Thành phố Wichita Falls (thuộc bang Texas, Hoa Kỳ) từng đối mặt với một cuộc khủng hoảng nước nghiêm trọng do hạn hán kéo dài trong giai đoạn 2011-2012, khiến các hồ chứa nước của thành phố suy giảm nhanh chóng và có nguy cơ cạn kiệt hoàn toàn vào năm 2015. Thành phố buộc phải tìm giải pháp khẩn cấp và quyết định tận dụng nguồn nước thải đã qua xử lý vốn trước đây bị xả bỏ xuống sông Wichita.

Sau nhiều nghiên cứu và thử nghiệm, Wichita Falls đề xuất đưa trực tiếp nước thải đã xử lý từ nhà máy nước thải sang nhà máy nước uống – một mô hình tái sử dụng nước chưa từng được áp dụng ở quy mô lớn tại Hoa Kỳ vào thời điểm đó. Dù ban đầu bị bang Texas từ chối, đề xuất cuối cùng vẫn được phê duyệt khi hạn hán trở nên nghiêm trọng. Thành công của dự án sau đó đã trở thành một cột mốc quan trọng, làm thay đổi cách nhiều thành phố nhìn nhận về tái sử dụng nước uống trực tiếp.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Practical Engineering, nói về quá trình xử lý và tái sử dụng nước tại thành phố Wichita Falls.

Từ xử lý nước thải đến tái sử dụng nước
Trước đây, nước thải chưa xử lý thường được xả trực tiếp ra sông, suối hoặc đại dương. Các quy định môi trường sau đó đã hạn chế mạnh mẽ thực trạng này, và ngày nay các nhà máy xử lý nước thải hiện đại có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm khá hiệu quả. Các giấy phép xả thải thường quy định nghiêm ngặt giới hạn đối với các chất như chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng (suspended solids) (1), chất dinh dưỡng và vi khuẩn, với tiêu chuẩn được điều chỉnh dựa trên nguồn nước tiếp nhận và mục đích sử dụng của nguồn nước đó.
(1) Chất rắn lơ lửng là các hạt rắn nhỏ không hòa tan trong nước nhưng đang lơ lửng hoặc phân tán trong dòng nước thay vì lắng hoàn toàn xuống đáy.

Điều này dẫn đến một vấn đề quan trọng trong tái sử dụng nước – khái niệm “nước đủ sạch” phụ thuộc hoàn toàn vào cách nước sẽ được sử dụng và đối tượng mà nó tiếp xúc. Hệ sinh thái tự nhiên có thể chịu được phạm vi chất lượng nước khá rộng, nhưng nước uống cho con người phải đạt tiêu chuẩn cực kỳ cao. Vì vậy, hình thức tái sử dụng nước thải đơn giản nhất thường là các ứng dụng mà nước có thể hạn chế tiếp xúc với con người.

Nhiều nhà máy xử lý nước thải áp dụng nước thải đã xử lý lên mặt đất như một phương pháp thải bỏ, cho phép nước thấm xuống đất tương tự như một hệ thống tự hoại khổng lồ. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi diện tích đất lớn, hạn chế tiếp cận công cộng và cần các biện pháp ngăn nước phun lan sang khu vực lân cận, khiến nó không thực tế ở quy mô lớn. Ngoài việc bổ sung nước ngầm và đôi khi phục vụ sản xuất nông nghiệp, hầu như không thu được nhiều giá trị từ phương pháp này.

Những thách thức của hệ thống nước tái sử dụng
Giải pháp hợp lý hơn là cung cấp nước tái sử dụng (reclaimed water) (2) cho các đơn vị khác sử dụng, nhưng điều này kéo theo hàng loạt vấn đề phức tạp. Khi cơ sở xử lý phân phối nước tái sử dụng cho bên ngoài, họ không còn kiểm soát hoàn toàn cách nước được sử dụng và phải đảm bảo rằng nước không vô tình bị con người uống phải. Vì vậy, các yêu cầu pháp lý trở nên nghiêm ngặt hơn rất nhiều.
(2) Nước tái sử dụng (còn gọi là nước tái chế) là nước thải đã qua xử lý để có thể được sử dụng lại cho các mục đích khác thay vì xả bỏ ra môi trường.

Hệ thống xử lý phải phức tạp và đắt đỏ hơn, đồng thời cơ sở xử lý cần triển khai giám sát liên tục, lấy mẫu, xét nghiệm phòng thí nghiệm, kế hoạch ứng phó khẩn cấp và các biện pháp ngăn kết nối chéo với hệ thống nước uống. Ở nhiều nơi, nước tái sử dụng được phân phối thông qua các đường ống màu tím để phân biệt với hệ thống nước sạch.

Các thỏa thuận với đơn vị sử dụng cuối thường yêu cầu lắp đặt biển cảnh báo, hàng rào và các biện pháp khác nhằm ngăn công chúng tiếp xúc trực tiếp với nguồn nước này. Cơ sở xử lý cũng phải chuẩn bị cho các tình huống khẩn cấp như vỡ đường ống, chất lượng nước suy giảm hoặc kết nối nhầm với hệ thống nước uống. Tất cả những yếu tố này đều làm tăng đáng kể chi phí và độ phức tạp của hệ thống tái sử dụng nước.

Vì sao nhiều nơi vẫn tái sử dụng nước thải
Ở các khu vực có lượng mưa hoặc tuyết dồi dào, tái sử dụng nước thường không mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Tuy nhiên, tại nhiều bang phía tây nam Hoa Kỳ, đây đã trở thành chiến lược quan trọng nhằm giảm áp lực lên nguồn nước ngọt.

Rất nhiều hoạt động không yêu cầu nước đạt chuẩn uống trực tiếp, chẳng hạn như tưới tiêu cho cây trồng, công viên, cảnh quan đường cao tốc cũng như làm mát nhà máy điện, quét đường và kiểm soát bụi. Thậm chí ở nhiều quốc gia phát triển, nước đạt chuẩn có thể uống vẫn được sử dụng để xả toilet dù không thực sự cần thiết.

Do đó, các hệ thống nước tái sử dụng đã trở nên phổ biến. Một trong những hệ thống đầu tiên được xây dựng vào năm 1926 tại Grand Canyon Village để cung cấp nước cho nhà máy điện và đầu máy hơi nước. Ngày nay, nhiều hệ thống đã phát triển thành mạng lưới khổng lồ với hàng dặm đường ống màu tím hoạt động tách biệt hoàn toàn với hệ thống cấp nước sạch.

Các thành phố như Phoenix, Austin, San Antonio, Orange County, Irvine và Tampa đều triển khai các chương trình tái sử dụng nước quy mô lớn. Ngoài Hoa Kỳ, Abu Dhabi, Bắc Kinh và Tel Aviv cũng đã xây dựng hạ tầng tận dụng nước thải đô thị đã xử lý.

Xử lý bậc ba và tiêu chuẩn tái sử dụng nước
Do mức độ tiếp xúc của con người khác nhau tùy theo ứng dụng, nước tái sử dụng thường được phân loại thành nhiều cấp độ với tiêu chuẩn ngày càng nghiêm ngặt hơn. Các ứng dụng rủi ro thấp như nông nghiệp hoặc xây dựng có thể chỉ cần khử trùng bằng clo hoặc tia cực tím (UV). Những công nghệ này thường có thể bổ sung khá dễ dàng vào các nhà máy hiện có.

Tuy nhiên, các ứng dụng có khả năng tiếp xúc với con người cao hơn đòi hỏi các hệ thống xử lý tiên tiến hơn, bao gồm xử lý bậc ba (tertiary treatment) (3). Đây là các quy trình được thiết kế để loại bỏ những chất ô nhiễm mà xử lý nước thải thông thường thường không tập trung xử lý.
(3) Xử lý bậc ba là giai đoạn xử lý nâng cao trong quy trình xử lý nước thải, diễn ra sau xử lý sơ cấp và xử lý thứ cấp. Ở giai đoạn này, mục tiêu không còn chỉ là loại bỏ các chất rắn lớn hoặc chất hữu cơ cơ bản, mà là tiếp tục làm sạch nước ở mức rất cao bằng cách loại bỏ các hạt siêu nhỏ, vi khuẩn, virus, chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho, cùng nhiều chất ô nhiễm còn sót lại trong nước.

Các công nghệ này có thể bao gồm bộ lọc loại bỏ chất rắn lơ lửng và các phương pháp khử trùng mạnh hơn nhằm tiêu diệt mầm bệnh hiệu quả hơn.

Nghịch lý trong chu trình nước
Điều này dẫn đến một nghịch lý đáng chú ý. Trong nhiều trường hợp, nước thải được xử lý đến tiêu chuẩn rất cao cho mục đích tái sử dụng mà không uống trực tiếp, đồng thời áp dụng các quy định nghiêm ngặt để ngăn con người tiếp xúc. Nhưng nếu nước đó chỉ được xả xuống hạ lưu thay vì tái sử dụng tại chỗ, tiêu chuẩn xử lý thường thấp hơn, mặc dù các thành phố phía hạ lưu có thể sẽ lấy chính nguồn nước đó để xử lý thành nước uống.

Đây không phải giả thuyết mà là thực tế của chu trình nước tại nhiều khu vực đông dân cư. Bang Missouri từng kiện bang Illinois lên Tòa án Tối cao Hoa Kỳ sau khi thành phố Chicago (thuộc bang Illinois) đảo hướng dòng sông và chuyển toàn bộ nước thải về hệ thống sông Mississippi. Tương tự, một phần đáng kể nước uống của Houston thực chất bắt nguồn từ nước thải đã qua xử lý được thành phố Dallas xả vào sông Trinity, nơi mà nước thải xử lý từng chiếm tới một nửa lưu lượng dòng sông.

Vùng đệm tự nhiên và tái sử dụng nước trực tiếp
Sự khác biệt quan trọng nằm ở khái niệm vùng đệm tự nhiên (environmental buffer) (4). Các hệ thống tự nhiên như sông, hồ và tầng chứa nước cung cấp thời gian để phát hiện sự cố, pha loãng chất ô nhiễm và hỗ trợ làm sạch nước thông qua ánh sáng mặt trời, vi khuẩn và các quá trình tự nhiên khác.
(4) Vùng đệm tự nhiên là một khoảng trung gian tự nhiên nằm giữa hai hệ thống hoặc hai quá trình nhằm tạo thêm sự ổn định, an toàn hoặc giảm tác động trực tiếp.

Đây chính là nền tảng của tái sử dụng nước gián tiếp – nước thải đã xử lý được xả ra môi trường tự nhiên trước khi được lấy lại để xử lý thành nước uống. Tái sử dụng nước trực tiếp thì loại bỏ hoàn toàn lớp đệm tự nhiên này bằng cách đưa nước trực tiếp từ nhà máy xử lý nước thải sang nhà máy xử lý nước uống.

Khi không còn vùng đệm tự nhiên, hệ thống kỹ thuật phải thay thế vai trò của tự nhiên bằng các cơ chế như giám sát thời gian thực, cảnh báo tự động và nhiều lớp xử lý dự phòng.

Các chất ô nhiễm mới nổi và công nghệ xử lý tiên tiến
Một thách thức khác là các chất ô nhiễm mới, bao gồm dược phẩm, PFAS và các sản phẩm chăm sóc cá nhân đi vào nước thải với nồng độ cực thấp. Mỗi chất riêng lẻ có thể chỉ tồn tại ở mức rất thấp, nhưng khi nước được tái sử dụng liên tục, các hợp chất này có khả năng tích tụ theo thời gian.

Nhiều chất trong số này vẫn chưa được quản lý chặt chẽ vì trước đây nồng độ của chúng quá thấp để gây lo ngại hoặc vì chưa có đủ dữ liệu về tác động lâu dài. Để xử lý chúng, có thể áp dụng các biện pháp kiểm soát từ nguồn như quản lý sản phẩm tiêu dùng, cải thiện quy trình xử lý thuốc thải bỏ và yêu cầu tiền xử lý đối với ngành công nghiệp.

Ngoài ra còn có các công nghệ xử lý tiên tiến như thẩm thấu ngược, than hoạt tính, oxy hóa nâng cao và bể phản ứng sinh học. Tuy nhiên, tất cả các giải pháp này đều làm tăng chi phí và độ phức tạp của hệ thống.

“Yuck factor” – rào cản lớn nhất của tái sử dụng nước thải
Dù có rất nhiều thách thức kỹ thuật, vấn đề lớn nhất của tái sử dụng nước thải thực chất lại mang tính tâm lý. “Yuck factor” (5) là một phản ứng rất thực tế – con người không muốn uống nước có nguồn gốc từ nước thải.
(5) Yuck factor là một thuật ngữ không chính thức dùng để chỉ cảm giác ghê sợ, khó chịu hoặc phản cảm của con người đối với một thứ gì đó, ngay cả khi về mặt khoa học hoặc kỹ thuật nó có thể an toàn.

Tái sử dụng nước gián tiếp có lợi thế vì con người cảm thấy rằng thiên nhiên đã “biến đổi” nước thải thành nguồn nước tự nhiên. Nhưng tái sử dụng nước trực tiếp loại bỏ hoàn toàn lớp tách biệt tâm lý đó. Việc biết rằng nước uống của mình trực tiếp bắt nguồn từ nguồn thải khiến nhiều người cảm thấy khó chịu, bất kể nước đã được xử lý sạch đến mức nào.

Uống nước máy thực chất là một hành động dựa trên niềm tin rất lớn. Phần lớn mọi người không hiểu sâu về cách hệ thống xử lý nước đô thị hoạt động. Khi biết nước uống từng là nước thải, họ buộc phải đặt niềm tin vào các quy trình kỹ thuật và tổ chức mà họ không thể trực tiếp quan sát hoặc hiểu rõ.

Vấn đề này không thể giải quyết chỉ bằng kỹ thuật.

Wichita Falls – thành phố tiên phong của tái sử dụng nước trực tiếp
Chính vì vậy, các dự án tái sử dụng nước trực tiếp phụ thuộc rất lớn vào việc xây dựng niềm tin cộng đồng. Thành phố Wichita Falls đã triển khai chiến dịch truyền thông quy mô lớn, mời chuyên gia tham quan hệ thống và cố gắng xây dựng sự ủng hộ từ công chúng. Tuy nhiên, thực tế là thành phố gần như không còn lựa chọn nào khác. Hạn hán nghiêm trọng đến mức người dân phải chịu gần bốn năm hạn chế sử dụng nước, giảm mức tiêu thụ xuống chỉ còn một phần ba bình thường nhưng vẫn không đủ.

Phối hợp cùng cơ quan quản lý bang, Wichita Falls đã thiết kế hệ thống tái sử dụng nước trực tiếp khẩn cấp và gần như tự xây dựng bộ quy định vận hành trong quá trình triển khai vì trước đó chưa từng có dự án tương tự. Sau hai tháng thử nghiệm và xác minh, hệ thống chính thức đi vào hoạt động vào tháng 7 năm 2014 và nhanh chóng trở thành tiêu điểm trên toàn Hoa Kỳ.

Dự án hoạt động đúng một năm. Đến năm 2015, một trận lũ lớn bất ngờ chấm dứt hạn hán và làm đầy các hồ chứa chỉ trong ba tuần. Hệ thống khẩn cấp này vốn ngay từ đầu đã được thiết kế như giải pháp tạm thời.

Nước đi qua ba lớp xử lý riêng biệt: nhà máy xử lý nước thải, nhà máy thẩm thấu ngược và nhà máy xử lý nước uống truyền thống. Mức độ xử lý dày đặc này tạo ra tính dự phòng và an toàn cần thiết để cơ quan quản lý bang chấp thuận dự án. Đường ống kết nối hai nhà máy được xây dựng nổi trên mặt đất và sau này được tái sử dụng cho hệ thống tái sử dụng nước gián tiếp vẫn còn hoạt động đến hiện nay.

Cuối cùng, Wichita Falls đã tái sử dụng gần hai tỷ gallon nước thải thành nước uống (7,57 tỷ lít) và duy trì mức tuân thủ tiêu chuẩn 100% trong suốt quá trình vận hành. Quan trọng hơn, thành phố đã chứng minh rằng tái sử dụng nước trực tiếp quy mô lớn hoàn toàn có thể thực hiện an toàn, mở ra một hướng phát triển mới cho ngành kỹ thuật mà các thành phố khác có thể học hỏi và phát triển tiếp.

Để xem các tin bài khác về “Xử lý nước thải”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Practical Engineering