Nhu cầu về nước không ngừng tăng, cùng lúc nguồn nước sạch đang giảm dần đặt ra thách thức lớn cho việc quản lý và tái sử dụng nước. Đây cũng là cơ hội cho những đổi mới sáng tạo trong việc xử lý nước thải.
Theo Hội đồng Nước Thế giới (worldwatercouncil.org), lượng nước tiêu thụ toàn cầu tăng gấp đôi mỗi 20 năm, nhanh hơn gấp đôi mức tăng trưởng dân số. Nhu cầu về nước không ngừng tăng, cùng lúc nguồn tài nguyên nước sạch lại đang giảm dần đặt ra thách thức lớn cho việc quản lý và tái sử dụng nước. Đây cũng là cơ hội cho những đổi mới sáng tạo trong việc xử lý nước thải (XLNT). Theo một báo cáo mới đây của Freedonia Group (Mỹ), nhu cầu XLNT trên thế giới trong năm nay dự kiến tăng trưởng 5,7% bất chấp tình hình kinh tế suy thoái.
 Nguồn: Global Water market 2014 |  |
Thách thức mới
 | Ngành XLNT hiện phải đối mặt với nhiều thách thức gây khó khăn cho lập kế hoạch ngắn và dài hạn. Chi phí năng lượng tăng, các hợp chất hữu cơ vi lượng, nguồn tài nguyên có hạn, nguồn nước cần bảo tồn và các quy định ngày càng nghiêm ngặt hơn, tất cả phải được xem xét trước khi đầu tư đổi mới.
Các tổ chức về nước trên thế giới cho rằng có 5 vấn đề lớn mà các công nghệ XLNT trong tương lai cần phải giải quyết.
|
1. Loại bỏ dưỡng chất
Phốt pho và nitơ là những dưỡng chất chính tạo điều kiện cho sự phát triển chất hữu cơ và các loại tảo gây hiện tượng phì dưỡng trong nước. Các quy định về việc giảm lượng phốt pho và nitơ trong nước thải sẽ ngày càng nghiêm ngặt hơn để đảm bảo chất lượng nước tái sử dụng.
2. Tiết kiệm năng lượng
Chi phí năng lượng cùng với mục tiêu giảm khí thải nhà kính dẫn đến yêu cầu kiểm soát năng lượng hiệu quả và các giải pháp thay thế.
3. Phát triển bền vững
Quản lý tài nguyên tốt hơn và khôi phục (tài nguyên) để bảo tồn cho tương lai sẽ là yêu cầu bắt buộc. Trong XLNT, điều này có nghĩa giảm tiêu thụ tài nguyên và tăng tái chế và tái sử dụng nước, chất dinh dưỡng và các chất liệu khác có trong nước thải.
4. Xử lý những chất ô nhiễm mới
Mối lo ngại của công chúng về sự hiện diện của hóa chất hữu cơ vi lượng trong nước sẽ thúc đẩy việc ứng dụng các công nghệ XLNT tiên tiến để loại bỏ các chất này.
5. Gắn kết cộng đồng
Sự tham gia ngày càng nhiều của các bên liên quan trong các quyết định có ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.
Công nghệ mới
Đổi mới trong ngành công nghiệp XLNT đang tăng tốc, mỗi năm lại có những khái niệm và công nghệ mới, nhưng không phải tất cả đều thâm nhập được thị trường. Dưới đây là một số công nghệ đầy hứa hẹn, có thể sẽ làm thay đổi hoàn toàn các nhà máy XLNT trong tương lai.
▪ Lưới mịn
Chất rắn trơ trong nước thải gây ra nhiều vấn đề cho hệ thống xử lý nước thải. Tóc, sợi và các vật liệu nổi trung tính thoát qua màn lọc có khuynh hướng tích tụ trong bể sục khí, ở đó chúng bện lại với nhau có hình dạng bất định có khả năng làm nghẽn các đường ống và thiết bị cơ khí.
| Tổ chức Nghiên cứu châu Âu ước tính sợi xơ (cellulose) có nguồn gốc từ giấy vệ sinh chiếm gần 60% tổng chất rắn "trôi nổi" trong nước thải, và gần như tất cả có thể loại bỏ bằng lưới mịn 500 micron mét hoặc nhỏ hơn. Chất thải này có thể tẩy rửa và nén chặt thành chất rắn khô để đốt như nhiên liệu, hoặc tái chế để làm giấy. Loại bỏ các sợi xơ có thể giảm tiêu thụ năng lượng khoảng 50%. |  |
▪ Phương pháp kỵ khí
Phương pháp kỵ khí (hay yếm khí) là lựa chọn hấp dẫn cho XLNT sinh hoạt, có chi phí thông khí và xử lý bùn thấp hơn hẳn qui trình hiếu khí (nhờ không cần khử oxy để đạt chuẩn COD - Carbonaceous Oxygen Demand), và lượng bùn thải cũng giảm đáng kể. Với bể phản ứng sinh học dùng màng kỵ khí (AnMBR) vấn đề trọng lực được loại bỏ, thời gian lưu nước ngắn, và AnMBR là một khối kín nên giảm mùi đáng kể.
