Phân tích toàn diện về các quy trình thường được sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị

Mục tiêu cốt lõi của xử lý nước thải đô thị là loại bỏ các chất ô nhiễm như COD, BOD₅, TN và TP khỏi nước thải để đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải (tuân thủ chủ yếu tiêu chuẩn Loại A của "Tiêu chuẩn xả thải chất ô nhiễm cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị" GB 18918-2002). Các quy trình chủ đạo hiện nay tập trung vào xử lý sinh học, kết hợp với các đơn vị tiền xử lý và xử lý tiên tiến, tạo thành một quy trình hoàn chỉnh gồm "tiền xử lý - xử lý lõi - xử lý tiên tiến - xử lý bùn." Phần sau đây cung cấp phần giới thiệu chi tiết về sáu quy trình được sử dụng rộng rãi nhất, bao gồm các nguyên tắc, thông số chính, ưu điểm và nhược điểm cũng như các tình huống áp dụng, đồng thời xem xét các chi tiết kỹ thuật và tính khả thi về mặt kỹ thuật.

1. Nguyên tắc quy trình

Sử dụng bùn hoạt tính làm lõi, trong điều kiện hiếu khí, vi sinh vật hấp thụ và phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, đạt được khả năng lọc nước thải thông qua quá trình tách-nước bùn. Quy trình cốt lõi: Sàng lọc → Buồng chứa cát → Bể lắng sơ cấp → Bể sục khí → Bể lắng thứ cấp → Khử trùng và xả; Bùn dư được cô đặc, khử nước và sau đó xử lý.

2. Thông số thiết kế chính
* Thời gian lưu thủy lực (HRT): 8-12h, với HRT lớn hơn hoặc bằng 6h trong bể sục khí;
* Thời gian lưu bùn (SRT): 3-5 ngày (chỉ áp dụng cho loại bỏ chất hữu cơ, không có chức năng loại bỏ nitơ và phốt pho);
* Tải lượng hữu cơ (F/M): 0,2-0,4kgBOD₅/(kgMLSS·d);
* Nồng độ DO trong bể sục khí: 2-3mg/L, sử dụng sục khí cưỡng bức hoặc sục khí cơ học.

3. Ưu điểm và nhược điểm
* Ưu điểm: Công nghệ trưởng thành, vận hành ổn định, hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao (tỷ lệ loại bỏ BOD₅ 85%-90%), chi phí đầu tư tương đối thấp;
* Nhược điểm: Không có chức năng loại bỏ nitơ, phốt pho nên khó đạt tiêu chuẩn loại A hiện hành; sản lượng bùn lớn, dễ bị vón cục dạng sợi; dấu chân lớn và tiêu thụ năng lượng tương đối cao.

4. Các kịch bản áp dụng
* Thích hợp cho-các nhà máy xử lý nước thải được xây dựng sớm với tiêu chuẩn xả thải thấp hoặc làm đơn vị tiền xử lý nước thải công nghiệp; hiện tại, nó hiếm khi được sử dụng một mình trong các dự án mới mà chủ yếu được sử dụng như một mô-đun cơ bản để cải tiến quy trình.

1. Nguyên tắc quy trình
Quá trình A2O (Kỵ khí-Thiếu khí-hiếu khí) đạt được sự loại bỏ đồng thời nitơ và phốt pho thông qua hoạt động hiệp đồng của ba vùng: phốt pho-vi khuẩn tích lũy giải phóng phốt pho trong vùng kỵ khí, vi khuẩn khử nitrat loại bỏ nitơ trong vùng thiếu khí và vi khuẩn nitrat hóa nitrat hóa và phốt pho-vi khuẩn tích lũy hấp thụ phốt pho trong vùng hiếu khí. Phiên bản được sửa đổi (có bổ sung một bể tiền thiếu khí) giải quyết vấn đề cạnh tranh nguồn carbon giữa quá trình khử nitrat và loại bỏ phốt pho, nâng cao hiệu quả loại bỏ nitơ và phốt pho. Quy trình cốt lõi: Tiền xử lý → Bể kỵ khí → Bể- thiếu khí → Bể thiếu khí → Bể hiếu khí → Bể lắng thứ cấp → Xử lý nâng cao → Xả thải.

