Chỉ số BOD trong nước thải: Định nghĩa, vai trò và ứng dụng

Chỉ số BOD (Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu oxy sinh học) thể hiện mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước. Đây là chỉ số đo lượng oxy (mg/L) cần thiết để vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ trong mẫu nước. BOD cao phản ánh nguồn nước chứa nhiều hợp chất hữu cơ dễ phân hủy, tiêu tốn nhiều oxy và có thể gây thiếu oxy trong môi trường nước, ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái thủy sinh.

Khái niệm và ý nghĩa của chỉ số BOD

Chỉ số BOD (Biochemical Oxygen Demand) thể hiện lượng oxy hòa tan bị tiêu thụ khi vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ trong mẫu nước. BOD được đo phổ biến dưới dạng BOD₅ – nhu cầu oxy trong 5 ngày ở 20°C – và được tính bằng miligam oxy tiêu thụ trên một lít mẫu. Chỉ số này là thước đo độ ô nhiễm hữu cơ: giá trị BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ dễ phân hủy càng lớn. Ở mức bình thường, nước ngọt có chỉ số BOD rất thấp, nhưng nước thải sinh hoạt hay công nghiệp thường có BOD từ vài chục đến vài nghìn mg/L tùy vào nguồn thải. Về mặt môi trường, BOD cho biết khả năng tự làm sạch của nguồn nước: khi chỉ số BOD lớn, các sinh vật kỵ khí sẽ tiêu hao nhiều oxy khiến oxy hòa tan giảm, đe dọa sự sống thủy sinh.

Về pháp lý, chỉ số BOD trong nước thải là một trong những chỉ tiêu bắt buộc trong các quy chuẩn môi trường Việt Nam. Ví dụ, Quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT quy định giá trị BOD₅ tối đa cho nước thải sinh hoạt ở mức 30 mg/L hoặc 50 mg/L. Tương tự, các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40/2011, QCVN 40/2025) cũng đặt giới hạn BOD₅ trong phạm vi 30-80 mg/L tuỳ loại hình và lưu lượng xả thải. Do đó, các doanh nghiệp và kỹ sư môi trường phải quan tâm đến giá trị BOD khi vận hành hệ thống xử lý nước thải, bảo đảm nồng độ đầu ra tuân thủ quy định để tránh xử phạt và bảo vệ môi trường.

Vai trò của BOD trong đánh giá và xử lý nước thải

Chỉ số BOD là thước đo quan trọng để đánh giá chất lượng nước thải. BOD phản ánh trực tiếp hàm lượng ô nhiễm hữu cơ: nước thải có BOD cao nghĩa là chứa nhiều hợp chất hữu cơ, đòi hỏi công đoạn xử lý mạnh mẽ hơn. Trong quá trình xử lý nước thải, BOD được dùng làm cơ sở tính toán thiết kế và vận hành hệ thống sinh học. Các tiêu chuẩn thiết kế đều dựa vào tải lượng BOD cần xử lý.

Trong vận hành trạm xử lý, BOD còn giúp giám sát hiệu suất xử lý. Ví dụ, ở bể hiếu khí (xử lý bùn hoạt tính), khi nồng độ oxy hòa tan (DO) ổn định nghĩa là các vi sinh vật đã phân hủy hầu hết chất hữu cơ và BOD gần như bằng 0. Kỹ sư môi trường thường theo dõi BOD đầu vào – đầu ra để điều chỉnh quá trình sục khí, bổ sung vi sinh hoặc thay đổi chế độ tải. Nhờ đó, BOD không chỉ đánh giá mức độ ô nhiễm mà còn là chỉ số quan trọng trong kiểm soát quá trình sinh học tại các trạm xử lý nước thải.

Phân biệt BOD, COD và các chỉ số liên quan

• BOD (Nhu cầu oxy sinh học): là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ trong điều kiện chuẩn (bóng tối, 20°C, 5 ngày). BOD đo được chỉ các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
• COD (Nhu cầu oxy hóa học): là lượng oxy cần cho phản ứng oxy hóa tất cả các chất hóa học trong nước (cả hữu cơ và vô cơ) bằng chất oxy hóa hóa học mạnh. COD bao gồm cả phần hữu cơ khó phân hủy mà vi sinh vật không tiêu thụ được. Như vậy, COD đo tổng lượng ôxy cần thiết để oxy hóa hóa học tất cả chất ô nhiễm, trong khi BOD chỉ đo phần hữu cơ dễ sinh học. Do đó, COD ≥ BOD đối với cùng mẫu nước.
• Các chỉ số liên quan: Ngoài BOD và COD, các chỉ tiêu phổ biến khác gồm DO (Oxy hòa tan), TSS (Tổng chất rắn lơ lửng)… DO cho biết nồng độ oxy trong nước tại thời điểm đo (không phải nhu cầu oxy), còn TSS đo tổng lượng hạt rắn lơ lửng gây đục và che lấp vi sinh vật. Khi phân tích chất lượng nước thải, thường kết hợp BOD, COD, TSS để đánh giá toàn diện mức độ ô nhiễm hữu cơ và hiệu quả xử lý.

