Xử lý nước thải

Xử lý nước thải là quá trình loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi nước thải như nước thải hộ gia đình, thương mại và cơ quan. Nó bao gồm các quá trình vật lý, hóa học, và sinh học để loại bỏ các chất ô nhiễm và sản xuất nước thải được xử lý an toàn với môi trường. Một sản phẩm của xử lý nước thải thường là một chất thải bán rắn hoặc bùn, mà cần phải xử lý hơn nữa trước khi được thải ra hoặc được áp dụng đất. (thường là phân bón cho nông nghiệp).
Đối với hầu hết các thành phố, các hệ thống thoát nước cũng sẽ mang theo một tỷ lệ nước thải công nghiệp tới các nhà máy xử lý nước thải mà thường đã nhận được tiền xử lý tại các nhà máy để giảm tải ô nhiễm. Nếu hệ thống thoát nước là một hệ thống thoát nước kết hợp thì nó cũng sẽ mang theo dòng chảy đô thị (nước mưa) đến nhà máy xử lý nước thải.
Hiện nay với việc sử dụng công nghệ tiên tiến có thể tái sử dụng nước thải thành nước uống, mặc dù vấn đề này vẫn còn gây tranh cãi.

Lịch sử

Hệ thống thoát nước cơ bản đã được sử dụng để loại bỏ chất thải trong vùng Lưỡng Hà cổ đại, nơi các đường hầm theo chiều dọc mang chất thải đi vào hầm chứa, Hệ thống tương tự tồn tại trong nền văn minh thung lũng sông Ấn của Ấn Độ cho đến ngày nay và Crete cổ đại, Hy Lạp. Trong thời trung cổ các hệ thống thoát nước được xây dựng bởi những người La Mã đã bị bỏ đi và rác thải được thu gom vào hầm chứa được định kỳ làm sạch bởi những người lao động được gọi là 'rakers' những người này thường sẽ bán các chất thải làm phân bón cho nông dân bên ngoài thành phố.
Hệ thống xử lý nước thải hiện đại đầu tiên được xây dựng vào giữa thế kỷ XIX như một hành động nhằm đáp ứng đối với điều kiện vệ sinh ngày càng trầm trọng gây ra bởi công nghiệp hóa và đô thị hóa. Do nguồn cung cấp nước bị ô nhiễm, dịch bệnh tả xảy ra vào năm 1832, năm 1849 và năm 1855 tại London, giết chết hàng chục ngàn người. Những điều này kết hợp với 'vụ hôi lớn"(Big Stink) năm 1858 tức là khi mùi hôi của chất thải con người chưa được xử lý ở sông Thames trở nên không thể kiểm soát và bài báo cáo về cải cách vệ sinh của uỷ viên hoàng gia Edwin Chadwick đã dẫn đến việc Ủy ban công trình đô thị bổ nhiệm Joseph Bazalgette để xây dựng một hệ thống thoát nước ngầm rộng lớn nhằm loại bỏ chất thải một cách an toàn. Trái với các khuyến nghị của Chadwick, hệ thống Bazalgette và những cái khác sau đó được xây dựng trong lục địa châu Âu, không bơm nước thải vào đất nông nghiệp để sử dụng làm phân bón chỉ đơn giản là một đường ống thoát nước tự nhiên ra xa khu dân cư và bơm trở lại vào môi trường.

