Hà Nội, Thứ Hai Ngày 25/06/2018

Xu hướng phát triển công nghệ xử lý nước cấp trên Thế giới

Mtđt, 11:08 04/06/2018

Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các công nghệ phù hợp để đáp ứng các thách thức mới cũng là cơ hội lớn cho các doanh nghiệp cấp nước, là động lực để thúc đẩy ngành nước của Việt Nam phát triển.

Đặt vấn đề

Các chất ô nhiễm và những thách thức trong giai đoạn mới

Quản lý các nguồn nước cấp trở thành một trong những thách thức lớn nhất trong thời đại của chúng ta. 10% dân số trên Thế giới không được tiếp cận đến nước sạch, 33% không được tiếp cận tới dịch vụ vệ sinh phù hợp, 2 trong số 7,2 tỷ người phải ăn uống, sinh hoạt bằng nước ô nhiễm.

Diễn đàn kinh tế thế giới WEF 2015 đã xếp nguy cơ của các khủng hoảng về nước có khả năng xảy ra cao nhất, tác động tiêu cực nhất đến loài người. Các nguy cơ này liên quan đến các yếu tố như dân số tăng, đô thị hóa và công nghiệp hóa. Đến 2030, sẽ có thêm khoảng 3 tỷ người nữa sinh ra (chủ yếu ở châu Á), 60% trong số đó sống ở đô thị và khả năng cung cấp nước chỉ có thể đáp ứng được 60%.

Mức sống, mức độ tiện nghi cũng ngày càng cao, làm tăng nhu cầu dùng nước thêm 55% tới năm 2050 (Asian Water, 4/2016). Những thách thức này càng nghiêm trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu, với những đợt hạn hán diễn ra ngày càng dài, ở nhiều địa điểm hơn, xảy ra những mâu thuẫn và xung đột về nguồn nước

Mức độ ô nhiễm ngày càng tăng từ các nguồn ô nhiễm điểm và phân tán, với các chất ô nhiễm khó xử lý như các chất hữu cơ bền vững, kim loại nặng, kháng sinh, hoóc môn và các dư lượng thuốc chữa bệnh khác, các chủng vi sinh vật mới… là một thách thức lớn đối với ngành nước. Chỉ riêng nước Mỹ, mỗi năm có khoảng 700 loại hóa chất mới được đưa ra thị trường. Trên thế giới, mỗi năm có khoảng 2 triệu tấn thuốc trừ sâu các loại được sử dụng. Các ngành công nghiệp cũng thải vào nguồn nước khoảng 300 - 400 triệu tấn kim loại nặng, dung môi, bùn nguy hại, và các chất thải khác (Palaniappan và nnk, 2011).

Bảng 1. Các chất ô nhiễm khó kiểm soát trong xử lý nước

Tên chất

Ví dụ

Tác hại với sức khỏe

Kháng sinh

Methicillin, Vancomycin

Tạo hiệu ứng kháng thuốc, khó chữa bệnh hơn

Các hóa chất dùng trong vệ sinh cá nhân (kem đánh răng, bột giặt, chất tẩy rửa…)

Triclosan (chất kháng khuẩn dùng trong xà phòng), nonylphenol (bột giặt), para-hydroxybenzoate (chất bảo quản dùng trong mỹ phẩm)

Tạo hiệu ứng kháng chất khử trùng;

Ảnh hưởng đến phát triển bào thai;

Ảnh hưởng đến sự phát triển tuổi dậy thì của em gái, tăng nguy cơ ung thư vú

Kim loại

Arsen, kẽm, đồng, selen, cadimi,… có trong chất thải công nghiệp khai thác khoáng sản, nước thải nông nghiệp,…

Ảnh hưởng đến thủy sinh vật, tác động đến hệ sinh sản,…

Các hạt nano

Các oxit kim loại (TiO2 và ZnO dùng trong pin mặt trời,…);

Kim loại hóa trị 0 (sắt nano hóa trị 0 dùng trong xử lý đất, nước ô nhiễm);

Ống nano các bon dùng trong y tế

Tác hại đến màng và nhân tế bào, tăng chất oxy hóa, độc

Thuốc trừ sâu

Nhiều loại

Gây ung thư nhiều cơ quan nội tạng;

Ảnh hưởng đến cân bằng hooc môn giới tính;…

Chất dẻo

BPA

Tăng nguy cơ ung thư vú, cân bằng giới tính,…

Hóa chất chống cháy

PBDEs, pha vào thảm, đồ gỗ, đồ điện, điện tử

Gây rối loạn nội tiết, ảnh hưởng đến phát triển não của bào thai, ảnh hưởng đến khả năng miễn dịch và sinh sản, tăng nguy cơ ung thư

Các sản phẩm phụ của các chất sát khuẩn

THMs, NDMA

Độc với gien, gây ung thư

Hooc môn (tự nhiên và tổng hợp)

E2, EE2 trong thuốc tránh thai

Gây rối loạn nội tiết

Bên cạnh các vi sinh vật gây bệnh truyền thống và các vi khuẩn chỉ thị (Coliform tổng số, Coli chịu nhiệt, E.Coli), người ta đã tìm thấy các vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm khác, có khả năng tồn tại trong nước ngay cả khi dùng các biện pháp khử trùng mạnh, mà các chỉ thị nói trên không đại diện: CryptosporidiunGiardia (đơn bào, gây bệnh tiêu chảy), Legionella (vi khuẩn gây bệnh Legionnaires, một dạng bệnh truyền nhiễm liên quan đến đường hô hấp, bệnh nhân bị sốt cao, ho, khó thở, đau đầu…).

Điều đáng chú ý là các quá trình xử lý nước thải thông thường (lắng sơ cấp, xử lý sinh học bằng bùn hoạt tính, lắng thứ cấp, khử trùng bằng Clo) và xử lý nước cấp thông thường (keo tụ, lắng, lọc, khử trùng bằng Clo) không cho phép loại bỏ được hết các chất ô nhiễm phức tạp nói trên. Keo tụ, lắng, lọc chỉ cho phép loại bỏ các chất ở dạng lơ lửng và keo, nhưng khó có thể loại bỏ được các chất hòa tan.

Quá trình khử trùng nước còn nhiễm hữu cơ bằng Clo còn có thể sinh ra các sản phẩm phụ (DBPs) độc hại. Mạng lưới truyền dẫn và phân phối với tuổi thọ hàng chục năm, được làm bằng các vật liệu ống cũ, điều kiện xây dựng và sửa chữa chắp vá, quản lý yếu, bị đấu nối trái phép… cũng làm chất lượng nước bị suy giảm, tái ô nhiễm. Việc thay thế đường ống hay bổ sung thêm Clo làm tăng giá thành sản xuất nước, thậm chí gia tăng nguy cơ hình thành các sản phẩm phụ độc hại.

Mức độ xử lý nước cần phải được nâng cao. Việc đánh giá chất lượng nước cũng cần được thực hiện với mức độ cao hơn, với nhiều chỉ số hơn, thể hiện đầy đủ các chỉ số đại diện cho các rủi ro tiềm tàng ở nguồn nước đó. Bên cạnh đó, công nghệ cấp nước còn phải đáp ứng những thách thức về tiết kiệm năng lượng, diện tích đất, vốn đầu tư, vấn đề xử lý các chất thải thứ cấp, những đòi hỏi đảm bảo chất lượng môi trường xung quanh nhà máy, cũng như những biến động bất thường về lưu lượng và chất lượng nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu, thiên tai hiện nay. Bên cạnh đó, ngành nước còn phải đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao về chất lượng nước của khách hàng (không chỉ cấp đủ, liên tục nước sạch, an toàn, mà còn phải đủ áp lực, nước có vị ngon,…).

Những thách thức trên cũng lại là cơ hội đối với ngành Cấp thoát nước. Tổ chức Global Water Inteligence (GWI) dự báo tăng trưởng đầu tư hàng năm trong cấp nước đô thị và công nghiệp ở châu Á trong giai đoạn 2025 - 2019 là 7%, với tổng giá trị đầu tư cho cấp nước sinh hoạt và công nghiệp 137,5 tỷ USD năm 2019. Riêng Trung Quốc, với mức tăng trưởng 8%, tổng đầu tư sẽ đạt 57,7 tỷ USD.

Tại Ấn Độ, kế hoạch quản lý tổng hợp sông Hằng với tái sử dụng 100% nước thải đô thị sẽ nâng mức tăng trưởng ngành nước lên 13%/năm hay 14,2 tỷ USD. Việc đánh giá các công nghệ đang áp dụng, nhận dạng rõ thách thức và rủi ro trong cấp nước hiện nay và tương lai, tham khảo các xu hướng công nghệ xử lý nước của thế giới, từ đó xác định hướng đổi mới, cải tiến công nghệ, nâng cấp hệ thống và hướng kinh doanh là rất cần thiết. Đây cũng chính là mục tiêu nghiên cứu và là nội dung mà bài báo này muốn đề cập.

2. Tổng quan về dây chuyền công nghệ xử lý nước trên Thế giới thế kỷ 20 - 21

Hình 1 giới thiệu sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp cho sinh hoạt với nguồn nước mặt, bao gồm các công nghệ truyền thống, được áp dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới trong thế kỷ 20, như Clo hóa sơ bộ, keo tụ, lắng, lọc cát, khử trùng,…

Ngày nay, công nghệ xử lý nước đã có nhiều thay đổi. Chúng ta hãy nghiên cứu một ví dụ về áp dụng công nghệ mới trong xử lý nước cấp sinh hoạt quy mô lớn, nhằm đáp ứng các yêu cầu cao hơn về chất lượng nước. Nhà máy nước Tai Po (Hồng Công) có công suất hiện nay 400.000 m3/ngày, và đang được nâng công suất lên gấp 2 (giai đoạn 1) và gấp 3 (giai đoạn 2). Nhà máy tiếp nhận nước thô từ sông Dongjiang, và hồ chứa Plove Cove. Dây chuyền 1 (hiện nay) sử dụng các quá trình keo tụ, tuyển nổi áp lực (DAF), lọc sinh học có sục khí (Primary aerated biological filters PABF) để xử lý ammonia, lọc cát nhanh (SRGF), Clo để khử trùng. Clo cũng được sử dụng để oxy hóa mangan có trong nước thô (Hình 2).

Nhà máy được thiết kế theo nguyên tắc “không có chất thải” (zero discharge). Toàn bộ chất thải phát sinh được thu gom và xử lý (Hình 3). Bọt tuyển nổi, nước rửa lọc từ bể lọc sinh học và bể lọc cát được gom về bể gom, làm đặc và tách nước bằng thiết bị ép bùn, sau đó chở đi làm vật liệu xây dựng. Nước tách ra được xử lý và quay trở lại tận dụng (Hình 3).

Bên cạnh việc nâng công suất, công nghệ xử lý ở giai đoạn 1 và 2 được cải tiến, với mục tiêu: giảm tối đa việc sử dụng Clo (để oxy hóa mangan) vì lý do an toàn và môi trường, bổ sung thêm rào cản hữu hiệu để kiểm soát các vi sinh vật gây bệnh như CryptosporidiunGiardia. Dây chuyền hiện có đã cho phép loại CryptosporidiunGiardia tới 3 log, tương đương tiêu chuẩn của Mỹ, nhưng chính quyền Hồng Kông đặt mục tiêu giảm 4 log. Ozone được chọn để xử lý mangan, diệt trùng và loại bỏ các chất hữu cơ sau khử trùng, nâng cao hiệu suất lọc sinh học (xử lý ammonia), và quan trọng hơn cả, giảm liều lượng Clo phải sử dụng (Hình 4).

3. Một số công nghệ mới để giải quyết các thách thức trong xử lý nước

3.1 Xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ

3.1.1 Lọc sinh học với than hoạt tính dạng hạt (BAC)

Than hoạt tính dạng bột (PAC) hay dạng hạt (GAC) từ lâu đã được sử dụng rộng rãi như một loại vật liệu hấp phụ. Than hoạt tính bột PAC có thể đưa vào nước để tiền xử lý các hợp chất hữu cơ, khử màu… Than hạt GAC thường được đưa vào sau bể lọc cát, để loại bỏ các chất hữu cơ, các chất ô nhiễm vết còn lại trong nước.

Trước kia việc sử dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước cấp thường hạn chế do lo ngoại đưa các vi sinh vật vào nước. Tuy nhiên do ngày càng nhiều chất hữu cơ, dinh dưỡng dư được phát hiện trong nước, các phương pháp lý - hóa tốn kém và có nguy cơ sinh ra các sản phẩm phụ, trong khi nhiều chất có thể phân hủy được bằng sinh học, và nhu cầu mới trong việc xử lý các chất hữu cơ phân hủy được bằng sinh học - sản phẩm của quá trình ozone hóa, người ta bắt đầu áp dụng phương pháp lọc sinh học trong xử lý nước cấp.

Trong bể lọc sinh học, than hoạt tính dạng hạt (GAC) hoặc anthracite là vật liệu lọc phổ biến được sử dụng kết hợp với cát thạch anh. Anthracite có chi phí thấp hơn, có thể áp dụng ở các nước nhiệt đới, trong khi quá trình sinh hóa lý diễn ra trên bề mặt màng vi sinh với diện tích tiếp xúc lớn hơn của GAC (3-8 lần so với anthracite) cần trong mùa đông ở xứ lạnh. Có một lớp cát thạch anh dày 15 - 30 cm ở dưới GAC hay anthracite để giữ màng vi sinh trôi theo nước. Bể lọc sinh học được vận hành tương tự bể lọc hai lớp vật liệu thông thường, trừ khi trong nước xử lý có chứa Clo hay Cloramines. Một số nhà máy nước bổ sung 4 - 5 mg/L Clo vào nước rửa ngược (3 lần rửa lại 1 lần cho Clo) để kiểm soát sự phát triển của các vi sinh vật trong bể lọc và tránh việc tăng dần tổn thất áp lực trong mỗi chu kỳ.

Hệ BAC tổng hợp các quá trình tương tác giữa 4 yếu tố: các hạt than, vi sinh vật, các chất ô nhiễm, oxy hòa tan (Hình 5a). Các bon hoạt tính có diện tích tiếp xúc lớn, nhiều lỗ rỗng, có khả năng hấp phụ oxy hòa tan, các chất hữu cơ trong nước. Với BAC, các bon hoạt tính được sử dụng như vật liệu mang, nơi dính bám và phát triển hệ màng vi sinh. Trong điều kiện môi trường thích hợp (nhiệt độ, dinh dưỡng,…), các vi sinh vật này phát triển và tạo thành BAC, có khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất hữu cơ, dinh dưỡng trong nước. Vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để hô hấp, phân hủy chất ô nhiễm.

BAC cho phép kiểm soát các sản phẩm hữu cơ phân hủy sau ozon hóa (hầu hết là các chất phân hủy được bằng sinh học), ngăn cản sự phát triển màng vi sinh vật trong đường ống, tiết kiệm Clo khử trùng, loại bỏ tốt hơn các chất ô nhiễm vô cơ như Amoni, nhờ quá trình nitrat hóa sinh hóa, giúp giảm thiểu sự tiêu thụ Clo khử trùng và sự phát triển màng vi sinh trong đường ống cấp nước. BAC giảm nguy cơ tạo ra những chất hữu cơ khó xử lý, gây mùi vị bất lợi trong nước thương phẩm và tạo sản phẩm phụ DBPs khi khử trùng nước bằng Clo ở bước tiếp theo.

Hình 5. Cơ chế xử lý trong hệ BAC (a) và hệ O3 - BAC (b).

Các thông số cơ bản thiết kế hệ BAC: tốc độ lọc 8-15 m/h; thời gian lưu nước 6-30 min (khử mùi: 8-10 min, xử lý CODMn: 12-15 min). Hàm lượng oxy hòa tan cần không chế: DO>1 mg/L (tương đương tỷ lệ khí/nước = 4-6/1). Chiều dày lớp vật liệu lọc than hoạt tính: 1.5-3 m, đường kính hạt than 0,4-2,5mm. Các thông số rửa bể lọc: (1) Rửa khí kết hợp với nước: cường độ rửa ngược 7-11 L/(m2·s), thời gian rửa 8-20 min, cường độ sục khí 14 L/(m2·s), thời gian sục khí 5 min; (2) Rửa nước kết hợp nước rửa bề mặt: cường độ rửa ngược 7-11 L/(m2·s), thời gian rửa 8-20 min, cường độ rửa bề mặt 1.7 L/(m2·s), thời gian rửa bề mặt 5 min.

Ở Việt Nam, công nghệ BAC bắt đầu được quan tâm. Trong chương trình hợp tác giữa Công ty Cấp nước Hải Phòng và Cục nước Kitakyushu - Nhật Bản, hệ thống BAC dòng chảy từ dưới lên (uBCF) lần đầu tiên được nghiên cứu áp dụng tại Nhà máy Nước Vĩnh Bảo, và hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho một số nhà máy nước khác. Ở đây BAC được sử dụng như một công đoạn tiền xử lý, loại bỏ Ammonia và các hợp chất hữu cơ. Nước nguồn chứa nhiều cặn, sét, độ đục cao và biến động là những trở ngại để đạt hiệu suất xử lý cao của uBCF.

Hình 6. Bể lọc sinh học uBCF tại Nhà máy nước Vĩnh Bảo, Công ty Cấp nước Hải Phòng.

Lọc sinh học kết hợp với ozone hóa (O3 – BAC)

Lọc sinh học không loại bỏ được hết các chất ô nhiễm, nhất là các chất khó phân hủy sinh học. Các chất này có nguy cơ tạo các sản phẩm phụ gây ung thư khi khử trùng bằng Clo. Để nâng cao hiệu suất xử lý, trước BAC, người ta áp dụng phương pháp ozone hóa. 3 quá trình sau sẽ diễn ra trong hệ: ozone hóa, hấp phụ, và phân hủy sinh học. Trong hệ O3-BAC, ban đầu các chất hữu cơ sẽ được oxy hóa bởi chất oxy hóa mạnh là ozone, tạo các phân tử nhỏ hơn. Các phân tử nhỏ có thể phân hủy sinh học này được hấp phụ sau đó lên than hoạt tính và được phân hủy bởi vi sinh vật. Oxy tạo thành từ phản ứng của ozone sẽ làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước và giúp quá trình phân hủy sinh học trong BAC (Hình 5b).

Màng vi sinh vật từ BAC có thể bong ra và trôi cùng với nước. Những nghiên cứu trên nhiều hệ O3-BAC cho thấy, không có vi sinh vật gây bệnh trong hệ. Tuy nhiên vấn đề này vẫn cần được tiếp tục nghiên cứu và cần kiểm soát tốt.

Trạm xử lý kết hợp ozone hóa và BAC được áp dụng lần đầu tiên ở Amstaad, Đức năm 1961. Thành công của ứng dụng này đã được nhân rộng ra khắp nước Đức những năm 70 và châu Âu sau đó. Năm 1976, Cục BVMT Mỹ (US EPA) đưa ra quy định than hoạt tính phải được áp dụng để xử lý nước cấp cho khu đô thị với dân số trên 150.000 người. Cuối những năm 90 của thế kỷ trước Mỹ bắt đầu áp dụng tiêu chuẩn phải dùng lọc sinh học để loại bỏ các chất hữu cơ sinh ra sau ozone hóa (EPA, 1997). Các nhà máy áp dụng công nghệ ozone hóa - BAC được xây dựng ở Nhật từ những năm 1988-1992.

1.1. Khử trùng và kiểm soát sản phẩm phụ sau khử trùng

Clo và các hợp chất của Clo

Clo được sử dụng phổ biến trên khắp thế giới để khử trùng nước cấp. Đây là chất ôxy hoá mạnh, dù ở dạng nguyên chất hay hợp chất, tự do hay liên kết. Clo tác dụng với nước tạo ra phân tử axit HOCl, là chất khử trùng rất mạnh. Tùy theo pH, Clo có thể tồn tại trong nước dưới dạng Cl2, HOCl hay OCl-. Quá trình tiêu diệt mầm bệnh xảy ra theo cơ chế: Clo hay hợp chất của Clo khuyếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật, phản ứng với men bên trong tế bào, và phá hoại quá trình trao đổi chất, dẫn đến sự diệt vong của tế bào. Clo cũng ngăn cản sự phát triển trở lại của vi sinh vật trong đường ống, bể chứa,… Tác dụng tốt với liều lượng nhỏ, giá cả hợp lý, dễ kiếm, dễ sử dụng, là các ưu điểm làm cho Clo được sử dụng làm chất khử trùng nước phố biến trên thế giới hàng trăm năm và cho đến ngày nay.

Hạn chế của phương pháp Clo hóa là vấn đề an toàn khi làm việc với Clo. Bên cạnh các thiết bị an toàn, công nhân phải được tập huấn tốt, tuân thủ quy trình chuẩn, cùng với các biện pháp phòng ngừa rủi ro nghiêm ngặt khi vận chuyển, lưu giữ, vận hành và bảo dưỡng các thiết bị Clo. Một nhược điểm khác của Clo là tác dụng với các chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên (NOMs), các hợp chất hữu cơ nhân tạo có trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc trừ sâu,… tạo nên các sản phẩm phụ như THMs, HAAs, có liên quan đến nguy cơ ung thư.

Nước Javen (NaOCl), Dioxit Clo (ClO2), hay Cloramins là các chất diệt trùng thay thế Clo, hoặc được sử dụng như chất diệt trùng thứ cấp sau ozone, UV, để giảm thiểu những rủi ro của Clo. Javen có thể được điều chế tại chỗ bằng điện phân muối ăn. Nước Javen có ưu điểm là an toàn hơn Clo rất nhiều, nguyên liệu sẵn có, độ tin cậy cao. Những hạn chế của Javen là vẫn có nguy cơ tạo DBPs, hệ thống điều chế khá cồng kềnh, thiết bị dễ bị ăn mòn.

Dioxit Clo được điều chế từ NaClO2 (Sodium Chlorite) và hơi Clo hay axit HCl (có thể điều chế tại chỗ). Dioxit Clo tồn tại trong nước lâu, có tác dụng diệt trùng cả ở trong môi trường kiềm (khác với Clo). Dioxit Clo tác dụng với nước tạo các sản phẩm phụ là Clorit, Clorat vô hại.

