Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước dưới tác động của quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh đang là thách thức môi trường lớn tại Thành phố Hồ Chí Minh. Hệ thống mạng lưới thủy văn của thành phố gồm sông Sài Gòn, sông Đồng Nai, sông Nhà Bè cùng các kênh rạch nội đô tiếp nhận lưu lượng lớn nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa qua xử lý triệt để, gây áp lực trực tiếp lên chất lượng nước vùng hạ lưu. Nằm ở cửa ngõ phía Tây – Tây Nam thành phố, huyện Bình Chánh sở hữu diện tích đất canh tác nông nghiệp lớn thứ hai toàn thành phố cùng mạng lưới kênh rạch dày đặc như kênh Xáng, kênh Ngang, kênh C, rạch Nước Lên. Dân số huyện tăng cơ học nhanh chóng từ 608.616 người năm 2015 lên 800.498 người năm 2021 (tăng trung bình gần 32.000 người mỗi năm), tạo sức ép lớn lên hạ tầng cấp thoát nước và vệ sinh môi trường.

Thực trạng sử dụng tài nguyên nước tại Bình Chánh diễn ra phức tạp: bên cạnh nguồn nước thủy cục do Xí nghiệp Cấp nước Sinh hoạt Nông thôn (SAWACO) cung cấp, khoảng 7.000 hộ dân vẫn phụ thuộc vào nguồn nước ngầm cho ăn uống và sinh hoạt hàng ngày, đặc biệt tại các xã như Lê Minh Xuân, Bình Lợi, Vĩnh Lộc A, Vĩnh Lộc B. Trong khi đó, việc lạm dụng phân bón hóa học trong nông nghiệp tại Việt Nam ở mức báo động (tiêu thụ trung bình khoảng 400 – 418,4 kg/ha theo số liệu FAO, thất thoát phân đạm từ 60% đến 65%), kết hợp với chất thải chăn nuôi và nước thải sinh hoạt thẩm thấu, đã khiến hàm lượng Nitrate ($\text{NO}_3^-$) trong các tầng chứa nước gia tăng. Nitrate là dạng nitơ vô cơ tan nhanh, không bị hấp phụ mạnh trong đất, có thể tồn tại nhiều thập kỷ trong tầng ngậm nước. Khi dung nạp qua đường nước uống, Nitrate bị khử thành Nitrite ($\text{NO}_2^-$), cạnh tranh liên kết với hemoglobin tạo thành methemoglobin, gây hội chứng "trẻ xanh" (methemoglobinemia) ở trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ do thiếu oxy mô, đồng thời có thể kết hợp với các amin bậc hai, bậc ba tạo nitrosamine gây ung thư đường tiêu hóa.

Trước thực trạng đó, đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường của nhóm tác giả Trương Hoàng Việt Hằng và Lê Thanh Mai tập trung giải quyết bài toán kiểm soát chất lượng nước thông qua hai mục tiêu chính:

  1. Đánh giá rủi ro sức khỏe do ô nhiễm Nitrate trong nguồn nước tại huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh.
  2. Đề xuất phương pháp xử lý Nitrate có trong nguồn nước tại huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh.

Nhiệm vụ nghiên cứu được cụ thể hóa thành 4 nội dung:

  • Thu thập mẫu nước ngầm và nước thủy cục tại khu vực huyện Bình Chánh, Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Khảo sát nồng độ Nitrate và các chất ô nhiễm khác có trong nguồn nước.
  • Đánh giá chỉ số chất lượng nước uống (DWQI) và rủi ro sức khỏe do ô nhiễm Nitrate đối với sức khỏe cộng đồng.
  • Đề xuất phương pháp xử lý Nitrate có trong nguồn nước bằng vật liệu nhựa trao đổi anion.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nguồn nước giếng khoan (trước và sau hệ thống lọc hộ gia đình) và nước thủy cục tại các hộ dân ở huyện Bình Chánh trong hai mùa: mùa khô (tháng 11 đến tháng 4 năm sau) và mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10); các chỉ tiêu hóa lý gồm pH, TDS, anion ($\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$), cation ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{NH}_4^+$) và tổng lượng carbon hữu cơ (TOC); vật liệu nhựa trao đổi anion Lewatit® TP 106.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thu thập mẫu tại các hộ dân thuộc các xã, thị trấn trên địa bàn huyện Bình Chánh; các phân tích thực nghiệm và mô hình hóa được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Cao 2 (CNC2), Phòng thí nghiệm Môi trường (B107) và Phòng Mô hình chất thải thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện từ 18/04/2024 đến 30/07/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về chu trình nitơ trong môi trường và chuyển hóa sinh hóa trong cơ thể con người. Sự biến đổi từ hợp chất hữu cơ chứa nitơ và amoniac ($\text{NH}_3$) thành nitrite ($\text{NO}_2^-$) qua vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó thành nitrate ($\text{NO}_3^-$) qua vi khuẩn Nitrobacter là cơ chế tích lũy nitrat chủ yếu trong môi trường nước. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước ăn uống được đối chiếu theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01-1:2024/BYT do Bộ Y tế ban hành (với ngưỡng giới hạn của Nitrate là 11 mg/L tính theo N).

Về mặt đánh giá rủi ro sức khỏe con người (HHRA), nghiên cứu vận dụng khung hướng dẫn của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA), Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Hệ thống Thông tin Đánh giá Rủi ro (RAIS). Rủi ro phi ung thư được xác định thông qua việc tính toán liều phơi nhiễm hàng ngày mãn tính qua con đường ăn uống ($CDI_{IN}$) và qua con đường tiếp xúc qua da ($CDI_{DE}$ hoặc DAD), từ đó xác định hệ số nguy hại ($HQ = CDI / RfD$, với $RfD$ là liều tham chiếu) và chỉ số tổng hợp mối nguy ($HI = \sum HQ$). Các kịch bản phơi nhiễm được thiết lập đa dạng cho các nhóm lứa tuổi gồm trẻ sơ sinh (< 3 tuổi), trẻ em, nam giới và nữ giới trưởng thành.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu bao gồm:

  • Phương pháp phân tích dụng cụ: Nồng độ các anion ($\text{Cl}^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$) và cation ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{NH}_4^+$) được phân tích định lượng bằng hệ thống sắc ký ion (ICs). Độ pH và tổng chất rắn hòa tan (TDS) được đo trực tiếp tại hiện trường và kiểm tra lại trong phòng thí nghiệm; chỉ tiêu carbon hữu cơ tổng số được xác định qua thiết bị phân tích TOC.
  • Phương pháp đánh giá chất lượng nước: Thiết lập Chỉ số chất lượng nước uống (Drinking Water Quality Index - DWQI) nhằm xếp hạng chất lượng các nguồn nước theo thang bậc chất lượng.
  • Phương pháp thực nghiệm xử lý bằng trao đổi ion:
    • Thí nghiệm mẻ (Batch experiment): Thực hiện trên dung dịch nước tổng hợp giả lập nhằm khảo sát ảnh hưởng của liều lượng nhựa Lewatit® TP 106 (từ 0,2 g/L đến 2,0 g/L), nồng độ Nitrate ban đầu và nhiệt độ phản ứng (20°C, 30°C, 40°C).
    • Thí nghiệm cột chảy liên tục (Fixed-bed column experiment): Khảo sát đường cong xuyên phá đối với cả nước giả lập và nguồn nước giếng thực tế, đánh giá tính cạnh tranh hấp phụ giữa Nitrate với các anion khác ($\text{SO}_4^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{Cl}^-$).
  • Mô hình hóa toán học và nhiệt động học:
    • Động học hấp phụ: Áp dụng phương trình động học bậc một giả định (pseudo-first-order) và bậc hai giả định (pseudo-second-order) để xác định cơ chế kiểm soát tốc độ trao đổi.
    • Đẳng nhiệt hấp phụ: Mô tả qua mô hình Langmuir, Freundlich và Dubinin – Radushkevich (D-R) để làm rõ dung lượng đơn lớp và bản chất năng lượng hấp phụ ($E$).
    • Nhiệt động học: Vận dụng phương trình Van’t Hoff để tính toán biến thiên năng lượng tự do Gibbs ($\Delta G^\circ$), biến thiên enthalpy ($\Delta H^\circ$) và biến thiên entropy ($\Delta S^\circ$).
  • Xử lý số liệu và trực quan hóa: Sử dụng phần mềm Microsoft Excel cho tính toán các chỉ số toán học; Origin vẽ đồ thị đường cong hấp phụ và hồi quy; QGIS thể hiện tọa độ các trạm lấy mẫu và nội suy bản đồ phân bố không gian chỉ số rủi ro $HI$; SPSS thực hiện phân tích tương quan và kiểm định thống kê phi tham số Mann–Whitney.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu nêu rõ tính cấp thiết của việc kiểm soát ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước sinh hoạt tại huyện Bình Chánh. Tác giả chỉ ra tốc độ đô thị hóa nhanh kết hợp với sản xuất nông nghiệp thâm canh sử dụng nhiều phân bón vô cơ đã tạo ra nguy cơ tích tụ Nitrate lâu dài trong các tầng nước ngầm Pleitoxen. Mục tiêu tổng quát, 4 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng nước giếng, nước thủy cục, hạt nhựa Lewatit® TP 106 và phạm vi thực nghiệm tại địa phương cùng các phòng thí nghiệm chuyên ngành được xác lập chi tiết.