So sánh hiệu quả XLNT theo phương pháp kỵ khí và hiếu khí
▪ Thu hồi phốt pho
| Có nhiều dự báo khác nhau về sự cạn kiệt phốt pho trên thế giới, thay đổi trong khoảng từ 100 đến 300 năm tới. Nhưng quan trọng hơn, 90% trữ lượng đá vôi được biết phân bổ chỉ ở 8 quốc gia, và chỉ có 3 quốc gia (Trung Quốc, Hoa Kỳ, và Ma-rốc / Tây Sahara) có lượng phốt pho thương mại lớn. Ở một số quốc gia không có nguồn đá vôi, việc thu hồi phốt pho từ nước thải đã trở thành yêu cầu quan trọng để đảm bảo an ninh lương thực (một trong những ứng dụng quan trọng của phốt pho là dùng để sản xuất phân bón). |  |
Nghiên cứu thu hồi phốt pho từ nước thải đã có nhiều bước tiến trong mười năm qua. Hiện nay, lựa chọn khả thi nhất là kết tủa sỏi struvite (phosphate amoniac magiê) bằng cách ly tâm bùn đã khử khuẩn kỵ khí. Phương thức kết tủa ly tâm có thể thu hồi khoảng 40% lượng phốt pho trong nước thải, và có thể đạt đến 90% nếu kết hợp với thu hồi từ bùn.
▪ Làm mới chu trình nitơ
 | Quá trình điển hình loại bỏ nitơ khỏi nước thải gồm nhiều bước, trong đó nhóm vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng liên tục chuyển đổi amoniac thành khí nitơ. Quá trình nitơ hóa - khử nitơ giờ có thể kiểm soát để việc chuyển đổi amoniac ban đầu nhờ vi khuẩn AOB (ammonia oxidizing bacteria) dừng ở khâu nitơ hóa, sau đó nitơ được chuyển thành khí (khử nitơ) nhờ vi khuẩn dị dưỡng. Việc kết hợp nitơ hóa với khử nitơ tiết kiệm 25 % chi phí năng lượng so với quá trình nitơ hóa thông thường, và tiết kiệm 40 % chi phí methanol trong quá trình khử nitơ. |
▪ Sơ chế cho quá trình phân hủy kỵ khí và bổ sung nguyên liệu
Một số công nghệ đang được phát triển nhằm tăng sản lượng khí sinh học trong bể phân hủy kỵ khí bằng cách sơ chế nguồn phân hủy hoặc bổ sung chất thải ngoài. Ví dụ như qui trình Cambi (của công ty Cambi, Na Uy) thường được sử dụng xử lý bùn thải hoạt tính, dùng áp suất cao (90 psi - pound/inch vuông) và nhiệt độ cao (160-175 º C) để phá màng tế bào, giải phóng tế bào chất (khối nguyên sinh bao quanh nhân) dẫn đến phá hủy chất rắn và sinh ra khí sinh học nhiều hơn. Việc bổ sung các nguyên liệu thải khác cũng có thể tăng sản lượng khí sinh học. Chất béo, dầu, mỡ (FOG), chất thải thực phẩm có độ hữu cơ cao và dễ phân hủy, các nguyên liệu này được nghiền thành hỗn hợp đồng nhất để đưa vào qui trình phân hủy. Ngoài tiềm năng tăng năng lượng từ khí sinh học, việc sử dụng các nguyên liệu này giúp giảm tải nhà máy XLNT, giảm tình trạng tắt nghẹt cống rãnh, giảm chất thải đưa đến các bãi chôn (rác), và giảm khí thải nhà kính liên quan đến khâu vận chuyển chất thải.
Mô hình qui trình Cambi.
▪ Ôzôn với than hoạt tính (GAC) và lọc khí sinh học (BAF)
 | XLNT thông thường không khử hiệu quả tất cả các chất ô nhiễm hữu cơ vi lượng (TorC), do vậy cần có phương thức xử lý tiên tiến phù hợp cho từng loại TorC, nồng độ và các quy định tương lai. Tuy các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng ôzôn hóa làm tốt việc khử TorC, nhưng không có một qui trình xử lý đơn lẻ nào có khả năng khử hết tất cả các loại. Ví dụ, chất chống cháy thuộc nhóm hợp chất không thể khử sạch bằng phương pháp ôzôn, nhưng khử tốt bằng GAC. |
Hệ thống XLNT tương lai phải có qui trình linh hoạt để thực hiện xử lý khử TorC, trong đó các qui trình xử lý bổ sung như GAC hay BAF sẽ loại bỏ các hợp chất mà ôzôn hóa một mình không khử hết được.
▪ Khí hóa và nhiệt phân
| Nhận thức nguồn năng lượng tiềm năng của cặn nước thải, nhiều công nghệ mới đang được phát triển để tạo ra những hệ thống không dùng đến năng lượng ngoài. Khí hóa và nhiệt phân là những công nghệ hứa hẹn nhất trong số này, hai công nghệ này trước đây yêu cầu bùn thải phải được sấy khô thành chất rắn đến 90 %. Một số giải pháp khí hóa mới có khả năng xử lý chất rắn chỉ cần sấy khô 50 % hoặc thậm chí 10 %, do đó ít tốn năng lượng. Quá trình khí hóa đốt nóng |  |
chất rắn trên 800oC trong điều kiện nghèo oxy để tạo thành khí tổng hợp, trong đó chủ yếu bao gồm hydro và carbon monoxide.
Nhiệt phân tạo ra khí tổng hợp tương tự như khí hóa, nhưng hoạt động ở nhiệt độ khoảng 700oC và trong môi trường không oxy. Cả hai qui trình được thiết kế để làm việc chặt chẽ với nhau, trong đó khí tổng hợp được đốt để đun nóng khí thải, khí này sau đó được sử dụng làm nguồn năng lượng cho quá trình sấy. Hầu hết năng lượng thu hồi được sử dụng để sấy khô chất rắn, phần còn lại để sản xuất điện.
P. Nguyễn, STINFO Số 8/2013