Nỗ lực ban đầu

Một trong những nỗ lực đầu tiên để xử lý nước thải là sử dụng làm phân bón trong nông nghiệp đã được thực hiện ở các nhà máy sợi chủ sở hữu James Smith trong những năm 1840. Ông đã thử nghiệm với một hệ thống phân phối bằng đường ống ban đầu được đề xuất bởi James Vetch thu nước thải từ nhà máy của mình và bơm vào các trang trại xa xôi hẻo lánh, thành công của ông đã được sự ủng hộ nhiệt tình của Edwin Chadwick và được hỗ trợ bởi nhà hóa học hữu cơ Justus von Liebig.
Ý tưởng này được chính thức thông qua bởi Ủy ban Y tế của thị trấn, và các chương trình khác nhau (được gọi là các trang trại nước thải) được thử nghiệm bởi các thành phố khác nhau trong vòng 50 năm tới. Lúc đầu, các chất rắn nặng đã được chuyển vào mương ở phía bên của trang trại và được bao bọc toàn bộ khi đầy, nhưng ngay sau đó, bồn đáy phẳng được sử dụng như là hồ chứa nước thải; sáng chế đầu tiên đã được đưa ra bởi William Higgs vào năm 1846 " bồn " hoặc các hồ chứa trong đó dùng để chứa nước các của hệ thống cống rãnh từ các thành phố, thị trấn làng mạc được thu gom và là nơi tích trữ các sản phẩm từ động thực vật được làm khô và hóa rắn..." Cải tiến thiết kế của bể chứa bao gồm ra đời của bể chứa có dòng chảy theo phương ngang trong những năm 1850 và các bể chứa có dòng chảy hướng tâm trong năm 1905.Các bồn chứa được làm sạch định kì cặn bùn bằng tay, cho đến khi sự ra đời của máy làm sạch bùn tự động  trong những năm 1900.
Tiền thân của bể tự hoại hiện đại là hầm chứa phân, trong đó  nước được bịt kín để tránh ô nhiễm và chất thải rắn từ từ hoá lỏng do các quá trình phân giải  kỵ khí, nó được phát minh bởi LH Mouras ở Pháp trong những năm 1860. Donald Cameron,  ở thành phố Surveyor thuộc  Exeter sáng chế một phiên bản cải tiến vào năm 1895, cái mà ông gọi là một "bể tự hoại"; tự hoại có ý nghĩa là do vi khuẩn. Hiện nay vẫn còn sử dụng trên toàn thế giới, đặc biệt là ở khu vực nông thôn chưa được nối với hệ thống xử lý nước thải quy mô lớn.

Bùn hoạt tính

Sự phát triển của phương pháp thứ cấp để xử lý nước thải trong những năm đầu thế kỷ XX được cho là cải tiến đáng kể nhất đối với y tế công cộng và môi trường trong suốt thời
gian này, đó là việc phát minh ra "bùn hoạt tính" cho quy trình xử lý nước thải.
Năm 1912, Tiến sĩ Gilbert Fowler, một nhà khoa học tại Đại học Manchester, quan sát thí nghiệm được tiến hành tại Trạm thí nghiệm Lawrence ở Massachusetts liên quan đến việc sục khí vào nước thải trong bình đã được phủ một lớp tảo. Các đồng nghiệp của Fowler, Edward Ardern và William Lockett, những người đã triển khai nghiên cứu cùng với Văn phòng công ty đường sông Manchester ở công trình xử lý nước thải Davyhulme.Thí nghiệm trên được thực hiện trong một lò phản ứng bằng cách hút ra và thu vào, việc xử lý cho hiệu quả cao hơn.Họ làm thoáng khí liên tục  cho nước thải trong khoảng một tháng và kết quả đạt được là có thể  nitrat hóa hoàn toàn các nguyên liệu mẫu.Điều đó chỉ ra rằng bùn đã hoạt hóa các chất (một cách tương tự như than hoạt tính) quá trình được đặt tên là bùn hoạt tính.
Kết quả đã được công bố trong báo của họ tại hội thảo 1914, và lần đầu tiên một  hệ thống quy mô đầy đủ với dòng chảy liên tục được lắp đặt tại Worcester hai năm sau đó. Do hậu quả của chiến tranh thế giới thứ nhất phương pháp xử lý mới được truyền bá  nhanh chóng, đặc biệt là Hoa Kỳ, Đan Mạch, Đức và Canada. Vào cuối những năm 1930, việc xử lý bằng  bùn hoạt tính là quá trình chủ yếu được sử dụng trên toàn thế giới.