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

Chương 1 cung cấp tổng quan về địa bàn nghiên cứu:

  • Điều kiện địa lý, địa hình và thủy văn huyện Bình Chánh: Cao trình nghiêng thấp dần từ 3m xuống 0,3m, chia làm ba dạng địa hình (gò cao ở Vĩnh Lộc A, Vĩnh Lộc B; đất bằng ở các xã trung tâm; vùng trũng đầm lầy ở Tân Nhựt, Bình Lợi, Lê Minh Xuân). Khí hậu chia thành mùa khô (tháng 11 đến tháng 4) và mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10) với lượng mưa tập trung cao vào các tháng 7, 8, 9.
  • Hiện trạng cấp nước: Hệ thống nước thủy cục do Xí nghiệp Cấp nước Sinh hoạt Nông thôn TP.HCM quản lý đạt công suất thiết kế khoảng 250.000 m³/ngày đêm, tuy nhiên tình trạng đường ống cũ, nước yếu cuối nguồn và chi phí đấu nối khiến hàng ngàn hộ dân duy trì thói quen dùng nước ngầm (tổng công suất khai thác nước ngầm toàn huyện năm 2022 đạt khoảng 100.000 m³/ngày đêm, trong đó sinh hoạt chiếm 60.000 m³/ngày đêm).
  • Bản chất và nguồn phát sinh Nitrate: Phân tích chi tiết nguồn tự nhiên (chu trình sinh hóa, phân hủy mùn hữu cơ, lắng đọng khí quyển từ 1 – 10 mg/L $\text{NO}_3^-$) và nguồn nhân tạo (phân bón hóa học với lượng dùng hơn 400 kg/ha tại Việt Nam, nước thải sinh hoạt dao động từ 20 đến 50 mg/L $\text{NO}_3^-$, nước rỉ bãi rác và chất thải chăn nuôi).
  • Độc tính Nitrate và khung đánh giá rủi ro: Làm rõ cơ chế tạo methemoglobin trong máu gây ngạt mô ở người, nguy cơ ung thư dạ dày từ các hợp chất N-Nitroso. So sánh ưu nhược điểm của các quy trình đánh giá rủi ro USEPA, WHO và RAIS.
  • Giới thiệu vật liệu xử lý: Đặc tính cấu trúc, tính chất hóa lý và thông số kỹ thuật của nhựa trao đổi anion chuyên dụng Lewatit® TP 106.

