Nhà máy xử lý nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường nước. Nếu nước thải chứa các chất ô nhiễm như hợp chất hữu cơ, kim loại nặng, hoá chất độc hại, có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Nhà máy xử lý nước thải đảm bảo rằng nước thải được xử lý một cách hiệu quả. Mục đích để loại bỏ các tác nhân gây bệnh như vi khuẩn, vi rút và các chất ô nhiễm khác. Điều này giúp ngăn ngừa sự lây lan của các bệnh truyền nhiễm. Do nước thải gây ra và đảm bảo an toàn vệ sinh trong cộng đồng. Một phần quan trọng của nhà máy xử lý là quá trình tái sử dụng nước. Sau khi qua quá trình xử lý, nước thải có thể được sử dụng lại cho mục đích khác như tưới tiêu, làm mát trong công nghiệp hoặc tái sử dụng trong hệ thống cấp nước.

Sơ đồ mô tả hệ thống phân hủy kỵ khí 

Bên cạnh đó biến đổi khí hậu do tăng nồng độ khí nhà kính (GHG) trong khí quyển là một trong những thách thức hàng đầu mà thế giới ngày nay phải đối mặt. Một nguồn phát thải khí nhà kính đáng kể vào khí quyển bao gồm quá trình phân hủy chất thải hữu cơ từ các bãi chôn lấp, tạo ra khí mêtan và carbon dioxide. Theo Cơ quan môi trường Hoa Kỳ (EPA), các bãi chôn lấp chất thải rắn đô thị là nguồn phát thải khí mê-tan liên quan đến con người lớn thứ ba trên thế giới. Ngoài ra, các nhà máy xử lý nước thải (WWTP) - nơi tiêu thụ hơn 3% tổng lượng điện ở Hoa Kỳ - cũng góp phần vào lượng phát thải khí nhà kính trên toàn cầu. Hoạt động của WWTP tạo ra khí thải trực tiếp từ các quá trình xử lý sinh học và khí thải gián tiếp là do việc tạo ra năng lượng cần thiết để vận hành các nhà máy.

Trong khi carbon dioxide được tạo ra từ các hoạt động liên quan đến con người là tác nhân lớn nhất gây ra biến đổi khí hậu, thì EPA mô tả khí mê-tan, một chất gây ô nhiễm khí hậu tồn tại trong thời gian ngắn, mạnh hơn 25 lần so với carbon dioxide trong khả năng giữ nhiệt trong khí quyển.

Với nồng độ khí mê-tan trong khí quyển đã tăng hơn gấp đôi trong hai thế kỷ qua, việc thu giữ và sử dụng GHG ở mức độ lớn nhất có thể trước khi các loại khí này được thải ra môi trường là rất quan trọng để giải quyết thách thức nóng lên của Trái đất.

Một trong những cơ hội lớn nhất để giảm phát thải khí nhà kính từ các bãi chôn lấp và nhà máy xử lý nước thải là chuyển chất thải hữu cơ sang các quy trình xử lý kết hợp xử lý phân hủy kỵ khí AD với thủy phân sinh học. Các quy trình xử lý nước thải tiên tiến này kết hợp cùng nhau có thể giúp giảm đáng kể lượng khí nhà kính bằng cách phân hủy bùn hiệu quả và thu giữ lượng khí thải nhà kính phát ra.

Ngoài những lợi ích về khí hậu mà các công nghệ này mang lại, các nhà máy xử lý nước thải còn thu được nguồn tài chính đáng kể do năng lượng tái tạo có thể được khai thác và bán lại. Khí sinh học được thu hồi sẽ cung cấp cho các thành phố một loại hàng hóa. Nó có thể được sử dụng tại chỗ cùng với tuabin để tạo ra điện và năng lượng nhiệt để cung cấp năng lượng cho các thiết bị của nhà máy như lò hơi.

Hệ thống thủy phân sinh học

Tuy nhiên, từ góc độ tài chính, các thành phố có thể nhận được lợi nhuận lớn hơn bằng cách nâng cấp tất cả khí sinh học mà thành phố tạo ra thành khí đốt tự nhiên tái tạo (renewable natural gas - RNG) và đưa vào đường ống khí đốt tự nhiên thương mại để bán trên thị trường khí tự nhiên tái tạo RNG.

Là nguồn năng lượng tái tạo bù đắp cho việc sử dụng khí đốt tự nhiên từ nhiên liệu hóa thạch, RNG ngày càng thu hút được sự chú ý như một biện pháp khử cacbon và là chiến lược quan trọng để đạt được các mục tiêu chống chịu khí hậu dài hạn. Các Chính phủ và các nhà hoạch định chính sách, với nỗ lực nhắm mục tiêu vào các chất gây ô nhiễm khí hậu trong thời gian ngắn và hạn chế phát thải khí nhà kính, đang đưa ra các quy định về khí tái tạo, yêu cầu các nhà phân phối khí tự nhiên phải dần dần sử dụng RNG thay cho khí tự nhiên thông thường.

Ví dụ, để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch và đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính, Chính quyền thành phố Québec vào năm 2019 đã thành lập Ủy ban Khí đốt tự nhiên tái tạo Québec. Nhiệm vụ yêu cầu các nhà cung cấp khí đốt tự nhiên trong thành phố phải đưa tối thiểu 5% RNG vào tổng lượng khí đốt được phân phối trong hệ thống vào năm 2025. Tỷ lệ này có thể tăng lên 10% vào năm 2030.  Tại Hoa Kỳ, Tiêu chuẩn khí đốt tự nhiên tái tạo của California gần đây đã được Ủy ban tiện ích công cộng California thông qua vào tháng 2 năm 2022. Tiêu chuẩn này yêu cầu các cơ sở khí đốt tự nhiên của tiểu bang phải cung cấp 12,2% RNG trong tổng lượng khí đốt truyền thống được cung cấp cho khách hàng vào năm 2030. Tiêu chuẩn này khiến California là tiểu bang đầu tiên ở Hoa Kỳ áp dụng tiêu chuẩn khí đốt tái tạo. Các tiểu bang khác như New York, New Jersey, Nevada, New Hampshire, Colorado và Washington đã xem RNG như biện pháp tuân thủ các quy định pháp lý tương ứng của họ nhằm tăng cường sản xuất năng lượng từ các nguồn tài nguyên tái tạo hoặc đang dự tính áp dụng các chính sách liên quan đến RNG.

Quá trình thủy phân sinh học mang lại sự cải tiến quan trọng cho quá trình xử lý AD. Quá trình thủy phân sinh học được thiết kế để điều hòa bùn sao cho nó có thể được phân hủy trong quá trình AD tiếp theo với thời gian trung bình mà một gallon nước thải tồn tại trong một lưu vực cụ thể trong thời gian lưu nước (hydraulic retention time HRT – là lượng thời gian tính bằng giờ của nước thải chảy vào bể hiếu khí) ngắn hơn.

So với quá trình phân hủy vi khuẩn mesophilic hiếu khí thông thường, trong đó bùn thường được giữ trong 20 đến 30 ngày để đạt được lượng chất rắn giảm và ổn định hợp lý, việc bổ sung quá trình thủy phân sinh học sẽ cắt giảm thời gian đó xuống một nửa một cách hiệu quả - tạo ra chất rắn sinh học ổn định chỉ trong tổng thời gian lưu giữ là 15 ngày. Điều quan trọng là HRT giảm không làm giảm năng suất khí sinh học. Bằng cách kiểm soát các điều kiện thông qua một loạt sáu bể chứa phía trước thiết bị phân hủy, tạo ra môi trường tối ưu cho quá trình thủy phân và axit hóa, thiết bị phân hủy lần lượt được cung cấp axit béo dễ bay hơi. Điều này cho phép bể phân hủy được dành riêng cho quá trình sinh metan, giúp tăng 25% sản lượng khí sinh học đồng thời tăng công suất của bể phân hủy. Bằng cách tăng gấp đôi lưu lượng bùn sử dụng cùng cơ sở hạ tầng bể phân hủy, các nhà máy xử lý nước thải có giải pháp bổ sung lượng chất thải đầu vào vào bể phân hủy của mình.

Các điều kiện có thể được điều chỉnh trong lò phản ứng dòng thủy phân sinh học sáu bể để vừa giảm thể tích chất rắn sinh học thu được vừa nâng cao chất lượng để sản xuất chất rắn sinh học Loại A không chứa mầm bệnh. Sản phẩm chất rắn sinh học chất lượng cao hơn mang lại cơ hội tái sử dụng có lợi bằng cách duy trì các chất dinh dưỡng có giá trị để bán làm phân bón và có thể được sử dụng cho mục đích nông nghiệp, bao gồm cả bón đất và trộn phân trộn.

Giải pháp AD và thủy phân sinh học giúp thu giữ hiệu quả GHG và tối đa hóa sản lượng khí sinh học để chuyển đổi thành RNG mang lại cho các nhà máy xử lý nước thải lợi ích từ dòng doanh thu dài hạn, đồng thời nâng tầm vai trò của Chính quyền đô thị trong cuộc chiến chống lại biến đổi khí hậu.

Nguồn: Tạp chí “Water Digest” tháng 4/2023

ND: Mai Anh