Hiệu suất xử lý chất ô nhiễm được xác định thế nào?

Cách tính đơn giản nhất dùng nồng độ đầu vào và đầu ra. Tuy nhiên, khi lưu lượng giữa hai vị trí khác nhau đáng kể, đánh giá theo tải lượng sẽ phản ánh chính xác hơn lượng chất ô nhiễm thực sự đã được loại bỏ. Vì vậy, một giá trị phần trăm chỉ có ý nghĩa khi biết rõ đại lượng được dùng để tính, vị trí lấy mẫu và điều kiện vận hành tương ứng.

Công thức xác định hiệu suất xử lý chất ô nhiễm

Khi lưu lượng đầu vào và đầu ra có thể xem là tương đương, hiệu suất xử lý thường được tính theo nồng độ:

H = [(C₀ − C₁) / C₀] × 100%

Trong đó:

·         H là hiệu suất xử lý, đơn vị %

·         C₀ là nồng độ chất ô nhiễm trước xử lý

·         C₁ là nồng độ chất ô nhiễm sau xử lý

Ví dụ, nước thải chứa COD 500 mg/L trước xử lý và 100 mg/L sau xử lý thì:

H = [(500 − 100) / 500] × 100% = 80%

Điều đó có nghĩa nồng độ COD sau hệ thống đã giảm 80% so với nồng độ đầu vào được dùng làm mốc.

Công thức cũng cho thấy hiệu suất phụ thuộc vào giá trị đầu vào. Nếu cùng đạt nồng độ đầu ra 20 mg/L, hệ thống tiếp nhận 200 mg/L có hiệu suất 90%, trong khi hệ thống tiếp nhận 100 mg/L có hiệu suất 80%. Vì vậy, không thể đánh giá khả năng xử lý chỉ từ tỷ lệ phần trăm mà bỏ qua nồng độ thực tế ở hai đầu.

Khi nào phải tính theo tải lượng thay vì nồng độ?

Tính theo nồng độ phù hợp khi lưu lượng qua hệ thống gần như không thay đổi. Nếu lưu lượng đầu vào và đầu ra khác nhau đáng kể do pha loãng, bổ sung nước, bay hơi, tuần hoàn hoặc các dòng phụ, phần trăm giảm nồng độ có thể không phản ánh đúng lượng chất ô nhiễm được loại bỏ.

Trong trường hợp đó, cần sử dụng tải lượng:

L = Q × C

với Q là lưu lượng và C là nồng độ chất ô nhiễm. Hiệu suất theo tải lượng được xác định:

H = [(L₀ − L₁) / L₀] × 100%

hay:

H = [(Q₀C₀ − Q₁C₁) / (Q₀C₀)] × 100%

Giả sử một dòng thải ban đầu có lưu lượng 100 m³/ngày và nồng độ chất ô nhiễm 100 mg/L. Sau một công đoạn, nồng độ giảm còn 50 mg/L nhưng lưu lượng tăng lên 180 m³/ngày. Nếu chỉ nhìn nồng độ, mức giảm là 50%. Tuy nhiên, tải lượng đầu ra bằng 90% tải lượng đầu vào, nên lượng chất ô nhiễm thực sự chỉ giảm khoảng 10%.

Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng khi trong hệ thống có quá trình pha loãng. Nồng độ thấp hơn không mặc nhiên đồng nghĩa với một lượng tương ứng chất ô nhiễm đã bị phân hủy, hấp phụ, kết tủa hoặc tách khỏi dòng thải.

Kết quả phụ thuộc vào cách lấy mẫu và khoảng thời gian đánh giá

Hai mẫu đơn lẻ ở đầu vào và đầu ra chỉ đại diện cho trạng thái tại những thời điểm nhất định. Trong thực tế, nồng độ và lưu lượng có thể biến động theo giờ, ca sản xuất, ngày vận hành hoặc tải lượng nguyên liệu.

Vì vậy, việc xác định hiệu suất cần bảo đảm mẫu đầu vào và đầu ra có tính tương ứng. Đối với hệ thống có thời gian lưu đáng kể, mẫu đầu ra tại một thời điểm không nhất thiết bắt nguồn từ dòng đầu vào được lấy mẫu cùng thời điểm. So sánh trực tiếp hai mẫu như vậy có thể tạo ra hiệu suất cao hoặc thấp giả tạo.

Với dòng thải biến động mạnh, mẫu tổ hợp hoặc dữ liệu trung bình trong một khoảng thời gian thích hợp thường có giá trị đại diện tốt hơn một mẫu tức thời. Nếu tính theo tải lượng, lưu lượng cũng phải được xác định trên cùng cơ sở thời gian với nồng độ.

Do đó, khi báo cáo hiệu suất cần nêu rõ ít nhất chất ô nhiễm được theo dõi, vị trí lấy mẫu, khoảng thời gian đánh giá và đại lượng được dùng để tính. Giá trị “85%” nếu đứng riêng không đủ để xác định hệ thống đã được đánh giá theo cách nào.

Hiệu suất phải được xác định riêng cho từng chất ô nhiễm

Một hệ thống không có một hiệu suất xử lý duy nhất áp dụng cho mọi chất. Mỗi thông số như BOD, COD, TSS, amoni, nitơ, phospho hoặc một hợp chất hóa học cụ thể phản ánh một đối tượng ô nhiễm khác nhau và có cơ chế loại bỏ khác nhau.

Ví dụ, một công đoạn lắng có thể giảm mạnh chất rắn lơ lửng nhưng không đồng nghĩa với việc các chất hòa tan cũng được loại bỏ ở cùng tỷ lệ. Tương tự, hệ thống sinh học có thể đạt mức giảm chất hữu cơ cao nhưng hiệu quả đối với nitơ còn phụ thuộc vào việc quá trình nitrat hóa và khử nitrat có được duy trì hay không.

Vì thế, cách diễn đạt chính xác phải là “hiệu suất xử lý COD”, “hiệu suất loại bỏ TSS” hoặc “hiệu suất xử lý amoni” thay vì chỉ nói “hiệu suất của hệ thống” khi chưa xác định thông số.

Đây cũng là lý do không nên lấy hiệu suất của một chất làm đại diện cho chất khác. Hai thông số có thể cùng giảm sau xử lý nhưng mức giảm và nguyên nhân giảm không nhất thiết giống nhau.

Hiệu suất cao chưa đủ để kết luận nước hoặc khí đầu ra đạt yêu cầu

Hiệu suất xử lý và chất lượng đầu ra trả lời hai câu hỏi khác nhau. Hiệu suất cho biết tỷ lệ chất ô nhiễm đã giảm so với đầu vào, còn nồng độ đầu ra cho biết lượng chất ô nhiễm vẫn còn sau xử lý.

Giả sử một dòng nước thải có nồng độ ban đầu 2.000 mg/L. Sau xử lý còn 200 mg/L, tương ứng hiệu suất 90%. Một hệ thống khác xử lý từ 200 mg/L xuống 40 mg/L, tương ứng hiệu suất 80%. Hệ thống thứ nhất có tỷ lệ loại bỏ cao hơn nhưng nồng độ đầu ra vẫn cao gấp năm lần hệ thống thứ hai.

Do đó, một hệ thống không nên được đánh giá chỉ bằng câu “hiệu suất đạt 90%”. Cần xem đồng thời:

·         Nồng độ hoặc tải lượng đầu vào

·         Nồng độ hoặc tải lượng đầu ra

·         Hiệu suất loại bỏ của từng thông số

·         Điều kiện và thời gian vận hành được dùng để tính

·         Giới hạn đầu ra hoặc mục tiêu kỹ thuật áp dụng cho trường hợp cụ thể

Không tồn tại một tỷ lệ phần trăm chung có thể dùng để kết luận mọi hệ thống xử lý là “tốt” hay “không tốt”. Mức hiệu suất cần thiết phụ thuộc vào tải lượng đầu vào, loại chất ô nhiễm, công nghệ và yêu cầu đối với dòng sau xử lý.

Những trường hợp làm hiệu suất tính toán bị sai lệch

Sai lệch thường xuất hiện khi đại lượng được so sánh không cùng điều kiện. Pha loãng là trường hợp điển hình: thêm nước có thể làm nồng độ giảm dù khối lượng chất ô nhiễm gần như không đổi. Khi đó, hiệu suất tính từ nồng độ sẽ đánh giá quá cao khả năng loại bỏ thực tế.

Kết quả cũng dễ sai nếu mẫu đầu vào và đầu ra không đại diện cho cùng một giai đoạn vận hành. Một đợt tải ô nhiễm cao ở đầu vào kết hợp với mẫu đầu ra hình thành từ đợt tải trước thấp hơn có thể tạo ra tỷ lệ loại bỏ bất thường.

Một tình huống khác là nồng độ đầu ra cao hơn đầu vào, khiến công thức cho hiệu suất âm. Giá trị âm không có nghĩa hệ thống “loại bỏ âm” theo nghĩa vật lý; nó cho biết trong khoảng đánh giá, tải hoặc nồng độ đo được ở đầu ra lớn hơn đầu vào. Nguyên nhân có thể liên quan đến giải phóng chất đã tích lũy, dòng nội bộ, biến động tải hoặc sự không tương ứng của mẫu và thời gian.

Hiệu suất trên 100% theo công thức loại bỏ thông thường cũng là dấu hiệu cần kiểm tra dữ liệu, đơn vị, vị trí lấy mẫu hoặc phương pháp tính, bởi lượng đầu ra không thể nhỏ hơn 0 trong phép tính nồng độ hay tải lượng thông thường.

Hiệu suất xử lý chất ô nhiễm về bản chất là tỷ lệ phần chất ô nhiễm giảm qua hệ thống. Khi lưu lượng gần như không đổi, có thể tính từ chênh lệch nồng độ đầu vào và đầu ra; khi lưu lượng thay đổi đáng kể, nên dựa trên tải lượng để tránh nhầm sự pha loãng với quá trình loại bỏ thực sự.

Để giá trị hiệu suất có ý nghĩa, cần xác định riêng cho từng chất ô nhiễm, sử dụng dữ liệu đầu vào và đầu ra có tính tương ứng, đồng thời xem xét nồng độ hoặc tải lượng còn lại sau xử lý. Vì vậy, tỷ lệ loại bỏ là một chỉ số đánh giá quan trọng nhưng không nên được sử dụng độc lập để kết luận toàn bộ mức độ đáp ứng của hệ thống.