Không còn đơn thuần là loại bỏ chất ô nhiễm, công nghệ xử lý nước thải thế hệ mới đang hướng đến một mục tiêu lớn hơn: biến dòng thải thành nguồn tài nguyên thứ cấp, thu hồi năng lượng, tái sử dụng nước và khép kín các chu trình vật chất trong nền kinh tế.
Trong nhiều thập niên, xử lý nước thải chủ yếu được tiếp cận như một nhiệm vụ kiểm soát ô nhiễm nhằm đáp ứng các yêu cầu về môi trường trước khi nước được xả ra nguồn tiếp nhận. Tuy nhiên, trước áp lực gia tăng nhu cầu sử dụng nước, suy giảm tài nguyên và yêu cầu chuyển đổi sang mô hình kinh tế tuần hoàn, cách tiếp cận này đang bộc lộ những giới hạn. Nước thải không chỉ chứa chất gây ô nhiễm mà còn mang theo nhiều thành phần có giá trị như kim loại, hợp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và tiềm năng năng lượng chưa được khai thác.
Đây chính là cơ sở để các công nghệ điện hóa và công nghệ điện hóa vi sinh vật trở thành một hướng nghiên cứu đáng chú ý trong lĩnh vực công nghệ môi trường. Thay vì chỉ tiêu tốn năng lượng và hóa chất để xử lý chất thải, các hệ thống mới hướng tới khả năng đồng thời làm sạch nước, thu hồi tài nguyên và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế.
Khi nước thải trở thành nguồn tài nguyên thứ cấp
Một nghiên cứu tổng quan công bố năm 2021 trên tạp chí Bioengineered, với sự tham gia của các nhà khoa học Viralkunvar Devda, Kashika Chaudhary và cộng sự, đã phân tích tiềm năng thu hồi tài nguyên từ nước thải công nghiệp thông qua các công nghệ điện hóa.
Nghiên cứu cho thấy những phương pháp xử lý vật lý hoặc hóa học đơn lẻ có thể gặp hạn chế khi phải xử lý dòng thải có thành phần phức tạp. Việc kết hợp công nghệ điện hóa với các quá trình sinh học và màng lọc có thể cải thiện hiệu quả xử lý, đồng thời mở rộng khả năng thu hồi kim loại, chất dinh dưỡng, lưu huỳnh, hydro và nhiệt.
Điểm đáng chú ý nằm ở sự thay đổi trong cách xác định giá trị của nước thải. Một dòng thải công nghiệp, nếu được phân tích và phân loại phù hợp, có thể trở thành nguồn nguyên liệu thứ cấp thay vì chỉ là đối tượng cần loại bỏ. Điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các ngành công nghiệp tiêu thụ nhiều nước và phát sinh dòng thải chứa kim loại hoặc các hợp chất có khả năng thu hồi.
Tuy nhiên, khả năng thu hồi trên phương diện kỹ thuật không đồng nghĩa với hiệu quả thương mại trong mọi trường hợp. Giá trị sản phẩm, mức độ tinh sạch, chi phí điện cực, năng lượng vận hành và khả năng tích hợp vào dây chuyền hiện hữu vẫn là những yếu tố quyết định.
Công nghệ điện hóa vi sinh vật: kết nối xử lý môi trường với sản xuất năng lượng
Nếu công nghệ điện hóa khai thác các phản ứng xảy ra tại điện cực để phân tách, chuyển hóa hoặc loại bỏ chất ô nhiễm, thì công nghệ điện hóa vi sinh vật mở rộng khả năng đó bằng cách sử dụng hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có khả năng truyền electron.
Trong các hệ thống pin nhiên liệu vi sinh vật, vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ và chuyển electron đến điện cực, qua đó tạo ra dòng điện. Với hệ thống điện phân vi sinh vật, quá trình chuyển hóa sinh học có thể được kết hợp với năng lượng điện bổ sung để tạo ra các chất mang năng lượng như hydro hoặc methane.
Nghiên cứu tổng quan của Schröder, Harnisch, Heidrich, Logan, Ren và các cộng sự, công bố năm 2026 trên Frontiers in Science với tiêu đề “Waste to value: microbial electrochemical technologies for sustainable water, material, and energy cycles”, nhấn mạnh vai trò của các công nghệ này trong việc kết nối xử lý nước, thu hồi vật liệu và sản xuất năng lượng.
Đáng chú ý, nghiên cứu đề cập đến khả năng thu hồi các chất dinh dưỡng như amoni và phosphate từ nước thải. Đây là những thành phần có giá trị đối với sản xuất nông nghiệp, qua đó mở ra khả năng kết nối giữa hệ thống xử lý nước thải, công nghiệp và chuỗi cung ứng vật tư nông nghiệp.
Một số hệ thống thử nghiệm ở quy mô thí điểm được tổng quan trong nghiên cứu ghi nhận khả năng loại bỏ tới 90% nhu cầu oxy hóa học (COD). Tuy nhiên, đây là kết quả ở những điều kiện và cấu hình thử nghiệm nhất định, không phải hiệu suất mặc định của mọi hệ thống điện hóa vi sinh vật. Chi phí đầu tư, vật liệu điện cực, hiệu quả năng lượng và khả năng mở rộng quy mô vẫn là những thách thức cần tiếp tục giải quyết.
Từ xử lý đơn công nghệ đến kiến trúc xử lý tích hợp
Một hướng phát triển quan trọng là không xem điện hóa, sinh học và màng lọc như những công nghệ cạnh tranh, mà tổ chức chúng thành các công đoạn bổ trợ.
Trong một hệ thống tích hợp, công nghệ điện hóa có thể đảm nhiệm việc oxy hóa, khử hoặc tách một số thành phần ô nhiễm; vi sinh vật tiếp tục phân hủy các hợp chất hữu cơ phù hợp; còn màng lọc hỗ trợ phân tách, làm sạch và thu hồi các thành phần cần thiết.
Cách tiếp cận này cũng được phản ánh trong nghiên cứu “Electrochemical Wastewater Treatment, Principles, Efficiency, and Applications: A Review”, công bố năm 2025 trên Al-Rafidain Journal of Engineering Sciences. Nghiên cứu phân tích vai trò của vật liệu điện cực, độ pH, điều kiện vận hành, các quá trình oxy hóa nâng cao và khả năng thu hồi kim loại từ nước thải.
Giá trị của kiến trúc tích hợp không chỉ nằm ở khả năng xử lý nhiều nhóm chất ô nhiễm, mà còn ở việc tạo điều kiện phân luồng và thu hồi tài nguyên theo đặc tính của từng dòng thải. Thay vì đưa tất cả thành phần vào một quy trình xử lý chung, doanh nghiệp có thể thiết kế các công đoạn phù hợp với mục tiêu chất lượng nước đầu ra và giá trị tài nguyên cần thu hồi.
Bài toán thương mại hóa: hiệu quả môi trường phải đi cùng hiệu quả kinh tế
Dù có nhiều triển vọng, công nghệ điện hóa và điện hóa vi sinh vật vẫn đang đối diện với khoảng cách đáng kể giữa nghiên cứu và triển khai công nghiệp.
Những vấn đề cần giải quyết bao gồm độ bền điện cực, hiện tượng bám bẩn màng, khả năng duy trì hoạt động ổn định của hệ vi sinh, chi phí bảo trì, mức tiêu hao năng lượng và sự biến động thành phần nước thải. Đặc biệt, khả năng thu hồi một chất có giá trị chỉ thực sự có ý nghĩa kinh tế khi sản phẩm đầu ra đạt yêu cầu về chất lượng, có thị trường tiếp nhận và chi phí thu hồi hợp lý.
Do đó, việc lựa chọn công nghệ cần dựa trên đặc tính cụ thể của từng nguồn thải, cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và đánh giá chi phí vòng đời. Những mô hình thử nghiệm quy mô nhỏ cần được kiểm chứng qua các giai đoạn vận hành dài hạn trước khi đưa ra quyết định đầu tư quy mô lớn.
Tái định vị nước thải trong nền kinh tế tuần hoàn
Triển vọng lớn nhất của các công nghệ này không nằm ở một thiết bị xử lý riêng lẻ, mà ở khả năng hình thành hệ thống quản trị tài nguyên nước theo hướng tuần hoàn.
Trong mô hình đó, nước sau xử lý có thể được tái sử dụng cho những mục đích phù hợp; kim loại và chất dinh dưỡng được thu hồi khi đáp ứng yêu cầu kỹ thuật; năng lượng được khai thác từ các quá trình chuyển hóa sinh học và điện hóa; còn phần chất thải không thể thu hồi tiếp tục được xử lý theo quy chuẩn môi trường.
Điều này đặt ra yêu cầu mới đối với doanh nghiệp và cơ quan quản lý: chuyển từ tư duy quản lý lượng nước thải phát sinh sang quản lý toàn bộ dòng vật chất, năng lượng và giá trị có thể thu hồi từ nước thải.
Về dài hạn, công nghệ điện hóa kết hợp sinh học có thể trở thành một cấu phần quan trọng của hạ tầng công nghiệp tuần hoàn, đặc biệt tại những khu công nghiệp có dòng thải tập trung, thành phần tương đối ổn định và nhu cầu tái sử dụng nước lớn.
Nước thải sẽ không còn chỉ được nhìn nhận như chi phí môi trường phải xử lý. Với công nghệ phù hợp, đó có thể là một nguồn tài nguyên cần được nhận diện, phân loại, thu hồi và tái đưa vào chu trình sản xuất. Đây chính là bước chuyển từ tư duy xử lý ô nhiễm sang tư duy kiến tạo giá trị từ tài nguyên.
Nguồn tài liệu tham khảo:
1. Devda, V. và cộng sự (2021), Recovery of resources from industrial wastewater employing electrochemical technologies: status, advancements and perspectives, Bioengineered, 12(1), 4697–4718. DOI: 10.1080/21655979.2021.1946631.
2. Schröder, U. và cộng sự (2026), Waste to value: microbial electrochemical technologies for sustainable water, material, and energy cycles, Frontiers in Science. DOI: 10.3389/fsci.2026.1688727.
3. Basheer, S. D. và cộng sự (2025), Electrochemical Wastewater Treatment, Principles, Efficiency, and Applications: A Review, Al-Rafidain Journal of Engineering Sciences, 3(2), 210–223.
4. Casula, E. và cộng sự (2021), Modelling the influence of soil properties on performance and bioremediation ability of a pile of soil microbial fuel cells, Electrochimica Acta, 368, 137568.
