XỬ LÝ NƯỚC THẢI: 7 CÔNG NGHỆ, NGUYÊN LÝ VÀ CHIẾN LƯỢC TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG CÔNG NGHIỆP
Xử lý nước thải công nghiệp đòi hỏi áp dụng nhiều công nghệ hiện đại nhằm đáp ứng quy chuẩn môi trường và tối ưu chi phí. Bài viết này trình bày 7 công nghệ chủ lực cùng nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và chiến lược vận hành hiệu quả cho hệ thống xử lý nước thải công nghiệp.
1. Giới thiệu về các công nghệ xử lý nước thải công nghiệp hiện đại
Hệ thống xử lý nước thải công nghiệp thường kết hợp nhiều quá trình xử lý sinh học và xử lý hóa lý nhằm loại bỏ toàn diện các chất ô nhiễm (BOD, COD, TSS, kim loại nặng, dầu mỡ…). Việc lựa chọn công nghệ phù hợp tùy thuộc vào đặc tính nước thải (nồng độ COD, BOD, pH, chất độc hại), yêu cầu xả thải theo QCVN cũng như điều kiện vận hành thực tế.
Mỗi công nghệ có nguyên lý và thế mạnh riêng, do đó chiến lược tối ưu thường là kết hợp các công nghệ để đạt hiệu quả xử lý cao nhất với chi phí hợp lý. Dưới đây là phân tích 7 công nghệ tiêu biểu hiện nay:
- Xử lý sinh học hiếu khí (Aerobic biological treatment): sử dụng vi sinh vật hiếu khí (cần oxy) để phân hủy chất hữu cơ, điển hình như quy trình bùn hoạt tính truyền thống.
- Xử lý sinh học kỵ khí (Anaerobic digestion): vi sinh vật kỵ khí (không cần oxy) phân hủy chất hữu cơ nồng độ cao, sinh khí metan (biogas).
- Xử lý hóa lý (Coagulation-Flocculation – physico-chemical treatment): dùng hóa chất keo tụ, tạo bông để loại bỏ chất rắn lơ lửng, kim loại nặng, một phần COD.
- Lọc màng (Membrane filtration: UF, NF, RO): tách bỏ tạp chất bằng màng lọc, tạo nước sau xử lý rất sạch, có thể tái sử dụng.
- Keo tụ điện hóa (Electrocoagulation): dùng dòng điện và điện cực hy sinh để tạo bông keo tụ loại bỏ chất bẩn mà không cần bổ sung hóa chất bên ngoài.
- Fenton/Oxy hóa nâng cao (AOP): tạo gốc hydroxyl (•OH) mạnh bằng H₂O₂/Fe²⁺, ozone, UV… để oxy hóa các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học, giảm COD và màu.
- Công nghệ tái sử dụng nước thải (wastewater reuse): tổ hợp các quy trình xử lý bậc cao (ví dụ: MBR + RO + UV) nhằm tái sử dụng nước thải làm nước cấp cho sản xuất hoặc các mục đích khác.
Mục tiêu cuối cùng là nước thải sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT (quy chuẩn nước thải công nghiệp) với các chỉ tiêu BOD, COD, TSS, N, P nằm dưới giới hạn cho phép, thậm chí xử lý sâu để tái sử dụng nước thải. Phần sau sẽ đi sâu vào từng công nghệ, nêu rõ nguyên lý, ứng dụng, thông số vận hành, ưu nhược điểm và các nhà cung cấp tiêu biểu ở phân khúc cao cấp – trung cấp – phổ thông.
2. Công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí (Aerobic biological treatment)
2.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí
Quá trình sinh học hiếu khí sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ trong nước thải thành CO₂, H₂O và sinh khối mới (bùn). Điều kiện bắt buộc là duy trì oxy hòa tan (DO) đầy đủ (thường ≥ 2 mg/L cho nhu cầu BOD, COD) bằng hệ thống sục khí hoặc khuấy trộn.
Công nghệ phổ biến nhất là bể Aerotank với bùn hoạt tính lơ lửng: nước thải được trộn với bùn hoạt tính (vi sinh vật) và sục khí liên tục. Vi sinh vật hấp thụ và oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ để sinh trưởng, tạo thành các bông bùn. Nước sau xử lý chảy qua bể lắng để tách bùn. Một phần bùn được tuần hoàn về bể Aerotank duy trì mật độ vi sinh, phần dư được loại bỏ.
Các biến thể khác gồm: bể lọc sinh học (biofilter) với vi sinh vật bám trên vật liệu đệm (đá, nhựa) và màng sinh học (MBBR, FBR) dạng giá thể di động. Ngoài ra, công nghệ màng lọc sinh học MBR (Membrane Bioreactor) kết hợp xử lý sinh học hiếu khí và lọc màng thay cho bể lắng, cho nước đầu ra rất sạch có thể tái sử dụng ngay. Dù hình thức khác nhau, điểm chung của các hệ thống xử lý sinh học hiếu khí là đều cần cung cấp dưỡng khí và tạo điều kiện tối ưu cho vi sinh vật hiếu khí phân hủy các hợp chất hữu cơ.
2.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của xử lý nước thải sinh học hiếu khí
Công nghệ hiếu khí được áp dụng rộng rãi cho xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp có tải lượng ô nhiễm hữu cơ trung bình đến cao (COD đến ~2000 mg/L). Các ngành như thực phẩm, đồ uống, dệt nhuộm, giấy, chế biến thủy sản… thường dùng bể Aerotank hoặc biological treatment hiếu khí làm bước xử lý chính để giảm BOD và COD.
Ưu điểm nổi bật của phương pháp hiếu khí là hiệu quả xử lý toàn diện: có thể loại bỏ 90–95% BOD/COD, đồng thời xử lý được ammoniac, nitơ (qua quá trình nitrification/denitrification kết hợp thiếu khí) và giảm dầu mỡt. Nước sau xử lý dễ dàng đạt tiêu chuẩn xả thải loại A theo QCVN. Quá trình hiếu khí diễn ra tương đối nhanh (thời gian lưu nước 6–24 giờ tùy thiết kế), vận hành ổn định khi giữ đúng thông số (pH ~ 6.5–8.5, nhiệt độ 25–35°C, DO ≥ 2 mg/L…).
Ưu điểm: Công nghệ xử lý sinh học hiếu khí an toàn, thân thiện với môi trường (không cần hóa chất độc hại), không tạo sản phẩm phụ nguy hiểm. Hiệu suất xử lý các chất hữu cơ cao, trung bình đạt 90–95% giúp nước thải sau xử lý trong sạch, đạt tiêu chuẩn. Quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra nhanh nên tiết kiệm thời gian vận hành. Phương pháp này cũng ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường (vi sinh hiếu khí vẫn hoạt động tốt ở nhiệt độ thấp).
Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu cao do cần diện tích xây dựng lớn và lắp đặt thiết bị sục khí, bơm khuấy công suất cao. Quá trình hiếu khí sinh ra lượng bùn dư khá lớn (bùn hoạt tính dư), đòi hỏi có hệ thống xử lý bùn (nén bùn, hút bùn định kỳ).
Hệ vi sinh hiếu khí tương đối nhạy cảm: dễ bị sốc tải khi lưu lượng hoặc nồng độ ô nhiễm tăng đột ngột, hoặc khi xuất hiện chất độc (kim loại nặng, hóa chất sát trùng) trong nước thải – những yếu tố này có thể gây chết vi sinh và giảm hiệu quả xử lý. Do đó, quá trình vận hành cần theo dõi thường xuyên các chỉ số như pH, DO, dinh dưỡng (tỷ lệ BOD:N:P ≈ 100:5:1) để kịp thời điều chỉnh, đảm bảo hệ vi sinh khỏe mạnh.
2.3 Thông số vận hành của hệ thống xử lý nước thải sinh học hiếu khí
Các hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí điển hình vận hành với thời gian lưu nước (HRT) khoảng 6 – 8 giờ cho tải trọng trung bình, hoặc >20 giờ đối với Aerotank kéo dài (Extended Aeration). Nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) thường duy trì 3000–5000 mg/L, tuổi bùn (SRT) 5 – 20 ngày tùy quá trình. Hàm lượng oxy hòa tan DO phải ≥ 2 mg/L để đáp ứng nhu cầu oxy sinh hóa cho vi sinh phân hủy BOD/COD. Nếu có nitrification (xử lý NH₄⁺) thì cần DO ~3 mg/L.
Nhiệt độ tối ưu 25–35°C (vi sinh phát triển mạnh nhất), nhưng vẫn chấp nhận được từ 15–40°C (ngoài khoảng này vi sinh giảm hoạt tính rõ rệt). pH thích hợp 6,5 – 8,5; nếu pH ngoài khoảng này cần điều chỉnh (vì vi sinh nhạy với pH quá axit hoặc kiềm). Tỉ lệ thức ăn/vi sinh (F/M) khoảng 0.1 – 0.2 kg BOD/kg MLSS/ngày để hệ bùn hoạt tính ổn định. Hiệu suất xử lý BOD của bể hiếu khí truyền thống đạt 80–95%; trong nhiều trường hợp thực tế, BOD5 sau xử lý < 20 mg/L và COD < 50 mg/L là khả thi, đáp ứng cột A QCVN 40:2011.
Tuy nhiên, để đạt hiệu suất cao, cần đảm bảo dinh dưỡng đủ (thiếu N, P sẽ làm vi sinh kém sinh trưởng), tránh độc chất, và quan trọng là duy trì sục khí liên tục tránh thiếu oxy cục bộ.
2.4 Nhà cung cấp công nghệ xử lý nước thải sinh học hiếu khí tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – Veolia Water Technologies (Pháp): Tập đoàn Veolia cung cấp giải pháp xử lý nước thải trọn gói hàng đầu thế giới, với các công nghệ sinh học hiếu khí tiên tiến. Veolia sở hữu các công nghệ độc quyền như bể MBBR AnoxKaldnes, bể bùn hoạt tính dòng chảy chéo, và hệ thống MBR (màng bioreactor) ZeeWeed. Giải pháp của Veolia cho hiệu suất xử lý BOD, COD > 95%, tích hợp điều khiển thông minh (phần mềm AQUAVista) và thường áp dụng cho các dự án quy mô lớn, yêu cầu cao (dầu khí, hóa chất, đô thị lớn). Thiết bị vật tư tiêu chuẩn châu Âu, tuổi thọ cao, vận hành ổn định.
Phân khúc trung cấp – WABAG (Áo/Ấn Độ): VA Tech WABAG là nhà cung cấp quốc tế với nhiều dự án ở châu Á. WABAG chuyên về các hệ thống xử lý sinh học cho nước thải thành phố và công nghiệp cỡ vừa. Công nghệ nổi bật của WABAG gồm bể hiếu khí dạng SBR (Sequencing Batch Reactor) và oxidation ditch tối ưu chi phí.