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết quy trình lấy mẫu và phân tích:

  • Phương pháp phân bổ vị trí lấy mẫu nước giếng và nước máy theo tỷ lệ dân cư tại các xã trên toàn địa bàn huyện Bình Chánh.
  • Quy trình phân tích các chỉ tiêu ion vô cơ bằng sắc ký ion (ICs) và phân tích TOC.
  • Phương pháp xác định chỉ số chất lượng nước ăn uống (DWQI).
  • Thiết lập 5 kịch bản đánh giá phơi nhiễm rủi ro sức khỏe cộng đồng qua hai con đường ăn uống trực tiếp ($CDI_{IN}$) và hấp thụ qua da ($CDI_{DE}$) cho các nhóm dân cư theo hướng dẫn USEPA.
  • Thiết kế hệ thống thực nghiệm hấp phụ mẻ (khảo sát liều lượng nhựa, nồng độ ban đầu, nhiệt độ) và hệ thống cột trao đổi ion liên tục.
  • Hệ thống công thức toán học dùng trong phân tích động học hấp phụ (bậc một, bậc hai), đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich, Dubinin-Radushkevich) và phương trình nhiệt động học Van’t Hoff.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 tổng hợp và biện luận các kết quả nghiên cứu thực nghiệm:

  • Chất lượng nước sinh hoạt: Nước thủy cục có chất lượng rất ổn định ở cả hai mùa với chỉ số DWQI dao động từ 9 đến 44, đạt mức chất lượng "tốt" đến "rất tốt". Ngược lại, nguồn nước giếng khoan (kể cả các mẫu đã qua hệ thống lọc thô tại hộ dân) bị suy thoái chất lượng rõ rệt vào mùa mưa, chỉ số DWQI tăng vọt lên đến 202, rơi vào phân loại nước chất lượng "kém" đến "rất kém".
  • Nguồn gốc ô nhiễm Nitrate: Phân tích tương quan trên thang logarit cho thấy nồng độ $\text{NO}_3^-$ có mối liên hệ mật thiết và tương quan thuận với $\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$ và $\text{K}^+$. Điều này khẳng định sự tích tụ Nitrate trong nước ngầm huyện Bình Chánh chịu chi phối mạnh mẽ từ nước thải sinh hoạt, phân bón hóa học trong nông nghiệp và hiện tượng xâm nhập mặn. Tương quan giữa $\text{Na}^+$ với $\text{Cl}^-$ và $\text{Mg}^{2+}$ với $(\text{Cl}^- + \text{NO}_3^-)$ làm rõ tác động đồng thời của địa chất trầm tích và áp lực nhân sinh.
  • Đánh giá rủi ro sức khỏe (HHRA): Nhóm trẻ em dưới 3 tuổi (trẻ sơ sinh) ghi nhận chỉ số liều hấp thụ mãn tính $CDI_{IN}$ cao nhất trong mọi kịch bản. Chỉ số tổng hợp mối nguy phi ung thư ($HI$) của nhóm này tiệm cận và vượt ngưỡng an toàn ($HI > 1$), tạo nên nguy cơ rủi ro cao về methemoglobin huyết. Kiểm định thống kê Mann–Whitney chỉ ra không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa một số kịch bản dùng nước uống trực tiếp, nhưng sự chênh lệch rủi ro giữa việc dùng nước máy và nước giếng chưa xử lý là rất lớn.
  • Kết quả xử lý bằng nhựa Lewatit® TP 106:
    • Thí nghiệm mẻ: Khi tăng liều lượng nhựa từ 0,2 g/L lên 2,0 g/L, hiệu suất loại bỏ $\text{NO}_3^-$ tăng từ 68,7% lên 94,6%, tuy nhiên dung lượng hấp phụ riêng giảm dần do hiện tượng bão hòa bề mặt pha rắn.
    • Động học và đẳng nhiệt: Quá trình hấp phụ tuân theo mô hình động học bậc hai giả định ($R^2 \approx 0,999$), phản ánh cơ chế trao đổi ion hóa học giữ vai trò khống chế tốc độ phản ứng. Dữ liệu cân bằng mô tả phù hợp nhất với mô hình Langmuir.
    • Nhiệt động học: Phân tích Van’t Hoff xác định $\Delta H^\circ = +11,43\text{ kJ/mol}$, $\Delta S^\circ = +22,70\text{ J/mol}\cdot\text{K}$ và $\Delta G^\circ > 0$, chứng minh phản ứng hấp phụ trao đổi ion mang bản chất thu nhiệt và không tự phát trong khoảng nhiệt độ khảo sát (20°C – 40°C). Năng lượng hấp phụ trung bình tính từ mô hình Dubinin – Radushkevich đều đạt giá trị $E > 4000\text{ kJ/mol}$ tại 20°C, 30°C và 40°C, khẳng định lực liên kết hóa học bền vững giữa ion Nitrate và nhóm chức tích điện dương trên nhựa.
    • Chạy cột liên tục và tính cạnh tranh ion: Đường cong xuyên phá trên cột nước giả lập và nước thực tế ghi nhận hiệu suất xử lý Nitrate cao ở giai đoạn đầu và suy giảm dần khi cột tiến về điểm bão hòa. Hiệu suất xử lý Nitrate trong nước thực tế bị suy giảm do sự cạnh tranh chiếm giữ vị trí trao đổi của các anion hóa trị hai và ba như $\text{SO}_4^{2-}$ và $\text{PO}_4^{3-}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về hiện trạng chất lượng nước, rủi ro phơi nhiễm và hiệu quả kỹ thuật của giải pháp xử lý Nitrate:

Hạng mục / Thông số Kết quả định lượng trong đồ án Ý nghĩa khoa học / thực tiễn
Chất lượng nước thủy cục (DWQI) DWQI = 9 – 44 (cả mùa khô và mùa mưa) Nước thủy cục đạt mức "tốt" đến "rất tốt", an toàn cho cấp nước sinh hoạt.
Chất lượng nước giếng khoan (DWQI) DWQI tăng vọt lên tới 202 vào mùa mưa Nước giếng suy giảm nghiêm trọng vào mùa mưa, hệ thống lọc hộ gia đình không loại bỏ triệt để chất ô nhiễm.
Đối tượng rủi ro sức khỏe cao nhất Trẻ dưới 3 tuổi ($HI$ tiệm cận và $> 1$) Trẻ nhỏ có nguy cơ ngộ độc methemoglobin huyết cao khi sử dụng nước giếng ô nhiễm Nitrate.
Tương quan nguồn gốc Nitrate Tương quan thuận với $\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{K}^+$ Xác định ô nhiễm bắt nguồn từ nước thải sinh hoạt, dư lượng phân bón nông nghiệp và xâm nhập mặn.
Hiệu suất xử lý nhựa Lewatit® TP 106 Tăng từ 68,7% lên 94,6% khi tăng nhựa từ 0,2 lên 2,0 g/L Tăng diện tích tiếp xúc và nhóm chức trao đổi; liều lượng tối ưu cần cân đối với dung lượng bão hòa.
Động học hấp phụ Động học bậc hai giả định ($R^2 \approx 0,999$) Cơ chế kiểm soát tốc độ là phản ứng trao đổi ion hóa học.
Thông số nhiệt động học Van’t Hoff $\Delta H^\circ = +11,43\text{ kJ/mol}$; $\Delta S^\circ = +22,70\text{ J/mol}\cdot\text{K}$ Quá trình trao đổi ion là quá trình thu nhiệt và không tự phát ở nhiệt độ phòng.
Năng lượng hấp phụ D-R ($E$) $E > 4000\text{ kJ/mol}$ (tại 20°C, 30°C, 40°C) Khẳng định bản chất trao đổi ion hóa học rất bền vững, không phải hấp phụ vật lý Van der Waals.
Ảnh hưởng cạnh tranh ion Bị cạnh tranh mạnh bởi $\text{SO}_4^{2-}$ và $\text{PO}_4^{3-}$ Ái lực của các anion đa điện tích làm giảm thời gian xuyên phá của Nitrate trong cột nước thực tế.

