Ô nhiễm nước thải đang là một trong những vấn đề môi trường đáng lo ngại nhất hiện nay. Từ khu dân cư, làng nghề, cơ sở chăn nuôi đến các khu công nghiệp, lượng nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ xả ra môi trường ngày càng lớn, gây ô nhiễm sông hồ, phát sinh mùi hôi và làm suy giảm chất lượng nguồn nước. Tuy nhiên, nhiều địa phương vẫn chưa có hệ thống xử lý nước thải đồng bộ. Trong khi đó, các công nghệ xử lý hiện đại nhập khẩu thường có giá thành cao, tiêu tốn năng lượng và khó vận hành ở quy mô nhỏ.

Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, nhóm nghiên cứu do TS. Hoàng Lương, Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường đã đề xuất và được Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phê duyệt thực hiện dự án: “Sản xuất vật liệu mang vi sinh (EBB) để xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và nitơ theo quy trình khép kín trên hệ thiết bị đồng bộ” (mã số: UDSXTN.02/24-25).

TS. Hoàng Lương trao đổi cùng nhóm nghiên cứu tại phòng làm việc

Từ phòng thí nghiệm đến hệ thống xử lý thực tế

Về bản chất, xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học là sử dụng các vi sinh vật có lợi để phân hủy chất ô nhiễm. Nhưng để hoạt động hiệu quả, các vi sinh vật này cần có môi trường bám dính ổn định thay vì trôi nổi trong dòng nước. EBB có cấu trúc như dạng “viên gạch sinh học” chứa hệ vi sinh vật có lợi bên trong cấu trúc vật liệu xốp. Khi được đưa vào hệ thống xử lý nước thải, các vi sinh vật này sẽ phân hủy chất hữu cơ, giảm amoni, tổng nitơ (các hợp chất chứa nitơ gây ô nhiễm) và hạn chế mùi hôi trong nước.

Theo TS. Hoàng Lương: Vật liệu EBB được nhóm chế tạo từ các nguyên liệu sẵn có trong nước như zeolite - một loại khoáng tự nhiên có khả năng hấp phụ chất ô nhiễm, than hoạt tính, kazemzit (vật liệu đất sét nung xốp nhẹ) và xi măng bền sunfat. Nhờ cấu trúc xốp có diện tích bề mặt lớn, vật liệu tạo điều kiện thuận lợi để vi sinh vật hình thành lớp màng sinh học ổn định, yếu tố quyết định hiệu quả xử lý nước.

Vật liệu EBB được nhóm nghiên cứu phát triển

Điểm đặc biệt của EBB là khả năng kết hợp đồng thời giữa hấp phụ vật lý và xử lý sinh học. Trong khi lớp vật liệu khoáng hấp phụ các chất ô nhiễm, hệ vi sinh vật bên trong tiếp tục phân hủy chúng thành các hợp chất ít độc hại hơn. Nhờ vậy, vật liệu có thể xử lý hiệu quả COD, amoni và tổng nitơ, những tác nhân gây ô nhiễm phổ biến trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp và chăn nuôi.

TS. Hoàng Lương cho biết thêm: Công nghệ EBB được kế thừa và phát triển từ các nghiên cứu hợp tác công nghệ giữa Việt Nam và Nhật Bản. Trên thế giới, vật liệu EBB đã được ứng dụng tại nhiều quốc gia như Nhật Bản, Malaysia, Singapore, Ấn Độ hay Hoa Kỳ để xử lý ô nhiễm sông hồ, ao mương và nước thải sinh hoạt. Tuy nhiên, phần lớn sản phẩm trên thị trường hiện nay là hàng nhập khẩu với chi phí cao.

Trong khi đó, nghiên cứu của nhóm hướng tới mục tiêu nội địa hóa toàn bộ quy trình sản xuất, từ vật liệu, thiết bị đến công nghệ vận hành. Đây là bước đi quan trọng giúp giảm phụ thuộc vào công nghệ ngoại nhập và hạ giá thành sản phẩm.

Từ quy mô phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công hệ thiết bị sản xuất EBB bán công nghiệp có công suất tối đa khoảng 2.000 viên/ngày. Đồng thời, vật liệu cũng được thử nghiệm thực tế trên hệ thống xử lý nước thải công suất 50 m³/ngày, đáp ứng yêu cầu chất lượng nước thải sau xử lý (theo QCVN 14:2015/BTNMT đối với nước thải sinh hoạt và QCVN 40:2011/BTNMT đối với nước thải công nghiệp).

Một số hình ảnh quá trình sản xuất và thử nghiệm vật liệu EBB

Kết quả thử nghiệm cho thấy, EBB có khả năng xử lý hiệu quả COD, amoni và tổng nitơ trong nhiều loại nước thải khác nhau như nước thải sinh hoạt, nước rỉ rác và nước thải bệnh viện. Đặc biệt, sau xử lý, chất lượng nước đáp ứng yêu cầu của các quy chuẩn môi trường hiện hành đối với nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp.

Lợi thế lớn từ công nghệ mới

Theo đánh giá của nhóm nghiên cứu, EBB hoạt động ổn định trong điều kiện pH khác nhau và duy trì hiệu quả xử lý trong thời gian dài nhờ hệ vi sinh vật bám dính bền vững bên trong vật liệu. So với nhiều loại giá thể truyền thống, EBB có ưu điểm là ít bị bong tróc hơn so với các loại giá thể truyền thống, không yêu cầu thay vật liệu thường xuyên và giảm đáng kể chi phí vận hành.

Trong dự án này, các loại khoáng tự nhiên như zeolit hay vật liệu tái chế từ nông nghiệp đều có thể được tận dụng trong sản xuất EBB với giá thành thấp hơn nhiều so với các giá thể nhập khẩu như MBBR hoặc biochip. Nhờ chủ động nguồn nguyên liệu nội địa, giá thành sản phẩm ước tính chỉ bằng khoảng 40 - 50% so với vật liệu cùng loại nhập khẩu. Điều này mở ra cơ hội phát triển mô hình sản xuất bán công nghiệp tại địa phương, kết hợp giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp nhỏ và hợp tác xã môi trường. Mô hình còn có thể tạo thêm việc làm cho lao động nông thôn và thúc đẩy kinh tế tuần hoàn.

TS. Hoàng Lương nhận định: EBB đặc biệt phù hợp với những khu vực chưa có hệ thống xử lý nước thải tập trung hoặc những nơi cần cải tạo hệ thống cũ với chi phí thấp. Công nghệ này có thể ứng dụng tại các khu dân cư, làng nghề, bệnh viện quy mô nhỏ, khu chế biến thực phẩm, trang trại chăn nuôi, cơ sở sản xuất nông nghiệp và các trạm xử lý nước thải công suất vừa và nhỏ.

Đặt EBB ở mương thoát nước

Một lợi thế khác là EBB có thể tích hợp linh hoạt vào nhiều hệ thống xử lý hiện hữu mà không cần cải tạo quá lớn về hạ tầng. Các viên vật liệu có thể đặt trực tiếp trong bể xử lý, mương dẫn nước hoặc bể lọc sinh học để tăng mật độ vi sinh và nâng cao hiệu quả xử lý nitơ.

Trong bối cảnh nhiều địa phương đang gặp khó khăn với nước thải giàu hữu cơ và amoni, công nghệ này được đánh giá có ý nghĩa thực tiễn cao. Nước thải chứa hàm lượng nitơ lớn nếu không được xử lý triệt để sẽ gây hiện tượng phú dưỡng, làm suy giảm oxy trong nguồn nước và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh. Ngoài ra, mùi hôi phát sinh từ nước thải cũng là vấn đề gây bức xúc kéo dài tại nhiều khu dân cư.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu cũng đã thực hiện các phân tích sinh học phân tử nhằm đánh giá quần thể vi sinh vật bám trên vật liệu EBB. Đây là cơ sở khoa học quan trọng giúp tối ưu hiệu quả xử lý và nâng cao độ ổn định của công nghệ khi vận hành thực tế. Nếu tiếp tục được hoàn thiện và mở rộng quy mô, EBB được kỳ vọng sẽ trở thành một trong những giải pháp xử lý nước thải hiệu quả tại Việt Nam trong thời gian tới.

Hệ thực nghiệm đánh giá hoạt động của vi sinh vật trong vật liệu EBB

Theo đánh giá của hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, dự án có tính ứng dụng cao, bám sát nhu cầu thực tiễn của Việt Nam trong lĩnh vực xử lý môi trường nước. Hội đồng cũng ghi nhận việc xây dựng thành công quy trình sản xuất hoàn chỉnh, chế tạo hệ thiết bị đồng bộ và triển khai thử nghiệm ở quy mô thực tế của vật liệu EBB.

Dự án còn được đánh giá cao ở khả năng thương mại hóa nhờ sử dụng nguyên liệu nội địa, giá thành hợp lý và khả năng mở rộng quy mô linh hoạt. Đây là yếu tố quan trọng để công nghệ có thể đi vào cuộc sống, đặc biệt tại các địa phương còn hạn chế về nguồn lực đầu tư cho môi trường.

Trong xu hướng phát triển công nghệ xanh và kinh tế tuần hoàn, các vật liệu sinh học như EBB đang được xem là giải pháp tiềm năng cho bài toán xử lý nước thải bền vững. Thành công của dự án không chỉ góp phần giải quyết vấn đề ô nhiễm nước tại Việt Nam mà còn cho thấy khả năng làm chủ đồng bộ công nghệ môi trường của các nhà khoa học Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, từ thiết kế vật liệu, chế tạo hệ thiết bị đến xây dựng quy trình vận hành và chuyển giao. Kết quả thử nghiệm cho thấy công nghệ EBB đã có mức độ sẵn sàng ứng dụng và thương mại hóa cao, mở ra hướng phát triển các giải pháp môi trường phù hợp với điều kiện thực tiễn trong nước.