Cải tạo hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt: các mô hình đang được quan tâm

Mở đầu

Nhiều hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt hiện nay chịu hai áp lực cùng lúc: lưu lượng và tải ô nhiễm tăng, còn quy chuẩn xả thải ngày càng chặt. Cải tạo tại chỗ cho phép tận dụng bể và hạ tầng sẵn có, nên thường là lựa chọn đầu tiên trước khi tính đến xây mới.

Nước thải sinh hoạt phát sinh từ ăn uống, tắm, giặt và vệ sinh cá nhân, chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Vì vậy xử lý sinh học là phần cốt lõi của hầu hết hệ thống, và các phương án cải tạo xoay quanh việc tăng năng lực của khâu này. Câu hỏi thực tế không còn là có nâng cấp hay không, mà là nâng cấp theo mô hình nào.

Bài viết tổng hợp bối cảnh quy chuẩn, quy trình cải tạo và các mô hình đang được quan tâm, dựa trên các nghiên cứu, dự án và tài liệu kỹ thuật tra cứu trong tháng 10/2026.

Quy chuẩn mới và áp lực nâng cấp hệ thống cũ

QCVN 14:2025/BTNMT đã thay thế QCVN 14:2008/BTNMT từ ngày 01/9/2025, nên nhiều hệ thống thiết kế theo quy chuẩn cũ cần được rà soát lại. Quy chuẩn mới được ban hành kèm Thông tư 05/2025/TT-BTNMT ngày 28/02/2025, áp dụng cho nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị, khu dân cư tập trung khi xả ra nguồn tiếp nhận.

Một số điểm cần nắm khi lập phương án cải tạo:

• Nếu chưa xác định được phân vùng xả thải, áp dụng Cột B của Bảng 1 và Bảng 2 trong quy chuẩn.
• Thông tư có lộ trình áp dụng theo Điều 3 và Điều 4, trong đó có mốc 01/01/2032 cho một số trường hợp. Cần đối chiếu văn bản để biết hệ thống của mình thuộc diện nào (tóm tắt lộ trình).
• Nước thải sinh hoạt lưu lượng dưới 20 m³/ngày thuộc phạm vi QCVN 98:2025/BTNMT về công trình, thiết bị xử lý tại chỗ. Nước thải công nghiệp áp dụng QCVN 40:2025/BTNMT.
• Nếu phải đạt chỉ tiêu tổng nitơ thì cần xử lý bậc 3, và theo nhận định của GS.TS Trần Đức Hạ, chi phí đầu tư lẫn vận hành tăng khoảng 1,5 lần (báo Nông nghiệp và Môi trường).

Hệ quả thực tế là khâu khử nitơ và photpho trở thành trọng tâm của các dự án cải tạo, thay vì chỉ xử lý BOD, COD và chất rắn lơ lửng như trước.

Quy trình đánh giá và cải tạo hệ thống hiện hữu

Một dự án cải tạo hiệu quả bắt đầu từ số liệu đo thực tế của hệ thống hiện hữu, không bắt đầu từ việc chọn công nghệ. Các bước dưới đây là trình tự kỹ thuật thông dụng, tổng hợp từ thực hành chung và các tài liệu tham khảo của bài.

1. Khảo sát hệ thống. Thu thập sơ đồ công nghệ, thể tích từng bể, danh mục thiết bị (bơm, máy thổi khí, hệ thống phân phối khí) và lịch sử sự cố.
2. Đo lưu lượng và lấy mẫu. Đo lưu lượng trung bình và giờ cao điểm, phân tích BOD5, COD, TSS, N-NH4, tổng nitơ và tổng photpho ở đầu vào và đầu ra. Nước thải sinh hoạt dao động mạnh theo giờ. Một nghiên cứu về trạm xử lý của trường đại học ghi nhận hai đỉnh phát thải rõ rệt vào buổi sáng và giữa buổi tối, nên cần lấy mẫu theo nhiều thời điểm.
3. Đối chiếu quy chuẩn. Xác định nguồn tiếp nhận, cột áp dụng của QCVN 14:2025/BTNMT và chỉ tiêu đang không đạt, thường là nitơ, photpho hoặc BOD.
4. Chẩn đoán nguyên nhân. Phân biệt quá tải thủy lực, quá tải hữu cơ, thiếu thể tích thiếu khí, sục khí không đủ hoặc lắng kém. Mỗi nguyên nhân dẫn đến một hướng cải tạo khác nhau.
5. So sánh phương án. Đặt ít nhất hai phương án cạnh nhau theo công suất đạt được, mặt bằng cần thêm, khả năng khử N và P, chi phí đầu tư, chi phí vận hành và thời gian phải dừng hệ thống.
6. Mô phỏng trước khi quyết định. Các nghiên cứu về MBBR tại Malta và AAO-MABR đều dùng phần mềm mô phỏng (BioWin, GPS-X) để đánh giá trước khi triển khai. Cách này giúp giảm rủi ro chọn sai công nghệ.
7. Thi công theo giai đoạn. Cải tạo tại chỗ cho phép làm từng phần mà vẫn duy trì xử lý. Theo tài liệu kỹ thuật của một nhà cung cấp, tính toán thủy lực là điểm dễ sai nhất, và lưới giữ giá thể là chi tiết cơ khí then chốt trong cải tạo MBBR/IFAS.
8. Chạy thử, nghiệm thu và đào tạo. Màng sinh học trên giá thể cần thời gian hình thành. Sau đó cần thử nghiệm đủ dài để xác nhận chất lượng đầu ra, lập lịch theo dõi và đào tạo người vận hành.

Các mô hình cải tạo đang được quan tâm

Năm hướng dưới đây xuất hiện nhiều nhất trong các nghiên cứu và dự án gần đây. MBBR là hướng được dùng rộng nhất, còn MABR là hướng mới nổi.

1. MBBR: tăng công suất trong bể sẵn có

MBBR đặt giá thể di động trong bể để vi sinh bám thành màng sinh học, kết hợp ưu điểm của bùn hoạt tính và màng sinh học (tổng quan). Diện tích bề mặt giá thể lớn giúp xử lý nhiều hơn trong cùng thể tích bể.

• Tại một nhà máy ở Thượng Hải chạy song song MBBR và AAO, MBBR chịu tải thể tích COD cao hơn 26,7% và N-NH4 cao hơn 28,0%. Tốc độ nitrat hóa mùa đông cao hơn 27,1%, và cả hai quy trình đều đạt tiêu chuẩn thiết kế (ECNU, 2025).
• Mô phỏng cho nhà máy 10.000 m³/ngày ở Malta cho thấy nâng cấp MBBR cho phép tăng 50% lưu lượng đầu vào mà vẫn giữ chất lượng BOD, COD và N như hiện tại, trong phạm vi bể sẵn có (luận văn thạc sĩ, ĐH Malta).
• Trong nước, thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm của ĐH Cần Thơ (bể 45,54 L, kết hợp cột lọc màng) đạt QCVN 14:2008 cột A ở thời gian lưu nước 5 giờ. Đây là quy chuẩn cũ và quy mô nhỏ, nên chỉ mang tính tham khảo (Tạp chí Khoa học ĐH Cần Thơ).
• MBBR cũng có thể đặt phía trước công đoạn hiện hữu để giảm tải cho khâu sau, khi hệ thống cũ quá tải nhưng chưa hết tuổi thọ (Veolia).

Điểm cần cân nhắc là điện năng. Nhà máy Thượng Hải ghi nhận MBBR tiêu thụ 0,43 kWh/m³, cao hơn AAO (0,34 kWh/m³), vì hai kiểu sục khí dùng chung đường ống chính. Nghiên cứu tính rằng tách riêng hai hệ thống sục khí có thể đưa mức này xuống 0,36 kWh/m³.

2. IFAS: thêm giá thể vào bể bùn hoạt tính

IFAS kết hợp sinh trưởng bám dính và sinh trưởng lơ lửng trong cùng một bể. Quy tắc đơn giản: nếu đã có hệ thống bùn hoạt tính cần nâng cấp, nhất là để tăng nitrat hóa, thì thường chọn IFAS. Nếu xây bể mới từ đầu thì MBBR thường đơn giản hơn (tổng quan). Một số nhà cung cấp đã có module IFAS lắp sẵn nhằm rút ngắn thời gian lắp đặt và chạy thử tại hiện trường.

3. MABR kết hợp AAO: giảm điện năng và phát thải

MABR cấp oxy cho màng sinh học qua màng thấm khí, không tạo bọt khí, nên oxy được tận dụng hiệu quả hơn so với sục khí thông thường. Đây là hướng đang được nghiên cứu nhiều để nâng cấp hệ thống AAO. Một nghiên cứu mô phỏng năm 2026 (phần mềm GPS-X) so sánh AAO thường với AAO có MABR thay thế bể thiếu khí hoặc bể hiếu khí (Water, 2026):

• Tốc độ khử nitrat tăng 37,46% đến 47,71% với cấu hình MABR đặt ở vùng thiếu khí.
• Điện năng giảm trung bình 0,11 kWh/m³, chi phí vận hành giảm 0,036 USD/m³ và phát thải giảm trung bình 0,67 kgCO2eq/m³.
• Cấu hình MABR ở vùng thiếu khí ổn định nhất khi chất lượng nước đầu vào và yêu cầu đầu ra thay đổi.

Cần đọc các số này với hai lưu ý: đây là kết quả mô phỏng với điều kiện nước thải đô thị của Trung Quốc, chưa phải số liệu vận hành thực tế, và chi phí module MABR chưa nằm trong phần tính.

Về thực tế triển khai, Severn Trent (Anh) đã thả 10 module MABR vào bể thiếu khí sẵn có trong hai ngày để tăng khả năng nitrat hóa, thay vì mở rộng nhà máy (Smart Water Magazine). Trong các nguồn tra cứu cho bài này, mình chưa thấy dự án MABR cho nước thải sinh hoạt tại Việt Nam, nên cần khảo sát nhà cung cấp và tham chiếu trước khi chọn hướng này.

4. Cải tạo bể cũ thành AAO hoặc AAO đảo

Khi hệ thống hiện hữu là CASS hoặc bể hiếu khí đơn giản, có thể sắp xếp lại các bể sẵn có thành chuỗi kỵ khí, thiếu khí và hiếu khí để khử nitơ và photpho. Một nghiên cứu năm 2024 mô tả trạm CASS 2.200 m³/ngày của một trường đại học được cải tạo tại chỗ thành AAO đảo cải tiến qua bốn bước, với hiệu quả khử nitơ và photpho tốt (Industrial Water Treatment):

1. Lắp máy khuấy chìm để tăng khả năng trộn đứng trong bể điều hòa.
2. Cắt và nối các bể phản ứng sơ bộ để tạo bể kỵ khí có vách ngăn.
3. Bổ sung giá thể sinh học vào các bể phản ứng chính để tăng tải hiếu khí.
4. Chia một bể phản ứng chính theo tỷ lệ 3:2 để tạo bể thiếu khí và bể lắng thứ cấp.

Hướng này phù hợp khi muốn tận dụng tối đa bể hiện có và hạn chế xây mới. Cần tính toán thủy lực và tỷ lệ tuần hoàn kỹ, vì mỗi bể sau khi chia vách sẽ có thể tích và thời gian lưu khác trước.

5. AO-MBR: ít đất, nước sau xử lý chất lượng cao

AO-MBR kết hợp bể thiếu khí và hiếu khí với màng vi lọc thay cho bể lắng. Một nghiên cứu cho nước thải đô thị Việt Nam (COD 120 đến 200 mg/L, tổng nitơ 10 đến 40 mg/L) chạy mô hình phòng thí nghiệm công suất 5 đến 10 L/giờ trong 5 tháng. Nước đầu ra có COD dưới 20 mg/L, N-NH4 dưới 1 mg/L và N-NO3 dưới 5 mg/L, không cần bổ sung nguồn cacbon hay hóa chất trợ lắng (Tran Thi Viet Nga, TU Dresden). Tác giả đánh giá hướng này phù hợp nơi quỹ đất nhỏ và nước đầu ra có thể dùng để tái sử dụng.

Hạn chế là kết quả mới ở quy mô phòng thí nghiệm. MBR thường kéo theo chi phí điện và thay màng, nên cần so sánh chi phí vòng đời trước khi chọn.

So sánh và gợi ý lựa chọn

Nên chọn mô hình theo vấn đề cần giải quyết: quá tải thì ưu tiên MBBR hoặc IFAS, thiếu khử N và P thì tái cấu hình sang AAO hoặc thêm MABR, đất hẹp và cần tái sử dụng nước thì cân nhắc AO-MBR.

Mô hình	Phù hợp khi	Điểm mạnh	Lưu ý	Mức kiểm chứng trong nguồn
MBBR	Quá tải, ít mặt bằng	Tăng công suất trong bể sẵn có, nitrat hóa ổn định	Điện sục khí có thể cao hơn AAO, cần lưới giữ giá thể	Vận hành thực tế (Thượng Hải), mô phỏng (Malta)
IFAS	Đã có bể bùn hoạt tính, cần tăng nitrat hóa	Tận dụng bể và bể lắng hiện có	Vẫn phụ thuộc vào lắng và bùn tuần hoàn	Tài liệu kỹ thuật, chủ yếu từ nhà cung cấp
MABR + AAO	Muốn giảm điện, tăng khử N, chấp nhận công nghệ mới	Điện, chi phí vận hành và phát thải thấp hơn (theo mô phỏng)	Ít tham chiếu trong nước, chi phí module chưa rõ	Mô phỏng 2026, một dự án tại Anh
AAO hoặc AAO đảo từ bể cũ	Không đạt N, P và có sẵn nhiều bể	Ít xây mới, tận dụng bể hiện hữu	Phải tính lại thủy lực và tỷ lệ tuần hoàn	Một trạm CASS 2.200 m³/ngày
AO-MBR	Đất hẹp, muốn tái sử dụng nước	Nước đầu ra chất lượng cao, không cần bể lắng	Chi phí điện và thay màng	Quy mô phòng thí nghiệm

Các phương án không loại trừ nhau. Ví dụ, có thể chia lại bể theo sơ đồ AAO rồi thêm giá thể ở bể hiếu khí, hoặc đặt MBBR phía trước để giảm tải trước khi vào hệ thống hiện hữu.

Để chốt phương án cho một hệ thống cụ thể, cần tối thiểu năm thông tin: công suất thiết kế và lưu lượng thực tế (m³/ngày), sơ đồ công nghệ hiện hữu, chỉ tiêu đang không đạt, mặt bằng còn trống và ngân sách.

Lưu ý về thiết bị, vận hành và rủi ro

Ba điểm thường quyết định kết quả cải tạo là hệ thống sục khí, tính toán thủy lực và giai đoạn chạy thử.

• Sục khí. Giá thể MBBR cần luồng khí đủ để lơ lửng. Nghiên cứu ở Thượng Hải cho thấy thiết kế chung đường ống làm tăng điện năng, nên nên cân nhắc tách hai kiểu sục khí và điều khiển theo nồng độ oxy hòa tan.
• Lưới giữ giá thể và thủy lực. Tài liệu kỹ thuật của một nhà cung cấp coi lưới giữ giá thể là chi tiết cơ khí then chốt và tính toán thủy lực là điểm dễ sai nhất (Retrofit vs Replace).
• Bơm. Nghiên cứu AAO-MABR ghi nhận khi nước đầu vào có nồng độ thấp, bơm thay sục khí trở thành hạng mục tốn điện nhất, trên 40% tổng điện năng. Nên chọn bơm hiệu suất cao và tối ưu đường ống.
• Vật tư phụ. Van, đường ống, cáp điện và tủ điều khiển nên chốt theo bản vẽ sau khi đã chọn công nghệ, để tránh mua dư hoặc sai thông số.
• Chạy thử. Màng sinh học cần thời gian hình thành, và chất lượng nước xả trong giai đoạn này có thể dao động. Cần có kế hoạch vận hành và theo dõi riêng cho giai đoạn đầu (hướng dẫn cải tạo MBBR).
• Nguồn thông tin. Nhiều tài liệu về cải tạo đến từ nhà cung cấp. Nên yêu cầu dự án tham chiếu cùng loại nước thải và số liệu vận hành thực tế trước khi ký hợp đồng.

Kết luận

Với nước thải sinh hoạt, MBBR là hướng cải tạo được dùng rộng rãi nhất để tăng công suất trong bể sẵn có. Các giải pháp tập trung vào khử nitơ và photpho, như tái cấu hình sang AAO hoặc AAO đảo và ghép MABR, ngày càng quan trọng khi quy chuẩn xả thải siết chặt.

Trước khi chọn công nghệ, cần có số liệu đo thực tế về lưu lượng và chất lượng nước, xác định chỉ tiêu đang không đạt theo QCVN 14:2025/BTNMT, rồi so sánh ít nhất hai phương án bằng tính toán hoặc mô phỏng. Nhiều kết quả trong bài đến từ mô phỏng hoặc quy mô phòng thí nghiệm, nên cần đối chiếu với dự án thực tế cùng loại nước thải trước khi đầu tư.

Nguồn tham khảo

Thông tin tra cứu ngày 27/10/2026. Ba nguồn số liệu chính (ECNU, Water 2026, ĐH Malta) đã được mở trang đầy đủ để đối chiếu. Các nguồn còn lại được đọc qua kết quả tra cứu.

• Quy chuẩn: Thông tư 05/2025/TT-BTNMT, lộ trình áp dụng QCVN 14:2025/BTNMT, báo Nông nghiệp và Môi trường
• MBBR: ECNU, MBBR và AAO (2025), luận văn ĐH Malta, ĐH Cần Thơ, Veolia, waterandwastewater.com, tổng quan MBBR, Retrofit vs Replace, Netsol
• MABR: Water, 2026, Smart Water Magazine
• AAO đảo và AO-MBR: Industrial Water Treatment, 2024, TU Dresden, AO-MBR