Hệ thống của WABAG có mức độ tự động hóa vừa phải, thiết bị xuất xứ đa dạng (EU, Ấn Độ), đáp ứng tốt tiêu chuẩn xả thải với chi phí đầu tư và vận hành hợp lý. WABAG đã triển khai nhiều nhà máy nước thải tại Ấn Độ, Trung Đông với công suất 5.000–50.000 m³/ngày.
Phân khúc phổ thông – SafBon (Trung Quốc): SafBon Water Service là công ty Trung Quốc cung cấp giải pháp xử lý nước thải giá cạnh tranh. SafBon có các thiết kế bể Aerotank truyền thống, bể vi sinh nhỏ giọt và module MBR tiêu chuẩn hóa. Thiết bị (máy thổi khí, máy khuấy, màng lọc) đa phần sản xuất nội địa Trung Quốc nên chi phí thấp.
Hệ thống SafBon phù hợp cho các dự án vừa và nhỏ, ngân sách hạn chế, vẫn đảm bảo hiệu suất BOD, COD khoảng 85–90%. Tuy nhiên, độ bền thiết bị và mức tự động hóa không cao bằng các hãng Âu-Mỹ, đòi hỏi chủ đầu tư chú trọng công tác bảo trì và vận hành chặt chẽ.
3. Công nghệ xử lý nước thải sinh học kỵ khí (Anaerobic Digestion)
3.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ xử lý nước thải sinh học kỵ khí
Xử lý sinh học kỵ khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí (không cần oxy) để phân hủy các chất hữu cơ phức tạp trong nước thải thành các sản phẩm đơn giản hơn (chủ yếu là khí CH₄, CO₂ và bùn sinh học). Quá trình kỵ khí bao gồm 4 giai đoạn chính xảy ra tuần tự: Thủy phân (biopolymers → monomer), Acid hóa (monomer → acid hữu cơ), Acetate hóa (acid → acetate) và Methane hóa (acetate → khí metan). Toàn bộ quá trình diễn ra trong điều kiện kín, không có oxy.
Công nghệ kỵ khí thường ứng dụng dạng bể UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) – nước thải được bơm vào đáy bể và chảy ngược lên qua lớp bùn kỵ khí dạng hạt lơ lửng. Vi sinh kỵ khí trong lớp bùn hạt phân hủy các chất hữu cơ khi nước đi qua, tạo thành khí metan và CO₂. Hỗn hợp khí nổi lên trên và được thu gom qua hệ thống phễu tách ba pha (tách khí – bùn – nước). Bùn kỵ khí dạng hạt tự lắng trở lại đáy, nước sau xử lý tràn qua máng thu phía trên.
Hình: Sơ đồ bể UASB – nước thải được đưa từ đáy bể lên, vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ tạo thành bùn hạt (granule) lơ lửng và sinh khí metan (biogas) thoát lên trên. Các biến thể khác của công nghệ kỵ khí gồm bể CSTR (khuấy trộn liên tục), bể dòng chảy ngược có vách ngăn (ABR), bể EGSB (Expanded Granular Sludge Bed – nâng cấp của UASB với vận tốc dòng cao hơn). Một số hệ thống kỵ khí kết hợp vật liệu đệm (ví dụ bể kỵ khí dòng chảy ngược có giá thể cố định) giúp vi sinh vật bám dính, tăng thời gian lưu bùn.
Khác với hiếu khí, quá trình kỵ khí không tiêu thụ oxy mà còn tạo ra năng lượng dưới dạng khí metan. Tuy nhiên, vi sinh kỵ khí nhạy cảm hơn, phát triển chậm hơn; do đó thời gian lưu nước trong bể kỵ khí thường dài hơn (vài giờ đến vài ngày) và thời gian lưu bùn có thể rất cao (vài chục ngày). Quá trình kỵ khí hoạt động tối ưu ở điều kiện yếm khí tuyệt đối, pH trung tính (6,8 – 7,5), nhiệt độ mesophilic ~ 30–37°C (hoặc thermophilic ~ 50–55°C nếu có). Trong vận hành thực tế, nhiều bể UASB cần duy trì nhiệt độ bằng cách thu hồi một phần khí metan đốt sưởi ấm.
3.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của xử lý nước thải sinh học kỵ khí
Công nghệ kỵ khí phù hợp xử lý các loại nước thải có nồng độ COD rất cao (thường > 2000 mg/L) như nước thải sản xuất bia, rượu, đường, tinh bột, chăn nuôi, giấy, thực phẩm… Nhờ không cần cung cấp khí, quá trình kỵ khí tiết kiệm năng lượng đáng kể so với hiếu khí và đặc biệt có lợi khi hàm lượng hữu cơ lớn (nếu dùng hiếu khí cho COD quá cao sẽ tốn năng lượng và sinh quá nhiều bùn).
UASB và các biến thể thường được dùng làm bước xử lý sinh học sơ cấp (primary treatment) để giảm phần lớn BOD, COD ban đầu, sinh khí metan tận dụng phát điện, sau đó dòng nước được xử lý tiếp bằng hiếu khí để đánh polish đạt tiêu chuẩn.
Ưu điểm:
(1) Hiệu suất cao với nước thải giàu hữu cơ: Quá trình kỵ khí có thể xử lý 60–85% COD đầu vào, trong điều kiện tối ưu đạt khoảng 70–75%. Mặc dù hiệu suất phần trăm thấp hơn hiếu khí, nhưng do đầu vào rất cao nên lượng COD khử bỏ thực tế rất lớn.
(2) Thu hồi năng lượng: Sản phẩm khí metan (~60–70% CH₄) có thể thu và sử dụng làm nhiên liệu đốt lò hơi, chạy máy phát điện, bù đắp một phần chi phí vận hành. Ví dụ, 1 kg COD kỵ khí chuyển hóa sinh ~0,35 m³ CH₄.
(3) Ít bùn thải: Vi sinh kỵ khí sinh trưởng chậm nên lượng bùn dư tạo ra ít hơn 5–10 lần so với hiếu khí. Điều này giúp giảm chi phí xử lý bùn dư.
(4) Không cần cung cấp oxy: tiết kiệm điện năng lớn vì không phải chạy máy thổi khí liên tục.
(5) Phù hợp xử lý chất hữu cơ khó phân hủy: Một số hợp chất hữu cơ phức tạp (ví dụ phenol, hợp chất thơm) vi sinh kỵ khí có thể phân hủy tốt hơn hiếu khí do cơ chế khử.
Nhược điểm:
(1) Chất lượng nước sau kỵ khí chưa cao: Do chỉ xử lý một phần COD (khoảng 70%) nên nước sau bể UASB thường vẫn còn BOD, COD khá lớn (ví dụ COD còn vài trăm mg/L), cần xử lý bổ sung bằng phương pháp khác (hiếu khí, hóa lý) mới đạt tiêu chuẩn xả thải. Độ màu và mùi của nước sau kỵ khí cũng còn, do có sinh sản phẩm trung gian (acid hữu cơ, H₂S).
(2) Yêu cầu kiểm soát vận hành nghiêm ngặt: Vi sinh kỵ khí rất nhạy với pH (cần duy trì kiềm và pH ~7), nhạy với nhiệt độ (cần giữ ấm nếu vùng lạnh), dễ bị ức chế bởi hóa chất độc (kim loại nặng, chất sát trùng). Nếu shock tải hoặc có chất độc, hệ kỵ khí mất cân bằng (tích tụ acid, sụt pH) dẫn đến “chết” vi sinh, quá trình phải nuôi cấy lại rất lâu.
(3) Thời gian khởi động dài: Khởi động bể kỵ khí để hình thành hạt bùn kỵ khí có thể mất 2–4 tháng (cần bổ sung bùn kỵ khí ban đầu và nuôi thích nghi dần).
(4) Phát sinh khí gây mùi: Khí sinh học chứa H₂S, CO₂ có mùi khó chịu; cần có hệ thống xử lý khí (lọc H₂S, chống rò rỉ khí). Ngoài ra, bể kín UASB đòi hỏi thiết kế, thi công chính xác, tránh rò rỉ và phải an toàn chống nổ (do metan).
Tóm lại, kỵ khí là giải pháp tiền xử lý hữu hiệu cho nước thải công nghiệp giàu hữu cơ, giúp giảm tải cho hệ thống hiếu khí kế tiếp và thu hồi năng lượng. Tuy nhiên cần kết hợp với các công đoạn khác để đảm bảo nước thải đầu ra đạt chuẩn.
3.3 Thông số vận hành của hệ thống xử lý nước thải sinh học kỵ khí
Các bể UASB điển hình vận hành với thời gian lưu nước HRT khoảng 6 – 10 giờ (cho nước thải dễ phân hủy và nhiệt độ ~30°C). Đối với nước thải rất đậm đặc hoặc nhiệt độ thấp, HRT có thể tăng lên 1 – 2 ngày. Thời gian lưu bùn (SRT) trong bể kỵ khí rất cao, thường > 30–60 ngày, do vi sinh kỵ khí sinh trưởng chậm và một phần bùn được giữ lại lâu trong dạng hạt. Tải trọng COD vào UASB dao động khoảng 2 – 10 kgCOD/m³.ngày tùy thiết kế.
Nồng độ chất rắn lơ lửng (SS) quá cao (> 3% ~ 30.000 mg/L) không phù hợp cho UASB vì dễ tắc dòng và rửa trôi bùn; do đó cần loại bỏ bớt SS trước (lắng sơ cấp, rây lọc rác). Nhiệt độ lý tưởng ~35°C, nếu <20°C vi sinh kém hoạt động (cần tăng HRT hoặc gia nhiệt). pH duy trì ~7,0; nếu pH < 6,5 phải bổ sung kiềm (vôi, NaHCO₃) để tránh ức chế vi sinh methan. Độ kiềm bicarbonate cần > 1000 mg/L CaCO₃ để đệm pH. Tỷ lệ dinh dưỡng BOD:N:P ≈ 350:5:1 (vì sinh khối kỵ khí tạo mới ít hơn hiếu khí).
Hiệu suất chuyển hóa COD thành metan khoảng 50–60%. Thông thường, khoảng 0,3–0,4 m³ CH₄ sinh ra trên mỗi kg COD bị khử. Hiệu suất xử lý COD tổng thể ~ 65–85%, tùy đặc tính nước thải; giá trị tối đa khoảng 70–75% đã được ghi nhận trong điều kiện tối ưu. Sau kỵ khí, nồng độ COD còn lại thường vài trăm mg/L, cần xử lý thêm bằng hiếu khí hoặc hóa lý để đạt COD < 75 mg/L (QCVN 40:2011 cột A).