Nguồn gốc của nước thải

Nước thải được sinh ra bởi khu dân cư, tổ chức, cơ sở thương mại và công nghiệp. Nó bao gồm dòng chất thải gia đình từ nhà vệ sinh, phòng tắm, nhà bếp, bồn rửa và  được thải bỏ thông qua hệ thống cống rãnh.
Trong nhiều lĩnh vực, nước thải còn bao gồm chất thải lỏng từ ngành công nghiệp và thương mại. Sự tách biệt và tiêu thoát nước của rác thải sinh hoạt thành nước xám và nước đen đang trở thành phổ biến hơn ở các nước phát triển, với nước xám được phép sử dụng để tưới cây hoặc tái sử dụng để xả nhà vệ sinh. Nước thải có thể bao gồm nước mưa chảy tràn. Hệ thống thoát nước có khả năng xử lý nước mưa được gọi là hệ thống thoát nước kết hợp. Thiết kế này đã được phổ biến khi hệ thống thoát nước đô thị được phát triển đầu tiên, vào cuối những năm 19 và đầu thế kỷ 20. Cống kết hợp yêu cầu thiết bị xử lý lớn hơn nhiều và tốn kém hơn hệ thống cống rãnh vệ sinh. Dòng chảy với lưu lượng lớn khi có các cơn bão có thể vô hiệu hóa hoàn toàn hệ thống xử lý nước thải, gây ra sự cố tràn hoặc lũ lụt. Hệ thống cống rãnh vệ sinh thường nhỏ hơn nhiều so với hệ thống cống rãnh kết hợp, và nó không được thiết kế để vận chuyển nước mưa. Sự chảy tràn của nước thải chưa qua xử lý có thể xảy ra nếu xâm nhập quá nhiều / dòng chảy (pha loãng bởi nước mưa và / hoặc nước ngầm) chảy vào hệ thống thoát nước vệ sinh.Đô thị hóa ở  các cộng đồng giữa thế kỷ 20 hoặc sau đó nhìn chung họ đã xây dựng hệ thống nước thải riêng biệt (hệ thống cống rãnh vệ sinh) và hệ thống thoát nước mưa, vì mưa là nguyên nhân hình thành các dòng chảy khác nhau, làm giảm hiệu suất nhà máy xử lý nước thải. Khi nước mưa đi qua mái nhà và mặt đất, nó có thể nhận các chất ô nhiễm khác nhau bao gồm các hạt đất và trầm tích, kim loại nặng, các hợp chất hữu cơ, chất thải động vật và dầu mỡ.
Một số điều luật yêu cầu nước mưa phải được xử lý ở một mức độ nhất định trước khi thải trực tiếp vào nguồn nước. Ví dụ về quá trình xử lý được sử dụng cho nước mưa bao gồm việc giữ lại trong lưu vực, vùng đất ngập nước, hầm chôn cùng với các  phương tiện lọc và tách xoáy (để loại bỏ các chất rắn thô).

