Xử lý BOD trong nước thải – Nguyên nhân, quy trình và công nghệ phổ biến

Trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước thải, BOD (Biochemical Oxygen Demand) – hay nhu cầu oxy sinh hóa – là thông số quan trọng phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nguồn nước. Khi hàm lượng BOD vượt ngưỡng cho phép, môi trường nước dễ bị suy thoái, gây thiếu oxy hòa tan và ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh. Vì vậy, xử lý BOD trong nước thải là một bước không thể thiếu trong quy trình xử lý nước của các khu công nghiệp, nhà máy chế biến thực phẩm, thủy sản, dệt nhuộm, và nhiều ngành sản xuất khác. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ nguyên nhân làm tăng BOD, quy trình xử lý chi tiết, cùng những công nghệ xử lý BOD phổ biến hiện nay

BOD là gì và vì sao phải xử lý BOD trong nước thải?

BOD (Biochemical Oxygen Demand) hay còn gọi là nhu cầu oxy sinh hóa, là chỉ số thể hiện lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ có trong nước thải trong điều kiện hiếu khí. Nói cách khác, BOD phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nguồn nước – BOD càng cao, nước càng chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy.

Chỉ số BOD thường được đo trong khoảng thời gian 5 ngày ở nhiệt độ 20°C (ký hiệu là BOD₅). Đây là thông số quan trọng trong việc đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước và hiệu quả của hệ thống xử lý nước thải.

Vì sao cần xử lý BOD trong nước thải?
Nếu nước thải có nồng độ BOD cao mà không được xử lý đúng cách, các hậu quả môi trường sẽ xảy ra:

• Giảm oxy hòa tan trong nước, khiến sinh vật thủy sinh như cá, tôm… chết hàng loạt.
• Tăng vi khuẩn gây thối rữa, tạo mùi hôi khó chịu và làm mất mỹ quan môi trường.
• Ảnh hưởng đến chất lượng nước ngầm và nước mặt, gây khó khăn cho việc cấp nước sinh hoạt.
• Vi phạm quy chuẩn xả thải, dẫn đến thiệt hại kinh tế và các vấn đề pháp lý cho doanh nghiệp.

Do đó, xử lý BOD trong nước thải là yêu cầu bắt buộc để giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ, bảo vệ hệ sinh thái và đảm bảo nước thải đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra môi trường.

Nguyên nhân khiến BOD trong nước thải cao

Hàm lượng BOD cao trong nước thải thường bắt nguồn từ sự hiện diện của nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Các chất này tiêu tốn lượng lớn oxy hòa tan trong quá trình vi sinh vật phân hủy, làm tăng nhu cầu oxy sinh hóa. Một số nguyên nhân phổ biến gồm:

Hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải

Nước thải từ các ngành chế biến thực phẩm, thủy sản, bia – nước giải khát, dệt nhuộm, giấy, cao su… chứa nhiều protein, carbohydrate, dầu mỡ, cặn bã thực phẩm,… là nguồn hữu cơ lớn làm tăng BOD.

Hoạt động phân hủy vi sinh mạnh

Khi nước thải chứa nhiều vi sinh vật phân hủy hiếu khí, chúng tiêu thụ nhiều oxy để chuyển hóa chất hữu cơ thành CO₂, H₂O và tế bào mới, làm chỉ số BOD tăng cao.

Thiếu hệ thống tách rác, tách dầu mỡ ban đầu

Nếu nước thải chưa được qua bước xử lý sơ bộ (lọc rác, tách dầu mỡ, bể lắng cặn thô), lượng chất hữu cơ đi vào hệ thống chính tăng lên, khiến BOD tổng thể cao hơn.

Quy trình sản xuất gây phát sinh nhiều phụ phẩm hữu cơ

Một số cơ sở sản xuất sử dụng nguyên liệu tự nhiên hoặc quy trình lên men (ví dụ: chế biến nông sản, sản xuất rượu, sữa, tinh bột sắn…) thường thải ra lượng lớn chất hữu cơ hòa tan, dẫn đến BOD cao.

Nước thải bị pha loãng hoặc lưu lượng xả không ổn định

Khi lưu lượng nước thải thay đổi đột ngột hoặc pha loãng không đều, hệ thống xử lý khó thích nghi, dẫn đến hiệu suất xử lý BOD giảm, làm nồng độ BOD đầu ra tăng.

Sử dụng hóa chất tẩy rửa và phụ gia hữu cơ
Các loại xà phòng, chất tẩy rửa, dung môi hữu cơ… trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp cũng góp phần làm tăng BOD đáng kể.

BOD cao là dấu hiệu cho thấy nước thải chứa nhiều hợp chất hữu cơ cần được xử lý triệt để trước khi xả ra môi trường. Việc xác định nguồn gốc và nguyên nhân gây BOD cao giúp lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp, đảm bảo nước thải đạt tiêu chuẩn an toàn.

Cấu tạo của hệ thống xử lý BOD trong nước thải

Một hệ thống xử lý BOD trong nước thải thường được thiết kế gồm nhiều công trình liên hoàn, đảm bảo loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Tùy theo quy mô, tính chất nước thải và yêu cầu xả thải, cấu tạo hệ thống có thể khác nhau, nhưng nhìn chung bao gồm các thành phần chính sau:

Song chắn rác (hoặc lưới chắn rác):
Dùng để loại bỏ rác thô, tạp chất lớn như bao nilon, vỏ chai, lá cây… giúp bảo vệ bơm và các thiết bị phía sau.

Bể tách dầu mỡ trong xử lý BOD trong nước thải:
Áp dụng cho nước thải có nhiều dầu mỡ (đặc biệt là ngành thực phẩm, nhà hàng, thủy sản). Dầu mỡ được tách ra khỏi nước nhằm tránh làm tắc nghẽn hệ thống và giảm tải cho vi sinh.
Bể lắng cát, bể lắng sơ cấp:
Loại bỏ các hạt cát, bùn thô và chất rắn lơ lửng có kích thước lớn để giảm tải lượng BOD ban đầu.

Bể sinh học hiếu khí xử lý BOD trong nước thải  (Aerotank, MBBR, SBR, MBR…):
Đây là trái tim của hệ thống xử lý BOD, nơi vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy để phân hủy chất hữu cơ, giảm mạnh chỉ số BOD và COD.

Hệ thống cấp khí xử lý BOD trong nước thải  (máy thổi khí, ống phân phối khí):
Cung cấp oxy hòa tan cho vi sinh vật trong bể hiếu khí, giúp quá trình phân hủy diễn ra liên tục và hiệu quả.
Bể lắng thứ cấp:
Dùng để tách bùn hoạt tính ra khỏi nước sau khi qua bể hiếu khí. Một phần bùn được tuần hoàn trở lại, phần còn lại được dẫn sang bể chứa bùn.

Bể khử trùng (bằng Clo hoặc UV):
Tiêu diệt vi khuẩn, virus còn sót lại, đảm bảo nước sau xử lý đạt QCVN 40:2011/BTNMT trước khi xả ra môi trường.

Bể chứa bùn và hệ thống ép bùn:
Thu gom, xử lý bùn thải phát sinh trong quá trình xử lý, giúp duy trì sự ổn định cho toàn hệ thống.
Nhờ sự kết hợp của các công trình trên, hệ thống xử lý BOD trong nước thải có thể giảm đến 90–95% hàm lượng BOD, giúp nước đầu ra đạt tiêu chuẩn môi trường và đảm bảo an toàn sinh thái.

Quy trình xử lý BOD trong nước thải

Quy trình xử lý BOD trong nước thải được thiết kế nhằm giảm thiểu lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, giúp nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải. Dưới đây là các giai đoạn chính trong quy trình xử lý BOD:

>> Xem thêm: Xử lý COD trong nước thải – Cách xác định và cách xử lý hiệu quả

1. Xử lý sơ bộ (Pre-treatment)

Mục đích của giai đoạn này xử lý BOD trong nước thải là loại bỏ các tạp chất rắn, rác thô và dầu mỡ có trong nước thải để tránh gây tắc nghẽn hoặc làm giảm hiệu suất các công trình phía sau.

• Công trình gồm: song chắn rác, bể tách dầu mỡ, bể lắng cát, bể điều hòa lưu lượng.
• Kết quả: giảm một phần BOD thô (khoảng 10–20%) và ổn định lưu lượng, nồng độ nước thải.

2. Xử lý sinh học (Biological treatment)

Đây là giai đoạn quan trọng nhất trong quy trình xử lý BOD trong nước thải, sử dụng vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ.

• Phương pháp hiếu khí:
  • Sử dụng các công nghệ như Aerotank, MBBR, SBR, MBR…
  • Vi sinh vật tiêu thụ chất hữu cơ, biến chúng thành CO₂, H₂O và tế bào mới.
  • Giảm mạnh BOD (thường đạt 80–95%).
• Phương pháp kỵ khí:
  • Áp dụng cho nước thải có BOD rất cao (như chế biến thực phẩm, cao su, tinh bột sắn).
  • Dùng bể UASB hoặc Biogas, vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ, sinh ra khí CH₄ có thể thu hồi để tái sử dụng.

3. Xử lý bậc hai – Lắng và tuần hoàn bùn

Sau khi qua bể sinh học, hỗn hợp nước và bùn hoạt tính được dẫn sang bể lắng thứ cấp để tách bùn ra khỏi nước.

• Một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể sinh học để duy trì lượng vi sinh ổn định.
• Phần bùn dư được đưa sang bể chứa bùn để xử lý ép khô.

4. Xử lý bậc ba (Xử lý hoàn thiện)

Giai đoạn này nhằm nâng cao chất lượng nước đầu ra, đảm bảo đáp ứng quy chuẩn xả thải trong xử lý BOD trong nước thải. 

• Các công trình thường gồm: bể lọc áp lực, bể than hoạt tính, hoặc hệ khử trùng bằng Clo/UV.
• Nước sau xử lý trong suốt, không mùi, đạt QCVN 40:2011/BTNMT (cột A hoặc B tùy yêu cầu).

5. Xử lý và quản lý bùn thải

Bùn sinh ra từ quá trình lắng và sinh học được thu gom, ép khô bằng máy ép bùn rồi chuyển đến đơn vị có chức năng xử lý theo quy định.

Các công nghệ xử lý BOD trong nước thải

Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý BOD trong nước thải được áp dụng tùy theo tính chất, nồng độ ô nhiễm và quy mô công trình. Mục tiêu là giảm thiểu hàm lượng chất hữu cơ, đưa nước về mức an toàn trước khi xả ra môi trường. Dưới đây là các công nghệ phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay:

1. Công nghệ sinh học hiếu khí (Aerobic Treatment)

Đây là phương pháp phổ biến nhất để xử lý BOD trong nước thải, nhờ khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ dàng bằng vi sinh vật hiếu khí.

• Nguyên lý: Vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy chất hữu cơ thành CO₂, H₂O và sinh khối mới.
• Công nghệ áp dụng:
  • Aerotank truyền thống: dùng máy thổi khí để cấp oxy, duy trì hoạt động của bùn hoạt tính.
  • MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor): sử dụng giá thể di động để tăng mật độ vi sinh, tiết kiệm diện tích.
  • SBR (Sequencing Batch Reactor): xử lý theo mẻ, linh hoạt với tải lượng ô nhiễm thay đổi.
  • MBR (Membrane Bioreactor): kết hợp bể sinh học và màng lọc, cho nước đầu ra chất lượng cao, ít bùn thải.
• Hiệu quả: Giảm 85–95% BOD, nước sau xử lý trong, không mùi, đạt QCVN 40:2011/BTNMT.

2. Công nghệ sinh học kỵ khí (Anaerobic Treatment)

Áp dụng cho nước thải có nồng độ BOD rất cao (trên 1000 mg/l), thường gặp ở các nhà máy chế biến thực phẩm, cao su, tinh bột, rượu bia…

• Nguyên lý: Vi sinh vật kỵ khí phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, sinh ra khí CH₄ và CO₂.
• Công nghệ áp dụng:
  • UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): nước thải chảy từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí để xử lý.
  • Bể Biogas: sử dụng trong chăn nuôi hoặc chế biến nông sản, vừa xử lý nước thải vừa tạo nguồn năng lượng tái sử dụng.
• Ưu điểm: Tiết kiệm năng lượng, tạo khí biogas, giảm tải đáng kể BOD đầu vào cho hệ thống hiếu khí.
• Nhược điểm: Hiệu quả kém với nước thải loãng, cần thời gian khởi động dài.

3. Công nghệ kết hợp hiếu khí – kỵ khí

Đây là giải pháp tối ưu và bền vững, kết hợp ưu điểm của cả hai quá trình để xử lý nước thải có tải lượng BOD cao.

• Quy trình: nước thải được xử lý sơ bộ bằng bể kỵ khí (UASB), sau đó chuyển sang bể hiếu khí (MBBR, Aerotank).
• Hiệu quả: Giảm 90–95% BOD, tiết kiệm chi phí vận hành và điện năng.
• Ứng dụng: Nhà máy chế biến thủy sản, tinh bột sắn, mía đường, thực phẩm, cao su.

4. Công nghệ hóa – lý hỗ trợ xử lý BOD

Trong một số trường hợp, cần bổ sung các phương pháp hóa lý để hỗ trợ xử lý BOD, đặc biệt khi nước thải chứa nhiều hợp chất khó phân hủy.

• Phương pháp keo tụ – tạo bông: sử dụng phèn nhôm, PAC để loại bỏ chất hữu cơ khó lắng.
• Oxy hóa nâng cao (AOPs): dùng O₃, H₂O₂, Fenton hoặc tia UV để phân hủy hợp chất hữu cơ khó xử lý.
• Hấp phụ bằng than hoạt tính: loại bỏ chất hữu cơ còn sót lại ở giai đoạn xử lý bậc ba.

5. Ứng dụng công nghệ màng (Membrane Technology)

Công nghệ màng (như MBR, UF, NF, RO) được ứng dụng trong xử lý BOD bậc cao, cho nước đầu ra tinh khiết, có thể tái sử dụng.

• Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm diện tích, nước đầu ra có thể dùng cho tưới cây hoặc rửa sàn.
• Nhược điểm: Chi phí đầu tư và bảo trì cao, cần kiểm soát chất lượng đầu vào.

Như vậy việc lựa chọn công nghệ xử lý BOD trong nước thải  phụ thuộc vào đặc tính nước thải, quy mô hệ thống và tiêu chuẩn xả thải yêu cầu. Trong thực tế, kết hợp nhiều công nghệ sinh học và hóa lý thường mang lại hiệu quả cao nhất, vừa đảm bảo tiết kiệm chi phí vừa bảo vệ môi trường bền vững.