Những công cụ triển vọng trong xử lý nước thải để đạt được các mục tiêu phát triển bền vững (SDG)

Thay vì thải trực tiếp nước thải công nghiệp chưa qua xử lý ra môi trường, một cơ sở quản lý phù hợp có thể cung cấp một giải pháp thay thế để xử lý nước thải. Thực tiễn hiện tại bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học được coi là có sự phát triển đáng kể đối với việc xử lý nước thải. Tuy nhiên, chỉ xử lý nước thải không phải là một giải pháp vì nó chứa tạp chất và nhiều nhược điểm. Việc tối ưu hóa toàn bộ quy trình của hệ thống xử lý nước thải, tức là quy trình từ đầu đến cuối bao gồm kinh tế tuần hoàn, phân vùng-giải phóng-thu hồi (PRR) và biến nước thải thành nguyên liệu cho nhà máy sinh học có thể là những công cụ đầy hứa hẹn để đạt được SDG.

Kinh tế tuần hoàn – Cách tiếp cận hướng tới SDG

Kinh tế tuần hoàn (Circular economy – CE) là một ý tưởng đổi mới trong đó phương thức xử lý chất thải hoặc nước thải thông thường là “Khai thác tài nguyên -sản xuất-vứt bỏ sau tiêu thụ” (Take-make-dispose) được chuyển đổi thành tùy chọn “Cradle to Cradle” (hay còn gọi là C2C, tức là từ cái nôi đến cái nôi – liên tục tái sinh). Khái niệm CE liên quan đến các nhà máy xử lý nước thải tích hợp việc thu hồi tài nguyên, sản xuất năng lượng và tạo ra nước sạch một cách bền vững. CE nhấn mạnh thiết kế các quy trình tái chế để giảm phát sinh chất thải, tiết kiệm tài nguyên và tăng thời hạn sử dụng của sản phẩm.

Những lợi thế của CE so với nền kinh tế tuyến tính có thể được tóm tắt như sau:

• Gia tăng các cơ hội việc làm và kinh doanh mở rộng

• Cải thiện và đảm bảo chuỗi cung ứng

• Bảo vệ nền kinh tế và môi trường

• Khởi xướng các ý tưởng đổi mới

• Giảm phát thải khí nhà kính

Trong kịch bản hiện tại, CE đã được chứng minh là có lợi cho tất cả các ngành công nghiệp đang tạo ra một lượng nước thải khổng lồ. Kim loại có thể được thu hồi ở dạng tấm kim loại hoặc ở dạng muối với độ tinh khiết 99%. Quá trình này mang lại lợi ích kinh tế cho các ngành công nghiệp và kim loại lại có thể được tái sử dụng cho các ứng dụng tiếp theo. Nước thải còn lại sau khi thu hồi kim loại có thể được tái sử dụng trong quy trình này. Ý tưởng tổng thể của phương pháp này được thể hiện trong hình dưới đây:

Phân vùng – giải phóng – thu hồi (PRR)

Tử năm 2009, một tập hợp các công nghệ mặc định, như xử lý dựa trên phương pháp lọc, phân hủy kỵ khí đã được đề xuất để xử lý chất cô đặc và chất rắn bao gồm xử lý vi sinh vật từ nước thải. Sau đó, ý tưởng này đã được sửa đổi và phát triển thành khái niệm PRR, sử dụng vi sinh vật để loại bỏ có chọn lọc cacbon và nhiều chất dinh dưỡng khác khỏi chất thải. Trong quy trình này, nước thải được xử lý ngay cả với năng lượng đầu vào không đáng kể và có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất dinh dưỡng như photpho (P), nitơ (N) và các sản phẩm vi sinh tiềm năng hoặc các chất hữu cơ có giá trị gia tăng từ nước thải. Về cơ bản, quá trình này diễn ra theo ba bước quan trọng, tức là phân vùng, giải phóng và thu hồi. Giai đoạn phân vùng được duy trì bởi hai cơ chế cơ bản, tức là đồng hóa (sự phát triển của vi sinh vật) và tích lũy (các polyme như một nhà máy năng lượng để lưu trữ năng lượng), đóng vai trò chính trong việc phân chia các chất dinh dưỡng và vật liệu hữu cơ. Các sinh vật hiếu khí dị dưỡng có thể tích lũy cacbon hòa tan và photphat ở dạng polyphotphat, glycogen và polyhydroxyalkanoat. Hệ thống phân hủy kỵ khí ưa nhiệt nhiều tầng cho phép tái chế các chất hữu cơ hòa tan từ giai đoạn đầu tiên trở lại giai đoạn phân vùng, để hỗ trợ quá trình đồng hóa.

