Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vàng Mí Sử (chuyên ngành Khoa học Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên, năm 2019) tập trung giải quyết bài toán cấp nước sinh hoạt tại vùng núi cao phía Bắc. Tỉnh Hà Giang có địa hình núi đá vôi karst hiểm trở, hệ thống sinh thủy không thuận lợi, thường xuyên đối mặt với tình trạng thiếu nước nghiêm trọng trong mùa khô cho cả sản xuất lẫn đời sống sinh hoạt.

Tại thị trấn Yên Minh (huyện Yên Minh, tỉnh Hà Giang), suối Nà Rược bắt nguồn từ vùng núi cao đổ vào sông Bắc Nghè, đóng vai trò là nguồn nước chính của khu dân cư ven suối. Trước đây, hồ Nà Rược là công trình thủy lợi đơn mục tiêu chỉ phục vụ tưới tiêu nông nghiệp; sau đó được chuyển đổi công năng thành hồ đa mục tiêu nhằm cấp bổ sung nước sinh hoạt. Nguồn nước suối Nà Rược có đặc điểm dòng chảy nhỏ, không ổn định, chịu ảnh hưởng mạnh bởi lũ quét và mưa bão. Chất lượng nước biến động lớn giữa ngày mưa và không mưa: nồng độ tổng chất rắn lơ lửng (TSS), sắt (Fe), mangan (Mn) và vi sinh vật tăng cao. Việc xử lý và cung cấp nước sinh hoạt tại đây gặp nhiều trở ngại do địa hình chia cắt phức tạp, phân bố dân cư không tập trung và nguồn điện lưới còn hạn chế.

Đề tài xác định 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Đánh giá hiện trạng môi trường nước suối Nà Rược tại huyện Yên Minh, tỉnh Hà Giang.
  2. Đề xuất công nghệ màng lọc siêu lọc (UF) kết hợp với vật liệu lọc đa năng (ODM-2F) để xử lý nước suối thành nước cấp sinh hoạt.

Đối tượng nghiên cứu:

  • Hiện trạng môi trường nước suối Nà Rược.
  • Quy trình công nghệ màng lọc UF kết hợp vật liệu lọc đa năng ODM-2F trong xử lý nước cấp sinh hoạt.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Phạm vi không gian: Lưu vực suối Nà Rược với diện tích khoảng 10,8 km² (chiều dài khoảng 6,2 km, chiều rộng trung bình 1,5 km), thuộc thị trấn Yên Minh, huyện Yên Minh, tỉnh Hà Giang.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu khảo sát, thu thập và phân tích mẫu nước được thực hiện trong giai đoạn 2018 – 2019, kế thừa chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn nhiều năm tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên các cơ sở lý luận, khung pháp lý và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm môi trường:

Cơ sở lý luận và khung pháp lý:

  • Các khái niệm về môi trường, thành phần môi trường, ô nhiễm nước (ô nhiễm vật lý, hóa học, sinh học), suy thoái môi trường và quan trắc môi trường dựa trên Luật Bảo vệ Môi trường số 55/2014/QH13.
  • Luật Tài nguyên nước số 17/2012/QH13, Nghị định số 201/2013/NĐ-CP, Nghị định số 18/2015/NĐ-CP và Thông tư số 27/2015/TT-BTNMT.
  • Tiêu chuẩn đối sánh chất lượng nước: QCVN 02:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt – Giới hạn I áp dụng cho cơ sở cấp nước), QCVN 08-MT:2015/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt) và QCVN 01:2009/BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống).

