Công nghệ xử lý nước thải UASB- Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Trong số các công nghệ xử lý nước thải hiện nay, UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) được đánh giá là giải pháp hiệu quả cao dành cho các loại nước thải có hàm lượng hữu cơ lớn như thủy sản, thực phẩm, bia – rượu – nước giải khát, cao su… Công nghệ xử lý nước thải UASB hoạt động dựa trên cơ chế vi sinh kỵ khí, không cần cung cấp oxy, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành đồng thời tạo ra nguồn khí biogas có thể thu hồi tái sử dụng. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ về cấu tạo bể UASB, nguyên lý hoạt động cũng như những ưu – nhược điểm và phạm vi ứng dụng thực tế của công nghệ này. 

Công nghệ xử lý nước thải UASB là gì?

Công nghệ xử lý nước thải UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) là một phương pháp xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải được dẫn theo chiều từ dưới lên qua một lớp bùn vi sinh kỵ khí dạng hạt (granule). Trong quá trình này, các vi sinh vật sẽ phân hủy chất hữu cơ (BOD, COD) trong điều kiện không có oxy, chuyển hóa chúng thành khí sinh học biogas (chứa chủ yếu là CH₄ và CO₂), bùn kỵ khí và nước sau xử lý.

Điểm đặc trưng của công nghệ UASB là sử dụng lớp bùn hoạt tính dạng hạt có mật độ vi sinh rất cao, cho phép tải lượng hữu cơ lớn nhưng diện tích xây dựng lại nhỏ hơn so với công nghệ hiếu khí. Công nghệ này được ứng dụng phổ biến trong xử lý nước thải công nghiệp có nồng độ COD cao như: chế biến thực phẩm, thủy sản, bia – rượu – nước giải khát, tinh bột, mía đường, cao su…

UASB đặc biệt phù hợp với các doanh nghiệp cần tối ưu chi phí vận hành, vì không tiêu tốn năng lượng sục khí và có khả năng thu hồi khí biogas phục vụ phát điện hoặc đốt lò.

Cấu tạo hệ thống xử lý nước thải bằng công nghệ UASB

Hệ thống xử lý nước thải UASB được thiết kế theo dạng bể đứng, với cấu trúc gồm 3 vùng hoạt động chính, được bố trí theo chiều thẳng đứng từ đáy lên trên. Các thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm:

• Bể phân phối nước đầu vào (Inlet Zone): Nằm ở đáy bể, đóng vai trò phân phối đều nước thải vào bể theo chiều hướng lên, giúp tăng khả năng tiếp xúc với lớp bùn vi sinh.
• Lớp bùn kỵ khí (Sludge Blanket): Là khu vực quan trọng nhất, chứa các hạt bùn dạng granule với mật độ vi sinh rất cao. Đây là nơi diễn ra quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ.
• Vùng tách pha (Gas-Liquid-Solid Separator – GLSS): Nằm ở phía trên bể, có chức năng tách ba pha: khí sinh học (được gom về hệ thống thu khí), bùn (rơi xuống lại vùng xử lý), và nước sau xử lý (được đưa sang công đoạn tiếp theo).
• Hệ thống thu khí Biogas: Thu gom khí CH₄ và CO₂ sinh ra trong quá trình xử lý. Khí này có thể được tái sử dụng để đốt lò hoặc phát điện.
• Đường ống xả bùn dư: Dùng để thu và thải bùn dư ra ngoài theo định kỳ.
• Hệ thống đo và điều khiển: Bao gồm sensor kiểm soát pH, nhiệt độ, lượng khí sinh ra… giúp duy trì điều kiện tối ưu cho vi sinh.

Cấu tạo thông minh theo chiều thẳng đứng của bể UASB giúp tối ưu quá trình tiếp xúc giữa nước thải và vi sinh, đồng thời giảm thiểu diện tích xây dựng so với các công nghệ truyền thống.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ xử lý nước thải UASB

Công nghệ xử lý nước thải UASB hoạt động theo cơ chế dòng chảy từ dưới lên, trong đó nước thải được bơm vào đáy bể và đi qua lớp bùn vi sinh kỵ khí dạng hạt (granule). Tại đây, vi sinh vật phân hủy các hợp chất hữu cơ (BOD, COD) trong điều kiện không có oxy, tạo ra khí sinh học (biogas) gồm CH₄ và CO₂. Khí này nổi lên phía trên và được tách ra tại bộ phận tách 3 pha (khí – lỏng – rắn).

Nước sau xử lý được dẫn sang công đoạn kế tiếp, trong khi bùn vi sinh lắng xuống và tiếp tục tham gia xử lý. Công nghệ tiết kiệm năng lượng vì không cần sục khí và có thể thu hồi khí metan để tái sử dụng.

Quy trình xử lý nước thải UASB

Quy trình công nghệ xử lý nước thải UASB thường bao gồm các giai đoạn sau:

Bước 1: Xử lý sơ bộ nước thải

Đây là giai đoạn tiền xử lý quan trọng nhằm loại bỏ các tạp chất có thể gây tắc nghẽn hoặc ức chế hoạt động của vi sinh trong bể UASB.

• Song chắn rác thô & tinh: Giữ lại các rác có kích thước lớn như bao bì nilon, vỏ sò, cá vụn, xơ sợi, bã thực phẩm… giúp bảo vệ máy bơm và đường ống phía sau.
• Bể tách dầu mỡ (nếu là nước thải thực phẩm/thủy sản): Tách dầu mỡ ra khỏi nước thải, tránh tạo lớp màng cản trở sự tiếp xúc giữa nước thải và vi sinh vật kỵ khí.
• Bể điều hòa: Điều chỉnh lưu lượng và nồng độ nước thải ổn định theo thời gian, tránh sốc tải cho vi sinh. Tại đây có thể điều chỉnh pH bằng NaOH/H₂SO₄ để duy trì môi trường pH lý tưởng 6.5 – 7.5 cho vi sinh kỵ khí hoạt động hiệu quả.

Bước 2: Nạp nước thải vào bể UASB

• Trong công nghệ xử lý nước thải UASB nước thải ổn định từ bể điều hòa được bơm vào đáy bể UASB thông qua hệ thống ống phân phối dạng ống perforated hoặc manifold.
• Cơ chế dòng chảy từ dưới lên (Upflow) giúp nước thải phân bố đều, tiếp xúc tối đa với lớp bùn kỵ khí.
• Ở giai đoạn này, vận tốc dòng chảy cần được kiểm soát hợp lý để tránh cuốn trôi bùn vi sinh ra ngoài (thông thường dao động khoảng 0.5 – 1.0 m/h).

Bước 3: Phân hủy sinh học kỵ khí trong lớp bùn UASB

Đây là trái tim của toàn bộ công nghệ, nơi diễn ra quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành khí sinh học:

• Lớp bùn kỵ khí dạng hạt (Granule Sludge) có mật độ vi sinh cực cao (20.000 – 100.000 mg/L), là nơi diễn ra quá trình phân hủy hữu cơ.
• Chuỗi phản ứng sinh hóa diễn ra qua 4 giai đoạn chính:
  1. Thủy phân: Chất hữu cơ phức tạp → đường, acid amin, acid béo
  2. Axit hóa: Các hợp chất nhỏ → acid hữu cơ (VFAs)
  3. Acetogenesis: Acid hữu cơ → acetate, H₂, CO₂
  4. Methanogenesis: Acetate/H₂ → CH₄ + CO₂ (biogas)
• Nhiệt độ lý tưởng hoạt động của UASB: 30 – 37°C (mesophilic). Tại Việt Nam đa số hoạt động ở điều kiện nhiệt độ môi trường.

Bước 4: Tách pha khí – lỏng – rắn (3-phase separator GLSS)

• Khí sinh học (biogas – CH₄ và CO₂) được sinh ra có xu hướng nổi lên, va chạm vào bộ tách 3 pha GLSS, được gom lại và dẫn ra hệ thống thu khí.
• Nước sau xử lý chảy tràn ra từ phần trên của bể và được dẫn sang công đoạn xử lý tiếp theo.
• Bùn vi sinh được giữ lại, tự động lắng xuống đáy bể, tiếp tục tham gia xử lý → bảo toàn sinh khối, hạn chế trôi bùn ra ngoài.

Bước 5: Xử lý hiếu khí / xử lý hoàn thiện

Do công nghệ UASB chỉ xử lý 60 – 80% COD, nên nước sau bể thường cần xử lý thêm:

• Bể Aerotank / MBBR / MBR / SBR → xử lý triệt để BOD, COD còn lại
• Bể khử trùng (Clo, UV, Ozone) → loại bỏ vi sinh gây bệnh
• Lọc áp lực, lọc than hoạt tính → loại màu, mùi, SS nếu yêu cầu QCVN cao

Bước 6: Thu hồi và sử dụng khí Biogas

• Khí CH₄ thu được có thể được sử dụng để:
  • Phát điện (genset)
  • Cung cấp nhiên liệu cho lò hơi, lò sấy
  • Đốt bằng flare để loại bỏ mùi và an toàn môi trường
• Giải pháp này giúp giảm chi phí vận hành và tối ưu hóa tính kinh tế cho dự án.

Ứng dụng của công nghệ xử lý nước thải UASB

Công nghệ xử lý nước thải UASB được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ (BOD/COD) cao, đặc biệt là nước thải từ các ngành công nghiệp thực phẩm và chế biến nông sản. Dưới đây là những lĩnh vực áp dụng phổ biến nhất:

• Ngành chế biến thủy sản: Xử lý nước thải từ quá trình rửa nguyên liệu, sơ chế, phi lê cá/tôm… có nồng độ COD rất cao (2.000 – 5.000 mg/L).
• Ngành sản xuất bia – rượu – nước giải khát: Nước thải chứa nhiều đường, cồn, tinh bột dễ phân hủy sinh học → rất phù hợp với UASB.
• Chế biến tinh bột sắn, mía đường, bột mì: Hàm lượng chất hữu cơ cực lớn (COD có thể trên 10.000 mg/L), UASB giúp xử lý hiệu quả và thu hồi khí metan.
• Ngành sản xuất cao su: Nước thải có nhiều protein, axit hữu cơ, dễ sinh mùi và gây ô nhiễm nghiêm trọng → công nghệ UASB xử lý tốt tải lượng hữu cơ cao và giảm mùi hôi.
• Ngành chăn nuôi, giết mổ gia súc gia cầm: Nước thải chứa máu, chất béo, protein… dễ sinh mùi thối → UASB giúp giảm mùi và thu hồi năng lượng.
• Ngành sản xuất thực phẩm, sữa, chế biến nông sản: Tải lượng hữu cơ cao và liên tục → phù hợp cho UASB kết hợp hiếu khí phía sau.
• Nước thải sinh hoạt tập trung (khu dân cư, khu công nghiệp) có hàm lượng hữu cơ cao cũng có thể áp dụng hiệu quả.

Nhờ hiệu quả xử lý cao, chi phí vận hành thấp và khả năng thu hồi khí sinh học, công nghệ xử lý nước thải UASB đang trở thành giải pháp ưu tiên hàng đầu trong xử lý nước thải hữu cơ tải lượng cao, đặc biệt phù hợp với doanh nghiệp mong muốn tiết kiệm năng lượng và tối ưu chi phí lâu dài.

Ưu nhược điểm của công nghệ xử lý nước thải UASB

Công nghệ xử lý nước thải UASB được đánh giá cao nhờ khả năng xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ lớn, tiết kiệm chi phí vận hành và còn thu hồi được nguồn năng lượng sinh học. Tuy nhiên, công nghệ này cũng tồn tại một số hạn chế như yêu cầu nước thải đầu vào ổn định, thời gian khởi động vi sinh lâu và thường phải kết hợp thêm công đoạn xử lý hiếu khí để đạt chuẩn xả thải. Cụ thể ưu nhược điểm của hệ thống xử lý nước thải UASB như sau:

Xem thêm: Một số công nghệ xử lý nước thải hiện nay:

• Công nghệ xử lý nước thải MBBR 

• Công nghệ xử lý nước thải SBR

• Công nghệ xử lý nước thải AAO

Ưu điểm của công nghệ xử lý nước thải UASB 

• Tiết kiệm chi phí vận hành do không cần cung cấp oxy như công nghệ hiếu khí.
• Xử lý hiệu quả nước thải có tải lượng hữu cơ cao (BOD/COD lên đến 5.000–20.000 mg/L).
• Tạo ra khí sinh học (biogas) chứa CH₄ có thể thu hồi để phát điện hoặc đốt lò, giúp tận dụng năng lượng.
• Lượng bùn sinh ra ít hơn nhiều so với công nghệ hiếu khí, giảm chi phí xử lý bùn.
• Diện tích xây dựng nhỏ gọn, phù hợp với doanh nghiệp có quỹ đất hạn chế.
• Vận hành tự động, ổn định, ít phải can thiệp kỹ thuật liên tục.

Nhược điểm của công nghệ xử lý nước thải UASB 

• Không phù hợp với nước thải có nồng độ hữu cơ thấp (BOD/COD < 1.000 mg/L).
• Không xử lý triệt để hoàn toàn, thường cần kết hợp thêm công nghệ hiếu khí hoặc màng lọc phía sau.
• Thời gian khởi động vi sinh lâu (thường 2–4 tuần, có thể tới 2–3 tháng tùy tải lượng).
• Nhạy cảm với sự thay đổi đột ngột về pH, nhiệt độ, tải lượng hữu cơ, dễ gây sốc vi sinh.
• Có thể phát sinh mùi hôi nếu hệ thống thu và xử lý biogas không được thiết kế kín.

Công nghệ xử lý nước thải UASB là một trong những giải pháp tối ưu hàng đầu cho các loại nước thải có hàm lượng hữu cơ cao nhờ ưu thế về chi phí vận hành thấp, xử lý hiệu quả và khả năng thu hồi năng lượng biogas để tái sử dụng. Dù vẫn tồn tại một số hạn chế nhất định như cần thời gian khởi động vi sinh dài và phải kết hợp thêm công đoạn xử lý hoàn thiện, nhưng với những lợi ích vượt trội mang lại, UASB đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như thủy sản, thực phẩm, tinh bột, bia – rượu – nước giải khát, cao su… Nếu doanh nghiệp của bạn đang tìm kiếm giải pháp xử lý nước thải vừa hiệu quả vừa tiết kiệm lâu dài, thì UASB chắc chắn là một lựa chọn đáng cân nhắc.