Phương pháp này có thể thay thế phương pháp xử lý nước thải thông thường tức là sử dụng bùn hoạt tính. Quá trình này bao gồm một đầu vào nước thải duy nhất và bốn cửa xả nước: (i) Nước, “giai đoạn phân vùng” là cửa xả chính cho nước trong đó tải trọng thủy lực chính được phân tán qua nước có thể tái sử dụng, có giới hạn phốt pho (P), nitơ (N) cho phép phụ thuộc vào các quy định, yêu cầu và công nghệ lựa chọn. (ii) Khí sinh học: là sản phẩm năng lượng chính từ giai đoạn giải phóng tức là bể hấp thụ chính cho năng lượng hóa học dư thừa. (iii) Chất rắn sinh học: là sản phẩm phụ của giai đoạn giải phóng và thường bao gồm các chất hữu cơ trơ, kim loại dư thừa và các chất dinh dưỡng không thể thu hồi. (iv) Dòng phân bón: sản phẩm có giá trị và là nguồn cung cấp N, P, K chính từ giai đoạn thu hồi.

Biến nước thải thành nguồn nguyên liệu cho các nhà máy sinh học

Thu hồi sản phẩm: Biến nước thải thành thành nguồn nguyên liệu cho các nhà máy sinh học có thể là một giải pháp tiềm năng để giải quyết đồng thời nhiều vấn đề, chẳng hạn như khan hiếm nước, giảm thiểu việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, tiêu thụ năng lượng và nhiều thách thức quan trọng khác. Từ nước thải, rất nhiều sản phẩm có thể được thu hồi như axit béo dễ bay hơi (VFA), polyhydroxyalkanoates (PHA), cellulose và phốt phát sắt.

Việc sản xuất VFA bao gồm các cacboxylat là các axit hữu cơ bị phân ly, có thể được thu hồi từ các công nghệ xử lý nước thải. Sự tích hợp carboxylate vào nước thải là một trong những lộ trình thu hồi khả thi. Những axit này có thể được tạo ra bằng cách thủy phân và lên men các vi sinh vật khác nhau với bùn bằng cách ức chế sự phát triển của các sinh vật sinh metan phát triển chậm và rút ngắn thời gian lưu của bùn hoặc duy trì độ pH cao trong quá trình lên men. Những sản phẩm này, sau khi tách khỏi dịch lên men, được coi là nguyên liệu cơ bản hiệu quả để tiếp tục lên men và điện hóa thành nhiên liệu hoặc nhựa sinh học. Việc bổ sung bùn hoạt tính hoặc natri dodecylbenzene sulphonate vào dịch lên men với độ pH tăng lên trong quá trình lên men giúp cải thiện khả năng thu hồi VFA từ bùn sơ cấp. Các sản phẩm lỏng từ thiết bị lên men VFA được tối ưu hóa cho quy trình xử lý, vì đây là những nguồn carbon có thể phân hủy sinh học, rất hữu ích cho việc loại bỏ N và P. Ngoài ra, quá trình lên men của VFA được coi là một lợi thế giá trị gia tăng trong việc giảm thiểu chi phí xử lý liên quan và quản lý bùn dư thừa.

Tương tự như vậy, PHA là các polyme sinh học có khả năng phân hủy sinh học, dạng tinh chế của VFA, có thể thay thế các polyme thu được từ nhiên liệu hóa thạch. Do một số tính chất tương tự, PHA còn được gọi là nhựa sinh học và là nguồn carbon hoạt tính cho hơn 300 loài vi khuẩn cổ và vi khuẩn có khả năng lưu trữ và sản xuất PHA ở nồng độ cao bên trong tế bào của chúng. PHA có thể được sản xuất từ nước thải và các dòng chất thải hữu cơ khác theo 3 bước cơ bản (i) lên men nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand – COD) trong lò phản ứng sinh axit với việc sản xuất VFA, (ii) sinh khối tạo ra PHA, được duy trì trong lò phản ứng riêng biệt, (iii) lò phản ứng thứ ba được cung cấp sinh khối và VFA để tạo ra PHA tối đa cho những loại được chọn. Quá trình lên men của các vi khuẩn khác nhau trong môi trường nuôi cấy mở có thể giúp đạt được các axit này.

Axit béo chuỗi trung bình (MCFA) được tạo ra từ quy trình này có năng lượng với mật độ cao hơn nhiều do tỷ lệ oxy trên carbon thấp hơn. Do mật độ năng lượng cao, những hóa chất này vượt trội so với VFA với tư cách là hóa chất tiền chất nhiên liệu. Thu hồi cellulose từ các quy trình xử lý nước thải đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong thời gian gần đây trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Các nguồn chính của sợi cellulose trong nước thải sinh hoạt. Trong xử lý hiếu khí, những chất này khó phân hủy và chiếm một phần đáng kể trong COD đầu vào. Mặc dù sản lượng khí sinh học giảm hơn 10% từ việc thu hồi cellulose, nhưng việc chiết xuất cellulose bằng sục khí thấp hơn sẽ cải thiện hoạt động của nhà máy xử lý nước thải và nó làm giảm lượng bùn dư thừa, điều này có thể dẫn đến cân bằng năng lượng tích cực cho sản phẩm cuối cùng. Cellulose được chiết xuất có thể được khai thác cho một số ứng dụng, chẳng hạn như làm nguyên liệu thô cho các ngành công nghiệp liên quan đến quá trình lên men, giấy và bột giấy, nuôi dưỡng đất, chất kết dính trong vật liệu xây dựng và nhiên liệu cho các nhà máy tiêu thụ sinh khối.

Thu hồi năng lượng: Theo ước tính với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ, nhu cầu về năng lượng trên toàn thế giới ngày càng tăng. Khoảng 80% nhu cầu năng lượng được đáp ứng bằng việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Do đó, theo nhu cầu dự kiến, lượng khí thải độc hại thứ cấp cũng tăng với tốc độ tương tự dẫn đến mối đe dọa tiềm ẩn đối với sức khỏe con người và môi trường. Dựa trên nhu cầu năng lượng dự kiến, những rủi ro nghiêm trọng dẫn đến việc lấy năng lượng từ nhà máy xử lý nước thải có thể tránh được bằng cách áp dụng thiết kế phù hợp và công nghệ tiên tiến.

Ước tính các nhà máy xử lý nước thải ở Mỹ và Anh tiêu thụ khoảng 4% sản lượng năng lượng hằng năm. Trong kịch bản hiện tại, các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để thu hồi năng lượng như nhiên liệu sinh học, đốt bùn, hệ thống điện sinh học, năng lượng nhiệt và năng lượng thủy điện. Khí mê-tan sinh ra trong quá trình phân hủy bùn kỵ khí được sử dụng rộng rãi để tái tạo năng lượng. Khí mê-tan được thu hồi có thể được vận chuyển đến người tiêu dùng bằng đường ống nếu nó không được sử dụng tại nơi sản xuất, nhưng quá trình này rất tốn kém và chỉ có thể được lựa chọn bởi các quốc gia có sản xuất khí mê-tan rẻ.

Tương tự, thách thức lớn khác là chi phí bổ sung cần thiết cho việc sưởi ấm bể phân hủy để ngăn rò rỉ khí mê-tan và tiếp tục giảm rủi ro tiềm ẩn đối với biến đổi khí hậu. Do đó, cần phải lắp đặt và cấy ghép các kỹ thuật thích hợp và kiểm soát trong quá trình này để tránh bất kỳ sự cố rò rỉ nào. Ngoài khí mê-tan, một số nhiên liệu sinh học khác cũng đang được khám phá để thu hồi năng lượng.