Phương pháp đo BOD

Phương pháp BOD₅ truyền thống (pha loãng – ủ 5 ngày): Mẫu nước được pha loãng bằng nước cất đã bão hòa oxy, thêm men vi sinh mầm định và khuấy trộn đều. Đo nồng độ oxy hòa tan (DO) ban đầu (DO₀) của mẫu và đậy kín để ngăn oxy từ khí quyển khuếch tán vào. Sau đó, mẫu được ủ trong tủ điều chỉnh nhiệt độ 20°C trong bóng tối khoảng 5 ngày. Sau thời gian này, đo lại DO cuối (DO₅). Chỉ số BOD₅ được tính bằng hiệu số: BOD₅ = DO₀ – DO₅. Quá trình này theo chuẩn TCVN 6001:1995 (ISO 5815) thực hiện phương pháp pha loãng và cấy mầm vi sinh.

Quy trình đo BOD tổng quát gồm các bước sau:

1. Pha loãng mẫu theo tỉ lệ thích hợp; bổ sung men vi sinh và cân chỉnh nước.
2. Đo DO ban đầu (DO₀) bằng phương pháp Winkler hoặc điện cực DO.
3. Đậy nắp kín, ủ mẫu ở 20°C trong bóng tối suốt 5 ngày.
4. Sau 5 ngày, đo DO cuối (DO₅).
5. Tính BOD₅ = DO₀ – DO₅ (mg/L).

Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số BOD

Nhiều yếu tố môi trường và đặc tính mẫu nước thải có thể làm thay đổi giá trị chỉ số BOD trong nước thải:

• Nhiệt độ: Nhiệt độ cao sẽ tăng tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật, khiến oxy được tiêu thụ nhanh hơn. Do đó, trong cùng điều kiện nuôi cấy, mẫu ở nhiệt độ cao có tốc độ sụt DO nhanh và cho BOD₅ cao hơn. Ngược lại, nhiệt độ thấp làm chậm quá trình phân hủy, kết quả BOD đo được nhỏ hơn.
• Độ pH: pH quá acid hoặc quá kiềm đều ức chế hoạt động của vi sinh vật. Phạm vi pH lý tưởng cho vi sinh xử lý BOD thường 6,5-8,5; pH nằm ngoài khoảng này sẽ làm giảm khả năng phân hủy hữu cơ và làm sai lệch kết quả BOD.
• Hàm lượng và loại chất hữu cơ: BOD phụ thuộc trực tiếp vào nồng độ các hợp chất hữu cơ trong mẫu. Các chất hữu cơ dễ phân hủy (ví dụ rác hữu cơ, tinh bột, protein) sẽ cho BOD lớn và nhanh chóng. Ngược lại, các hợp chất hữu cơ phức tạp, khó phân hủy (như lignin, một số chất hoạt tính bề mặt) sẽ cho BOD thấp hoặc kéo dài thời gian xử lý.
• Chất dinh dưỡng (Tỉ lệ C/N/P): Vi sinh vật cần nguyên tố N, P đầy đủ để phân hủy chất hữu cơ. Thiếu dinh dưỡng (C/N hoặc C/P quá lớn) sẽ hạn chế sinh trưởng vi sinh, làm giảm mức oxy tiêu thụ và kết quả BOD.
• Độc tố và chất ức chế: Sự hiện diện của kim loại nặng, chất sát khuẩn, chất hoạt động bề mặt hay các hóa chất khác có thể ức chế men vi sinh xử lý. Ví dụ, Clo, kim loại nặng hay thuốc trừ sâu có thể làm chết hoặc giảm hoạt động của vi sinh, dẫn đến BOD đo được giảm so với thực tế hàm lượng hữu cơ có trong mẫu.

Ứng dụng của chỉ số BOD trong quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước thải

Chỉ số BOD được sử dụng rộng rãi trong quản lý môi trường và vận hành hệ thống xử lý nước thải. Về quản lý, cơ quan môi trường sử dụng BOD làm tiêu chí giám sát tuân thủ giấy phép xả thải: nếu kết quả phân tích vượt quá giới hạn quy chuẩn thì đơn vị xả thải sẽ bị xử lý vi phạm. Doanh nghiệp cũng phải báo cáo định kỳ các thông số BOD đầu ra để chứng minh hiệu quả xử lý.

Trong vận hành hệ thống xử lý nước thải, BOD giúp điều chỉnh quá trình sinh học. Khi biết nồng độ BOD đầu vào và đầu ra, kỹ sư có thể tính toán nhu cầu oxy để cung cấp đủ trong bể hiếu khí. BOD cũng cho biết thời gian lưu nước cần thiết và hiệu suất xử lý của bể. Theo tài liệu chuyên ngành, khi nồng độ DO trong bể sinh học hiếu khí ổn định tức là vi sinh đã tiêu thụ hết ô nhiễm, nghĩa là BOD được xử lý gần như hoàn toàn. Nhờ đó, BOD là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá xem hệ thống xử lý đã hoạt động hiệu quả hay chưa.

Ứng dụng khác của BOD là hỗ trợ thiết kế và mở rộng hệ thống. Ví dụ, tải trọng BOD (kg BOD/ngày) của nước thải sinh hoạt xác định thể tích bể aerobic hoặc kích thước bể lắng cặn. Trong pha xử lý bùn hoạt tính, người ta thường tính hệ số F/M (tải trọng vi sinh/final) từ nồng độ BOD để điều chỉnh hệ số tuần hoàn bùn. Nói chung, BOD đóng vai trò chủ chốt trong việc tối ưu hóa vận hành, giảm chi phí điện năng (sục khí) và đảm bảo tiêu chuẩn xả thải.

Giải pháp giảm BOD trong nước thải công nghiệp và sinh hoạt

Để giảm chỉ số BOD trong nước thải, chủ yếu áp dụng các công nghệ xử lý sinh học và sơ bộ. Cụ thể:

• Xử lý sơ cấp: Nước thải được đưa qua song chắn, bể gom dầu mỡ, sau đó qua bể lắng sơ bộ. Ở giai đoạn này, các chất rắn hữu cơ lơ lửng nặng lắng xuống đáy, loại bỏ một phần lớn tải lượng hữu cơ ban đầu. Thông thường, bể lắng sơ cấp có thể loại bỏ khoảng 25-35% BOD tổng thể. Việc này làm giảm tải cho giai đoạn xử lý sinh học phía sau.
• Xử lý sinh học hiếu khí: Đây là bước chính để tiêu thụ BOD còn lại. Trong bể bùn hoạt tính hoặc bể lọc sinh học (bio ball, màng MBR…), vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy để phân hủy phần lớn chất hữu cơ. Việc cung cấp ôxy (sục khí) đẩy mạnh quá trình oxy hóa sinh học, giảm nhanh chỉ số BOD trong nước thải. Quá trình này yêu cầu kiểm soát chặt chất dinh dưỡng (N, P) để vi sinh phát triển tốt và thu gom bùn cặn hiệu quả. Sau xử lý hiếu khí, BOD của nước thải thường giảm >90%.
• Xử lý kỵ khí: Đối với nguồn nước thải công nghiệp có BOD rất cao, kết hợp bể kỵ khí (UASB, bể kỵ khí cố định bùn…) sẽ hiệu quả hơn. Trong môi trường không có oxy, vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ thành metan và CO₂, giảm nhanh tải lượng BOD ban đầu. Sau bể kỵ khí, nước thải được đưa qua bể hiếu khí để xử lý phần hữu cơ còn lại. Giải pháp kỵ khí tiết kiệm năng lượng nhưng đòi hỏi bể lớn và thời gian lưu nước dài.
• Các biện pháp khác: Trong một số trường hợp, có thể dùng phương pháp hóa lý hỗ trợ như keo tụ – tạo bông kết hợp lắng (nhiều kim loại nặng hoặc chất hoạt động bề mặt gây cản trở vi sinh), tách dầu mỡ, lọc màng siêu lọc/khử màu để giảm BOD. Đồng thời, kiểm soát chất lượng nước thải đầu vào (ví dụ điều chỉnh pH, bảo đảm tỉ lệ dinh dưỡng C/N/P phù hợp, pha loãng nước thải quá đậm đặc) cũng giúp tối ưu hiệu quả xử lý BOD.

Trên thực tế, kết hợp đồng bộ các công đoạn xử lý và lựa chọn công nghệ phù hợp với đặc tính nước thải là chìa khóa để hạ thấp BOD đạt tiêu chuẩn. Mỗi ngành công nghiệp có tải lượng hữu cơ khác nhau sẽ có chiến lược xử lý riêng (ví dụ: sử dụng men vi sinh chuyên biệt cho nước thải thực phẩm, hoặc hệ MBBR cho ngành chế biến thủy sản).

Chỉ số BOD trong nước thải là thước đo chủ chốt phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ và khả năng sử dụng oxy của vi sinh vật trong nguồn nước. Định nghĩa, vai trò và cách đo BOD đã được quy định trong các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn môi trường nhằm bảo vệ chất lượng nước. Trong quản lý nước thải, BOD vừa là chỉ tiêu để cấp phép và giám sát, vừa là cơ sở để thiết kế và tối ưu hệ thống xử lý. Để đạt hiệu quả và tuân thủ quy định, doanh nghiệp phải áp dụng các giải pháp xử lý thích hợp nhằm hạ thấp BOD về mức cho phép. Việc hiểu và kiểm soát tốt chỉ số BOD trong nước thải sẽ giúp giảm thiểu tác động môi trường, bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và đảm bảo hoạt động bền vững của các cơ sở sản xuất.