2. Thông số thiết kế chính

Tổng HRT: 10-12h, tỷ lệ HRT kỵ khí:thiếu oxy:hiếu khí=1:3:5;
Thời gian lưu bùn (SRT): 10-12 ngày ở nhiệt độ môi trường, 15 ngày ở nhiệt độ thấp (để cân bằng yêu cầu loại bỏ nitrat và phốt pho);
Tỷ lệ tuần hoàn: Tỷ lệ tuần hoàn rượu hỗn hợp 200% -300% (có thể điều chỉnh tần số thay đổi), tỷ lệ tuần hoàn bùn 50% -80%;
Kiểm soát DO: Vùng kỵ khí Nhỏ hơn hoặc bằng 0,2mg/L, vùng thiếu oxy Nhỏ hơn hoặc bằng 0,5mg/L, vùng hiếu khí 2-3mg/L.

3. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Hiệu suất loại bỏ nitơ và phốt pho tuyệt vời (tỷ lệ loại bỏ TN 70% -80%, tỷ lệ loại bỏ TP 80% -90%), luôn đạt tiêu chuẩn loại A; công nghệ hoàn thiện, chi phí vận hành vừa phải, phù hợp với nước thải đô thị có chất lượng nước biến động lớn;
Nhược điểm: Có sự không nhất quán về thông số giữa việc loại bỏ nitơ và phốt pho (SRT, xung đột yêu cầu về tỷ lệ tuần hoàn); nước thải có nguồn carbon thấp-cần bổ sung nguồn carbon bên ngoài; dấu chân lớn hơn một chút.

4. Các kịch bản áp dụng

Hiện nay, quy trình được ưa chuộng để xây dựng mới, mở rộng và nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải đô thị, đặc biệt phù hợp với các dự án nước thải đô thị yêu cầu kiểm soát đồng thời lượng khí thải nitơ và phốt pho. Nó cũng có thể thích ứng với nước thải phức tạp chứa một lượng nhỏ nước thải công nghiệp (cần điều chỉnh hệ số phân hủy sinh học).

1. Nguyên tắc quy trình

Quá trình này kết hợp công nghệ tách màng với xử lý sinh học, thay thế bể lắng thứ cấp bằng mô-đun màng để đạt được khả năng tách nước-bùn hiệu quả. Dòng chảy lõi: Tiền xử lý → Bể sinh học (có thể sử dụng cấu hình A²O, SBR, v.v.) → Bể màng → Khử trùng và xả. Các mô-đun màng có thể giữ lại vi sinh vật, duy trì nồng độ MLSS cao trong bể sinh học và tăng cường quá trình nitrat hóa và loại bỏ chất hữu cơ.

2. Thông số thiết kế chính

Nồng độ MLSS: 6000-8000 mg/L (cao hơn đáng kể so với quy trình truyền thống);
Thời gian lưu bùn (SRT): 20-30 ngày (quá trình nitrat hóa tăng cường, phù hợp với nước thải có nhiệt độ thấp, C/N thấp);
Thông lượng màng: 10-20 L/(m2·h), cần vệ sinh vật lý/hóa học thường xuyên;
Tiêu thụ năng lượng: 0,6-1,0 kWh/m³ (bao gồm tiêu thụ năng lượng sục khí và hút màng).

3. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Chất lượng nước thải tuyệt vời (TN Nhỏ hơn hoặc bằng 8 mg/L, TP Nhỏ hơn hoặc bằng 0,3 mg/L), đáp ứng yêu cầu nâng cấp lên gần{2}}chất lượng nước Cấp IV; dấu chân chỉ bằng 1/3-1/2 so với quy trình truyền thống; không có nguy cơ thất thoát bùn, độ ổn định vận hành cao;
Nhược điểm: Giá thành module màng cao (chiếm 30%-40% tổng mức đầu tư); bảo trì phức tạp (dễ bị tắc nghẽn), chi phí vận hành cao; tiêu thụ năng lượng cao hơn các quá trình sinh học truyền thống.

4. Các kịch bản áp dụng

Phù hợp với các khu vực lõi đô thị có nguồn tài nguyên đất hạn chế, các dự án nâng cấp có tiêu chuẩn nước thải nghiêm ngặt hoặc các tình huống chất lượng nước đặc biệt như nhiệt độ thấp và tỷ lệ C/N thấp; cũng có thể áp dụng để xử lý nước thải phi tập trung (ví dụ: cộng đồng dân cư, khu công nghiệp).

