I. Giới thiệu về phosphat trong nước thải đô thị

Phosphat là một hợp chất quan trọng trong chu trình dinh dưỡng của sinh vật và thường có mặt trong nước thải đô thị. Nước thải đô thị thường chứa phosphat chủ yếu dưới hai dạng: polyphosphat và orthophosphat. Trong đó, polyphosphat chiếm khoảng 2/3, còn orthophosphat chiếm 1/3. Tuy nhiên, tỷ lệ này có thể thay đổi trong quá trình xử lý nước thải, đặc biệt khi vi sinh vật có khả năng chuyển hóa polyphosphat thành orthophosphat.
 

1.1. Thành phần và vai trò của phosphat trong sinh học

Phospho là thành phần cấu tạo của nhiều hợp chất quan trọng trong tế bào sống, như axit nucleic (ADN, ARN), phospholipid và các polyme cấu trúc của màng tế bào. Trong tế bào vi sinh vật, phospho tồn tại chủ yếu dưới dạng polyphosphat và tham gia vào các hệ enzyme chuyển hóa năng lượng như ATP và ADP, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sinh lý của tế bào. Mặc dù phospho chỉ chiếm tỷ lệ rất nhỏ trong trọng lượng khô của tế bào vi sinh vật (khoảng 1,5 – 2%), nhưng lại đóng vai trò vô cùng quan trọng trong các phản ứng sinh hóa học diễn ra trong tế bào.

II. Xử lý phosphat trong nước thải đô thị

Sau khi nước thải trải qua giai đoạn lắng sơ bộ, chỉ khoảng 10% phosphat được loại bỏ. Phần còn lại cần được xử lý tiếp trong các giai đoạn tiếp theo của quá trình xử lý nước thải. Phosphat có thể được loại bỏ bằng hai phương pháp chính: phương pháp sinh học và phương pháp hóa học. Tuy nhiên, phương pháp sinh học đang ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào hiệu quả cao và tính thân thiện với môi trường.

2.1. Phương pháp sinh học trong xử lý phosphat

Phương pháp sinh học để loại bỏ phosphat chủ yếu dựa vào sự hoạt động của vi sinh vật trong các pha kị khí và hiếu khí. Khi vi sinh vật phát triển trong điều kiện kị khí, chúng có khả năng hấp thụ và chuyển hóa phosphat từ nước thải. Đồng thời, các quá trình sinh học này cũng giúp giảm các hợp chất hữu cơ như BOD5 và nitrat trong nước thải.

Việc sử dụng vi sinh vật để xử lý phosphat trong nước thải không chỉ giúp loại bỏ phosphat hiệu quả mà còn giảm thiểu sự hình thành của các chất gây ô nhiễm khác. Hơn nữa, phương pháp sinh học còn có thể kết hợp với việc loại bỏ một phần hoặc toàn bộ nitơ trong nước thải, mang lại hiệu quả tổng thể cao hơn trong việc làm sạch nước.

III. Các phương pháp công nghệ xử lý phosphat

Hiện nay, nhiều phương pháp công nghệ xử lý phosphat đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này chủ yếu được phân thành các hệ thống hai bậc, ba bậc, và bốn hoặc năm bậc, tùy thuộc vào mức độ xử lý và yêu cầu cụ thể của từng loại nước thải.

3.1. Phương pháp hai bậc (A/O)

Phương pháp hai bậc (A/O - Anoxic/Oxic) bao gồm hai pha: pha kị khí (anoxic) và pha hiếu khí (oxic). Trong pha kị khí, vi sinh vật sẽ hấp thụ phosphat và chuyển hóa nó thành các hợp chất không gây ô nhiễm. Sau đó, nước thải được chuyển sang pha hiếu khí để tiếp tục quá trình xử lý, giúp giảm BOD5 và nitrat.

Để tăng hiệu quả xử lý phosphat, phương pháp này có thể được cải tiến bằng cách sử dụng than hoạt tính trong bể lắng để duy trì điều kiện kị khí trong một khoảng thời gian dài hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hấp thụ phosphat.

3.2. Phương pháp ba bậc (PHOREDOX)

Phương pháp PHOREDOX là một phương pháp tiên tiến hơn, trong đó nước thải sẽ đi qua năm bể phản ứng liên tiếp và một bể lắng. Phương pháp này hoạt động bằng cách tạo ra các vùng thiếu oxi và hiếu khí liên tiếp để kích thích sự phát triển của vi sinh vật giúp xử lý phosphat hiệu quả. Một số chuyên gia cho rằng quy trình này có thể được đơn giản hóa bằng cách loại bỏ bể thiếu khí thứ hai và bể làm thoáng, đồng thời tăng thể tích của bể thiếu khí đầu tiên.

Phương pháp PHOREDOX có ưu điểm là có thể xử lý cả phosphat và nitơ trong nước thải đô thị, tạo ra nước thải đạt tiêu chuẩn cao hơn.

3.3. Phương pháp bốn hoặc năm bậc (BARDHNPHO)

Phương pháp BARDHNPHO chú trọng vào việc kết hợp quá trình nitrat hóa, khử nitrat và loại bỏ phosphat trong nước thải. Việc tạo ra một vùng kị khí đặc biệt giúp vi sinh vật chuyển hóa phosphat thành dạng dễ dàng loại bỏ. Bằng cách này, phương pháp BARDHNPHO đạt được hiệu quả tối ưu trong việc loại bỏ phosphat, giúp cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.

IV. Phương pháp UCT (University of Cape Town)

Phương pháp UCT là một cải tiến của các phương pháp xử lý trước đó, được phát triển bởi Đại học Cape Town. Phương pháp này giúp tăng cường hiệu quả loại bỏ phosphat bằng cách sử dụng một chu trình đặc biệt kết hợp các pha kị khí và hiếu khí, cùng với việc hồi lưu bùn từ lắng 2 về vùng thiếu oxi sau khi qua vùng kị khí. Quy trình tuần hoàn này giúp tăng cường khả năng loại bỏ phosphat từ nước thải.

4.1. Lợi ích của phương pháp UCT

Phương pháp UCT đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý nước thải có tỷ lệ N/COD gần 0,12. Việc tuần hoàn bùn giúp tăng khả năng hấp thụ phosphat của vi sinh vật, đồng thời tăng hiệu quả loại bỏ phosphat sinh học. Nhờ vậy, nước thải sau khi xử lý đạt chất lượng cao và ít tác động đến môi trường.

V. Quá trình xử lý phosphat và bùn dư

Trong suốt quá trình xử lý phosphat, việc hồi lưu bùn từ bể lắng 2 về vùng kị khí đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ bùn ổn định trong bể phản ứng. Tuy nhiên, việc ứ đọng bùn quá lâu trong bể chứa bùn có thể gây ra sự hoạt động của vi sinh vật kị khí, tạo kết tủa phosphat và ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

5.1. Các phương pháp xử lý bùn dư

Để xử lý bùn dư, các phương pháp như cô đặc và làm khô bùn là rất cần thiết. Những phương pháp này giúp giảm khối lượng bùn và tránh việc kết tủa phosphat trong quá trình xử lý, đồng thời giảm thiểu chi phí và tác động môi trường do việc xử lý bùn.

Kết luận

Việc loại bỏ phosphat trong nước thải đô thị là một yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ môi trường nước. Các phương pháp sinh học hiện đại, đặc biệt là các phương pháp sử dụng vi sinh vật trong các pha kị khí và hiếu khí, mang lại hiệu quả cao và tính thân thiện với môi trường. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ xử lý nước thải, các phương pháp như UCT và PHOREDOX đang chứng tỏ vai trò quan trọng trong việc xử lý phosphat hiệu quả, góp phần bảo vệ nguồn nước và cải thiện chất lượng môi trường sống.