Giải pháp và đề xuất của tác giả:

  • Kiến nghị chính quyền và các cơ quan quản lý nước sạch đẩy nhanh việc mở rộng mạng lưới cấp nước thủy cục, đồng thời khuyến cáo người dân không sử dụng trực tiếp nước giếng khoan chưa xử lý chuyên biệt cho mục đích ăn uống, đặc biệt đối với gia đình có trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ.
  • Ứng dụng công nghệ trao đổi ion sử dụng nhựa Lewatit® TP 106 vào các trạm cấp nước cục bộ hoặc thiết bị lọc chuyên sâu tại hộ gia đình để khử Nitrate triệt để đạt chuẩn QCVN 01-1:2024/BYT.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm đồng bộ theo hai mùa về hàm lượng Nitrate và các ion đa lượng trong nguồn nước sinh hoạt tại một địa bàn ven đô có tốc độ đô thị hóa nhanh như huyện Bình Chánh.
  • Áp dụng thành công mô hình HHRA tích hợp bản đồ GIS để trực quan hóa không gian rủi ro sức khỏe cộng đồng theo từng nhóm lứa tuổi.
  • Làm sáng tỏ các thông số động học, đẳng nhiệt và nhiệt động học của hạt nhựa Lewatit® TP 106 đối với ion Nitrate trong môi trường nước giả lập và nước thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo đánh giá của cán bộ hướng dẫn (TS. Trần Thị Kim Anh) và cán bộ phản biện (TS. Nguyễn Mỹ Linh), đề tài còn tồn tại một số hạn chế nhất định:

  • Trong phần nghiên cứu giải pháp xử lý với nhựa trao đổi ion, các thí nghiệm khảo sát dạng mẻ chủ yếu tiến hành trên môi trường nước giả lập pha chế trong phòng thí nghiệm mà chưa khảo sát toàn diện trên các mẫu nước ngầm thực tế lấy tại các xã bị ô nhiễm.
  • Chưa khảo sát chi tiết cấu tạo kỹ thuật và hiệu quả loại bỏ của các hệ thống lọc nước dân dụng tại từng hộ gia đình khảo sát.
  • Hiệu suất xử lý trên cột chảy liên tục của nước thực tế bị ảnh hưởng đáng kể bởi các ion cạnh tranh ($\text{SO}_4^{2-}$, $\text{PO}_4^{3-}$), tuy nhiên nghiên cứu chưa đi sâu vào cơ chế cạnh tranh động học chi tiết của từng loại ion trong nền nước ngầm tự nhiên.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Triển khai thí nghiệm mẻ và cột liên tục với nguồn nước ngầm thực tế tại các điểm có nồng độ Nitrate cao ở huyện Bình Chánh.
  • Nghiên cứu quy trình hoàn nguyên (regeneration) hạt nhựa Lewatit® TP 106 sau bão hòa và đánh giá độ bền, dung lượng trao đổi của vật liệu qua nhiều chu kỳ tái sinh.
  • Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ tự nhiên (TOC) và các ion kim loại đến tuổi thọ của hạt nhựa trong điều kiện vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hóa học, Quản lý Tài nguyên Nước và Y tế Công cộng.
  • Kỹ sư môi trường quan tâm đến thiết kế hệ thống xử lý nước ngầm nhiễm hợp chất nitơ bằng công nghệ trao đổi ion.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường, y tế dự phòng và tài nguyên nước tại Thành phố Hồ Chí Minh trong việc xây dựng kế hoạch giám sát chất lượng nước và quy hoạch mạng lưới cấp nước nông thôn – đô thị.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao gồm:

  • Quy trình chuẩn hóa đánh giá rủi ro sức khỏe cộng đồng (HHRA) theo USEPA và kỹ thuật xử lý dữ liệu không gian bằng QGIS.
  • Phương pháp luận tính toán các thông số nhiệt động học (Van’t Hoff), động học (bậc một, bậc hai giả định) và đẳng nhiệt hấp phụ (Langmuir, Freundlich, Dubinin – Radushkevich).
  • Quy trình đối chiếu quy chuẩn chất lượng nước ăn uống theo QCVN 01-1:2024/BYT.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguồn phát sinh Nitrate chủ yếu trong nguồn nước ngầm tại huyện Bình Chánh bắt nguồn từ đâu?
Kết quả phân tích tương quan giữa $\text{NO}_3^-$ với $\text{Cl}^-$, $\text{SO}_4^{2-}$ và $\text{K}^+$ cho thấy ô nhiễm Nitrate trong nước ngầm huyện Bình Chánh bắt nguồn từ sự kết hợp của ba nguồn chính: lượng phân bón vô cơ dư thừa từ hoạt động canh tác nông nghiệp (tiêu thụ phân bón trung bình trên 400 kg/ha với độ thất thoát phân đạm 60 – 65%), sự ngấm rỉ của nước thải sinh hoạt và chất thải chăn nuôi chưa qua xử lý, kết hợp cùng hiện tượng xâm nhập mặn tự nhiên qua các kênh rạch.