1. Nguyên tắc quy trình

Bằng cách sử dụng lò phản ứng mương-hình vòng, nước thải lưu thông trong mương thông qua chổi hoặc đĩa quay để sục khí, tạo ra các vùng hiếu khí và thiếu khí xen kẽ để đạt được sự phân hủy và khử nitrat chất hữu cơ. Các cấu hình phổ biến bao gồm mương oxy hóa Carrousel, mương oxy hóa Orbal và mương oxy hóa tích hợp (bao gồm cả bể lắng thứ cấp).

2. Thông số thiết kế chính

Tổng HRT: 15-25h (thời gian lưu thủy lực lâu, khả năng chịu tải va đập mạnh);
Thời gian lưu bùn (SRT): 10-20d (phù hợp với yêu cầu loại bỏ nitơ);
Tải lượng hữu cơ (F/M): 0,05-0,15kgBOD₅/(kgMLSS·d);
Oxy hòa tan: Phân bố dần trong mương (2-3mg/L ở vùng hiếu khí, 0,5-1mg/L ở vùng thiếu khí).

3. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Chịu tải va đập cực mạnh, thích hợp với nước thải có biến động lớn về chất lượng và số lượng nước; vận hành và quản lý đơn giản, chi phí bảo trì thấp; hiệu quả loại bỏ nitơ tốt (tỷ lệ loại bỏ TN 70% -75%);
Nhược điểm: Hiệu quả loại bỏ photpho yếu (cần loại bỏ photpho hóa học phụ trợ); dấu chân lớn, tiêu thụ năng lượng cao; hoạt động không đủ linh hoạt.

4. Các kịch bản áp dụng
Thích hợp cho các nhà máy xử lý nước thải ở các thị trấn có quy mô-vừa và nhỏ (khối lượng 50.000-500.000 m³/d), nước thải phức tạp có chất lượng nước biến động lớn (bao gồm một lượng nhỏ nước thải công nghiệp) hoặc các dự án có khả năng quản lý và vận hành hạn chế.

1. Nguyên tắc quy trình

Bằng cách sử dụng một lò phản ứng gián đoạn, năm giai đoạn được hoàn thành trong cùng một bể: dòng chảy vào, sục khí (hiếu khí), lắng đọng, xả nước thải và thời gian không hoạt động. Sự phân hủy chất hữu cơ, loại bỏ nitơ và phốt pho đạt được thông qua việc phân bổ thời gian. Các phiên bản được sửa đổi (quy trình CAST, CASS) thêm vùng lựa chọn và vùng{2} phản ứng trước để nâng cao hiệu suất lắng bùn và hiệu quả loại bỏ phốt pho.

2. Thông số thiết kế chính:
Một chu kỳ vận hành: 4-6 giờ (bao gồm 2-3 giờ sục khí và 1-1,5 giờ lắng);
Thời gian lưu bùn (SRT): 10-15 ngày;
Nồng độ MLSS: 3000-5000 mg/L;
Tỷ lệ thoát nước: 1/3-1/2 (mỗi lần thoát nước không được vượt quá 1/2 thể tích bể).

3. Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Diện tích nhỏ (không cần bể lắng thứ cấp riêng); vận hành linh hoạt, có thể điều chỉnh các thông số chu trình dựa trên chất lượng nước; thích hợp cho lượng nước vừa và nhỏ, cho phép loại bỏ đồng thời nitơ và phốt pho.
Nhược điểm: Yêu cầu cao về điều khiển tự động (yêu cầu kiểm soát chính xác thời gian của từng công đoạn); chất lượng nước thải không đủ ổn định, dễ bị ảnh hưởng bởi các thông số vận hành; hao mòn thiết bị nhanh chóng (thường xuyên khởi động{0}}dừng van và máy bơm).

4. Các kịch bản áp dụng
Phù hợp với-các nhà máy xử lý nước thải ở thị trấn cỡ vừa và nhỏ (lượng nước nhỏ hơn hoặc bằng 100.000 m³/d), các dự án xử lý nước thải phi tập trung (chẳng hạn như cộng đồng và khu công nghiệp) hoặc các kịch bản có biến động lớn về chất lượng nước cần điều chỉnh linh hoạt các chế độ vận hành.

1. Nguyên tắc quy trình
Tích hợp tất cả các bước xử lý sinh học (phân hủy COD, loại bỏ nitơ, loại bỏ phốt pho, ổn định bùn) vào một bể sinh học duy nhất. Thông qua thiết kế phân vùng và hệ thống sục khí hiệu suất cao,-có thể loại bỏ nitơ, phốt pho và giảm bùn đồng thời. Điểm nổi bật cốt lõi là hệ thống sục khí BioDopp (sục khí bọt mịn diện tích lớn), có hiệu suất truyền oxy cao và dễ bảo trì.

