Xử lý phốt pho trong nước thải: phương pháp sinh học và hóa học

Tóm tắt bài viết này với AI

Try with ChatGPT Try with Claude Try with AI Mode

Xử lý phốt pho trong nước thải bằng khử sinh học hoặc kết tủa hóa học: nguyên lý, khi nào chọn hướng nào và cách phối hợp để kiểm soát tổng phốt pho.

Nitơ và amoni thường được tính đến đầu tiên khi nâng cấp hệ sinh học, còn chỉ tiêu tổng phốt pho hay bị bỏ sót cho đến khi cơ sở bị yêu cầu kiểm soát. Bài này giải thích xử lý phốt pho trong nước thải theo hai hướng chính, sinh học và hóa học, để kỹ thuật viên và chủ đầu tư chọn đúng hướng cho hệ của mình.

Khó khăn nằm ở chỗ cả hai hướng đều tác động đến cấu hình bể, lượng bùn thải và chi phí vận hành. Phần dưới đi từ cơ chế, điều kiện áp dụng đến cách phối hợp, theo logic kỹ thuật chứ không chốt con số khi chưa có số liệu thiết kế của từng cơ sở.

Phốt pho trong nước thải được loại bỏ theo hai hướng: khử phốt pho sinh học, trong đó vi sinh vật tích lũy phốt pho rồi được tách ra theo bùn dư, và kết tủa hóa học, trong đó muối sắt, nhôm hoặc vôi chuyển phốt pho hòa tan thành cặn rắn. Sinh học phù hợp khi nước thải có đủ chất hữu cơ dễ phân hủy; hóa học linh hoạt hơn nhưng làm tăng lượng bùn và chi phí hóa chất.

Vì sao cần kiểm soát phốt pho

Phốt pho là chất dinh dưỡng, cùng với nitơ, thúc đẩy tảo và thực vật thủy sinh phát triển quá mức ở nguồn tiếp nhận như sông, hồ, kênh. Hiện tượng này gọi là phú dưỡng (eutrophication), làm giảm oxy hòa tan và suy thoái chất lượng nước. Vì vậy phốt pho là một trong các chỉ tiêu ô nhiễm nước thải cần theo dõi bên cạnh COD, BOD, nitơ và chất rắn lơ lửng.

Phốt pho trong nước thải tồn tại ở nhiều dạng: orthophosphate hòa tan, polyphosphate từ chất tẩy rửa, phốt pho hữu cơ gắn trong chất thải sinh học và phốt pho dạng hạt trong cặn lơ lửng. Chỉ tiêu tổng phốt pho là tổng của các dạng này. Hiểu rõ dạng nào chiếm ưu thế giúp chọn đúng biện pháp, vì kết tủa hóa học tác động mạnh nhất lên dạng orthophosphate hòa tan.

Nguồn phát sinh phốt pho thường gặp

Nước thải sinh hoạt mang phốt pho từ chất thải người, thực phẩm và chất tẩy rửa. Nước thải thực phẩm, đồ uống, chế biến thủy sản cũng giàu phốt pho hữu cơ. Một số quy trình công nghiệp dùng hóa chất chứa phốt pho cho xử lý bề mặt hoặc làm mềm nước, làm tải lượng tăng theo mùa hoặc theo ca sản xuất.

Vì sao hệ sinh học thông thường chưa đủ

Theo US EPA, quy trình xử lý nước thải đô thị thường gồm các giai đoạn sơ cấp, thứ cấp, xử lý bùn và khử trùng trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Trong giai đoạn thứ cấp, vi sinh chỉ đồng hóa một phần phốt pho vào sinh khối để phát triển, nên nước sau xử lý vẫn có thể còn phốt pho. Khi cần kiểm soát thêm, hệ phải bổ sung khử phốt pho sinh học hoặc hóa học.

Về ngưỡng cho phép, mỗi loại nước thải áp dụng một quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN) khác nhau, và mỗi cột A, B hoặc C có giới hạn riêng. Bài này không chốt con số; cơ sở cần xác nhận phiên bản và mức áp dụng cho đúng cơ sở. Có thể tra thêm tại trang cột A, B, C nước thải để nắm cách phân cột.

Khử phốt pho sinh học hoạt động thế nào

Khử phốt pho sinh học (EBPR, enhanced biological phosphorus removal) khai thác nhóm vi sinh tích lũy phốt pho (PAO, phosphorus accumulating organisms). Trong điều kiện không có oxy và không có nitrat, nhóm này hấp thụ chất hữu cơ dễ phân hủy dạng axit béo bay hơi và giải phóng phốt pho ra nước. Khi chuyển sang vùng có oxy, chúng hấp thụ phốt pho vượt mức nhu cầu sinh trưởng, tức là tích lũy phốt pho vượt mức trong tế bào.

Phốt pho thực sự rời hệ khi bùn giàu phốt pho được xả bỏ. Vì thế bùn dư là đường ra duy nhất của phốt pho trong hướng sinh học. Nếu bùn này bị giữ lâu trong điều kiện thiếu oxy, ví dụ ở bể lắng quá tải hoặc bể chứa bùn, phốt pho có thể bị nhả ngược trở lại dòng nước.

Cấu hình bể thường dùng

Cấu hình phổ biến là chuỗi kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí, trong đó bể kỵ khí đứng đầu để tạo điều kiện cho PAO giải phóng phốt pho. Nếu hệ đã có công nghệ AAO để xử lý nitơ, việc bổ sung khử phốt pho sinh học thường là tinh chỉnh vùng kỵ khí, dòng tuần hoàn và chế độ xả bùn. Hệ mẻ gián đoạn như công nghệ SBR cũng có thể tạo chu kỳ kỵ khí và hiếu khí theo thời gian.

Điều kiện để hướng sinh học hiệu quả

Hướng này chỉ hoạt động tốt khi hội đủ các điều kiện sau:

• Đủ chất hữu cơ dễ phân hủy: PAO cần nguồn cacbon dạng axit béo bay hơi ở vùng kỵ khí; nước thải loãng hoặc nghèo cacbon thường làm hướng này kém ổn định.
• Hạn chế nitrat vào vùng kỵ khí: nitrat theo dòng tuần hoàn làm vi sinh khử nitrat cạnh tranh nguồn cacbon với PAO.
• Quản lý tuổi bùn hợp lý: xả bùn dư đều đặn để loại phốt pho đã tích lũy ra khỏi hệ.
• Kiểm soát oxy hòa tan: vùng hiếu khí đủ oxy, vùng kỵ khí không bị lọt oxy.

Chất lượng bùn cũng quyết định kết quả; xem thêm phần giải thích bùn hoạt tính là gì để nắm vai trò của bông bùn trong hệ hiếu khí.

Kết tủa hóa học và vị trí châm hóa chất

Kết tủa hóa học dùng muối kim loại để biến phốt pho hòa tan thành hợp chất khó tan. Các nhóm hóa chất thường được nhắc đến là muối sắt, muối nhôm và vôi. Phốt pho kết tủa thành cặn rắn, sau đó được tách khỏi nước bằng lắng hoặc tuyển nổi cùng bùn hóa lý. Đây là một phần của nhóm xử lý hóa lý nước thải.

Liều hóa chất và pH tối ưu phụ thuộc đặc tính từng loại nước thải, nên phải xác định bằng thử nghiệm jar test (thử nghiệm cốc tại phòng thí nghiệm) và chạy thử tại hiện trường. Bài này không đưa liều tham chiếu vì con số không chuyển giao được giữa các cơ sở.

Ba vị trí châm hóa chất thường gặp

Tùy mục tiêu, hóa chất có thể được châm ở các vị trí khác nhau:

• Tiền kết tủa: châm trước bể lắng sơ cấp, phốt pho cùng cặn được tách ra trước khi vào sinh học.
• Đồng kết tủa: châm vào bể sinh học hoặc trước bể lắng thứ cấp, phốt pho đi cùng bùn sinh học.
• Hậu kết tủa: châm sau xử lý sinh học, kèm bể phản ứng, tạo bông và bể lắng hoặc tuyển nổi khí hòa tan (DAF) để tách cặn.

Đồng kết tủa là lựa chọn nâng cấp nhanh vì tận dụng bể sẵn có, còn hậu kết tủa cho khả năng kiểm soát tổng phốt pho đầu ra chặt hơn nhưng cần thêm công trình.

Tác động đến bùn và vận hành

Điểm cần cân nhắc lớn nhất là lượng bùn thải tăng thêm, vì cặn kim loại phốt phát cộng vào bùn sinh học. Hóa chất còn làm thay đổi độ kiềm và pH của nước, có thể ảnh hưởng đến vi sinh nếu châm trong bể sinh học. Do đó cần tính trước công đoạn xử lý bùn thải, gồm chứa, ép và vận chuyển. Thiết bị châm hóa chất như bồn chứa, khay chống tràn, đường ống cần vật liệu chịu được hóa chất đã chọn.

Chọn sinh học hay hóa học

Không có hướng nào luôn tốt hơn. Câu hỏi đúng là hệ hiện có đang thiếu gì và yêu cầu đầu ra chặt đến đâu. Bảng dưới tóm tắt các điểm khác biệt chính ở mức định tính để dễ tra cứu.

Khi nào nên chọn hướng sinh học

Hướng sinh học hợp lý với hệ thiết kế mới hoặc hệ đã có chuỗi kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí, nơi nước thải đủ chất hữu cơ. Lợi thế là giảm hóa chất và bùn phát sinh. Hạn chế là vận hành đòi hỏi kiểm soát chặt và kết quả có thể dao động khi tải thay đổi.

Khi nào nên chọn hướng hóa học

Hướng hóa học phù hợp khi cần nâng cấp nhanh, nước thải thiếu cacbon, tải phốt pho biến động theo ca hoặc theo mùa, hoặc khi yêu cầu đầu ra chặt hơn khả năng của sinh học. Cái giá là chi phí hóa chất và bùn thêm. Với hệ có biến động tải mạnh, tính ổn định của phần sinh học cũng cần được xét; theo tài liệu kỹ thuật của Xylem Inc., một số hệ công nghệ sinh học như MBBR có khả năng chịu sốc tải tốt hơn so với bùn hoạt tính thông thường.

Có thể phối hợp cả hai không

Có. Nhiều hệ dùng sinh học làm nền rồi bổ sung kết tủa hóa học để hiệu chỉnh khi sinh học dao động. Cách này giảm lượng hóa chất so với chỉ dùng hóa học, đồng thời có lớp bảo đảm khi điều kiện sinh học xấu đi. Để so sánh tổng thể các phương án, xem so sánh công nghệ xử lý nước thải.

Thiết kế và nâng cấp hệ sẵn có

Với hệ đã vận hành, bước đầu tiên là đo thay vì suy đoán. Cần có số liệu tổng phốt pho, orthophosphate, COD, nitơ, độ kiềm và lưu lượng theo thời gian, vì tải thực tế thường khác tải thiết kế. Khi đánh giá các thông số theo từng loại nước thải, tham khảo trang thông số nước thải theo ngành.

Quy trình rà soát nâng cấp có thể đi theo các bước sau:

• Xác định yêu cầu đầu ra: xác nhận quy chuẩn, phiên bản và mức áp dụng cho đúng cơ sở.
• Đo hiện trạng: lấy mẫu đại diện, ghi nhận biến động theo ca và theo ngày.
• Kiểm tra nguồn cacbon và nitrat: đánh giá khả năng khử sinh học.
• Thử jar test: chọn hóa chất, pH và liều cho phương án hóa học.
• Tính bùn: dự báo bùn tăng thêm và phương án xử lý.

Nâng cấp theo dạng khối chế tạo sẵn

Khi mặt bằng hạn chế hoặc cần tăng công suất dần, có thể bổ sung khối xử lý chế tạo sẵn. Theo Xylem Inc. (Evoqua/DAVCO), ghép khối module rút ngắn phần thi công tại công trường vì khối đã được chế tạo sẵn, nhưng cần tính toán kỹ phần đấu nối thủy lực. Điều này áp dụng được cho việc thêm bể phản ứng, bể tạo bông hoặc khối sinh học vào hệ sẵn có.

Với hạng mục hóa lý, CCEP gia công bồn, bể và thiết bị bằng nhựa PP và composite. Nhựa PP phù hợp nhiều dung dịch hóa chất thông dụng, nhưng khả năng chịu hóa chất còn tùy loại và nồng độ, nên cần đối chiếu với hóa chất thực tế. Ở cơ sở sinh hoạt hoặc quy mô nhỏ, có thể tham khảo module xử lý nước thải sinh hoạt làm cấu hình nền, sau đó đánh giá phần bổ sung phốt pho theo số liệu thực.

Sai lầm thường gặp

Một số sai lầm hay gặp là châm hóa chất theo kinh nghiệm mà không thử jar test, để bùn lắng lâu làm phốt pho nhả ngược, hoặc đưa nước tuần hoàn giàu nitrat vào vùng kỵ khí. Một sai lầm khác là bỏ qua bùn thải tăng thêm khi tính chi phí. Các điểm này nên được kiểm tra trước khi quyết định thay đổi công nghệ. Toàn cảnh các nhóm giải pháp có tại trang công nghệ xử lý nước thải.

Điểm chính cần nhớ

• Hai hướng chính: khử sinh học dựa vào PAO và bùn dư, kết tủa hóa học dựa vào muối kim loại.
• Sinh học cần cacbon: thiếu chất hữu cơ dễ phân hủy hoặc thừa nitrat làm hướng này kém ổn định.
• Hóa học tăng bùn: phải tính trước xử lý bùn và vật liệu thiết bị chịu hóa chất.
• Phối hợp là phổ biến: sinh học làm nền, hóa học hiệu chỉnh khi cần.
• Không chốt số khi chưa đo: liều hóa chất, pH và ngưỡng quy chuẩn phải xác nhận theo từng cơ sở.

Liên hệ CCEP: Hotline 091.789.6633 – Email ccep.vn@gmail.com – Văn phòng: Nhà NV 6.1, Khu đô thị Viglacera Hữu Hưng, 272 Hữu Hưng, Nam Từ Liêm, Hà Nội.

Câu hỏi thường gặp về xử lý phốt pho

Hệ AAO có tự loại được phốt pho không?

AAO có vùng kỵ khí nên tạo điều kiện cho khử phốt pho sinh học, nhưng hiệu quả phụ thuộc nguồn cacbon, lượng nitrat về vùng kỵ khí và việc xả bùn dư. Nếu các điều kiện này không đạt, phốt pho đầu ra có thể vẫn cao và cần bổ sung kết tủa hóa học.

Có thể chỉ dùng hóa chất để xử lý phốt pho không?

Có thể, nhất là khi nước thải thiếu cacbon hoặc cần nâng cấp nhanh. Đổi lại, chi phí hóa chất và lượng bùn tăng thêm. Cần thử jar test để chọn hóa chất và liều, rồi xác nhận kết quả trong vận hành thực tế.

Nên châm hóa chất ở bể nào?

Phụ thuộc mục tiêu. Châm trước bể lắng sơ cấp, trong bể sinh học hoặc sau sinh học đều có ưu nhược điểm riêng về bùn, pH và mức kiểm soát đầu ra. Việc chọn vị trí nên dựa trên cấu hình công trình sẵn có và kết quả thử nghiệm.

Vì sao phốt pho tăng trở lại sau bể lắng?

Nguyên nhân thường gặp là bùn lưu quá lâu trong điều kiện thiếu oxy nên vi sinh nhả phốt pho ngược trở lại nước. Rút ngắn thời gian lưu bùn ở bể lắng và bể chứa bùn, đồng thời xả bùn dư đều đặn, giúp hạn chế hiện tượng này.

Ngưỡng phốt pho cho phép là bao nhiêu?

Ngưỡng phụ thuộc loại nước thải, quy chuẩn áp dụng và cột phân loại nguồn tiếp nhận. Cơ sở cần xác nhận phiên bản và mức áp dụng cho đúng cơ sở; bài này không nêu con số cụ thể để tránh áp sai quy chuẩn.

Nguồn tham khảo

• US EPA — Primer for Municipal Wastewater Treatment Systems
• Xylem Inc. — BioSphere® MBBR / IFAS Biological Treatment System
• Xylem Inc. (Evoqua/DAVCO) — DAVCO™ Field-Erected Biological Treatment Plants