Cơ sở công nghệ xử lý:

  • Màng siêu lọc UF (Ultrafiltration): Màng sợi rỗng thẩm thấu có kích thước mao dẫn từ 0,001 đến 0,1 µm, vận hành dưới áp suất thấp (từ 1 đến 10 bar, thực tế làm việc ở mức 1,5 – 3 kgf/cm²), có khả năng loại bỏ 100% huyền phù, cặn lơ lửng, chất keo, dầu mỡ, khử khuẩn đạt 99% và giữ lại vi rút, vi sinh vật gây bệnh mà không làm mất khoáng chất tự nhiên.
  • Vật liệu lọc đa năng ODM-2F (xuất xứ từ Nga): Thành phần chính gồm diatomit, zeolit và bentonit được hoạt hóa ở nhiệt độ cao (hàm lượng $\text{SiO}_2 \le 84%$, $\text{Fe}_2\text{O}_3 \le 3,2%$, $\text{Al}_2\text{O}_3 + \text{MgO} + \text{CaO} = 8%$). Đặc tính kỹ thuật: kích thước hạt 0,8 – 2,0 mm, tỷ trọng 650 kg/m³, diện tích bề mặt 120 – 180 m²/g, độ xốp 70%, dung lượng hấp phụ 1,3 g/g. Vật liệu có vai trò xúc tác khử sắt ($\text{Fe} < 35\text{ mg/l}$), nâng và ổn định pH (6,0 – 9,5), giảm hàm lượng nitơ, photphat, hợp chất hữu cơ và kim loại nặng.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Kế thừa dữ liệu từ Tập III: Báo cáo khí tượng thủy văn – thủy nông Công trình thủy nông Nà Rược (Đỗ Anh Đức và Đào Đức Thuần); số liệu quan trắc của Đài khí tượng thủy văn Hà Giang và Trạm đo mưa Yên Minh; báo cáo của TS. Nguyễn Phú Duyên thuộc đề tài cấp Nhà nước (mã số KHCN-TB.15C/13-18).
  • Phương pháp lấy và bảo quản mẫu: Lấy mẫu theo TCVN 5996:1995 tại 3 vị trí trên suối Nà Rược:
    • Điểm Đ.1 (M1): Nguồn khe suối trên cao, cách Trạm cấp nước sạch Yên Minh 300 m.
    • Điểm Đ.2 (M2): Hạ lưu đập thủy nông, cách Trạm cấp nước sạch Yên Minh 600 m (dưới cầu đường lên trạm).
    • Điểm Đ.4 (M3): Nước suối chảy cạnh vị trí đang thi công xây dựng đập thủy nông. Mẫu được bảo quản theo TCVN 5993:1995 (làm lạnh 2 – 5°C) và chuyển về phân tích tại Phòng thí nghiệm Viện Kỹ thuật và Công nghệ Môi trường (đạt chứng chỉ VILAS 995 và VIMCERTS 112).
  • Phương pháp phân tích mẫu nước trong phòng thí nghiệm:
    • Màu sắc: TCVN 6185:2008.
    • Mùi vị: Cảm quan.
    • Độ đục: SMEWW 3120B:2012.
    • Clo dư: TCVN 6225-3:2011.
    • pH: TCVN 6194:2011.
    • Amoni: TCVN 6179-1:1996.
    • Sắt tổng số: TCVN 6177:1996.
    • Chỉ số Pemanganat: TCVN 6186:1996.
    • Độ cứng tổng số: TCVN 6224:1996.
    • Clorua: TCVN 6194:1996.
    • Florua: SMEWW 4500F-B&D:2012.
    • Asen: SMEWW 3113B:2012.
    • Coliforms và E.coli: TCVN 6187-1,2:1996.
  • Phương pháp so sánh: Đối chiếu trực tiếp các giá trị phân tích mẫu nước trước và sau xử lý với ngưỡng giới hạn tại QCVN 02:2009/BYT.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng thiếu nước sinh hoạt trầm trọng tại huyện vùng cao Yên Minh, tỉnh Hà Giang. Tác giả phân tích mâu thuẫn giữa nhu cầu sử dụng nước sạch ngày càng tăng của người dân thị trấn với sự suy giảm chất lượng nước thô do mưa lũ và bùn đất. Phần này nêu rõ mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung tư liệu nghiên cứu xử lý nước vùng núi cao và ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo đảm an sinh xã hội tại địa phương.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Tổng hợp hệ thống lý luận về nước và ô nhiễm môi trường nước; rà soát hệ thống văn bản quy phạm pháp luật và tiêu chuẩn kỹ thuật môi trường hiện hành tại Việt Nam. Tác giả phân tích bức tranh ô nhiễm nước trên phạm vi thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt là các khó khăn trong cấp nước vùng núi đá vôi. Phần này cung cấp cơ sở kỹ thuật chi tiết của các công nghệ lọc màng (MF, UF, NF, RO), so sánh kích thước lỗ rỗng, áp suất làm việc, khả năng loại bỏ tạp chất và chỉ rõ các thông số hóa lý, ưu điểm cơ chế của vật liệu lọc đa năng ODM-2F.

