện để có được các số liệu cơ sở cho việc hiệu chỉnh và hoàn thiện công nghệ với điều kiện thực tiễn.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Vật liệu

Công nghệ sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm là công nghệ XLNT truyền thống với hai quá trình được cải tiến: thay thế bể lắng I bằng bể lọc xốp nổi; bể lọc sinh học cao tải bằng bể lọc sinh học tốc độ cao với vật liệu đệm composit, nhằm mục đích đơn giản hóa quá trình vận hành, giảm chi phí năng lượng và tiết kiệm diện tích đất xây dựng với nước thải được thu gom từ hệ thống thoát nước chung.

Mô hình bao gồm: các công trình xử lý sơ bộ loại bỏ các chất không tan; song chắn rác, lọc với vật liệu nổi (FSF); bể lọc sinh học cao tải (HTF) với vật liệu đệm bằng composit; bể lắng ngang; khử trùng bằng clorin và UV, được xây dựng, lắp đặt tại nhà máy XLNT Phú Lộc, thành phố Đà Nẵng…

2.2. Phương pháp

Vận hành hệ thống

Nước thải sử dụng trong quá trình vận hành được lấy trực tiếp từ mương phân phối nước thải vào hồ kỵ khí, nhà máy XLNT Phú Lộc. Sau khi loại bỏ các chất không tan có kích thước lớn bằng song chắn rác có khe hở là 40mm và 15mm, nước được bơm lên bể FSF.

Khi chuyển động qua các khe hở của lớp vật liệu, các chất hữu cơ ở dạng lơ lửng (SS) sẽ được dính bám và giữ lại trên bề mặt và sau một khoảng thời gian lượng vật chất dính bám trên các lớp vật liệu tăng lên, gây cản trở cho quá trình lọc. Quá trình rửa lọc được thực hiện bằng cách: mở van rửa lọc, áp lực của khối nước sẽ đẩy lượng vật chất dính bám trên bề mặt xuống bể chứa; cấp khí nén, rửa vật liệu lọc và sau đó được lặp lại, với chu kỳ rửa 1 lần/ngày với thời gian 5 phút/lần.

Tại bể HFT, nước được làm thoáng và tưới đều trên các lớp vật liệu lọc (VLL) bằng hệ thống tưới phản lực với tốc độ 20 vòng/phút, tải trọng thủy lực thay đổi từ 20 đến 30m3/m2.ngđ. Khi chuyển động qua các lớp VLL, các chất hữu cơ ở dạng hòa tan, phân tán nhỏ và các khoáng chất hòa tan còn lại, sẽ được các lớp màng vi sinh vật (VSV) dính bám trên bề mặt VLL giữ lại và chuyển hóa. Theo thời gian, lớp màng sẽ dày lên, tách ra khỏi các lớp vật liệu, theo dòng nước ra khỏi bề HTF và được tác ra ở các bể lắng II (SLS).

Trong trường hợp bể lọc bị tắc do sự phát triển của các loại côn trùng, trở lực quá trình sẽ tăng lên, quá trình rửa vật liệu đệm sẽ được thực hiện tự động tương tự như quá trình rửa bể FSF.

Quan trắc chất lượng nước

Khi hệ thống hoạt động ổn định, quan trắc các thông số chất lượng nước đầu vào và lần lượt qua các công trình xử lý: FSF, HTF. Các thông số: nhiệt độ, pH, ORP, SS, BOD5, COD quan trắc với tần suất hàng ngày và với N-NH4, P-PO4 là 2 lần/tuần. Các dụng cụ lấy mẫu, thiết bị đo nhanh được kiểm tra, hiệu chỉnh định kỳ và các phương pháp phân tích chất lượng nước tại phòng thí nghiệm được thực hiện theo các phương pháp tiêu chuẩn.

Xử lý số liệu và đánh giá kết quả

Các số liệu quan trắc sử dụng trong tính toán hiệu suất xử lý của các công trình là các số liệu được xử lý trên cơ sở phân tích mối quan hệ giữa các thông số quan trắc được trên cùng một mẫu và độ tin cậy của kết quả đánh giá được xem xét trên số lượng mẫu, khoảng thời gian quan trắc và so sánh với các số liệu thống kê trong các tài liệu chuyên ngành. Sự phù hợp của công nghệ và khả năng áp dụng vào điều kiện thực tiễn được đánh giá trên cơ sở phân tích các yếu tố: chất lượng nước sau xử lý so với các quy định trong QCVN; mức độ hoạt động ổn định và khả năng kiểm soát sự cố trong quá trình vận hành; khả năng đáp ứng, hiệu chỉnh và các biện pháp kỹ thuật bổ sung, khi tải trọng thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm tăng trong tương lai.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Chất lượng nước thải và hiệu suất xử lý của các công trình

Các kết quả quan trắc các thông số chất lượng nước: SS, BOD5, COD, N-NH4, P-PO4 trong nước thải đô thị và qua các bể FSF, HTF và SLS. Các thông số vận hành: lưu lượng 300m3/ngđ., từ 12/2012 đến 11/2013, SLS được vận hành với thời gian lắng 0.75h và 1,5h ở khoảng thời gian còn lại.

Chất lượng nước thải

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải rất không ổn định, khoảng dao động rất lớn, có sự khác biệt theo mùa và giữa các ngày trong tháng. Mùa mưa (tháng 9 đến tháng 1), nồng độ các chất ô nhiễm có giá trị nhỏ hơn so với các tháng mùa khô (tháng 2 đến tháng và so với cột B trong QCVN, vào nhiều thời điểm, nồng độ các chất ô nhiễm thấp hơn và vài thông số đạt xấp xỉ cột A. Nguyên nhân là do hệ thống thoát nước thành phố Đà Nẵng là hệ thống thoát nước chung, tỷ lệ đấu nối các bể tự hoại vào hệ thống thoát nước thấp và mực nước ngầm cao thay đổi theo triều, nên trong quá trình vận chuyển về nhà máy, nước thải đã được pha loãng nhiều lần do nước mưa và nước ngầm xâm nhập.

Hiệu suất xử lý

Với nồng độ SS trong nước thải đầu vào dao động trong khoảng từ 36 đến 196 mg/I trung bình 103mg/l), sau xử lý cơ học (FSF), giá trị SS ổn định hơn và còn lại là 12-110mg/I (50.9mg/l), tương ứng với hiệu suất tách SS trung bình đạt 52,7% tương đương với các công trình xử lý cơ học truyền thống.

Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải đầu vào: BOD5¬ 18,5-136 mg/l (66,2mg/I) và COD: 22-205 mg/I (98,9mg/I). Sau xử lý cơ học (FSF): BOD5 ¬15-110mg/I (51,8 mg/I), hiệu suất chuyển hóa 22%; COD 19-184 mg/I (78,8mg/I), hiệu suất đạt 24%. Sau xử lý sinh học (HTF): BOD5: 3-29 mg/I (16,8 mg/I) và COD 7,5- 50 mg/I (26,1 mg/I). Tương ứng với hiệu suất chuyển hóa chất hữu cơ theo: BOD5 là 68.2% và COD là 72.2%.

Tương tự như chất hữu cơ với nồng độ N-NH4 1,1-18,5 mg/I (4,9mg/I) và P-PO¬4 0,4 – 7,5 mg/I (2,64mg/I). Sau FSF: N-NH4 0,4-16,7 mg/I (3,7mg/I), hiệu suất chuyển hóa 23,9%; P-PO4: 0,2-6,8 mg/I (2,1mg/I), hiệu suất 14,8%. Sau HTF: N-NH4 0,1-2,8 mg/I (0,7 mg/I), hiệu suất 80,8% và P-PO4: 0,1-2,0 mg/I (0,7 mg/I), hiệu suất 77,7%.

So sánh các thông số chất lượng nước xử lý với mức quy định trong cột A của QCVN cho thấy, mặc dù bể lắng II hoạt động trong phần lớn thời gian với tải trọng cao, nhưng giá trị trung bình trong gần 14 thánh vận hành liên tục vẫn nhỏ hơn mức quy định nhiều lần.

3.2. Đánh giá khả năng áp dụng vào thực tiễn

Kết quả vận hành bể FSF cho thấy, so với các bể lắng I truyền thống, ngoài chức năng loại bỏ chất lơ lửng, hiệu suất xử lý chất hữu cơ của bể là đáng kể, xấp xỉ két quả thực nghiệm tại Nhật Bản và tương đương với quá trình đông tụ sinh học trong công nghệ XLNT truyền thống. Hiệu suất cao là do, trền bề mặt các hạt vật liệu nổi luôn luôn tồn tại một lớp màng VSV và khi nước thải chuyển động qua, một lượng đáng kể các chất hữu cơ và dinh dưỡng đã hấp thụ vào các lớp màng và sau đó đã được chuyển hóa…

Thực tiễn việc quản lý hệ thống trong thời gian thực nghiệm cho thấy, hệ thống XLNT hoạt động rất ổn định, các quá trình rửa bể FSF và HTF hoạt động theo chế dộ tự động hoàn toàn, các trở ngại thường gặp đều có thể giải quyết nhanh, nên việc quản lý vận hành được đánh giá là đơn giản hơn so với công nghệ bùn hoạt tính.

4. Kết luận và kiến nghị

Công nghệ lọc sinh học cải tiến với các quá trình: tách các chất không tan bằng quá trình lọc nổi, chuyển hóa các chất hữu cơ bằng bể lọc nhanh với VLL bằng composit, có chế độ hoạt động ổn định với chi phí thấp hơn so với công nghệ bùn hoạt tính với nước thải từ hệ thống thoát nước chung.

Trong điều kiện cơ sở hạ tầng, kinh tế xã hội của Đà Nẵng, việc áp dụng công nghệ lọc sinh học vào quản lý nước thải đô thị sẽ giúp thành phố giải quyết được các vấn đề tồn tại ở thời điểm hiện tại và đảm bảo sự ổn định và bền vững trong tương lai.

Hoàn thiện các nghiên cứu xử lý bùn, cặn và mở rộng nghiên cứu khả năng tái sử dụng nước sau xử lý phục vụ cho các mục đích khác nhau như tưới thảm cỏ, cây xanh trong khu vực đô thị hoặc bổ sung nước cho các hồ vào các tháng mùa khô.

Lời cảm ơn

Kết quả nghiên cứu là một phần của dự án “Hệ thống xử lý nước thải tiên tiến, tiết kiệm năng lượng tại thành phố Đà Nẵng” hợp tác giữa Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ môi trường, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng với công ty Metawate và Đại học Kitakyushu, Nhật Bản từ 3/2012. Các tác giả cảm ơn sự cho phép của UBND thành phố Đà Nẵng, các sở, ban ngành, các cơ quan có liên quan và các đồng nghiệp trong và ngoài nước đã hỗ trợ và tư vấn trong suốt quá trình thực hiện.


Nguồn: Tạp chí Xây dựng, số 5/2014

Bày này hay đó