3.4 Nhà cung cấp công nghệ xử lý nước thải kỵ khí tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – Paques (Hà Lan): Paques là công ty tiên phong về công nghệ kỵ khí, nổi tiếng với bể UASB mang thương hiệu BIOPAQ®. Hãng đã lắp đặt hàng trăm hệ thống UASB và EGSB trên thế giới cho các nhà máy bia, rượu, thực phẩm.
Bể UASB của Paques có thiết kế tối ưu phần tách 3 pha, sử dụng vật liệu chất lượng cao (thép không gỉ, FRP), khả năng tự động điều chỉnh pH và nhiệt độ. Paques cũng cung cấp giải pháp thu hồi và tinh chế biogas đi kèm. Giá thành đầu tư cao nhưng đổi lại hiệu suất xử lý COD có thể đạt 80–90%, vận hành ổn định, tuổi thọ bể > 20 năm.
Phân khúc trung cấp – Waterleau (Bỉ): Waterleau cung cấp các hệ thống xử lý nước thải tích hợp, trong đó công nghệ kỵ khí Biotim® UASB của hãng được đánh giá cao ở phân khúc trung. Waterleau đã triển khai nhiều dự án UASB cho nhà máy đường, cồn, giấy tại châu Á. Bể UASB Waterleau có hiệu suất xử lý ~80% COD, cấu hình dạng mô-đun dễ mở rộng.
Thiết bị chính (máy bơm, van) xuất xứ châu Âu, phần bể do đối tác địa phương chế tạo giúp giảm giá thành. Gói điều khiển SCADA tương đối hiện đại, có cảnh báo pH, nhiệt độ, lưu lượng. Waterleau cân bằng giữa chất lượng Âu châu và giá cả trung bình.
Phân khúc phổ thông – Center Enamel (Trung Quốc): Center Enamel (Zhengzhong Tech) là nhà sản xuất bể UASB bằng thép tráng men hàng đầu Trung Quốc. Hãng này chuyên cung cấp bể UASB dạng lắp ghép bằng panel thép men sứ, dung tích 50–5.000 m³, giá rẻ hơn 30–40% so với bể bê tông truyền thống. Các dự án xử lý kỵ khí quy mô nhỏ và vừa ở châu Á thường sử dụng bể của Center Enamel kết hợp thiết bị kỵ khí từ các hãng khác.
Chất lượng bể ở mức chấp nhận được, thi công nhanh (panel bulong lắp sẵn), nhưng độ bền men tráng có thể giảm sau ~10 năm. Đây là giải pháp phổ thông chi phí thấp, phù hợp cho doanh nghiệp muốn đầu tư kỵ khí cơ bản với ngân sách hạn chế, chấp nhận hiệu suất ~65–75% COD và cần quản lý vận hành cẩn thận để đạt kết quả mong muốn.
4. Công nghệ xử lý nước thải hóa lý (Keo tụ – tạo bông physico-chemical treatment)
4.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ xử lý hóa lý (keo tụ – tạo bông)
Quá trình xử lý hóa lý chủ yếu đề cập đến phương pháp keo tụ – tạo bông (coagulation-flocculation) nhằm loại bỏ các chất lơ lửng, keo và một phần chất hữu cơ, kim loại trong nước thải. Nước thải thường chứa nhiều hạt rắn rất nhỏ mang điện tích âm (hạt keo) làm cho nước đục và giữ các chất hữu cơ, màu.
Keo tụ là bước thêm hóa chất phèn nhôm (Al₂(SO₄)₃), phèn sắt (FeCl₃) hoặc polymer cation vào nước thải; các hạt hóa chất tan ra tạo các ion Al³⁺ hoặc Fe³⁺ tích điện dương trung hòa điện tích âm trên bề mặt hạt keo, làm chúng mất ổn định. Đồng thời Al³⁺/Fe³⁺ thủy phân tạo kết tủa Al(OH)₃/Fe(OH)₃ dạng bông cặn hydroxide bẫy các hạt keo và chất bẩn. Sau keo tụ là bước tạo bông: khuấy chậm và thêm trợ keo tụ (polymer anion) giúp các hạt keo đã mất ổn định kết dính thành các bông lớn hơn.
Quá trình keo tụ – tạo bông thường diễn ra trong 2 bể: bể trộn nhanh (thời gian 1–3 phút, gradient khuấy ~300–1000 s⁻¹) để trộn đều hóa chất, và bể phản ứng tạo bông (thời gian 10–30 phút, khuấy chậm ~20–80 s⁻¹) để bông cặn phát triển. Sau đó, nước chảy qua bể lắng đứng hoặc bể lắng lamella để các bông cặn lắng xuống đáy, tách khỏi nước.
Bùn hóa lý (chứa hóa chất và chất ô nhiễm kết tủa) được thu gom đáy bể đem xử lý. Đôi khi, phương pháp tuyển nổi (DAF) được dùng thay cho lắng để tách bông cặn nhẹ (bơm không khí hòa tan tạo bong bóng cuốn cặn nổi lên bề mặt).
Ngoài keo tụ tạo bông, xử lý hóa lý còn bao gồm các quá trình trung hòa pH (thêm acid hoặc bazơ để đạt pH mong muốn), kết tủa hóa học (thí dụ kết tủa kim loại nặng bằng NaOH, kết tủa phosphate bằng FeCl₃), hấp phụ (than hoạt tính hấp phụ chất hữu cơ hòa tan) và trao đổi ion… Tuy nhiên, keo tụ là trọng tâm phổ biến do hiệu quả loại bỏ các chất rắn lơ lửng (TSS) và độ màu cao, chi phí vừa phải.
4.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của xử lý nước thải hóa lý (keo tụ – tạo bông)
Quy trình keo tụ – tạo bông được áp dụng ở nhiều vị trí trong hệ thống xử lý: (1) Tiền xử lý: keo tụ trước khi vào bể sinh học để loại bỏ cặn, giảm tải trọng COD, màu (ví dụ nước thải dệt nhuộm thường keo tụ trước vì màu và COD cao); (2) Xử lý sau cùng: keo tụ là bước xử lý bậc cao để loại bỏ cặn lơ lửng còn lại sau sinh học, xử lý triệt để màu và photphat để nước đạt tiêu chuẩn cao hoặc tái sử dụng.
Ngoài ra, keo tụ là phương pháp xử lý chính đối với nước thải chứa chủ yếu các chất vô cơ lơ lửng, kim loại (ví dụ nước thải xi mạ, mạ kim loại, rỉ rác) do vi sinh không phân hủy được kim loại.
Ưu điểm: Quá trình xử lý hóa lý diễn ra nhanh, thông thường chỉ mất dưới 1 giờ (so với sinh học cần nhiều giờ). Thiết kế và vận hành hệ thống keo tụ tương đối đơn giản, dễ điều chỉnh bằng cách tăng giảm liều lượng hóa chất. Có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất không phân hủy sinh học: ví dụ kim loại nặng (As, Cr, Pb) kết tủa trên 90%, độ màu giảm 80–95%, TSS giảm > 90%.
Keo tụ cũng góp phần giảm COD đáng kể nếu phần COD đó gắn với cặn lơ lửng hoặc dạng keo (theo kinh nghiệm có thể giảm 20–50% COD tùy loại nước thải). Hơn nữa, quá trình hóa lý ít bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi đột ngột của nước thải: chỉ cần điều chỉnh hóa chất phù hợp là có thể xử lý nhiều loại nước thải khác nhau, không phụ thuộc vi sinh vật như phương pháp sinh học. Do đó tính ổn định cao, đặc biệt khi trong nước thải có chất độc với vi sinh.
Nhược điểm: Nhược điểm chính là chi phí hóa chất và phát sinh bùn hóa lý. Hàng ngày phải sử dụng một lượng đáng kể phèn (nhôm hoặc sắt) và polymer; chi phí hóa chất có thể cao nếu ô nhiễm nhiều. Đồng thời, các muối kim loại và hydroxide hình thành một lượng bùn cặn lớn, chứa hóa chất và chất ô nhiễm cô đặc – loại bùn này thường khó xử lý (phải ép bùn, đem chôn lấp hoặc xử lý như chất thải nguy hại nếu chứa kim loại nặng).
Bùn hóa lý nhiều hơn bùn sinh học (do có thêm khối lượng chất phản ứng). Ngoài ra, việc thêm hóa chất keo tụ làm tăng TDS (tổng chất rắn hòa tan) trong nước thải – ví dụ dùng phèn nhôm sinh ra gốc SO₄²⁻, có thể khiến nước sau xử lý có độ dẫn cao hơn. Điều này không ảnh hưởng xả thải thông thường nhưng là bất lợi nếu có mục tiêu tái sử dụng nước thải (phải khử khoáng thêm). Một điểm nữa là tối ưu hóa hóa chất: nếu liều lượng hoặc loại hóa chất không phù hợp, hiệu quả keo tụ sẽ kém.
Quá liều polymer có thể gây hiện tượng “keo tụ quá mức” làm nước sau lắng vẫn đục. Do đó vận hành cần thử nghiệm jar-test định kỳ khi chất lượng nước thải thay đổi để điều chỉnh liều dùng.
Tóm lại, công nghệ xử lý hóa lý (keo tụ – tạo bông) là công cụ hữu hiệu để loại bỏ cặn, màu, kim loại trong nước thải công nghiệp, thường được kết hợp với quy trình sinh học nhằm đảm bảo nước thải đầu ra đạt các tiêu chí TSS, màu, COD khó phân hủy theo QCVN. Việc quản lý hóa chất và bùn thải phát sinh cần được tính toán trong chi phí vận hành hệ thống.
4.3 Thông số vận hành chính trong quá trình xử lý nước thải hóa lý
Hiệu quả của keo tụ – tạo bông phụ thuộc vào liều lượng hóa chất và các điều kiện pH, tốc độ khuấy. Thông thường, liều phèn nhôm (Al₂(SO₄)₃) dùng khoảng 50 – 200 mg/L nước thải, phèn sắt (FeCl₃) khoảng 30 – 150 mg/L, tùy vào độ đục, màu và COD cần xử lý.
Polymer trợ keo tụ (PAA, PAM) liều thấp hơn, thường 1 – 5 mg/L (do polymer cao phân tử hiệu quả ở nồng độ rất thấp). pH tối ưu: đối với phèn nhôm khoảng 6.0 – 7.5; phèn sắt khoảng 5.5 – 7.0; nếu nước thải không nằm trong khoảng này cần điều chỉnh pH (bằng vôi hoặc acid) trước khi cho keo tụ. Thời gian trộn nhanh: 1 – 2 phút ở gradient tốc độ G ~ 300–500 s⁻¹ để phân tán đều hóa chất, sau đó thời gian phản ứng tạo bông: 15 – 30 phút khuấy nhẹ G ~ 50–100 s⁻¹.