2. Chất lượng nước giếng khoan và nước thủy cục tại Bình Chánh khác biệt như thế nào qua chỉ số DWQI?
Nguồn nước thủy cục đạt chất lượng ổn định ở cả hai mùa với chỉ số DWQI dao động từ 9 đến 44, tương ứng mức "tốt" đến "rất tốt". Trong khi đó, nguồn nước giếng khoan – kể cả các mẫu lấy sau hệ thống lọc thô tại nhà dân – suy giảm nghiêm trọng vào mùa mưa với chỉ số DWQI tăng cao lên đến 202, rơi vào mức "kém" đến "rất kém".

3. Nhóm đối tượng nào chịu rủi ro sức khỏe cao nhất trước tình trạng ô nhiễm Nitrate trong nước tại địa phương?
Nhóm trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ dưới 3 tuổi là đối tượng chịu rủi ro lớn nhất do có tỷ lệ hấp thụ hàng ngày mãn tính ($CDI_{IN}$) cao tính trên đơn vị khối lượng cơ thể. Chỉ số tổng hợp mối nguy phi ung thư ($HI$) của nhóm này tiệm cận hoặc vượt ngưỡng an toàn ($HI > 1$), đối diện với nguy cơ cao về hội chứng thiếu oxy máu do methemoglobin huyết.

4. Hiệu quả loại bỏ Nitrate của nhựa Lewatit® TP 106 và bản chất nhiệt động học của quá trình hấp phụ diễn ra như thế nào?
Hiệu suất loại bỏ Nitrate tăng từ 68,7% lên 94,6% khi tăng liều lượng nhựa từ 0,2 lên 2,0 g/L. Động học phản ứng tuân theo mô hình bậc hai giả định ($R^2 \approx 0,999$). Quá trình trao đổi mang bản chất thu nhiệt và không tự phát ($\Delta H^\circ = +11,43\text{ kJ/mol}$, $\Delta S^\circ = +22,70\text{ J/mol}\cdot\text{K}$, $\Delta G^\circ > 0$), với năng lượng hấp phụ trung bình Dubinin – Radushkevich $E > 4000\text{ kJ/mol}$, chứng minh cơ chế liên kết hóa học ion bền vững giữa $\text{NO}_3^-$ và nhóm chức trên nhựa.

5. Yếu tố nào làm suy giảm hiệu quả xử lý Nitrate của hạt nhựa khi vận hành cột chảy liên tục với nguồn nước thực tế?
Trong điều kiện nước ngầm thực tế, sự hiện diện đồng thời của các anion có ái lực và điện tích cao như sulfat ($\text{SO}_4^{2-}$) và phosphat ($\text{PO}_4^{3-}$) tạo ra sự cạnh tranh mạnh mẽ tại các trung tâm trao đổi ion trên bề mặt hạt nhựa, làm rút ngắn thời gian xuyên phá và giảm dung lượng hấp phụ hiệu dụng của Nitrate so với nước giả lập tinh khiết.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trương Hoàng Việt Hằng và Lê Thanh Mai đã làm rõ thực trạng ô nhiễm Nitrate trong nguồn nước tại huyện Bình Chánh, xác lập cơ sở khoa học chứng minh sự suy thoái chất lượng nước ngầm vào mùa mưa và nguy cơ rủi ro sức khỏe phi ung thư đối với nhóm trẻ dưới 3 tuổi. Công trình chứng minh tính khả thi kỹ thuật của vật liệu nhựa trao đổi anion Lewatit® TP 106 trong việc xử lý Nitrate với hiệu suất loại bỏ đạt trên 94%, tuân theo động học bậc hai và mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả nghiên cứu là tài liệu khoa học hữu ích hỗ trợ công tác quản lý cấp nước nông thôn và mở ra hướng ứng dụng công nghệ trao đổi ion nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng vùng ven đô.