Khí tổng hợp cũng là một trong những loại nhiên liệu hiệu quả có thể thu được từ nước thải bằng quy trình xử lý siêu tới hạn. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, khí tổng hợp cũng được nghiên cứu để thu hồi từ bùn thải nhưng đồng thời, hiệu quả của chúng bị hạn chế do một số tạp chất có thể làm hỏng pin nhiên liệu hoặc tua-bin. Do đó, thu hồi năng lượng từ nước thải là thuận lợi do thời gian chuyển đổi bùn thành năng lượng ngắn hơn. Điều kiện vận hành khắc nghiệt dẫn đến hiện tượng ăn mòn, kết tủa và tắc nghẽn trong lò phản ứng cản trở quá trình vận hành.

Tương tự, nhiên liệu hydro, dầu diesel sinh học, nitơ cũng có thể được sử dụng để thu hồi năng lượng hiệu quả từ các nhà máy xử lý nước thải. Quá trình lên men trong môi trường ánh sáng được sử dụng cùng với quá trình lên men trong môi trường tối để tăng sản lượng hydro tổng thể. Vì nước thải đô thị có chứa chất béo, có thể tích tụ bởi vi khuẩn kỵ khí, và năng suất dầu diesel sinh học cao có thể được thực hiện bằng quá trình hớt bọt trên bề mặt nước thải. Vi tảo quang dưỡng có thể được nuôi trồng trong ao, hồ để sản xuất dầu diesel sinh học. Các yếu tố đóng vai trò quan trọng là điều kiện thời tiết tối ưu, địa hình, cơ sở hạ tầng, thiết kế của lò phản ứng sinh học và các phương pháp được tuân thủ để thu hoạch tảo.

Để thu hồi nhiên liệu nitơ, quy trình tiếp theo được gọi là quy trình CANDO. Đốt cháy bùn bằng quá trình oxy hóa hoàn toàn dẫn đến sự hình thành carbon dioxide, nước và tro. Nhiệt giải phóng được sử dụng làm điện năng, 25-30% năng lượng có thể thu được bằng một nhà máy đốt cháy độc lập. Đồng đốt và đốt tầng sôi có hiệu suất năng lượng 40% với chi phí thấp. Hạn chế của quá trình này là hàm lượng nước trong bùn thải cao, có thể giảm xuống dưới 30%. Quá trình oxy hóa COD diễn ra bởi vi khuẩn trong BES, giải phóng điện tử được sử dụng để tạo ra năng lượng. Nó bao gồm một ngăn cực dương và cực âm, trong đó quá trình oxy hóa xảy ra ở cực dương và quá trình khử ở cực âm. BES có thể được vận hành như MFC và MEC. Nhược điểm của quy trình này là chi phí cao và thành công chỉ giới hạn ở quy mô phòng thí nghiệm. Quá trình này đòi hỏi rất nhiều nghiên cứu để áp dụng trên quy mô lớn.

Các phương pháp truyền thống hiện có để thu hồi tài nguyên từ nước thải được cho là có hiệu quả nhưng hiệu quả chưa cao do những hạn chế nhất định. Các quy trình, chẳng hạn như nhiệt luyện, thủy luyện kim, điện luyện, lọc sinh học, luyện kim sinh học và BES có thể được coi là hiệu quả để thu hồi tài nguyên từ nước thải mang lại lợi ích kinh tế tối đa cho các ngành. Luyện kim sinh học có khả năng thu hồi khoảng 93-97% kim loại nguyên chất, đồng thời được coi là thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí.

Nước thải có thể được khai thác rộng rãi để thu hồi sản phẩm và năng lượng bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý và quy trình tiên tiến, chẳng hạn như khái niệm CE, PRR và biến nước thải thành nhà máy sinh học. Việc chuyển đổi nước thải thành các sản phẩm và năng lượng có giá trị bằng cách sử dụng các phương pháp phù hợp và tiết kiệm chi phí sẽ dẫn đến một phương pháp quản lý nước thải công nghiệp hiệu quả hơn.

CHUYÊN TRANG QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
Tạp chí Môi trường và Đô thị Việt Nam