2. Thông số thiết kế chính
Mức tiêu thụ năng lượng: 0,075 kWh/m³ (thấp hơn đáng kể so với các quy trình truyền thống, thể hiện lợi thế tiết kiệm năng lượng-đáng kể);
Nồng độ MLSS: 8 g/L (nồng độ bùn cao, nâng cao hiệu quả xử lý);
Hiệu suất truyền oxy: 5 kgO₂/kWh, Nhu cầu oxy 0,2-0,3 mg/L;
Tổng HRT: 8-12 h, phù hợp với nhu cầu xử lý nước thải đô thị thông thường.

3. Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Hiệu quả tiết kiệm năng lượng-vượt trội (mức tiêu thụ năng lượng chỉ bằng 1/5{4}}1/8 so với quy trình truyền thống); tích hợp cao, dấu chân nhỏ; sản lượng bùn thấp, loại bỏ nhu cầu xử lý bùn phức tạp; dễ dàng bảo trì hệ thống sục khí (có thể làm sạch trực tuyến, không cần ngừng hoạt động); Nhược điểm: Trình độ kỹ thuật cao, thiết bị cốt lõi phải nhập khẩu; phù hợp với chất lượng nước cụ thể, khả năng thích ứng với nước thải có độ mặn cao và khó phân hủy cần được xác minh thêm.

4. Các kịch bản áp dụng
Thích hợp cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị mới xây dựng (theo đuổi mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu thụ) và các dự án xử lý nước thải khu công nghiệp. Nó đã được áp dụng thành công ở Đức, Cộng hòa Séc, các tỉnh Thượng Hải và Hà Bắc ở nước tôi.

Việc lựa chọn quy trình cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị đòi hỏi phải xem xét toàn diện năm yếu tố chính: đặc điểm chất lượng nước, tiêu chuẩn xả thải, lượng nước, tài nguyên đất và chi phí vận hành. Logic cốt lõi như sau:

• Tiêu chuẩn xả thải và chất lượng nước: Để loại bỏ đồng thời nitơ và phốt pho nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn Loại A, nên ưu tiên các quy trình A2O và MBR đã sửa đổi; để nâng cấp chất lượng nước lên gần loại IV, ưu tiên sử dụng quy trình MBR; đối với chất lượng nước có biến động lớn thì nên ưu tiên sử dụng mương oxy hóa và quy trình SBR cải tiến.
• Water Volume: Large wastewater treatment plants (>500.000 m³/d) ưu tiên xử lý A2O cải tiến và mương oxy hóa; các nhà máy xử lý nước thải cỡ nhỏ và vừa-(10.000-500.000 m³/d) có thể chọn quy trình A²O, SBR sửa đổi hoặc BioDopp; dự án phi tập trung (<10,000 m³/d) prioritize SBR and MBR processes.
• Đất đai và Chi phí: Ở các khu vực lõi đô thị nơi đất đai khan hiếm, các quy trình MBR, SBR và BioDopp được ưu tiên hơn; đối với ngân sách hạn chế, quy trình A2O đã sửa đổi và mương oxy hóa được ưu tiên; để tiết kiệm năng lượng lâu dài-, có thể xem xét quy trình BioDopp.
• Vận hành và Quản lý: Đối với các nhà máy có năng lực vận hành và quản lý hạn chế, ưu tiên sử dụng mương oxy hóa và quy trình A2O sửa đổi (đơn giản để vận hành); đối với những người có mức độ tự động hóa cao hơn, các quy trình MBR và SBR được sửa đổi là phù hợp.

Tóm lại, quy trình A2O cải tiến, với ưu điểm là loại bỏ nitơ và phốt pho ổn định, chi phí vừa phải và khả năng thích ứng rộng, vẫn là lựa chọn chủ đạo cho các nhà máy xử lý nước thải đô thị; quy trình MBR phù hợp với yêu cầu nâng cấp và bố trí nhỏ gọn; và các quy trình mới hơn như BioDopp đưa ra những hướng đi mới để bảo tồn năng lượng và giảm phát thải, đồng thời các kịch bản ứng dụng của chúng sẽ dần dần mở rộng trong tương lai.