Nhiệt độ nước thải nếu quá lạnh (< 20°C) có thể làm keo tụ chậm, cần tăng liều hoặc thời gian phản ứng. Hiệu suất đạt được: TSS thường giảm từ vài trăm mg/L xuống còn < 50 mg/L (loại bỏ 80–95% TSS), độ màu giảm mạnh (70–99% tùy loại màu), COD có thể giảm 20–60% tùy tỷ lệ chất hữu cơ dạng keo/tan trong nước. Thực tế có nghiên cứu keo tụ điện hóa cho thấy hiệu suất loại bỏ COD ~82% và SS ~89% trong nước thải sản xuất tinh bột sắn, cho thấy hóa lý kết hợp điện cũng rất hiệu quả.
Sau lắng, nước trong thường có độ đục < 5 NTU, thích hợp để vào bước xử lý tiếp theo (lọc, khử trùng). Bùn hóa lý sinh ra thường có hàm lượng chất rắn 1–3% khi mới lắng; cần hệ thống nén bùn hoặc lọc ép để tăng độ khô (lên ~20–30% khô) trước khi vận chuyển xử lý.
4.4 Nhà cung cấp công nghệ và hóa chất xử lý nước thải hóa lý tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – Ecolab Nalco (Mỹ): Nalco (thuộc Ecolab) là tập đoàn hàng đầu về giải pháp hóa chất nước. Nalco cung cấp trọn bộ hóa chất keo tụ (phèn PAC, polymer đặc hiệu) và dịch vụ kỹ thuật tối ưu cho từng nhà máy. Ưu điểm của Nalco là chất lượng hóa chất rất cao (hiệu quả keo tụ vượt trội, ít tạo bùn hơn) và có chuyên gia hỗ trợ hiệu chỉnh liều lượng, theo dõi vận hành.
Các nhà máy yêu cầu khắt khe hoặc có nhiều biến động về nước thải thường chọn Nalco để đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định, dù giá hóa chất cao hơn thị trường. Nalco còn có hệ thống quan trắc tự động 3D Trasar điều chỉnh hóa chất theo thời gian thực, thuộc phân khúc cao cấp.
Phân khúc trung cấp – WesTech (Mỹ): WesTech Engineering cung cấp các thiết bị lắng, tuyển nổi (DAF) và hệ thống hòa trộn hóa chất nổi tiếng. Gói giải pháp của WesTech tập trung vào thiết bị: bồn trộn Static Mixer, bể phản ứng tạo bông có cánh khuấy tối ưu, bể lắng Lamella hoặc hệ thống DAF hiệu suất cao. Thiết bị WesTech có chất lượng tốt, độ bền cao, phù hợp với các nhà máy công suất lớn muốn đầu tư hệ thống keo tụ cơ khí hiện đại.
Mặc dù WesTech không trực tiếp sản xuất hóa chất, họ thường phối hợp với các nhà cung cấp polymer uy tín (SNF, BASF) để đảm bảo hiệu quả. Giá thành ở mức trung bình – cao, nhưng bù lại vận hành lâu dài ổn định, bể lắng lamella của WesTech giúp giảm 50% diện tích so với bể lắng thường.
Phân khúc phổ thông – Các nhà cung cấp hóa chất Trung Quốc: Thị trường hóa chất keo tụ phổ thông chủ yếu do các nhà sản xuất Trung Quốc cung cấp. Các doanh nghiệp từ Gongyi, Trung Quốc nổi tiếng với phèn PAC (poly aluminium chloride) giá rẻ và các polymer anion, cation thông dụng. Chẳng hạn, phèn PAC bột 31% Al₂O₃ từ Trung Quốc giá thấp hơn 30% so với hàng châu Âu, hiệu quả chấp nhận được cho các ứng dụng không đòi hỏi quá cao.
Nhiều công ty môi trường Việt Nam nhập hóa chất từ Trung Quốc (qua các đơn vị trung gian) để giảm chi phí. Chất lượng lô hàng có thể dao động, hiệu quả keo tụ đôi khi kém ổn định và tạo bùn nhiều hơn so với hóa chất cao cấp. Tuy nhiên, với kinh phí hạn hẹp, đây vẫn là lựa chọn phổ thông đáp ứng cơ bản yêu cầu xử lý. Các nhà cung cấp tiêu biểu gồm Gongyi Xinqi, Henan Fengbai, v.v. – cung ứng nhanh và số lượng lớn hóa chất keo tụ cho thị trường châu Á.
5. Công nghệ lọc màng (UF, NF, RO) trong xử lý nước thải
5.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ lọc màng (siêu lọc, nano lọc, thẩm thấu ngược)
Công nghệ lọc màng sử dụng các màng lọc bán thấm có kích thước lỗ khác nhau để tách bỏ các chất ô nhiễm dựa trên kích thước phân tử và áp lực. Có ba cấp độ màng chính thường dùng trong xử lý nước thải: UF (Ultrafiltration – siêu lọc), NF (Nanofiltration – lọc nano) và RO (Reverse Osmosis – thẩm thấu ngược).
- Màng UF (kích thước lỗ ~ 0,01 – 0,1 µm): Loại bỏ hoàn toàn các chất rắn lơ lửng, cặn bùn, vi khuẩn, một phần virus. UF cho nước sau lọc rất trong (độ đục < 0,1 NTU), nhưng các chất hòa tan (muối, chất hữu cơ nhỏ) vẫn đi qua được. UF thường được vận hành ở áp suất thấp (0,5 – 2 bar). Trong xử lý nước thải, UF dùng làm bước lọc bảo đảm trước khi xả hoặc tái sử dụng, hoặc làm tiền xử lý cho màng RO.
- Màng NF (kích thước lỗ ~ 0,001 µm): Loại bỏ các phân tử cỡ nano, gồm đa số các chất hữu cơ phân tử lượng trung bình, ion đa hóa trị (Ca²⁺, SO₄²⁻) và màu, nhưng cho phép một phần ion đơn hóa trị (Na⁺, Cl⁻) đi qua. NF hoạt động ở áp suất trung bình (5 – 15 bar). NF thường dùng để làm mềm nước (loại Ca, Mg), khử màu tự nhiên (humic), giảm một phần muối trong dòng nước thải cần tái sử dụng không yêu cầu khử muối hoàn toàn.
- Màng RO (kích thước lỗ ~ 0,0001 µm): Đây là màng thẩm thấu ngược có kích thước lỗ cực nhỏ, có khả năng loại bỏ tới 99% mọi ion muối và chất hữu cơ, chỉ cho phân tử nước thấm qua. RO đòi hỏi áp lực cao (10 – 20 bar cho nước lợ, 40 – 70 bar cho nước biển). Trong xử lý nước thải, RO là công đoạn cuối để khử khoáng và các chất ô nhiễm còn lại, cho nước thành phẩm gần như tinh khiết, có thể tái sử dụng vào cấp nước nồi hơi, quy trình sản xuất, thậm chí đạt chất lượng uống được.
Nguyên lý RO: Áp suất cao được tác động lên phía nước thải, vượt qua áp suất thẩm thấu tự nhiên, đẩy nước thấm qua màng bán thấm sang bên nước sạch, còn các ion muối và chất ô nhiễm bị giữ lại và cuốn theo dòng cô đặc. RO đòi hỏi nhiều tầng màng lắp nối tiếp để đạt tỉ lệ thu hồi nước mong muốn (thường 50–80%). Nước cô đặc (brine) phải được xử lý riêng (thường tuần hoàn hoặc bay hơi).
Quá trình lọc màng thường cần tiền xử lý tốt: loại bỏ tối đa cặn, dầu, vi sinh để tránh fouling (màng tắc nghẽn). Ví dụ, trước RO thường phải qua lọc cát, lọc tinh và UF. Màng UF/RO định kỳ phải rửa ngược hoặc hóa chất (CIP) để phục hồi lưu lượng.
5.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của công nghệ lọc màng trong xử lý nước thải
Công nghệ màng hiện là giải pháp trọng yếu để nâng cao chất lượng nước sau xử lý, đặc biệt trong các hệ thống tái sử dụng nước thải. Ứng dụng cụ thể gồm:
- Ultrafiltration (UF): dùng làm bước lọc bậc cao cuối cùng cho nước thải sau xử lý sinh học, loại bỏ hoàn toàn huyền phù, vi khuẩn, đảm bảo nước trong suốt trước khi khử trùng. UF cũng dùng làm màng MBR (thay bể lắng) tích hợp trong bể sinh học hiếu khí, giúp tiết kiệm diện tích và cho nước sau xử lý rất sạch. Nước qua UF có thể dùng tưới cây, rửa đường, hoặc làm nước cấp cho hệ RO.
- Nanofiltration (NF): áp dụng khi cần loại bỏ một phần độ cứng, màu hoặc các chất hữu cơ nhỏ mà UF không giữ được. Ví dụ, tái sử dụng nước thải dệt nhuộm có thể dùng NF để khử màu và giảm tổng chất rắn hòa tan một phần. NF cũng được dùng trong xử lý nước rỉ rác sau sinh học để giảm tải cho RO.
- Reverse Osmosis (RO): là công nghệ không thể thiếu để tái sử dụng nước thải ở cấp cao nhất – tạo nước đạt tiêu chuẩn uống được hoặc dùng cho công nghiệp yêu cầu nước tinh khiết. RO loại bỏ hầu hết tất cả ion, kim loại, chất hữu cơ vi lượng (thuốc trừ sâu, dược phẩm) mà các bước khác không loại hết. Ứng dụng RO nổi bật trong các nhà máy zero liquid discharge (ZLD) – nước thải sau các công đoạn được cho qua RO, nước sạch tái dùng, nước cô đặc tiếp tục bay hơi kết tinh, không xả ra ngoài. Ngoài ra, RO dùng trong các trạm khử mặn nước biển kết hợp với xử lý nước thải đô thị để bổ sung nguồn nước.
Ưu điểm: Công nghệ lọc màng cung cấp chất lượng nước sau xử lý vượt trội. Sau UF, nước hầu như không còn cặn và vi sinh, độ đục ~0 NTU, chỉ số SDI < 3 (rất tốt cho màng RO kế tiếp). Sau RO, nước thu được có độ tinh khiết cao: hàm lượng muối giảm > 95–99%, COD thường < 5 mg/L (loại bỏ cả COD hòa tan khó phân hủy), tổng nitơ, phốt pho hạ xuống mức rất thấp. Nhờ vậy, nước qua màng có thể tái sử dụng linh hoạt: từ tưới tiêu, rửa thiết bị đến làm nước cấp lò hơi, thậm chí làm nước uống (với bổ sung khoáng).
