Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm hữu cơ trong nguồn nước mặt là một trong những thách thức lớn đối với chất lượng nước cấp sinh hoạt, đặc biệt tại các khu vực nông thôn Việt Nam. Theo ước tính, khoảng 65% dân số Việt Nam sinh sống ở vùng nông thôn, nơi nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm hữu cơ do hoạt động sinh hoạt, sản xuất và các nguồn thải đô thị, công nghiệp. Tình trạng này không chỉ làm suy giảm chất lượng nước mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, với hàng nghìn ca bệnh liên quan đến nước ô nhiễm được ghi nhận mỗi năm. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước mặt nhằm nâng cao chất lượng nước cấp cho các trạm cấp nước nông thôn, điển hình là tỉnh Bến Tre trong giai đoạn năm 2015-2020. Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng công nghệ hấp phụ than hoạt tính dạng hạt trước điểm khử trùng, nhằm giảm thiểu các hợp chất hữu cơ hòa tan và hạn chế sự hình thành các sản phẩm phụ độc hại như Trihalomethanes (THMs). Việc cải tiến công nghệ xử lý nước mặt có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ sức khỏe người dân, đảm bảo an toàn nguồn nước và nâng cao hiệu quả vận hành các trạm cấp nước nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết hấp phụ và mô hình xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ. Lý thuyết hấp phụ giải thích cơ chế các chất hữu cơ hòa tan bị giữ lại trên bề mặt than hoạt tính thông qua các lỗ xốp micro, meso và macro, với diện tích bề mặt lớn từ 500 đến 1500 m²/g, giúp tăng hiệu quả loại bỏ các hợp chất hữu cơ phức tạp. Mô hình xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ bao gồm các khái niệm chính như: chỉ số COD (Chemical Oxygen Demand) để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ, quá trình keo tụ - tạo bông, lắng, lọc và hấp phụ than hoạt tính dạng hạt (GAC). Ngoài ra, các chỉ tiêu như TOC (Tổng carbon hữu cơ), BOD (Nhu cầu oxy sinh hóa), DO (Oxy hòa tan) và các sản phẩm phụ khử trùng như THMs cũng được xem xét để đánh giá hiệu quả xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các trạm cấp nước nông thôn điển hình tại tỉnh Bến Tre, bao gồm số liệu chất lượng nước mặt từ năm 2015 đến 2020, đặc biệt là nồng độ COD và các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ khác. Phương pháp nghiên cứu chính là thực nghiệm mô hình Pilot sử dụng than hoạt tính dạng hạt để xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ. Cỡ mẫu gồm các mẫu nước thô lấy từ trạm cấp nước Phú Đức và các điểm khảo sát khác trong tỉnh. Phương pháp phân tích mẫu tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN), sử dụng phương pháp đo COD bằng quang phổ UV-VIS và các chỉ tiêu liên quan. Dữ liệu thu thập được xử lý thống kê, phân tích so sánh hiệu quả xử lý trước và sau khi áp dụng than hoạt tính, đồng thời xây dựng quy trình công nghệ cải tiến cho trạm cấp nước. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, từ khảo sát hiện trạng đến thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ bằng than hoạt tính dạng hạt: Thí nghiệm mô hình Pilot cho thấy, với thời gian tiếp xúc khoảng 20 phút, than hoạt tính dạng hạt loại bỏ được từ 60% đến 75% nồng độ COD trong nước mặt, giảm từ mức trung bình 15 mg/L xuống còn dưới 5 mg/L, đáp ứng tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

  2. Giảm thiểu sản phẩm phụ khử trùng THMs: Việc xử lý ô nhiễm hữu cơ trước điểm khử trùng giúp giảm đáng kể nồng độ THMs trong nước sau xử lý, giảm khoảng 30-40% so với quy trình truyền thống chỉ sử dụng clo hóa. Điều này góp phần hạn chế nguy cơ ung thư và các bệnh liên quan đến sản phẩm phụ khử trùng.

  3. Tính khả thi về kinh tế: Tính toán chi phí bổ sung cho công nghệ lọc than hoạt tính dạng hạt cho trạm cấp nước Phú Đức cho thấy mức giá nước tăng thêm khoảng 10-15%, trong khi hiệu quả xử lý và chất lượng nước được cải thiện rõ rệt, đảm bảo an toàn sức khỏe người dân.

  4. So sánh với các phương pháp khác: So với phương pháp keo tụ - tạo bông truyền thống chỉ loại bỏ được khoảng 50% chất hữu cơ hòa tan, công nghệ hấp phụ than hoạt tính dạng hạt có hiệu quả cao hơn từ 10-25%, đồng thời vận hành đơn giản và ổn định hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hiệu quả cao của than hoạt tính dạng hạt là do cấu trúc lỗ xốp đa dạng và diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hấp phụ các hợp chất hữu cơ phức tạp trong nước mặt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế tại Đài Loan và Trung Quốc, nơi than hoạt tính kết hợp với màng lọc MF đã loại bỏ đến 90% carbon hữu cơ hòa tan. Việc giảm nồng độ THMs cũng đồng nhất với các báo cáo về kiểm soát sản phẩm phụ khử trùng bằng cách xử lý ô nhiễm hữu cơ trước điểm khử trùng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ COD và THMs theo thời gian tiếp xúc với than hoạt tính, cũng như bảng so sánh chi phí và hiệu quả giữa các phương pháp xử lý. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ bằng than hoạt tính dạng hạt cho các trạm cấp nước nông thôn, góp phần nâng cao chất lượng nước và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ lọc than hoạt tính dạng hạt tại các trạm cấp nước nông thôn: Chủ động cải tiến dây chuyền công nghệ hiện tại bằng cách bổ sung cột lọc than hoạt tính trước điểm khử trùng, nhằm giảm nồng độ chất hữu cơ hòa tan và sản phẩm phụ khử trùng. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 12 tháng, do các đơn vị quản lý trạm cấp nước phối hợp với các chuyên gia kỹ thuật.

  2. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ vận hành trạm về kỹ thuật vận hành, bảo trì cột lọc than hoạt tính, đảm bảo hiệu quả xử lý và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo trong 3 tháng đầu sau khi lắp đặt.

  3. Xây dựng hệ thống giám sát chất lượng nước liên tục: Thiết lập hệ thống lấy mẫu và phân tích định kỳ các chỉ tiêu COD, THMs, TOC để đánh giá hiệu quả xử lý và kịp thời điều chỉnh quy trình vận hành. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn, với tần suất giám sát 6 tháng/lần.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển công nghệ xử lý: Hỗ trợ các đề tài nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện công nghệ hấp phụ than hoạt tính, kết hợp với các phương pháp xử lý sinh học hoặc oxy hóa bậc cao để nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước mặt. Thời gian triển khai dài hạn, từ 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành trạm cấp nước nông thôn: Nhận được hướng dẫn cụ thể về công nghệ xử lý ô nhiễm hữu cơ, giúp nâng cao chất lượng nước cấp và đảm bảo an toàn sức khỏe cộng đồng.

  2. Chuyên gia và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cấp thoát nước: Có cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để phát triển các giải pháp xử lý nước mặt ô nhiễm hữu cơ phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  3. Các đơn vị tư vấn và thiết kế công trình cấp nước: Tham khảo quy trình công nghệ cải tiến, tính toán thiết kế cột lọc than hoạt tính dạng hạt, từ đó áp dụng vào các dự án cấp nước nông thôn.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và tài nguyên nước: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thực hiện xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước mặt, góp phần bảo vệ nguồn nước quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn than hoạt tính dạng hạt thay vì dạng bột để xử lý ô nhiễm hữu cơ?
    Than hoạt tính dạng hạt có cấu trúc bền vững, dễ vận hành và tái sinh hơn so với dạng bột. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng hiệu quả hấp phụ và tuổi thọ sử dụng dài hơn giúp giảm chi phí vận hành tổng thể.

  2. Hiệu quả xử lý ô nhiễm hữu cơ của công nghệ này đạt bao nhiêu phần trăm?
    Thí nghiệm thực tế cho thấy than hoạt tính dạng hạt loại bỏ từ 60% đến 75% nồng độ COD trong nước mặt, vượt trội hơn so với phương pháp keo tụ truyền thống chỉ đạt khoảng 50%.

  3. Giải pháp này có phù hợp với các trạm cấp nước quy mô nhỏ không?
    Có, công nghệ lọc than hoạt tính dạng hạt có thể được thiết kế linh hoạt phù hợp với quy mô trạm cấp nước nhỏ, giúp nâng cao chất lượng nước mà không làm tăng quá nhiều chi phí vận hành.

  4. Làm thế nào để kiểm soát sự hình thành sản phẩm phụ khử trùng như THMs?
    Giảm nồng độ chất hữu cơ hòa tan trước điểm khử trùng bằng than hoạt tính là cách hiệu quả nhất để hạn chế sự hình thành THMs, đồng thời có thể điều chỉnh liều lượng và loại hóa chất khử trùng.

  5. Chi phí tăng thêm khi áp dụng công nghệ này là bao nhiêu?
    Tính toán cho trạm cấp nước Phú Đức cho thấy chi phí sản xuất nước sạch tăng thêm khoảng 10-15%, mức tăng này được đánh giá là hợp lý so với lợi ích về chất lượng nước và sức khỏe cộng đồng.

Kết luận

  • Xác định được hiệu quả hấp phụ của than hoạt tính dạng hạt trong xử lý ô nhiễm hữu cơ nước mặt, với khả năng loại bỏ COD đạt 60-75%.
  • Đề xuất quy trình công nghệ cải tiến cho các trạm cấp nước nông thôn, đặc biệt là tại tỉnh Bến Tre, nhằm nâng cao chất lượng nước cấp.
  • Đánh giá được tác động tích cực trong việc giảm thiểu sản phẩm phụ khử trùng THMs, góp phần bảo vệ sức khỏe người dân.
  • Tính toán chi phí bổ sung hợp lý, đảm bảo tính khả thi về kinh tế khi áp dụng công nghệ mới.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng rộng rãi công nghệ lọc than hoạt tính dạng hạt kết hợp đào tạo vận hành và giám sát chất lượng nước định kỳ.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng thử nghiệm tại các trạm cấp nước khác trong khu vực và xây dựng hướng dẫn kỹ thuật chi tiết cho việc vận hành công nghệ. Các đơn vị quản lý và vận hành trạm cấp nước được khuyến khích áp dụng giải pháp này để nâng cao chất lượng nước sinh hoạt, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững nguồn nước nông thôn.