Phần 3: Đối tượng, phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Mô tả chi tiết vị trí 3 điểm lấy mẫu thực địa (Đ.1, Đ.2, Đ.4) trên lưu vực suối Nà Rược. Thiết lập quy trình bảo quản mẫu và liệt kê hệ thống 14 phương pháp phân tích phòng thí nghiệm đạt chuẩn TCVN/SMEWW. Xác định 4 nội dung nghiên cứu chính gồm: đánh giá điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội; khảo sát hiện trạng chất lượng nước suối; thiết lập dây chuyền công nghệ màng UF kết hợp ODM-2F; đánh giá hiệu quả xử lý thực tế tại mô hình trạm cấp nước.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu

Trình bày toàn bộ số liệu đo đạc và tính toán của đề tài:

  • Điều kiện tự nhiên: Huyện Yên Minh nằm ở trung tâm Cao nguyên đá Đồng Văn; khí hậu có nhiệt độ trung bình năm 22,8°C, độ ẩm bình quân 84,3%, lượng bốc hơi $Z_{mn} = 1.172,6\text{ mm}$, tổng giờ nắng 1.333,3 giờ/năm, lượng mưa trung bình nhiều năm đạt 2.469,9 mm (mùa mưa đạt 291,4 mm/tháng; mùa khô đạt 34,5 mm/tháng). Địa chất thủy văn lưu vực suối Nà Rược (10,8 km²) gồm tầng chứa nước lỗ hổng trong trầm tích Đệ Tứ ($Q = 0,5 - 3,5\text{ l/s}$) và tầng chứa nước khe nứt gắn liền đứt gãy kiến tạo đá vôi Bắc Sơn; các hệ tầng Lân Pảng, Sông Hiến, Đồng Đăng thuộc dạng nghèo nước.
  • Cân bằng cung - cầu nước: Lượng nước mưa bổ cập vào lưu vực mùa khô đạt khoảng $162.000\text{ m}^3$, mùa mưa đạt $1.080.000\text{ m}^3$. Nhu cầu dùng nước của 2.000 người dân thị trấn Yên Minh trong mùa đông (120 ngày, định mức 60 l/người/ngày, thất thoát 10%) là $15.840\text{ m}^3$; trong mùa hè (240 ngày, định mức 100 l/người/ngày, thất thoát 10%) là $52.800\text{ m}^3$. Nguồn nước bổ cập tự nhiên hoàn toàn đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ.
  • Hiện trạng nước suối thô: Nước suối bị ô nhiễm màu, độ đục, chỉ số Pemanganat, hàm lượng sắt và nhiễm vi sinh vật nặng do hoạt động xây dựng đập thủy nông và lá cây rừng phân hủy.
  • Dây chuyền công nghệ đề xuất: Trạm cấp nước sạch Yên Minh bơm nước thô từ hồ chứa (độ chênh cao 30 – 35 m) vào bể chứa nước thô; cho nước chảy qua hệ thống 3 tháp lọc nối tiếp chứa vật liệu lọc đa năng ODM-2F; dẫn sang bể chứa trung gian; dùng bơm áp lực đẩy qua giàn hệ thống 10 màng siêu lọc UF; nước thành phẩm chảy vào bể chứa $250\text{ m}^3$ và cấp tự chảy đến người tiêu dùng.