Mặt khác, hệ thống màng thường có thiết kế modular, gọn, tự động hóa cao và không đòi hỏi diện tích lớn như các bể truyền thống. Các module màng có thể xếp gọn trong skid, container, thuận tiện lắp đặt mở rộng công suất.
Nhược điểm: Chi phí đầu tư và vận hành công nghệ màng cao hơn đáng kể so với công nghệ truyền thống. Đầu tư ban đầu: Màng RO/NF chất lượng cao (VD: Dupont FilmTec, Toray) giá thành lớn, cộng thêm bơm cao áp bằng thép không gỉ, vỏ màng, khung thiết bị – tổng chi phí một hệ RO có thể chiếm 30–50% toàn bộ hệ thống xử lý nếu thiết kế tái sử dụng nước. Chi phí vận hành: Màng đòi hỏi thay thế định kỳ (tuổi thọ 3–5 năm với RO, ~5–7 năm với UF trong điều kiện tốt) – chi phí thay màng khá đắt.
Hơn nữa, tiêu tốn điện năng: máy bơm RO áp lực cao tiêu hao điện đáng kể (ví dụ RO nước lợ ~4 kWh/m³, RO nước biển ~6–8 kWh/m³). Cần hóa chất chống cáu cặn (antiscalant) và thường xuyên CIP màng (dùng acid, base, chất rửa màng) để duy trì lưu lượng – phát sinh chi phí hóa chất. Nước thải cô đặc: Quá trình RO sinh ra dòng cô đặc chứa tất cả muối và chất ô nhiễm bị loại – thường là 20–50% lưu lượng đầu vào. Xử lý dòng cô đặc này là thách thức (có thể phải bốc hơi, kết tinh, hoặc pha loãng xả nếu được phép).
Như vậy, sử dụng màng làm tăng độ phức tạp hệ thống và đòi hỏi vận hành viên có tay nghề hơn, tránh sự cố fouling, vỡ màng.
5.3 Thông số vận hành chính của hệ thống lọc màng (UF, NF, RO)
Các màng UF thường vận hành kiểu dòng chéo (cross-flow) hoặc lọc dòng chết với xả rửa định kỳ. Lưu lượng lọc (flux) UF khoảng 20–100 L/m²·giờ tùy chất lượng nước và loại màng sợi rỗng hay tấm phẳng. Áp suất vận hành thấp, 1–2 bar, thỉnh thoảng súc rửa màng bằng cách xả ngược (backwash) trong vài phút mỗi 20–30 phút để tách cặn. Cần duy trì tiền xử lý trước UF (lưới lọc, lắng sơ bộ) để kéo dài chu kỳ rửa hóa chất (CIP UF mỗi 1–2 tuần bằng NaOCl, acid nhẹ).
Màng NF/RO: Thiết kế theo các cụm pressure vessel chứa 6–8 màng cuốn spiral wound nối tiếp nhau. Áp suất: NF thường 5–10 bar, RO nước lợ 10–20 bar, RO nước mặn 40–70 bar tùy độ mặn. Tỷ lệ thu hồi: Hệ RO đơn pass thường thu hồi 50–80% (nghĩa là 20–50% thành dòng cô đặc). Để tăng thu hồi có thể dùng 2 pass hoặc tuần hoàn cô đặc một phần.
Chất lượng nước sản phẩm: Độ dẫn điện < 50 µS/cm (tương ứng TDS < 30 mg/L) có thể đạt được với RO 2 pass. Anti-scalant được định lượng vào nước cấp RO để ngăn cáu cặn (liều ~2–5 mg/L). Chỉ số SDI của nước cấp RO phải ≤ 3, độ đục < 0,2 NTU, không có dầu mỡ. Nếu nước thải sau sinh học chưa đạt mức này, bắt buộc phải qua UF hoặc lắp lọc cặn tinh + than hoạt tính, khử dầu trước khi vào RO. pH nước cấp RO thường điều chỉnh ~6–7 để giảm nguy cơ kết tủa muối và màng bền hơn.
Nhiệt độ nước ảnh hưởng mạnh đến lưu lượng (nhiệt độ cao tăng flux nhưng cũng tăng nguy cơ sinh học, cáu cặn).
Trong vận hành màng, thông số theo dõi chính là áp suất chênh (ΔP) qua mỗi vỏ màng và tốc độ fouling: nếu ΔP tăng vượt ngưỡng (ví dụ tăng 15% so với ban đầu) thì tiến hành CIP. CIP cho màng RO/NF dùng hóa chất như: rửa kiềm (NaOH + chelant) để tẩy dầu mỡ, hữu cơ; rửa acid (citric hoặc HCl loãng) để tan cáu cặn vô cơ; có thể rửa bằng chlorine nhẹ nếu màng chịu được (UF), hoặc bisulfite ngâm để tẩy màng RO bị nhiễm khuẩn (vì RO kỵ chlorine). Thông thường RO cần CIP mỗi 3–6 tháng, NF khoảng 1–3 tháng, UF 1–4 tuần tùy chất lượng nước đầu vào.
Hiệu suất xử lý: UF loại bỏ ~100% TSS, vi khuẩn; NF loại 50–90% COD hòa tan, 50–90% tổng muối, 90% độ cứng; RO loại >95–99% tất cả chất hòa tan, vì thế BOD, COD sau RO thường giảm xuống gần như 0 (dưới ngưỡng đo, khoảng 2–5 mg/L). Thực tế, hệ lọc màng MBR + NF/RO có thể đạt hiệu suất xử lý BOD, COD 97–99% từ nước thải đầu vào, cung cấp nước sau xử lý đạt quy chuẩn cao nhất để tái sử dụng.
5.4 Nhà cung cấp công nghệ màng xử lý nước thải tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – Dupont FilmTec (Mỹ): Dupont (trước đây Dow) sản xuất các màng RO và NF FilmTec hàng đầu thị trường. Màng FilmTec nổi tiếng với dòng RO XLE, SWRO hiệu suất cao, độ bền tốt, chịu fouling. Các hệ thống RO quy mô lớn trên thế giới (nhà máy khử mặn Trung Đông, Singapore NEWater) đa phần sử dụng màng FilmTec.
Dupont cung cấp cả màng UF (dòng IntegraPac). Giá màng cao cấp khoảng 600–1000 USD/element RO 8 inch, nhưng tuổi thọ và sản lượng vượt trội. Hãng còn hỗ trợ kỹ thuật, phần mềm thiết kế (FilmTec ROSA) cho khách hàng. Đây là lựa chọn hàng đầu khi yêu cầu chất lượng nước thành phẩm tuyệt đối và chi phí đầu tư lớn có thể chấp nhận.
Phân khúc trung cấp – Toray (Nhật): Toray là nhà sản xuất màng Nhật Bản uy tín, cung cấp cả UF, NF, RO với chất lượng cao và giá cạnh tranh hơn một chút so với Dupont. Màng RO Toray (dòng TMG, TMH) được nhiều dự án vừa và nhỏ sử dụng, cho khả năng khử muối ~98–99% và tiết kiệm năng lượng.
Toray cũng có màng ultrafiltration sợi rỗng (hệ Pressurized HFU) phổ biến trong các trạm xử lý nước thải ở châu Á. Ưu điểm của Toray là vật liệu màng cải tiến chống bám bẩn sinh học, áp lực vận hành thấp, dịch vụ hỗ trợ khu vực nhanh. Chi phí thuộc mức trung bình – hợp lý, thích hợp cho các nhà máy muốn cân bằng giữa hiệu quả và ngân sách.
Phân khúc phổ thông – Vontron (Trung Quốc): Vontron là nhà sản xuất màng RO/NF lớn nhất Trung Quốc, cung cấp các dòng màng giá rẻ. Màng Vontron 8 inch cho nước lợ (ULP series) hay nước mặn có giá chỉ bằng ~70% hàng cao cấp, hiệu suất khử muối khoảng 95–97%. Tuổi thọ và độ ổn định kém hơn (thường 2–3 năm phải thay do suy giảm lưu lượng và muối rò rỉ tăng).
Tuy nhiên, với nhiều cơ sở quy mô nhỏ, nước thải sau xử lý chỉ dùng tưới tiêu hoặc mục đích không quá nhạy cảm, màng Vontron vẫn đáp ứng yêu cầu với chi phí đầu tư thấp. Các thiết bị bơm áp cao, vỏ màng phổ thông (sản xuất nội địa Trung Quốc) cũng góp phần giảm giá thành. Phân khúc phổ thông này chấp nhận việc thay màng thường xuyên hơn và quản lý fouling không quá khắt khe để đổi lấy vốn đầu tư ban đầu ít nhất.
6. Công nghệ keo tụ điện hóa trong xử lý nước thải
6.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ keo tụ điện hóa
Công nghệ keo tụ điện hóa (Electrocoagulation – EC) là phương pháp sử dụng dòng điện một chiều đi qua các điện cực kim loại để gây ra phản ứng điện hóa, tạo thành các bông keo tụ ngay trong nước thải mà không phải châm phèn từ bên ngoài. Hệ thống EC thường gồm nhiều tấm điện cực bằng kim loại (thường dùng sắt hoặc nhôm) bố trí xen kẽ (cực dương-anode và cực âm-cathode) trong một bể phản ứng.
Khi cấp điện một chiều, tại anode xảy ra phản ứng oxy hóa kim loại: Fe → Fe²⁺ (hoặc Al → Al³⁺), các ion kim loại này lập tức thủy phân trong nước tạo kết tủa Fe(OH)₂/Fe(OH)₃ hoặc Al(OH)₃ tương tự như khi cho phèn vào. Đồng thời tại cathode nước bị điện phân giải phóng khí H₂, giúp khuấy trộn nhẹ dung dịch và tạo các bọt khí kéo bông cặn nổi (tương tự tuyển nổi điện). Ngoài ra, các ion OH⁻ sinh ra ở cathode cùng với ion kim loại từ anode tạo thành các hạt keo tụ hydroxide kim loại.
Các chất bẩn (hạt keo, màu, kim loại nặng) trong nước sẽ hấp phụ và kết dính vào các hydroxide này tạo thành bông cặn lớn, lắng xuống hoặc nổi lên (do H₂ gắn vào). Kết thúc quá trình, bông cặn được tách bỏ, nước trong được thu ra.
Quá trình EC thực chất là quá trình keo tụ nhưng nguồn cung cấp chất keo tụ chính là điện cực hy sinh (anode). Ta điều chỉnh được tốc độ hòa tan kim loại (tốc độ keo tụ) thông qua việc kiểm soát cường độ dòng điện hoặc điện áp cấp. Phản ứng tại anode cũng sinh ra electron đi qua nước, có thể khử một số ion (ví dụ giảm Cr⁶⁺ thành Cr³⁺ kết tủa). Hơn nữa, dòng điện còn phá vỡ một phần các liên kết của chất hữu cơ và gây kết cụm các hạt keo (nhờ lực điện di), nên có thể nâng cao hiệu quả so với keo tụ hóa học thuần túy.
6.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của xử lý nước thải bằng keo tụ điện hóa
Công nghệ keo tụ điện hóa được nghiên cứu và ứng dụng cho nhiều loại nước thải khó xử lý: nước thải mạ điện, kim loại nặng, nước thải dệt nhuộm có độ màu cao, nước thải sản xuất mực in, nước rỉ rác, nước thải dầu mỡ nhũ tương,… Những trường hợp này keo tụ hóa học thông thường cũng áp dụng được, nhưng EC có một số ưu điểm nổi bật: không cần bổ sung nhiều hóa chất từ ngoài, hiệu quả loại bỏ kim loại nặng và màu thường cao hơn, bông bùn tạo ra to hơn, dễ lắng và dễ lọc ép hơn (do bùn chứa oxit kim loại khô chắc hơn bùn hóa học).
Ví dụ, nghiên cứu xử lý nước thải mực in bằng EC cho thấy khả năng khử COD đến 92% và màu 98%. Nhiều hệ thống EC triển khai ở quy mô nhỏ (1–50 m³/ngày) cho các cơ sở xi mạ, sơn tĩnh điện, nhằm loại bỏ Cr, Ni, Zn… xuống dưới tiêu chuẩn (vì EC có thể đạt hàm lượng Cr còn < 0,5 mg/L, Ni < 0,2 mg/L mà không cần hóa chất keo tụ ngoại sinh).
Ưu điểm:
(1) Hiệu quả xử lý cao với nhiều thông số: EC vừa loại bỏ cặn lơ lửng, kim loại nặng, giảm độ màu, giảm COD/BOD và diệt khuẩn (do môi trường điện phân tạo một số sản phẩm oxy hóa mạnh như H₂O₂, gốc OH∙). Thông thường, hiệu suất COD có thể đạt 70–90% tùy loại nước thải, kim loại nặng giảm > 95%, màu giảm > 90%. Đặc biệt, với nước thải chứa dầu mỡ dạng nhũ, EC phá nhũ hiệu quả, làm dầu kết bông tách ra.
(2) Không thêm hóa chất keo tụ: giảm nguy cơ tăng độ muối (TDS) do không phải cho nhiều muối nhôm/sắt, nước sau EC thường có hàm lượng ion dư thấp hơn so với dùng phèn.
(3) Ít bùn thải hơn: Bùn EC là hydroxide kim loại sinh tại chỗ, thường chắc và khô hơn, khối lượng bùn tạo ra ít hơn so với dùng hóa chất (thống kê cho thấy bùn EC bằng khoảng 50–70% khối lượng bùn hóa học tương đương).
(4) Thiết bị gọn và tự động: Hệ EC gồm một bể (hoặc ống) với các điện cực và bộ nguồn điện, có thể đóng thành modul, dễ vận hành tự động qua điều khiển dòng điện. Không phải bơm định lượng phèn, điều chỉnh hóa chất liên tục.
(5) Tạo bông nhanh: Quá trình điện hóa xảy ra tức thời khi có dòng, do đó chỉ cần vài phút đã sinh bông cặn, thời gian xử lý có thể ngắn (5–30 phút) tùy mức độ ô nhiễm.
Nhược điểm:
(1) Tiêu thụ điện và điện cực: Điểm đánh đổi chính của EC là chi phí điện năng. Tùy tính dẫn điện của nước thải, để hòa tan 1 kg Fe thường tốn khoảng 1 kWh. Mặc dù nếu so sánh chi phí tổng với hóa chất cũng không quá cao, nhưng cần dòng điện ổn định; với lưu lượng lớn, tiêu thụ điện có thể thành vấn đề.
Ngoài ra, điện cực anode bị ăn mòn liên tục – điện cực sắt/nhôm phải thay thế định kỳ (như cấp hóa chất ở dạng rắn). Điện cực cũng có thể bị passivation (đóng cáu) nếu nước thải có carbonate, canxi cao, làm giảm hiệu suất – do đó cần làm sạch cơ học hoặc phân cực đảo chiều định kỳ.
(2) Kiểm soát pH: Quá trình EC làm pH tăng dần (với sắt, pH có thể lên ~9 do sinh OH⁻ ở cathode), nên đôi khi cần điều chỉnh pH ban đầu hoặc cuối quá trình để đạt kết tủa tối ưu và tránh cặn bám điện cực.
(3) Chỉ phù hợp nồng độ ô nhiễm vừa phải: Nếu nước thải quá bẩn (COD rất cao > vài nghìn mg/L, TSS quá lớn), EC đơn thuần sẽ tiêu tốn nhiều điện cực và năng lượng. Khi đó vẫn cần kết hợp hóa lý khác hoặc tiền xử lý trước.
(4) Độ dẫn điện của nước thải cần đủ cao để dẫn dòng (thường > 1 mS/cm); nước thải quá nghèo ion phải bổ sung muối (NaCl) để tăng dẫn (như vậy vẫn phải thêm hóa chất).
(5) Quy mô ứng dụng hạn chế: EC hiện phổ biến ở quy mô nhỏ đến trung bình. Với lưu lượng rất lớn (> 1000 m³/ngày), diện tích điện cực và nguồn điện yêu cầu sẽ rất lớn, ít được dùng do chi phí đầu tư và vận hành cao.
Tóm lại, keo tụ điện hóa là giải pháp xử lý nước thải linh hoạt, đặc biệt hiệu quả cho các loại nước thải chứa kim loại nặng, màu, dầu mỡ ở quy mô vừa và nhỏ. Nó có thể thay thế hoặc bổ trợ cho keo tụ hóa học truyền thống, giúp giảm hóa chất và bùn thải. Tuy nhiên, cần cân nhắc tiêu hao điện cực và điện năng trong tính toán kinh tế tổng thể.
6.3 Thông số vận hành chính của hệ thống keo tụ điện hóa
Thiết kế hệ EC thường dựa vào các thông số: mật độ dòng điện (A/m² điện cực), thời gian lưu và liều lượng điện cực hòa tan. Mật độ dòng phổ biến khoảng 10 – 50 A/m² tùy tính chất nước; mật độ cao sẽ hòa tan kim loại nhanh nhưng có thể giảm hiệu suất do bông hình thành quá gấp, khó kịp bám chất bẩn. Khoảng cách điện cực thường 5 – 20 mm; càng gần thì trở kháng thấp, tốn ít điện áp nhưng dễ ngắn mạch nếu cặn bám.
Điện áp cấp có thể từ 5 – 20 V một chiều tùy module. Thời gian lưu trong buồng điện phân khoảng 10 – 30 phút. Lượng kim loại hòa tan tính theo Faraday: 1 A chạy trong 1 giờ sẽ hòa tan ~1,04 g sắt hoặc 0,93 g nhôm. Dựa vào yêu cầu keo tụ (ví dụ cần tương đương 50 mg/L Fe), có thể tính dòng và thời gian phù hợp.
Trong vận hành, thường duy trì pH ~6–8 để kết tủa kim loại tốt; nếu pH tăng quá (do phản ứng cathode) có thể châm acid nhẹ hoặc CO₂. Nhiệt độ không quá ảnh hưởng, nhưng nếu nước quá lạnh, độ dẫn giảm. Đối với nước thải chứa Cl⁻, tại anode cũng sinh một ít Cl₂/HClO có tác dụng khử trùng và oxy hóa COD, nên đôi khi thêm muối NaCl 0,5–2 g/L để tăng hiệu quả (đặc biệt với nước thải có màu hoặc phenol, nhờ HClO oxy hóa).
Hiệu suất xử lý điển hình: loại bỏ >90% As, Cr, Cd, Pb,… xuống dưới 0,1 mg/L; loại bỏ màu > 90% (màu còn <50 Pt-Co); giảm COD 50–85% tùy thành phần (có thể đạt ~82% COD trong nước thải sắn, ~92% COD trong nước thải mực in). Bùn EC thu được có độ ẩm ~85% sau lắng, dễ lọc ép xuống còn 50–70% ẩm, khối lượng thường bằng 2/3 bùn hóa học tương ứng. Điện năng tiêu thụ: tùy độ dẫn, thường khoảng 0,2–2 kWh/m³ nước thải.
Điện cực tiêu thụ: ví dụ xử lý 1 m³ nước thải công nghiệp trung bình có thể tiêu tốn 0,5–2 kg Fe điện cực. Cần theo dõi hiện tượng đóng cáu CaCO₃ trên điện cực và cường độ dòng giảm để vệ sinh kịp thời (vệ sinh bằng cách ngâm acid loãng hoặc cơ cấu cào cơ học).
6.4 Nhà cung cấp công nghệ keo tụ điện hóa tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – EnviroChemie (Đức): EnviroChemie phát triển hệ thống Envochem Electro ứng dụng điện hóa trong xử lý nước thải công nghiệp. Đây là giải pháp cao cấp kết hợp EC và tuyển nổi, tích hợp tủ điều khiển tự động điều chỉnh dòng theo tải ô nhiễm. Điện cực EnviroChemie thiết kế dạng module tấm titan phủ xúc tác (dùng cho trường hợp tạo chlorine) hoặc tấm Fe/Al tinh khiết độ bền cao.
Hệ thống có cảm biến độ dẫn, pH để tối ưu vận hành. Giá thành đầu tư cao nhưng bù lại hiệu quả xử lý kim loại, màu rất triệt để, thiết bị bền bỉ. Phù hợp cho các ngành dược phẩm, hóa chất có nước thải khó xử lý và yêu cầu cao.
Phân khúc trung cấp – WaterTectonics (Mỹ): WaterTectonics là công ty chuyên về giải pháp EC, nổi tiếng với hệ thống ElectroCoag® đã lắp đặt ở ngành dầu khí, khai khoáng, xử lý nước nhiễm dầu. Hệ thống của hãng có thiết kế container, công suất trung bình 100–500 m³/ngày, dùng điện cực tấm nhôm hoặc sắt dễ thay thế. Điểm mạnh là hệ thống điện cấp xung (pulse) giảm cáu cặn, và có kết hợp siêu âm để tăng hiệu quả keo tụ.
WaterTectonics cung cấp trọn gói từ thử nghiệm jar-test EC đến lắp đặt. Giá ở mức trung bình – cao do nhập khẩu từ Mỹ, nhưng vận hành ổn định, đã có thực tiễn tại nhiều nước. Thích hợp với các dự án có ngân sách khá, mong muốn triển khai EC một cách bài bản.
Phân khúc phổ thông – Indra Water (Ấn Độ): Indra Water là startup từ Ấn Độ cung cấp các hệ thống EC tiết kiệm cho các đô thị và cụm công nghiệp nhỏ. Sản phẩm của họ thường dạng module 50 m³/ngày, điện cực sắt có thể mua tại chỗ, thay thế dễ dàng. Hệ thống điều khiển đơn giản, có thể điều chỉnh dòng bằng biến áp thủ công.
Giá thành rẻ, phù hợp ngân sách thấp, tuy nhiên đòi hỏi người vận hành phải theo dõi thường xuyên (vì không có cảm biến tự động cao cấp). Indra Water đã lắp đặt hàng loạt hệ thống EC xử lý nước thải dệt nhuộm, in ấn tại Ấn Độ với hiệu quả màu >90%, COD giảm ~70%. Đây là lựa chọn phổ thông cho các nhà máy quy mô nhỏ ở các nước đang phát triển muốn tiếp cận công nghệ EC với chi phí vừa phải.
7. Công nghệ oxy hóa nâng cao (Fenton, O₃, UV) và tái sử dụng nước thải
7.1 Nguyên lý hoạt động của công nghệ Fenton và các quá trình oxy hóa nâng cao (AOP)
Quá trình oxy hóa nâng cao (Advanced Oxidation Processes – AOP) là nhóm các công nghệ tạo ra những chất oxi hóa mạnh (đặc biệt là gốc hydroxyl •OH, thế oxy hóa 2,8 V) để phân hủy các chất hữu cơ khó hoặc không thể xử lý sinh học.
Tiêu biểu trong nhóm này có phản ứng Fenton: sử dụng sắt (Fe²⁺) và hydrogen peroxide (H₂O₂) trong môi trường acid để tạo ra gốc •OH theo phản ứng: Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + OH⁻ + •OH. Gốc •OH sẽ tấn công và oxi hóa hầu hết các hợp chất hữu cơ thành chất đơn giản (CO₂, H₂O, acid vô cơ). Sau phản ứng, Fe³⁺ lại có thể tái sinh về Fe²⁺ (nhờ thêm tác nhân khử hoặc qua phản ứng Fenton vòng). Quy trình Fenton cổ điển hoạt động tối ưu ở pH ~3 và cần liều H₂O₂ đủ lớn so với COD.
Các AOP khác gồm: Ozon hóa (O₃): sục khí ozone vào nước thải, ozone tự phân hủy sinh gốc •OH hoặc trực tiếp oxi hóa các chất hữu cơ không no, có màu, phenol…; UV/H₂O₂: chiếu tia UV để hoạt hóa H₂O₂ thành •OH; UV/TiO₂ (quang xúc tác): tia UV kích hoạt xúc tác TiO₂ tạo •OH bề mặt oxi hóa chất hữu cơ; Quá trình peroxone (O₃/H₂O₂): kết hợp ozone và H₂O₂ để tạo •OH nhanh hơn; Sóng siêu âm, plasma,…
Tất cả nhằm tạo ra gốc •OH và các chất oxi hóa tương tự (gốc sulphate SO₄•⁻ khi dùng persulfate, Clo• khi dùng ClO⁻…). Trong xử lý nước thải, Fenton là phương pháp AOP được dùng nhiều do đơn giản (chỉ cần bơm hóa chất), hiệu quả cao với nước thải chứa chất hữu cơ bền (thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, dược phẩm, phenol) nhưng chi phí hóa chất H₂O₂, Fe²⁺ đáng kể.
7.2 Ứng dụng và ưu nhược điểm của công nghệ Fenton/AOP trong xử lý nước thải
Công nghệ Fenton/AOP thường được áp dụng làm bước xử lý bậc cao (sau sinh học, sau hóa lý) khi nước thải vẫn còn lượng COD khó phân hủy sinh học vượt tiêu chuẩn, hoặc khi cần xử lý các vi chất độc (VOC, thuốc, hormone) xuống mức rất thấp. Ví dụ: nước thải dệt nhuộm sau xử lý sinh học vẫn còn màu và COD dư, có thể dùng Fenton để phá hủy nốt các phân tử màu, COD giảm thêm, nước trở nên không màu.
Nước rỉ rác sau xử lý sinh học còn COD 200–300 mg/L, dùng Fenton/O₃ để giảm xuống <100 mg/L. AOP cũng được dùng trong tái sử dụng nước thải đô thị: nước sau lọc màng được khử các chất vi lượng (dược phẩm, chất gây rối loạn nội tiết) bằng ozone hoặc UV/H₂O₂ để đảm bảo an toàn.
Ưu điểm:
(1) Hiệu quả oxi hóa rất cao: gốc •OH là chất oxi hóa mạnh thứ hai sau fluor, có thể phân hủy gần như mọi chất hữu cơ. Do đó, AOP có thể giảm COD đến mức rất thấp nếu cung cấp đủ tác nhân. Ví dụ, quá trình Fenton có thể phân hủy thêm 50–70% COD còn lại sau sinh học, đạt hiệu suất COD tổng cộng > 95%. Nhiều chất độc bền như benzene, phenol, thuốc trừ sâu, màu azo bị phá vỡ vòng benzen, cắt thành CO₂, H₂O.
(2) Phản ứng nhanh: Khác với sinh học cần hàng giờ, AOP diễn ra trong vài phút đến vài chục phút. Hệ Fenton thường ủ ~30–60 phút, ozone tiếp xúc 10–20 phút là đủ.
(3) Thiết bị gọn: Hệ thống Fenton cơ bản chỉ là bể khuấy có kiểm soát pH, bơm hóa chất; hệ ozone gồm máy phát ozone và tháp tiếp xúc; UV/H₂O₂ gồm đèn UV đặt trong ống phản ứng. Các hệ này không chiếm diện tích lớn.
(4) Xử lý được các chất không thể xử lý bằng phương pháp khác: AOP gần như là “phương sách cuối” để xử lý những hợp chất bền vững mà keo tụ, sinh học không loại được (ví dụ dioxin, PCBs, một số dược phẩm). Sau AOP, các sản phẩm thường là các chất dễ phân hủy sinh học hoặc vô cơ.
Nhược điểm:
(1) Chi phí hóa chất/ năng lượng cao: Fenton tiêu tốn lượng lớn H₂O₂ (theo kinh nghiệm ~1,5–2,5 kg H₂O₂ cho 1 kg COD phá hủy) và FeSO₄ (tỷ lệ mol Fe²⁺:H₂O₂ thường 1:5 đến 1:10). H₂O₂ công nghiệp khá đắt, do đó xử lý Fenton cho lưu lượng lớn rất tốn kém. Ozone cũng tốn điện (1 kg O₃ cần ~10 kWh để sinh ra, 1 kg O₃ oxi hóa được ~3 kg COD). UV/H₂O₂ đòi hỏi đèn UV công suất cao, chi phí điện đáng kể.
(2) Tạo bùn và phức Fe: Fenton tạo ra Fe(OH)₃ kết tủa sau phản ứng (khi tăng pH để kết tủa Fe³⁺), tức là sinh bùn chứa sắt. Lượng bùn Fenton không nhỏ, phải xử lý như bùn hóa lý. Nước sau Fenton thường có độ màu vàng-nâu của ion Fe³⁺ nếu chưa kết tủa hết. Cần giai đoạn lắng hoặc lọc sau Fenton để loại sắt.
(3) Kiểm soát an toàn: H₂O₂ nồng độ cao là chất nguy hiểm, cần hệ thống lưu trữ an toàn, tránh tiếp xúc da người, tránh tạp chất kim loại (vì dễ phân hủy mạnh). Ozone là khí độc, phải đảm bảo hệ thống kín, có phá hủy ozone dư trước khi thoát khí. UV đòi hỏi che chắn tránh tia UV lọt ra ngoài gây hại.
(4) Hiệu quả phụ thuộc chất ô nhiễm cụ thể: Không phải lúc nào AOP cũng biến mọi thứ thành CO₂. Đôi khi, gốc •OH chuyển chất khó phân hủy thành các acid hữu cơ nhỏ mà không tiếp tục oxy hóa hết (do hết tác nhân), dẫn đến COD vẫn còn. Có trường hợp Fenton tạo nhiều bùn sắt nhưng COD chỉ giảm 40–50%. Vì vậy cần thử nghiệm tối ưu liều lượng để tránh lãng phí hóa chất.
(5) Nước sau AOP có thể cần xử lý thêm: Ví dụ Fenton xong còn Fe, cần lắng/filtration; ozone xong còn một số bromate (nếu nước giàu brom), cần xử lý khi uống.
7.3 Thông số vận hành chính của quá trình Fenton/AOP
Quá trình Fenton: Vận hành tốt ở pH ~ 3 (pH cao H₂O₂ phân hủy nhanh, pH thấp Fe²⁺ phức với sulfate giảm hiệu quả). Thường châm FeSO₄ để cung cấp Fe²⁺ (liều khoảng 500–2000 mg/L tùy COD), rồi châm H₂O₂ 30–50% từ từ theo từng mẻ nhỏ để tránh phản ứng quá mãnh liệt (phản ứng Fenton tỏa nhiệt). Tỉ lệ tối ưu H₂O₂:Fe²⁺ (theo khối lượng) khoảng 5:1 đến 10:1.
Thời gian phản ứng 30 – 120 phút. Sau đó nâng pH lên ~8 bằng vôi hoặc NaOH để kết tủa Fe, đồng thời bổ sung polymer trợ lắng nếu cần, lắng loại bùn Fe(OH)₃. Hiệu suất phụ thuộc tỷ lệ H₂O₂/COD: thường H₂O₂ liều ~2 lần nhu cầu oxy lý thuyết của COD để đạt 80% xử lý. Phản ứng tạo bùn: trung bình 1 g Fe²⁺ sinh ~2 g Fe(OH)₃ bùn. Bùn Fenton chứa ~50% Fe(OH)₃ và 50% chất hữu cơ hấp phụ.
Quá trình Ozone: O₃ thường sục qua tháp hoặc bể có khuấy. Liều ozone tùy mục tiêu: khử màu thường 5–10 mg/L, giảm COD cần 50–200 mg/L. Ozone tan trong nước hạn chế, hiệu suất chuyển khối ~10–30%. Nên dùng nhiều tầng sục và thu hồi ozone dư. Tích lũy ozone dư > 0,3 mg/L trong nước cho thấy phản ứng đủ mạnh. Hiệu suất ozone hóa tăng khi pH cao (pH > 8, ozone tự tạo gốc •OH nhanh hơn).
Nếu kết hợp H₂O₂, tỷ lệ H₂O₂:O₃ ~0,5:1 theo khối lượng giúp tạo gốc •OH nhiều. Thời gian tiếp xúc 10–30 phút. Ozone thích hợp phá hủy hợp chất có nối đôi, vòng thơm, màu (phản ứng nhanh), nhưng với acid hữu cơ đơn giản thì chậm. Thông số theo dõi: ORP nước tăng cao ( +500 mV), bằng chứng phá hủy: màu giảm, TOC giảm.
Quá trình UV/H₂O₂: Cần liều H₂O₂ ~10–50 mg/L và đèn UV bước sóng 254 nm. Cường độ UV vài trăm W. Thời gian lưu trong reactor 10–20 phút đủ. Hiệu suất phụ thuộc độ xuyên sáng của nước: nếu nước màu hoặc đục, UV bị cản nhiều -> hiệu quả thấp. Thường chỉ áp dụng khi nước đã khá sạch (sau lọc), ví dụ khử chất vi lượng trong nước tái dùng. Liều UV tính theo mJ/cm² (đảm bảo diệt khuẩn, phá vi chất), thường khoảng 500–1000 mJ/cm² trong AOP (cao hơn nhiều so với khử trùng thông thường ~40 mJ/cm²).
Sau AOP, nước thải thường đã đạt hoặc vượt yêu cầu. AOP thường là bước cuối cùng trước khi xả hoặc lưu trữ tái dùng. Trong trường hợp tái dùng, cần chắc chắn loại bỏ các sản phẩm phụ (ví dụ ozone có thể tạo bromate nếu có bromid trong nước – cần kiểm soát liều ozone, hoặc chiếu UV sau ozone để phân hủy bromate).
7.4 Nhà cung cấp công nghệ AOP và giải pháp tái sử dụng nước thải tiêu biểu
Phân khúc cao cấp – Xylem (Wedeco – Đức/Mỹ): Xylem qua thương hiệu Wedeco cung cấp các hệ thống ozone và UV công suất lớn hàng đầu. Hệ thống Wedeco Ozone (sê-ri PDO) với máy phát ozone bằng công nghệ PSA/DBD cho nồng độ O₃ cao, tích hợp điều khiển liều theo online. Wedeco cũng có dòng UV tối ưu hóa AOP (sê-ri Quadron) phối hợp UV + H₂O₂ xử lý các vi chất.
Các dự án tái sử dụng nước thải quy mô thành phố như NEWater (Singapore), Groundwater Replenishment (California) đều sử dụng thiết bị ozone/UV Wedeco. Ưu điểm: thiết bị bền bỉ, hiệu suất chuyển hóa cao, đảm bảo tiêu diệt >99,99% virus, phân hủy trên 90% các chất vi lượng nguy hại.
Chi phí đầu tư cao, nhưng để đảm bảo an toàn sức khỏe cho tái sử dụng (như làm nước uống gián tiếp), đây là lựa chọn hàng đầu.
Phân khúc trung cấp – Trojan Technologies (Canada): Trojan chuyên về công nghệ UV, bao gồm hệ thống TrojanUVPhox dành riêng cho ứng dụng AOP (UV/H₂O₂). Hệ TrojanUVPhox được dùng nhiều trong xử lý nước ngầm ô nhiễm hoặc nước thải tái dùng để loại bỏ các hợp chất như 1,4-dioxane, thuốc trừ sâu, chất VOC. TrojanUV có giá thành vừa phải, lắp đặt gọn, hiệu suất vận hành cao nhờ thiết kế đèn amalgam hiệu quả.
Đối với ozone, Trojan không sản xuất trực tiếp nhưng tích hợp tốt với các hãng ozone tầm trung. Các nhà máy tái sử dụng nhỏ và vừa thường chọn TrojanUV kèm H₂O₂ do vận hành đơn giản hơn ozone. Mức đầu tư trung bình, hiệu quả xử lý vi sinh và vi chất đạt chuẩn.
Phân khúc phổ thông – Giải pháp địa phương (Trung Quốc/VN): Với các ứng dụng đơn giản hơn (như dùng Fenton xử lý COD trong nhà máy hóa chất), nhiều công ty môi trường nội địa cung cấp hệ thống Fenton chi phí thấp: bồn composite/ thép, máy khuấy, bơm định lượng H₂O₂, bơm hóa chất FeSO₄. Các hóa chất dễ mua trên thị trường (H₂O₂ Trung Quốc, FeSO₄ nội địa). Điều khiển có thể bán tự động (theo thời gian).
Giá thành đầu tư thấp hơn nhiều so với nhập khẩu thiết bị Ozone/UV. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc tay nghề tính toán liều hóa chất của nhà cung cấp. Tương tự, các máy ozone công nghiệp Trung Quốc (ví dụ của Mitsubish – Trung Quốc hoặc Ozono nội địa) giá rẻ nhưng độ tinh khiết ozone và độ bền không bằng hàng Âu-Mỹ.
Đối với nhiều doanh nghiệp Việt Nam muốn tái sử dụng nước thải cho tưới cây, rửa sân (chưa cần uống được), họ có thể chọn giải pháp phổ thông: sau lọc màng, bổ sung một bồn Fenton nhỏ xử lý màu và COD dư, rồi khử trùng clo. Chi phí chỉ bằng 20–30% so với lắp ozone/UV cao cấp. Dĩ nhiên, nước tái sử dụng này chỉ phù hợp mục đích hạn chế, không đạt độ an toàn cao để cấp sinh hoạt.
Cuối cùng, tái sử dụng nước thải đang là xu hướng tất yếu để tiết kiệm tài nguyên nước. Tại Việt Nam và các nước Đông Nam Á, các dự án xử lý nước thải công nghiệp ngày càng tích hợp công nghệ lọc màng và AOP để tuần hoàn nước. Một ví dụ thành công là nhà máy dệt nhuộm áp dụng quy trình: Sinh học hiếu khí → UF → RO → Ozone, giúp tái sử dụng 70% nước thải cho quá trình nhuộm, giảm phụ thuộc nước ngọt.
Ở Trung Đông và châu Phi – nơi khan hiếm nước – giải pháp kết hợp MBR + RO + UV đang được triển khai để tái sử dụng nước thải đô thị cho mục đích nông nghiệp và bổ cập nước ngầm. Mặc dù chi phí đầu tư cao, lợi ích lâu dài về kinh tế và môi trường là rất lớn khi chuyển nước thải thành nguồn nước tài nguyên.
8. Tại sao chọn ETEK cho hệ thống xử lý nước thải công nghiệp?
8.1 Năng lực triển khai đa ngành – đa khu vực
ETEK là đơn vị tiên phong tại Việt Nam với hơn 15 năm kinh nghiệm cung cấp thiết bị và giải pháp xử lý nước thải công nghiệp. Chúng tôi đã thực hiện dự án trong nhiều lĩnh vực: thực phẩm, đồ uống, dệt nhuộm, xi mạ, y tế, hóa chất… và tại nhiều quốc gia ở Đông Nam Á, Trung Đông và châu Phi. Đội ngũ ETEK có khả năng thực hiện toàn bộ chu trình dự án từ thiết kế kỹ thuật – tích hợp công nghệ sinh học, hóa lý, màng lọc phù hợp mặt bằng khách hàng – đến gia công chế tạo bể, bơm đường ống, lắp ráp hệ thống tại hiện trường.
Chúng tôi đã vận hành thành công hệ thống xử lý nước thải 5.000 m³/ngày cho khu công nghiệp dệt tại Việt Nam, trạm xử lý nước thải bệnh viện tại UAE, và cải tạo nâng cấp nhiều hệ thống cũ ở Oman, Kenya… Năng lực đa ngành và kinh nghiệm quốc tế giúp ETEK tự tin đáp ứng các yêu cầu dự án khắt khe nhất.
8.2 Giải pháp tối ưu – dịch vụ hỗ trợ 24/7
ETEK luôn đề xuất giải pháp tối ưu về công nghệ và chi phí cho khách hàng. Chúng tôi không lệ thuộc một hãng cụ thể mà linh hoạt chọn lựa thiết bị từ nhiều đối tác uy tín (máy thổi khí, bơm, màng RO, đèn UV…) để đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả, tiết kiệm năng lượng. Với mỗi dự án, ETEK đều thực hiện phân tích nước thải, chạy thử thí nghiệm (jar-test, pilot) để hiệu chỉnh thiết kế, nhờ đó hệ thống thực tế đạt hiệu suất như cam kết.
Bên cạnh đó, ETEK chú trọng dịch vụ sau bán hàng: đội ngũ kỹ sư hỗ trợ 24/7 qua hệ thống SCADA kết nối từ xa, sẵn sàng tư vấn điều chỉnh vận hành hoặc khắc phục sự cố cho khách hàng mọi lúc. Chúng tôi cung cấp các gói bảo trì định kỳ (6 tháng, 12 tháng) để kiểm tra, làm sạch màng, thay dầu bơm, hiệu chuẩn thiết bị đo… đảm bảo hệ thống luôn hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ.
Với khách hàng ở Đông Nam Á, đội kỹ thuật có mặt trong vòng 24 giờ khi nhận yêu cầu; với Trung Đông và châu Phi, chúng tôi có văn phòng đại diện phối hợp hỗ trợ nhanh chóng.
8.3 Kho linh kiện sẵn có – hỗ trợ kỹ thuật toàn diện
ETEK đầu tư kho linh kiện, phụ tùng thay thế đa dạng để sẵn sàng phục vụ khách hàng. Luôn có sẵn tại kho chúng tôi: các loại bơm chìm, bơm định lượng, động cơ khuấy, màng lọc UF/RO (nhãn hiệu Hydranautics, Toray, Vontron…), đèn UV, điện cực pH/ORP, cảm biến lưu lượng, van điều khiển, thậm chí cả bộ điều khiển PLC, HMI và biến tần dự phòng. Nhờ vậy, khi hệ thống của khách hàng gặp sự cố, ETEK có thể nhanh chóng cung cấp và thay thế linh kiện ngay trong ngày, giảm thiểu thời gian dừng hệ thống.
Đội ngũ kỹ thuật ETEK cũng luôn sẵn sàng hướng dẫn vận hành, đào tạo nhân viên tại chỗ cho khách hàng. Mỗi dự án bàn giao đều kèm theo tài liệu hướng dẫn chi tiết, quy trình kiểm tra và các kịch bản ứng phó sự cố. Chúng tôi tin rằng, hỗ trợ khách hàng vận hành thành thạo và duy trì hiệu suất cao chính là chìa khóa để dự án xử lý nước thải thành công bền vững.
Kết luận: Với năng lực tổng thầu tích hợp đa công nghệ, kinh nghiệm dự án quốc tế phong phú và cam kết hỗ trợ kỹ thuật dài hạn, ETEK tự hào là đối tác tin cậy đồng hành cùng khách hàng trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp. Chúng tôi không chỉ cung cấp hệ thống đạt tiêu chuẩn xả thải, mà còn hướng đến các giải pháp tối ưu – bền vững, giúp khách hàng tiết kiệm chi phí vận hành, thậm chí tái sử dụng nước thải hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.
BÀI VIẾT LIÊN QUAN: