Nước thải là gì? Khái niệm, phân loại và tác hại cần biết

Sự gia tăng không ngừng của các hoạt động nhân sinh trong bối cảnh đô thị hóa và công nghiệp hóa đã biến nước thải trở thành một trong những thách thức môi trường lớn nhất của thế kỷ 21. Không còn đơn thuần là một sản phẩm phụ của quá trình sử dụng nước, nước thải hiện được nhìn nhận như một đối tượng quản lý phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa các giải pháp kỹ thuật tiên tiến và các chiến lược truyền thông thông minh. Việc hiểu rõ bản chất nước thải là gì không chỉ là yêu cầu cấp thiết đối với các nhà quản lý môi trường mà còn là nhu cầu tìm kiếm hàng đầu của cộng đồng, doanh nghiệp và các tổ chức đầu tư.

Định nghĩa và bản chất khoa học của nước thải trong hệ sinh thái nhân tạo

Nước thải, theo các thuật ngữ chuyên ngành môi trường, là nguồn nước đã trải qua quá trình sử dụng và mang theo các tạp chất biến đổi đáng kể tính chất vật lý, hóa học hoặc sinh học ban đầu của nó. Quá trình này bắt đầu từ việc khai thác nguồn nước sạch – có thể là nước mặt từ sông hồ hoặc nước ngầm từ các tầng chứa – sau đó đưa vào các chu kỳ như sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, dịch vụ thương mại hoặc nông nghiệp. Khi giá trị sử dụng trực tiếp của dòng nước đối với quy trình đó kết thúc, nó được thải ra hệ thống cống rãnh hoặc nguồn tiếp nhận, mang theo một lượng lớn các chất ô nhiễm đa dạng.

Sự biến đổi của nước thành nước thải không chỉ đơn thuần là việc thêm vào các tạp chất hữu cơ hay vô cơ, mà là một quá trình làm suy kiệt oxy hòa tan và thay đổi cấu trúc phân tử của môi trường nước. Nước thải thường có màu xám hoặc đen đặc trưng và phát sinh mùi hôi do quá trình phân hủy kỵ khí của các hợp chất hữu cơ diễn ra ngay trong hệ thống thu gom. Về mặt kỹ thuật, nước thải là một hỗn hợp không đồng nhất, bao gồm các chất rắn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ hòa tan, vi sinh vật gây bệnh, các chất dinh dưỡng như Nitơ và Phốt pho, và trong nhiều trường hợp là các hóa chất độc hại hoặc kim loại nặng.

Phân loại nước thải và đặc trưng nguồn phát sinh

Việc phân loại nước thải dựa trên nguồn gốc phát sinh là cơ sở khoa học để thiết kế các quy trình xử lý chuyên biệt. Mỗi loại nước thải mang những đặc thù riêng về thành phần hóa học và sinh học, yêu cầu những phương pháp tiếp cận khác nhau để đạt được các quy chuẩn an toàn.

Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là loại nước thải phát sinh từ các hoạt động hằng ngày của con người tại các hộ gia đình, khu dân cư, trung tâm thương mại, khách sạn và các cơ quan công sở. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nồng độ cao các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng và vi trùng gây bệnh.

Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp phát sinh từ các quy trình sản xuất, kinh doanh, thương mại và chế biến. Tính chất của nước thải công nghiệp phức tạp hơn nhiều so với nước thải sinh hoạt và thay đổi tùy theo loại hình ngành nghề sản xuất. Ví dụ, nước thải từ ngành dệt nhuộm thường có độ màu cao và chứa các hợp chất vòng thơm khó phân hủy; trong khi nước thải ngành chế biến thực phẩm lại có nồng độ hữu cơ (BOD, COD) cực cao. Các ngành công nghiệp nặng như khai khoáng hay luyện kim có thể phát thải các kim loại nặng độc hại như chì, thủy ngân, asen vào nguồn nước, gây ra những thảm họa sinh thái dài hạn nếu không được kiểm soát.

Nước thải y tế

Nước thải y tế là dòng thải từ các cơ sở khám chữa bệnh, phòng thí nghiệm và cơ sở chăm sóc sức khỏe. Loại nước thải này được quản lý theo một chế độ đặc biệt nghiêm ngặt do chứa các tác nhân sinh học có khả năng gây dịch bệnh, các dư lượng thuốc kháng sinh mạnh và đôi khi là các đồng vị phóng xạ từ quá trình chẩn đoán. Quy chuẩn QCVN 28:2010/BTNMT được thiết kế riêng để đảm bảo các chỉ số vi sinh vật như Coliforms được triệt tiêu hoàn toàn trước khi xả thải.

Nước thải đô thị

Nước thải đô thị là một thuật ngữ tổng hợp chỉ hỗn hợp các loại nước thải trong hệ thống cống thoát chung của thành phố. Điểm đáng chú ý là sự đóng góp của nước mưa chảy tràn và nước thẩm thấu. Nước mưa, mặc dù ban đầu là sạch, nhưng khi chảy qua vỉa hè, lòng đường và mái nhà đô thị, nó cuốn theo các chất ô nhiễm bề mặt như bụi mịn, dầu xe, và rác thải, biến thành một loại nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) rất cao. Nước thẩm thấu từ các khớp nối cống bị hở hoặc nước xâm nhập mặn cũng làm thay đổi lưu lượng và tính chất của dòng thải đô thị, gây khó khăn cho việc vận hành các nhà máy xử lý.

Các chỉ số quan trắc và đánh giá chất lượng nước thải

Để định lượng mức độ ô nhiễm của nước thải và hiệu quả của các trạm xử lý, hệ thống các chỉ số hóa lý và sinh học đã được thiết lập. Việc hiểu rõ ý nghĩa của từng thông số là nền tảng cho mọi phân tích kỹ thuật và truyền thông chuyên sâu.

Nhu cầu Oxy Sinh hóa (BOD)

BOD (Biochemical Oxygen Demand) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học trong nước trong điều kiện tiêu chuẩn. Thông thường, người ta đo BOD5 – lượng oxy tiêu thụ sau 5 ngày ở nhiệt độ 20 độ C trong bóng tối. Chỉ số BOD cao là minh chứng rõ rệt nhất cho sự hiện diện của các chất hữu cơ gây ô nhiễm; khi các chất này được xả vào nguồn nước tự nhiên, chúng sẽ “cướp” oxy của các loài sinh vật thủy sinh, dẫn đến hiện tượng suy kiệt oxy hòa tan và làm chết các hệ sinh thái sông hồ.

Nhu cầu oxy hóa học (COD)

COD (Chemical Oxygen Demand) đo lường tổng lượng oxy cần để oxy hóa toàn bộ các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước bằng các chất oxy hóa mạnh (thường là Potassium Dichromate). Giá trị COD luôn lớn hơn BOD vì nó bao quát cả các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học mà vi sinh vật không thể xử lý được. Trong xử lý nước thải công nghiệp, COD là chỉ số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm hóa chất tổng thể.

Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

TSS (Total Suspended Solids) là tổng trọng lượng của các hạt lơ lửng không hòa tan có kích thước lớn hơn 2 micron tồn tại trong nước. Các hạt này có thể là phù sa, cát, tảo, hoặc các sợi hữu cơ. TSS không chỉ làm tăng độ đục của nước, ảnh hưởng đến thẩm mỹ mà còn ngăn cản ánh sáng mặt trời xuyên qua lớp nước, từ đó làm giảm khả năng quang hợp của các loài thực vật thủy sinh. Đo lường TSS thường dựa trên phương pháp lọc mẫu qua màng lọc tiêu chuẩn và sấy khô ở nhiệt độ 103-105 độ C.

Oxy hòa tan (DO)

DO (Dissolved Oxygen) là nồng độ oxy tự do tồn tại trong nước, là yếu tố sống còn cho sự hô hấp của cá và các loài thủy sinh khác. Nồng độ DO lý tưởng thường dao động từ 8 đến 10 ppm; khi DO giảm xuống dưới 4-5 ppm, sinh vật trong nước bắt đầu bị stress và có thể chết hàng loạt. Chỉ số DO tỷ lệ nghịch với BOD và COD: khi mức độ ô nhiễm hữu cơ tăng, vi sinh vật tiêu thụ oxy nhanh hơn khả năng bù đắp từ khí quyển, khiến DO sụt giảm.

Các thông số dinh dưỡng và vi sinh (TN, TP, Coliforms)

Nitơ tổng (TN) và Phốt pho tổng (TP) là các chất dinh dưỡng thiết yếu nhưng nếu dư thừa sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng (eutrophication), làm tảo phát triển quá mức và gây chết các dòng sông. Trong khi đó, Coliforms là nhóm vi khuẩn chỉ thị cho mức độ ô nhiễm phân và khả năng hiện diện của các mầm bệnh gây hại cho sức khỏe con người.

Công nghệ xử lý nước thải tiên tiến

Xử lý nước thải là một quá trình đa giai đoạn, kết hợp giữa các nguyên lý cơ học, hóa học và sinh học để chuyển hóa dòng thải ô nhiễm thành nước an toàn.

Phương pháp xử lý hóa học và hóa lý

Sử dụng các phản ứng hóa học để tách chất ô nhiễm.

• Trung hòa: Sử dụng acid hoặc bazơ để điều chỉnh pH, giúp tối ưu hóa quá trình keo tụ và tạo môi trường sống cho vi sinh vật.
• Keo tụ – Tạo bông: Châm hóa chất (phèn nhôm, polymer) để liên kết các hạt lơ lửng cực nhỏ thành các bông bùn lớn, dễ dàng lắng xuống tại bể lắng.
• Oxy hóa điện hóa: Một công nghệ hiện đại sử dụng dòng điện để phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại thành CO2 và H2O, đặc biệt hiệu quả với nước thải dệt nhuộm và rỉ rác.

Xử lý sinh học

Phương pháp này tận dụng khả năng phân hủy tự nhiên của vi sinh vật để tiêu thụ chất hữu cơ.

• Công nghệ AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic): Kết hợp các vùng Kỵ khí (để khử Phốt pho), Thiếu khí (để khử Nitơ thông qua quá trình Nitrat hóa và khử Nitrat) và Hiếu khí (để phân hủy BOD và COD).
• Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor): Kết hợp bể bùn hoạt tính với màng lọc sợi rỗng siêu mịn. Màng lọc thay thế hoàn toàn bể lắng thứ cấp, giúp loại bỏ triệt để vi khuẩn, chất rắn lơ lửng và tạo ra nước sau xử lý có chất lượng cực cao, có thể tái sử dụng.
• Công nghệ SBR (Sequencing Batch Reactor): Xử lý nước thải theo từng mẻ trong cùng một bể, tích hợp các giai đoạn sục khí, lắng và chắt nước trong. Đây là giải pháp linh hoạt, phù hợp cho các cơ sở có lưu lượng nước thải biến động.

Cơ chế chuyển hóa và quản lý bùn thải

Trong quá trình xử lý sinh học, các chất ô nhiễm không mất đi mà chuyển hóa thành hai con đường: chuyển hóa thành các chất bay hơi (như N2, CO2 thoát vào khí quyển, hoặc bị giữ lại dưới dạng sinh khối (bùn vi sinh). Một hệ thống vận hành tốt là hệ thống kiểm soát được “tuổi bùn” và thực hiện xả bùn dư định kỳ để duy trì mật độ vi sinh vật tối ưu. Bùn thải sau khi ép khô có thể được xử lý làm phân bón hoặc chôn lấp an toàn.

Tác động sâu rộng của nước thải đối với sức khỏe và hệ sinh thái

Sự thiếu hụt trong quản lý nước thải không chỉ là một vấn đề kỹ thuật mà còn là một cuộc khủng hoảng sức khỏe cộng đồng và an ninh sinh thái.

Mối đe dọa đối với sức khỏe con người

Nước thải chứa hàng nghìn loại hóa chất và vi sinh vật gây bệnh. Việc tiếp xúc hoặc sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm có thể dẫn đến các bệnh lý nghiêm trọng:

• Bệnh đường tiêu hóa: Tả, lỵ, thương hàn và các nhiễm trùng do vi khuẩn E.coli từ nước thải sinh hoạt.
• Rối loạn thần kinh và sinh sản: Do nhiễm độc chì, asen hoặc các hợp chất hữu cơ bền vững từ nước thải công nghiệp.
• Nguy cơ ung thư: Sự hiện diện của các chất gây ung thư như Benzen, Vinyl Chloride trong dòng thải hóa chất.

Trẻ sơ sinh, trẻ nhỏ và người già là những đối tượng nhạy cảm nhất, dễ gặp các biến chứng nặng nề khi sống trong môi trường có nguồn nước không đảm bảo.

Sự sụp đổ của hệ sinh thái thủy sinh

Khi nước thải chưa xử lý đổ vào sông hồ, nó gây ra hiện tượng phú dưỡng. Lượng dư thừa Nitơ và Phốt pho kích thích tảo phát triển bùng nổ, tạo ra các lớp thảm xanh bao phủ bề mặt nước, ngăn cản oxy khuếch tán xuống tầng sâu. Khi tảo chết đi, quá trình phân hủy kỵ khí tiêu thụ toàn bộ oxy còn lại, tạo ra “vùng chết” nơi cá và các sinh vật khác không thể tồn tại. Điều này không chỉ làm giảm đa dạng sinh học mà còn phá hủy chuỗi thức ăn tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh kế của các cộng đồng sống dựa vào nguồn lợi thủy sản.