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn diện kết quả đánh giá chất lượng nguồn nước và hiệu quả xử lý của hệ thống màng lọc UF kết hợp ODM-2F. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật duy trì vận hành hệ thống, chu kỳ rửa lọc ngược, thay thế vật liệu lọc và kiến nghị chính quyền địa phương tăng cường bảo vệ hành lang an toàn nguồn nước lưu vực suối Nà Rược.

Kết quả và đóng góp

Kết quả phân tích chất lượng nước thô (trước xử lý) và nước sau xử lý tại 3 điểm khảo sát trên suối Nà Rược được tổng hợp và đối chiếu với QCVN 02:2009/BYT:

STT Thông số phân tích Đơn vị QCVN 02:2009/BYT (Cột I) Điểm Đ.1 (M1-T) Điểm Đ.1 (M1-S sau xử lý) Điểm Đ.2 (M2-T) Điểm Đ.2 (M2-S sau xử lý) Điểm Đ.4 (M3-T) Điểm Đ.4 (M3-S sau xử lý)
1 Độ màu Pt/Co 15 67 < 15 80 < 15 75 < 15
2 Mùi vị - Không có Không Không Không Không Không Không
3 Độ đục FTU 5 9 1 12 1 11 2
4 Clo dư mg/l 0,3 – 0,5 < 0,3 0,3 < 0,3 0,3 < 0,3 0,3
5 pH - 6,0 – 8,5 8,0 7,7 8,0 7,8 7,9 7,5
6 Amoni mg/l 3 1,96 < 0,10 2,1 < 0,10 2,32 < 0,10
7 Sắt tổng số mg/l 0,5 0,65 < 0,03 0,72 < 0,03 0,58 0,08
8 Chỉ số Pemanganat mg/l 4 6 2 5 2 6 3
9 Độ cứng mg/l 350 117 57 126 65 108 60
10 Clorua mg/l 300 < 5 < 5 < 5 < 5 < 5 < 5
11 Florua mg/l 1,5 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03 < 0,03
12 Asen mg/l 0,01 < 0,0007 < 0,0007 < 0,0007 < 0,0007 < 0,0007 < 0,0007
13 Coliforms tổng số MPN/100ml 50 2.800 15 1.500 20 2.000 11
14 E.coli MPN/100ml 0 15 0 9 0 15 0

Hiệu quả xử lý chính:

  • Khử trùng và tiêu diệt vi sinh vật: E.coli từ mức ô nhiễm 9 – 15 MPN/100ml được xử lý triệt để về 0 MPN/100ml (đạt 100%); Coliforms từ mức rất cao 1.500 – 2.800 MPN/100ml (vượt chuẩn 30 – 56 lần) giảm xuống còn 11 – 20 MPN/100ml, nằm sâu dưới ngưỡng quy chuẩn cho phép (≤ 50 MPN/100ml).
  • Cải thiện chất lượng cảm quan và hóa lý: Độ màu giảm từ 67 – 80 Pt/Co xuống < 15 Pt/Co; độ đục giảm từ 9 – 12 FTU xuống 1 – 2 FTU; chỉ số Pemanganat giảm từ 5 – 6 mg/l xuống 2 – 3 mg/l (đạt chuẩn ≤ 4 mg/l); hàm lượng sắt giảm từ 0,58 – 0,72 mg/l xuống dưới 0,03 – 0,08 mg/l.

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật của tác giả:

  • Thiết lập dây chuyền kết hợp giữa 3 cột lọc áp lực ODM-2F và giàn 10 module màng siêu lọc UF. Công nghệ này có ưu điểm không cần hóa chất keo tụ tạo bông phức tạp, vận hành đơn giản, diện tích lắp đặt nhỏ gọn, phù hợp với địa hình đồi núi thiếu mặt bằng bằng phẳng.
  • Quy định chế độ rửa ngược định kỳ cột lọc ODM-2F từ 1 – 2 lần/ngày đêm với cường độ nước rửa 10 l/s trong thời gian 15 – 20 phút (không cần sục khí), định kỳ 3 – 5 năm thay mới vật liệu; đồng thời cài đặt van xả tự động cho màng UF để duy trì lưu lượng lọc.

Đóng góp của khóa luận:

  • Cung cấp bộ dữ liệu quan trắc toàn diện về chất lượng nước mặt suối Nà Rược và đánh giá cân bằng nước chi tiết cho thị trấn Yên Minh.
  • Kế thừa và kiểm chứng thực tế hiệu quả của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước (mã số KHCN-TB.15C/13-18 thuộc Chương trình Tây Bắc) tại mô hình vận hành thực tế ở Trạm cấp nước sạch Yên Minh, chứng minh tính khả thi của công nghệ UF kết hợp ODM-2F cho các trạm cấp nước sạch sinh hoạt miền núi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Số lượng điểm lấy mẫu trên lưu vực còn ít (3 điểm quan trắc tập trung quanh khu vực trạm cấp nước và đập thủy nông), chưa khảo sát dọc toàn bộ chiều dài 6,2 km của suối.
  • Dữ liệu chất lượng nước chỉ phản ánh đợt lấy mẫu trong năm 2018, chưa theo dõi liên tục sự biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo chu kỳ nhiều năm và các đợt mưa lũ cực đoan.
  • Tài liệu địa chất thủy văn khu vực Nà Rược chủ yếu dựa trên kế thừa các nghiên cứu trước đây do hạn chế về tài liệu khảo sát sâu tại chỗ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Tiếp tục theo dõi diễn biến chất lượng nước và đánh giá độ bền, hiện tượng suy giảm lưu lượng thấm, chu kỳ tắc màng của hệ thống 10 màng lọc UF trong điều kiện vận hành liên tục dài hạn (trên 3 – 5 năm).
  • Mở rộng quan trắc chất lượng nước sau khi cấp tự chảy qua mạng lưới đường ống truyền tải đến các hộ gia đình tiêu thụ tại thị trấn Yên Minh.

Giá trị tham khảo

Đối tượng sử dụng tài liệu:

  • Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu chuyên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước và Quản lý Tài nguyên Nước.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình cấp nước, các ban quản lý dự án cấp nước sinh hoạt nông thôn, miền núi và vùng biên giới.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Phương pháp tính toán cân bằng nước lưu vực suối vùng núi đá vôi phục vụ cấp nước sinh hoạt đô thị/nông thôn.
  • Thông số kỹ thuật, quy trình thiết kế và vận hành mô hình tích hợp cột lọc áp lực ODM-2F với màng siêu lọc UF.
  • Bộ số liệu thực nghiệm phân tích 14 chỉ tiêu chất lượng nước mặt miền núi đối sánh theo QCVN 02:2009/BYT.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn nước suối Nà Rược trước khi xử lý bị ô nhiễm những chỉ tiêu nào?

Trước xử lý, nước suối Nà Rược tại cả 3 điểm lấy mẫu đều vượt quy chuẩn QCVN 02:2009/BYT ở các chỉ tiêu: độ màu (67 – 80 Pt/Co, vượt 4 – 5 lần), độ đục (9 – 12 FTU, vượt 1 – 2 lần), chỉ số Pemanganat (5 – 6 mg/l, vượt 1,25 – 1,5 lần do lá cây rừng rụng phân hủy), hàm lượng sắt tổng số (0,58 – 0,72 mg/l, vượt ngưỡng 0,5 mg/l), vi khuẩn Coliforms (1.500 – 2.800 MPN/100ml, vượt 30 – 56 lần) và E.coli (9 – 15 MPN/100ml, trong khi giới hạn cho phép là 0 MPN/100ml).

2. Dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt tại Trạm cấp nước sạch Yên Minh hoạt động theo nguyên lý nào?

Nước từ hồ Nà Rược được bơm lên bể chứa nước thô (độ chênh cao 30 – 35 m). Nước thô tự chảy qua 3 tháp lọc nối tiếp chứa vật liệu lọc đa năng ODM-2F để xúc tác khử sắt, giảm hợp chất hữu cơ và cặn thô, sau đó chảy vào bể trung gian. Tiếp tục dùng bơm đẩy nước qua giàn 10 module màng siêu lọc UF (kích thước mao dẫn 0,001 – 0,1 µm) để loại bỏ toàn bộ vi khuẩn, vi rút, cặn lơ lửng. Nước thành phẩm chảy vào bể chứa dung tích $250\text{ m}^3$ đạt QCVN 02:2009/BYT và cấp tự chảy cho người dân thị trấn.

3. Lưu vực suối Nà Rược có đủ lượng nước cấp cho người dân thị trấn Yên Minh trong mùa khô không?

Lưu vực suối Nà Rược có diện tích khoảng 10,8 km², lượng mưa bổ cập trung bình trong mùa khô ước tính đạt $162.000\text{ m}^3$. Trong khi đó, nhu cầu sử dụng nước của 2.000 dân thị trấn Yên Minh trong toàn bộ mùa đông (120 ngày, mức tiêu thụ 60 l/người/ngày cộng 10% thất thoát) chỉ là $15.840\text{ m}^3$. Do đó, nguồn nước bổ cập vào mùa khô lớn hơn gấp 10 lần nhu cầu tiêu thụ thực tế.

4. Vật liệu lọc ODM-2F có những ưu điểm kỹ thuật gì trong hệ thống xử lý?

Vật liệu ODM-2F có thành phần chính là diatomit, zeolit, bentonit hoạt hóa nhiệt độ cao; tích hợp đồng thời các quá trình xúc tác khử sắt, tạo bông và lọc cặn trong cùng một thiết bị. ODM-2F thay thế đồng thời cát thạch anh, than hoạt tính và hạt xúc tác; không cần sục khí khi rửa lọc; lượng nước rửa lọc thấp và có tuổi thọ sử dụng từ 3 đến 5 năm mới phải thay mới hạt.

5. Nước sau khi qua màng lọc UF có đạt quy chuẩn nước sinh hoạt không?

Toàn bộ các mẫu nước sau xử lý tại 3 điểm đều đạt giới hạn I của QCVN 02:2009/BYT: E.coli triệt tiêu về 0 MPN/100ml, Coliforms giảm xuống 11 – 20 MPN/100ml, độ đục chỉ còn 1 – 2 FTU, độ màu < 15 Pt/Co, chỉ số Pemanganat từ 2 – 3 mg/l và hàm lượng sắt giảm còn < 0,03 – 0,08 mg/l.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vàng Mí Sử đã đánh giá chi tiết hiện trạng chất lượng nước mặt suối Nà Rược và giải quyết thành công bài toán cân bằng cấp nước sinh hoạt cho thị trấn Yên Minh, tỉnh Hà Giang. Kết quả nghiên cứu khẳng định công nghệ tích hợp tháp lọc vật liệu đa năng ODM-2F và giàn màng siêu lọc UF xử lý triệt để các thông số ô nhiễm hữu cơ, kim loại và vi sinh vật, đưa nước suối thô đạt quy chuẩn nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT. Công trình là minh chứng thực nghiệm có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao cho các giải pháp cấp nước sạch sinh hoạt tại vùng núi cao, biên giới khó khăn.