Tổng quan về quy trình

Nước thải có thể được xử lý gần với nơi nó được tạo ra, một hệ thống phi tập trung (trong bể tự hoại, lọc sinh học hoặc các hệ thống xử lý hiếu khí), được thu gom và vận chuyển bằng một mạng lưới đường ống và trạm bơm đến nhà máy xử lý của thành phố, một hệ thống tập trung (hệ thống thoát nước,ống dẫn, cơ sở hạ tầng).. Thu gom và xử lý nước thải thường theo các quy định và tiêu chuẩn địa phương, tiểu bang và liên bang. Nguồn nước thải công nghiệp thường yêu cầu quy trình xử lý đặc biệt (xem xử lý nước thải công nghiệp). Nhìn chung bao gồm ba giai đoạn, được gọi là xử lý sơ cấp, thứ cấp và hoàn thiện.
Phương pháp xử lý sơ bộ bao gồm lưu giữ nước thải tạm thời trong bể  tĩnh tại đây các chất rắn nặng có thể lắng xuống đáy trong khi dầu, mỡ và nhẹ hơn các chất rắn nổi lên bề mặt.Lắng cặn và các vật liệu  nổi được loại bỏ và các chất lỏng còn lại có thể được thải hoặc bị xử lý thứ cấp.
Xử lý thứ cấp loại bỏ các chất hoà tan và vật chất sinh học lơ lửng. Xử lý thứ cấp thường được thực hiện bởi người bản xứ, sử dụng các vi sinh vật sống trong nước. Xử lý thứ cấp có thể đòi hỏi một quá trình tách để loại bỏ các vi sinh vật từ nước đã xử lý trước khi xả thải hoặc xử lý hoàn thiện.
Xử lý hoàn thiện đôi khi được định nghĩa là được sử dụng khi xử lý sơ cấp và thứ cấp không có khả năng thực hiện, cho phép xử lý trước khi đưa vào một hệ sinh thái rất nhạy cảm hoặc mong manh mà không thể tiếp nhận nguồn
thải (cửa sông, sông có dòng chảy thấp, rạn san hô,...)
Nước đã xử lý có thể được khử trùng hóa học hay vật lý (ví dụ, bởi đầm phá và vi lọc) trước khi thải vào một dòng suối, sông, vịnh, vũng, đất ngập nước,  hoặc có thể được sử dụng cho tưới tiêu của sân golf, cây xanh hoặc công viên. Nếu nó là đủ sạch sẽ, cũng có thể được sử dụng bổ sung cho nguồn nước ngầm hoặc các mục đích nông nghiệp.

Xử lý sơ bộ

Xử lý sơ bộ loại bỏ tất cả các vật liệu có thể dễ dàng thu được từ nước thải ban đầu trước khi nó gây hư hại hay làm tắc nghẽn các máy bơm và đường lắng nước thải chính. Đối tượng thường được loại bỏ trong quá trình xử lý sơ bộ bao gồm  rác, cành cây, lá, và các đối tượng lớn khác.
Dòng nước thải ban đầu đi qua một màn chắn rác để loại bỏ tất cả các đối tượng lớn như lon, giẻ rách, gậy, gói nhựa … có trong dòng nước thải. Điều này thường được thực hiện cùng với một màn chắn rác tự động trong nhà máy hiện đại phục vụ dân số đông, trong khi các nhà máy nhỏ hơn hoặc ít hơn hiện đại, thường sử dụng thanh chắn rác làm sạch bằng tay. Hoạt động của màn chắn rác diễn ra có tốc độ phụ thuộc vào sự tích lũy trên màn chắn hoặc tốc độ dòng chảy. Các chất rắn được thu gom và sau đó xử lý trong một bãi rác, hoặc đốt. Màn chắn rác hoặc song chắn rác có kích thước khác nhau được sử dụng để tăng cường quá trình loại bỏ chất rắn. Nếu chất rắn thô không được loại bỏ, nó sẽ bị cuốn theo trong đường ống và bộ phận chuyển động trong nhà máy xử lý, và có thể gây ra thiệt hại đáng kể và giảm hiệu quả trong quá trình xử lý.

Loại bỏ sạn sỏi

Xử lý sơ bộ có thể bao gồm kênh dẫn hoặc buồng cát hoặc đá mạt, nơi vận tốc của nước thải đến được điều chỉnh để cho phép làm lắng cát, sạn, sỏi, và kính vỡ. Những hạt này được loại bỏ vì chúng có thể làm hỏng máy bơm và các thiết bị khác. Đối với hệ thống thoát nước vệ sinh nhỏ, việc loại bỏ này có thể không quan trọng, nhưng  lại rất cần thiết tại các nhà máy lớn hơn. Có 3 dạng bể lắng: Bể lắng ngang, bể lắng có sục khí, bể lắng xoáy nước.

Điều hòa dòng chảy

Lắng và cơ khí hóa hiệu quả hơn khi xử lý thứ cấp trong điều kiện dòng chảy ổn định. Bể điều hòa có thể được sử dụng để lưu trữ tạm thời khi dòng chảy ở đỉnh triều hoặc lúc thời tiết ẩm ướt. Bể cung cấp  nơi để lưu trữu tạm thời nước thải duy trì dòng chảy trong quá trình di chuyển  đến nhà máy và là nơi pha loãng, phân chia các nhóm chất thải độc hại hoặc chất thải có độ bền cao mà nếu không có thể gây  ức chế quá trình xử lý sinh học thứ cấp (bao gồm cả chất thải nhà vệ sinh di động, chất thải  trong các xe chuyên chở, và bể tự hoại). Dòng chảy trong bể điều hòa yêu cầu phải được kiểm soát do sự thay đổi khi xả thải. thông thường bao gồm việc bỏ qua một số tiêu chuẩn và làm sạch, và cũng có thể bao gồm thiết bị sục khí. Việc làm sạch có thể được dễ dàng hơn nếu bể chứa ở cuối nguồn của việc sàng lọc và loại bỏ các phần lắng.

Loại bỏ chất béo và dầu mỡ

Trong một số nhà
máy lớn hơn, chất béo và dầu mỡ được loại bỏ bằng cách chuyển nước thải vào  một bồn chứa nhỏ,  tại đây do quá trình phân tách thu gom chất béo nổi trên bề mặt. Máy thổi khí đặt tại đáy thùng cũng có thể được sử dụng để
giúp phá bỏ váng chất béo. Tuy nhiên, nhiều nhà máy, làm sạch chủ yếu bằng việc sử dụng máy móc để loại bỏ các chất béo và dầu mỡ.

Xử lý sơ cấp

Trong giai đoạn lắng sơ cấp, nước thải được chảy qua các bể chứa lớn, thường được gọi là "Bể lắng ban đầu", "bể lắng sơ cấp" hay "bể lắng chính". Các bể được sử dụng để tách bùn trong khi dầu mỡ nổi lên bề mặt và được thu gom. Bể lắng sơ cấp thường được trang bị máy cào bùn được điều khiển hoạt động liên tục, bùn được thu bằng một phễu đặt trong đáy của bể, tại đó bùn được bơm về nơi xử lý. Mỡ và dầu được thu hồi có thể là nguyên liệu để xà phòng hóa.

Xử lý thứ cấp

Xử lý thứ cấp được sử dụng  để làm giảm đáng kể hàm lượng các chất sinh học trong nước thải có nguồn gốc từ chất thải của con người, chất thải thực phẩm, xà phòng và chất tẩy rửa. Phần lớn các nhà máy ở các thành phố xử lý nước thải sử dụng quá trình sinh học hiếu khí. Để có hiệu quả, các sinh vật cần được cung cấp oxy và thức ăn để sống. Các vi khuẩn và sinh vật đơn bào phân hủy sinh học tiêu thụ các chất ô nhiễm hữu cơ hòa tan (ví dụ như đường, chất béo, các phân tử carbon ngắn chuỗi hữu cơ, …) và gắn kết nhiều của các phân ít hòa tan dưới dạng kết tủa.Hệ thống xử lý thứ cấp được phân loại là màng lọc cố định và hệ thống phát triển sinh vật lơ lửng.
Màng cố định hay hệ thống phát triển kèm theo bao gồm bể lọc, tháp sinh học, và tiếp xúc sinh học, nơi sinh khối phát triển trong môi trường, nước thải đi qua bề mặt của nó. Nguyên tắc màng cố định đã tiếp tục phát triển với quá trình xử lý bằng lớp màng biofilm với sinh khối phát triển trên giá thể mà những giá thể này lại di chuyển tự do trong bể phản ứng và được giữ bên trong bể phản ứng MBBR và Công nghệ IFAS (Intergrated fixed film activated sludge): Là công nghệ kết hợp đồng thời hai kĩ thuật xử lý bằng vi sinh: một là, kĩ thuật vi sinh dính bám trên vật liệu mang cố định (fixed film); hai là, kĩ thuật bùn hoạt tính phân tán (dispended activated sludge). Với việc ghép nối hai kĩ thuật này trong một hệ thiết bị xử lý sẽ làm tăng cường lượng vi sinh xử lý nitơ trên vật liệu mang vi sinh cùng với việc tăng hiệu quả xử lý BOD bằng bùn hoạt tính phân tán.