2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl

5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O

Cloramines, nhất là Monocloramine, được sử dụng làm chất khử trùng hệ thống cấp nước đã khoảng 70 năm nay trên thế giới. Những thập kỷ gần đây, hóa chất này được sử dụng nhiều hơn, do tồn tại lâu trong mạng lưới cấp nước, nhờ đó duy trì được lượng Clo hoạt tính dư ở cuối mạng lưới. Cloramines được tạo thành khi cho Ammonia vào nước đã chứa Clo hoạt tính tự do (HOCl hoặc OCl-). Chính vì vậy, việc chuyển từ Clo sang dùng Cloramins với các trạm xử lý hiện nay không phải là vấn đề khó. Tùy theo pH, Cloramins có thể tồn tại dưới dạng Tricloramine (pH<3), Dicloramine (pH = 4-7), Monocloramine (pH>7), trong đó Monocloramine có tác dụng diệt trùng mạnh hơn cả. Khả năng diệt trùng của Dicloramine thấp hơn của Monocloramine khoảng 3-5 lần, và thấp hơn của Clo từ 20-25 lần. Cloramins không gây mùi khó chịu trong nước như Clo, và cũng tác dụng ít hơn với các chất hữu cơ so với Clo.

Cloramines làm tăng nguy cơ mắc bệnh về máu và gây hại cho cá, do chất này dễ dàng xâm nhập vào hệ tuần hoàn, tác dụng với hồng cầu và gây thiếu máu. Do vậy cần kiểm soát nồng độ Cloramines trong nước cấp dưới 0,5mg/L (tiêu chuẩn của Mỹ), và không dùng Cloramines khử trùng nước thải. Cloramines có trọng lượng phân tử rất nhỏ, hầu như không tồn tại ở dạng ion, do vậy khó loại bỏ nhờ các thiết bị lọc nước hộ gia đình, kể cả màng RO, trao đổi ion, thậm chí đun sôi… Có thể hấp phụ Cloramines bằng than hoạt tính, đặc biệt là than hoạt tính xúc tác (than đã được xử lý bề mặt, cho tác dụng với các hợp chất chứa N như Ammonia, Urea ở 700-900oC). Cloramines khi có than hoạt tính xúc tác sẽ được chuyển hóa thành Clorua (Cl-) (Gaur V., 2013).

Ozone

Ozone bắt đầu được sử dụng để khử trùng nước cấp từ 1910, và cho đến nay ngày càng được áp dụng nhiều hơn, nhất là khi có sức ép ngày càng tăng về việc tránh hình thành DBPs trong nước và yêu cầu kiểm soát Cryptosporidium, Giardia. Chất khí ozone được điều chế tại chỗ từ oxy, bằng phương pháp phóng điện qua không khí hoặc oxy. Ozone có thế oxy hoá - khử tiêu chuẩn rất cao (2,07V) nên có khả năng oxy hoá nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ, tiêu diệt mầm bệnh (mạnh hơn Clo 500 lần), khử mùi, vị, màu của nước, với thời gian tiếp xúc rất ngắn. Ozone có thể được sử dụng trong tiền xử lý, loại bỏ mangan, sulfua hydro trong nước, khử mùi, vị của tảo trong nước hồ, phá vỡ trạng thái bền vững của keo hữu cơ, làm tăng hiệu suất keo tụ và giảm lượng hóa chất keo tụ. Ozone dùng trong công đoạn xử lý sau để khử trùng, loại bỏ các chất vi lượng. Một số nước trên thế giới bắt đầu ứng dụng ozone trong xử lý nước thải, để khử trùng và loại bỏ các chất ô nhiễm vi lượng, bền vững như dược phẩm, hay để phá vỡ các cấu trúc phân tử bền vững trong tiền xử lý bùn. Thụy Sĩ, Pháp, Đức chuẩn bị áp dụng tiêu chuẩn mới, yêu cầu các trạm xử lý nước thải lớn phải xử lý bậc 4, để loại bỏ các chất ô nhiễm vết, và ozone là một phương pháp ưu thế được áp dụng.

Thời gian tiếp xúc nước với ozone được thiết kế 8 - 12 phút, với liều lượng ozone 0.5 - 2 mg/L. Gần đây, do yêu cầu kiểm soát Giardia và Cryptosporidium, người ta phải cân nhắc tăng thời gian tiếp xúc và liều lượng ozone lên. Buồng tiếp xúc ozone phải kín, tránh người vận hành tiếp xúc trực tiếp với hơi ozone dư trước khi ozone thoát ra ngoài không khí và chuyển hóa hết. Có thể sử dụng các hóa chất khử để hấp thụ hết ozone dư (hydrogen peroxide, thiosulfate, bisulfite). Hiệu suất oxy hóa sẽ được tăng lên rõ rệt nếu sử dụng kết hợp hydrogen peroxide (H2O2) cùng với ozone. H2O2 tác dụng với phân tử O3, tăng cường quá trình tạo gốc hydroxyl tự do OH, là chất oxy hóa mạnh hơn phân tử ozone gấp nhiều lần. Quá trình này chủ yếu sử dụng, với tỷ lệ H2O2/O3 = 0.3/1 (mg/mg), khi cần oxy hóa các chất tồn dư trong nước (VOCs, thuốc trừ sâu, diệt cỏ, khử màu, mùi, vị…) chứ không phải để diệt trùng. Một sản phẩm phụ của quá trình ozone hóa là bromate (BrO3-), chất có khả năng gây ung thư, nếu nước nguồn chứa bromide.

Năm 1990, khoảng 40 nhà máy ở Mỹ áp dụng công nghệ ozone. Đến năm 1998, đã có 114 nhà máy công suất trên 3000 m3/ngày sử dụng công nghệ này. Chi phí của hệ ozone hóa thường khoảng 4.000 – 6.000 USD/kg ozone được điều chế. Một trạm xử lý nước công suất 50.000 m3/ngày với liều lượng ozone 5 mg/L sẽ cần đầu tư 1-1,5 triệu USD cho hệ ozone hóa (thiết bị điều chế, bể tiếp xúc, …), tương đương suất đầu tư 0,5-0,75 triệu VND/m3 công suất.

Tia cực tím (UV)

Tia UV được sử dụng để khử trùng nước cấp, nước thải nhờ tác dụng diệt trùng của tia sáng với bước sóng 250 - 270 nm. Thời gian tiếp xúc vài giây đủ để vô hiệu hóa các vi sinh vật có trong nước. Năng lượng UV phá cấu trúc ADN của vi sinh vật và ngăn chúng sinh sôi. Từ những năm 50 đến nay, UV được sử dụng để khử trùng ở trên 500 nhà máy nước ở Mỹ, trên 1.500 nhà máy ở châu Âu, với công suất nhỏ (phổ biến) đến công suất lớn (ngày càng nhiều hơn). Tiêu chuẩn về liều lượng UV: của Mỹ là 38 mW.s/cm2; của Nauy là 16 mW.s/cm2, của Áo là 30 mW.s/cm2, đủ để vô hiệu hóa bào tử vi khuẩn chỉ thị. Để vô hiệu hóa đơn bào như Giardia, cần liều lượng lớn hơn (140 - 160 mW.s/cm2).

Chi phí đầu tư cho hệ UV của Nhà máy nước công suất 5000 m3/ngày khoảng 200.000 USD (với liều lượng UV 16-30 mW.s/cm2), tương đương suất đầu tư 0,9 triệu VND/m3 công suất. Chi phí vận hành (giá thị trường Mỹ) 100 VND/m3. Các nhà máy công suất lớn sẽ có chi phí thấp hơn. Công nghệ đèn LED là hướng đi mới, giúp giảm tiêu thụ điện năng của UV. UV và ozone được coi là hai trong số ít các công nghệ cho phép kiểm soát được Cryptosporidium hiện nay. Tuy nhiên, UV không có tác dụng oxy hóa các chất ô nhiễm trong nước.

1.2. Giải pháp đối phó với thiếu nước và xâm nhập mặn

Xử lý nước lợ, nước biển bằng công nghệ màng

Thị trường của công nghệ màng đang tăng trưởng tốt. Năm 2015, thị trường của xử lý nước cấp, nước thải đô thị và công nghiệp bằng công nghệ màng là 3,9 tỷ USD. Năm 2019, giá trị thị trường này ước tính sẽ là 5 tỷ USD (Asian Water, 4/2016). Các hướng nghiên cứu, phát triển hiện nay đang tập trung vào các giải pháp như: giảm mức tiêu thụ năng lượng của thẩm thấu ngược (RO) bằng cách sử dụng các vật liệu mới (màng với hạt nano của LG NanoH2O, màng với ống nano các bon của nanOasis, màng graphen của Oak Ridge, …), sử dụng các vật liệu mới, bền hơn cho màng MF, UF, NF (ví dụ như màng NF sợi rỗng SMTC - Evoqua). Đặc biệt màng gốm có một triển vọng lớn, nhờ mức tiêu thụ năng lượng ít hơn, gọn, bền hơn (Metawater, Meidensha,…). Đã xuất hiện một số công nghệ màng mới như kết hợp thẩm thấu chuyển tiếp (FO) với màng RO áp lực thấp, làm nước bay hơi bằng nhiệt (từ năng lượng mặt trời, đốt chất thải,…) và cho dịch chuyển hơi nước qua màng (chứa khí) rồi ngưng tụ (Memstill, TNO).

Trong công nghệ màng, cần đặc biệt lưu ý việc thu hồi năng lượng (trong các dòng dịch sau màng còn dư áp lực), và việc xử lý dịch thải (chứa hàm lượng muối cao, nhiều chất ô nhiễm). Để thu hồi năng lượng dòng ra sau màng, người ta sử dụng hệ lọc màng nhiều bậc (Hình 7), với bơm tăng áp, turbin hoặc piston, kết hợp bơm tiền xử lý UF với bơm RO trong hệ thu hồi năng lượng, ... Đối với xử lý dịch thải, do công nghệ RO hay cô đặc dịch thải đòi hỏi nhiều năng lượng, hướng công nghệ mới xử lý dịch thải hiện nay là thẩm thấu chuyển tiếp (FO), với ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng, nhiệt độ làm việc thấp, tránh phải sử dụng các vật liệu chịu nhiệt. Dịch thải chứa nhiều chất có ích, có thể sử dụng để sản xuất phân bón, nguyên liệu trong công nghiệp dược phẩm, hóa chất, xây dựng …

Hình 7. Sơ đồ lắp đặt hệ thống RO:
a) Single pass và multiple pass; b) Single stage và multiple stage
(Voutchkov N, 2015).

Xử lý nước thải và tái sử dụng

Tái sử dụng nước thải ngày càng phổ biến, để giảm lượng nước ngọt khai thác từ nguồn, nhất là trong cấp nước công nghiệp, tưới cây, cấp nước cho một số mục đích trong đô thị. Giá trị thị trường toàn cầu của xử lý và tái sử dụng nước thải năm 2019 là 29 tỷ USD. Công nghệ màng ngày càng chiếm ưu thế trong thị trường xử lý nước thải để tái sử dụng. Mỹ, Singapore, các nước Trung Đông, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ đã ưu tiên phát triển và có nhiều thành tựu trong xử lý, tái sử dụng nước thải cho các mục đích khác nhau. Việc sản xuất nước ăn uống, nước cấp công nghiệp NEWater từ nước thải của Singapore đã làm thay đổi cơ bản tình hình an ninh nguồn nước của quốc gia này. Hiện NEWater đã đáp ứng 30% nhu cầu nước toàn quốc, và Singapore đang phấn đấu nâng tỷ lệ này lên 40% vào năm 2020.

Hình 8. Các mức độ xử lý nước theo mục đích sử dụng/ tái sử dụng (Lazarova V., 2013).

3.4 Giải pháp về năng lượng

3.4.1 Tối ưu hóa vận hành, bảo dưỡng hệ thống

Mức tiêu thụ năng lượng trong hệ thống cấp nước rất khác nhau, tùy thuộc loại nguồn nước, chất lượng nước nguồn, khoảng cách và địa hình khu vực, quy mô công suất hệ thống, cách thức quản lý… Bảng 2 giới thiệu mức tiêu thụ năng lượng trung bình giữa các hợp phần của hệ thống cấp nước (Asian Water, 8/2013). Bơm nước luôn chiếm khoảng 90% tiêu thụ năng lượng của hệ thống cấp nước.

Bảng 1. Mức tiêu thụ năng lượng giữa các hợp phần của hệ thống cấp nước

Hợp phần

Quá trình

Mức tiêu thụ năng lượng

Trạm bơm cấp 1

Bơm;
Điều khiển vận hành

Nước mặt: 10%;
Nước ngầm: 30%

Trạm xử lý nước

Trộn hóa chất;
Rửa lọc;
Bơm nước, bùn, làm khô bùn;
Điều khiển vận hành

Nước mặt: 10%;
Nước ngầm: 1%

Trạm bơm, truyền dẫn và phân phối nước

Bơm nước

Nước mặt: 80%;
Nước ngầm: 69%

Kết quả phân tích dữ liệu ngành Cấp thoát nước của Bộ Xây dựng năm 2015, tổng hợp từ 88 doanh nghiệp cấp nước, cho thấy mức tiêu thụ điện năng cho mỗi m3 nước sản xuất ra ở Việt Nam là 0,33 KWh/m3. Đây là mức tiêu thụ trung bình so với các nước trên Thế giới. Tuy nhiên, công nghệ cấp nước ở Việt Nam vẫn chủ yếu là các công nghệ kinh điển, đơn giản, có nơi còn lạc hậu. Mức tiêu thụ năng lượng sẽ tăng lên nếu áp dụng thêm các công đoạn xử lý nước mới để nâng cao chất lượng nước. Vấn đề tiết kiệm năng lượng tại các hệ thống cấp nước ở các đô thị Việt Nam hiện đang rất được quan tâm.

Hình 9. (a) Phân bổ mức chi phí sản xuất nước ở các Công ty Cấp nước ở Việt Nam;
(b) Các cơ hội tiết kiệm năng lượng trong hệ thống cấp nước.

3.4.2 Năng lượng mới trong hệ thống cấp nước

Trạm xử lý nước thường có diện tích đất rộng, có thể lắp được nhiều pin mặt trời, hay tuốc bin gió để sản xuất điện. Bên cạnh đó, nhiều hệ thống cấp nước phải vận chuyển nước từ nguồn về trạm xử lý nước bằng máy ở trạm bơm cấp 1 và đường ống áp lực. Áp lực cao của cột nước có thể chạy tuốc bin phát điện, cung cấp cho nhu cầu điện của trạm xử lý nước (Hình 9). Chỉ cần lắp một tuốc bin nhỏ ở trên đường ống áp lực đưa nước thô vào ngăn tiếp nhận, với chiều cao dâng nước 17m, đường ống D250mm, trạm xử lý nước công suất 7600 m3/ngày có thể tạo ra dòng điện 15KW (McCann B., 2012).

Với trạm bơm vận hành liên tục, có thể tạo ra trên 100.000KWh mỗi năm. Một số công ty châu Âu đã chỉ ra có thể tạo ra tới 1/3 nhu cầu điện bằng các tuốc bin thủy điện như vậy. Có thể đặt tuốc bin ở bất cứ chỗ nào dòng chảy áp lực chuyển sang chảy tự do: ngăn tiếp nhận nước thô của trạm xử lý, bể chứa của trạm bơm tăng áp, tại các vị trí kiểm soát áp lực (giảm áp) trên mạng lưới,… Giải pháp này đặc biệt hiệu quả cho các trạm cấp nước nhỏ, ở những vùng xa xôi hẻo lánh.

3.5. Các giải pháp kiểm soát tự động

Có hai xu hướng tăng cường kiểm soát quá trình đang ngày càng được áp dụng phổ biến, đó là: (1) Kiểm soát rủi ro, cảnh báo và xử lý sớm, với các thiết bị đo lường, quan trắc trực tuyến (on-line) về nguồn nước, chất lượng nước, các chỉ số vận hành công trình và thiết bị xử lý nước; (2) Áp dụng công nghệ thông minh, kiểm soát và điều khiển chính xác các công trình, thiết bị và toàn bộ hệ thống. Với các thiết bị quan trắc on-line, các đột biến về chất lượng nước nguồn như hàm lượng hữu cơ, cặn lơ lửng, độ đục tăng vọt, sẽ được nhanh chóng báo về bộ phận kiểm soát, từ đó có những giải pháp xử lý kịp thời như tạm dừng bơm nước thô, chuyển nước sang hồ dự trữ, bổ sung thêm hóa chất,…

ới hệ thống định lượng phèn tự động điều chỉnh theo chất lượng nước, hay thiết bị biến tần điều chỉnh tốc độ quay của động cơ máy bơm, tiêu thụ hóa chất, năng lượng sẽ giảm. Các hệ thống kiểm soát trực tuyến, từ xa còn cho phép tiếp nhận, xử lý các thông tin về chỉ số vận hành thiết bị, xác định thời điểm cần bảo trì, thay thế,… Nhờ đó, hệ thống và thiết bị được vận hành ở chế độ tối ưu, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, kinh doanh kèm với việc duy trì chất lượng nước tốt.

4. Kết luận, kiến nghị

Trong suốt thế kỷ 20, công nghệ xử lý nước phát triển với tốc độ chậm. Tuy nhiên, cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, một loạt các công nghệ, thiết bị mới đã được nghiên cứu, ứng dụng, thúc đẩy ngành công nghiệp nước có những biến đổi nhanh chóng, điển hình là công nghệ lọc màng, oxy hóa hiệu suất cao, UV, lọc sinh học,…

Những thay đổi lớn này xuất phát từ sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong bối cảnh kinh tế thị trường, công nghiệp hóa, toàn cầu hóa, cùng với những thách thức liên quan đến sự xuất hiện các chất ô nhiễm mới, nguồn nước truyền thống bị suy thoái, cạn kiệt, cùng với nhận thức ngày càng tăng của người sử dụng nước và tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu.
Ở Việt Nam, quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa - hiện đại hóa đang diễn ra nhanh chóng, với những sức ép ngày càng tăng lên hệ thống cấp nước.

Chính phủ đã ban hành Chương trình quốc gia về bảo đảm cấp nước an toàn giai đoạn 2016 - 2025. Trong khi các công nghệ truyền thống không thể đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về chất lượng nước cấp, và thách thức ngày càng lớn của nguồn nước, các doanh nghiệp ngành nước cần có chiến lược và kế hoạch phù hợp, nghiên cứu đầu tư cải tiến, đổi mới công nghệ. Nhà nước, chính quyền các địa phương cần khuyến khích, tạo điều kiện hỗ trợ các chương trình này. Hợp tác với các trường đại học, viện nghiên cứu, các đối tác quốc tế, học hỏi kinh nghiệm lẫn nhau, là cách làm đúng đắn để lựa chọn công nghệ phù hợp, khả thi với điều kiện của từng doanh nghiệp.

Bên cạnh đó, cần xem xét đầy đủ các khía cạnh kỹ thuật, tài chính, mô hình quản lý, hiệu quả sản xuất kinh doanh, khả năng thu hồi vốn, khả năng tiếp quản và vận hành, bảo dưỡng của cán bộ, công nhân… và thực hiện các biện pháp đồng bộ để việc cải tiến, đổi mới công nghệ được khả thi, bền vững, hiệu quả. Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các công nghệ phù hợp để đáp ứng các thách thức mới cũng là cơ hội lớn cho các doanh nghiệp cấp nước, là động lực để thúc đẩy ngành nước của Việt Nam phát triển.

Tài liệu tham khảo
• Bộ Xây dựng. Cơ sở dữ liệu ngành nước. 2015.
• PGS. TS. Nguyễn Việt Anh, ThS. Nguyễn Phương Thảo, ThS. Đào Thị Minh Nguyệt, ThS. Vũ Thị Hoài Ân, ThS. Vũ Thị Minh Thanh. Tiết kiệm và tận thu năng lượng trong hệ thống cấp thoát nước. Tạp chí Cấp thoát nước Việt Nam (ISSN 1859 – 3623). Số 1+2(88+89), 1+3/2013. Trang 38 – 42.
• 11 New and Emerging Drinking Water Treatment Technologies. National Research Council. Identifying Future Drinking Water Contaminants. Washington, DC: The National Academies Press, 1999. DOI:10.17226/9595.
• Brandt M., Middleton R. Tackling the growing energy demand in the water sector. Asian Water, 12/2010. Pp. 17-20.
• Gaur V. Reduction of Chloramines in drinking water using catalytic carbon. Filtrex Technologies Pte. Ltd. In J. Asian Water, 10/2013, pp. 16 – 18.
• Lazarova V. Global milestones in water reuse: keys to success and trends in development. J. Water 21. August 2013. Pp. 12 – 22.
• Making water and wastewater utilities more energy-efficient. Asian Water, 8/2013. Pp. 15-20.
• McCann B, 2012. Small scale hydro shows promise for remote treatment stations. Magazine Water 21, April 2012. Pp. 18 – 20.
• Morrison K. Overcome an Uphill Challenge. Black & Veatch Co. J. Asian Water 8/2010. Pp. 26-30.
• Palaniappan M., Gleick P., Allen L., Cohen M., Christian-Smith J. and Smith C. Urgent need to focus on water quality. Asian Water 12/2011. Pp. 10 – 16.
• Pengkang Jin, Xin Jin, Xianbao Wang, Yongning Feng and Xiaochang C. Wang. Biological Activated Carbon Treatment Process for Advanced Water and Wastewater Treatment. School of Environment & Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an, P. R. China. http://www.intechopen.com/books.
• Stedman L. 2011. Ozone’s ongoing opportunities. Water 21. Feb. 2011. Pp. 26-27.
• Vouchtkov N. Reverse Osmosis Process, Design and Applications. In J. Asian Water 12/2015. Pp. 26-32.

GS, TS. Nguyễn Việt Anh

Viện trưởng Viện KHKT Môi trường,Trường ĐH Xây dựng

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Xu hướng phát triển công nghệ xử lý nước cấp trên Thế giới tại chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0913 385 005 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi