Tổng quan nghiên cứu

Huyện Nho Quan và huyện Gia Viễn thuộc tỉnh Ninh Bình là hai địa bàn trọng điểm nằm trong vùng phân lũ của hệ thống sông Hoàng Long. Trong suốt 50 năm qua kể từ khi hệ thống sông được hình thành, khu vực này đã phải trải qua 20 lần xả lũ lớn. Theo số liệu thống kê thực tế, mỗi đợt phân lũ khiến toàn huyện Nho Quan có tới 17 xã bị ngập úng, trong đó 7 xã rơi vào tình trạng ngập toàn diện với độ sâu dao động từ 1 mét đến 3 mét so với nền nhà, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của 20.300 hộ dân với hơn 81.000 nhân khẩu. Khi lũ lụt tràn về, toàn bộ nguồn nước mặt và nước ngầm tầng nông đều bị ô nhiễm nghiêm trọng bởi phù sa, rác thải, bùn đất và các loại vi sinh vật gây bệnh. Theo đánh giá của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), các bệnh truyền nhiễm liên quan đến nguồn nước không hợp vệ sinh (như tiêu chảy, dịch tả, lỵ trực trùng, thương hàn) đứng hàng thứ ba trong các nguyên nhân gây tử vong và đe dọa sức khỏe cộng đồng.

Ở phạm vi quốc gia, kết thúc Chương trình Mục tiêu Quốc gia giai đoạn 2006 - 2010, cả nước đã có 52,1 triệu người dân nông thôn được dùng nước hợp vệ sinh (đạt tỷ lệ 83,1%), tuy nhiên tỷ lệ dân cư nông thôn được tiếp cận nguồn nước đạt chuẩn QCVN 02/BYT của Bộ Y tế chỉ đạt mức 42%. Nhằm hiện thực hóa Quyết định số 366/QĐ-TTg ngày 31/3/2012 của Thủ tướng Chính phủ với mục tiêu đến cuối năm 2015 có 85% dân số nông thôn được sử dụng nước hợp vệ sinh (trong đó 45% đạt quy chuẩn QCVN 02/BYT với định mức tối thiểu 60 lít/người/ngày), đề tài nghiên cứu của tác giả Hà Thị Phú tại Trường Đại học Thủy lợi đã tập trung giải quyết vấn đề cấp bách: Ứng dụng công nghệ vật liệu nano tiên tiến trong lọc nước và cấp nước sinh hoạt khẩn cấp cho vùng ngập lũ huyện Nho Quan, tỉnh Ninh Bình. Đề tài mở ra hướng đi mới trong việc cấp nước dã chiến, đáp ứng tiêu chuẩn nước ăn uống và sinh hoạt an toàn với định mức 50 lít/người/ngày cho người dân trong và sau mùa bão lũ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của khoa học vật liệu nano kết hợp với các nguyên lý thủy lực và kỹ thuật xử lý nước cấp hiện đại. Khi vật liệu được thu nhỏ xuống kích thước nanomet (từ 1 đến 100 nanomet), các hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và kích thước tới hạn bắt đầu chi phối. Tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích tăng vọt giúp khả năng phản ứng và hấp phụ tạp chất ô nhiễm đạt hiệu suất tối đa so với vật liệu ở dạng khối thông thường.

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào 3 nhóm vật liệu nano chủ đạo:

Thứ nhất, hợp chất carbon nano phản ứng cao USVR (được phát minh năm 1997 và công nhận quốc tế năm 2001). Đây là tổ hợp carbon cấu trúc nano dạng bông xốp nhẹ chứa 20% cấu trúc nano (gồm graphene, ống nano, nhánh nano), sở hữu diện tích bề mặt riêng đạt trên 2000 m2/g. USVR hoàn toàn kỵ nước với góc ướt vượt trên 90 độ, cho phép dòng nước sạch đi qua dễ dàng nhưng liên kết và giữ chặt các hydrocacbon, tạp chất hữu cơ lỏng theo tỷ lệ khối lượng 1:50 và chất khí theo tỷ lệ 1:40 mà không làm biến đổi khoáng chất tự nhiên của nước.

Thứ hai, màng lọc sợi nano Alumina (kích thước sợi 2x250 nanomet). Khi tiếp xúc với dòng nước, các sợi nano Alumina tích điện dương cực mạnh, tạo ra lực hút tĩnh điện để bắt giữ các hạt mang điện tích âm như virus, vi khuẩn (điển hình là vi khuẩn E. coli), clo dư và kim loại nặng.

Thứ ba, hạt nano bạc kết hợp màng polyme axetat xenlulo. Vật liệu này đóng vai trò diệt khuẩn phổ rộng, ngăn chặn sự tái sinh của vi sinh vật trong lõi lọc và xử lý hiệu quả nguồn nước ô nhiễm asen nồng độ cao gấp 4 đến 5 lần mức cho phép cùng nước thải có chỉ số COD vượt trên 5000 mg/l.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp tiếp cận hệ thống kết hợp khảo sát thực địa tại các vùng ngập lũ trọng điểm của huyện Nho Quan (tiêu biểu là xã Lạc Vân). Cỡ mẫu điều tra bao gồm 20 mẫu nước đại diện thu thập từ 3 nguồn chính: nước giếng đào ngập lũ, nước giếng khoan nông và nước mặt sông Hoàng Long trong thời điểm lũ dâng cao. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được lựa chọn để lấy mẫu tại các điểm ngập sâu từ 1 đến 3 mét, nơi tập trung nguy cơ ô nhiễm vi sinh và hóa chất cao nhất.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm đối chứng trong phòng thí nghiệm và hiện trường là nhằm đánh giá chính xác hiệu suất loại bỏ cặn lơ lửng, chất hữu cơ và vi sinh vật giữa các phương pháp truyền thống (keo tụ PAC, đánh phèn, khử trùng Cloramin B) so với mô-đun lọc nano đa cấp. Các chỉ tiêu lý hóa và vi sinh được kiểm định nghiêm ngặt theo Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 02/BYT. Timeline nghiên cứu được triển khai liên tục và kế thừa các kết quả thực nghiệm từ các đề tài nghiên cứu cấp Bộ giai đoạn 2008 - 2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả phân tích chất lượng nước đầu vào tại huyện Nho Quan chỉ ra rằng nước lũ và nước giếng bị ngập có hàm lượng cặn lơ lửng và độ đục tăng đột biến từ 300% đến 500% so với mùa kiệt. Nồng độ vi sinh vật gây bệnh Coliform vượt tiêu chuẩn cho phép từ hàng chục đến hàng trăm lần, tiềm ẩn nguy cơ bùng phát dịch bệnh nghiêm trọng nếu sử dụng trực tiếp.

Thứ hai, thử nghiệm dây chuyền công nghệ tích hợp cho thấy hiệu suất xử lý vượt trội. Dòng nước lũ sau khi qua công đoạn keo tụ trong thiết bị phản ứng dạng ống kết hợp lắng cát thạch anh và than hoạt tính đã giảm trên 85% cặn thô; sau đó tiếp tục đi qua lõi lọc tinh PP kích thước 5 đến 10 micromet và màng lọc nano Alumina kết hợp USVR/nano bạc. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy hệ thống loại bỏ 100% vi khuẩn, virus và cặn bẩn vô cơ, đưa chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt QCVN 02/BYT mà không cần dùng hóa chất Cloramin B gây mùi khó chịu.

Thứ ba, đề tài đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình thiết bị lọc nước lưu động lắp đặt trên thuyền hoặc khung xe kéo dã chiến. Với công suất động cơ bơm 0,6 kW (trang bị kèm máy phát điện dự phòng 2 kVA) và trọng lượng toàn bộ hệ thống dưới 200 kg, thiết bị đạt công suất xử lý thực tế từ 3 đến 5 m3/giờ. Khi vận hành 10 giờ mỗi ngày, hệ thống cung cấp từ 30 đến 50 m3 nước sạch, đáp ứng đầy đủ định mức 50 lít/người/ngày cho cụm dân cư cô lập từ 600 đến 1000 người.

Thứ tư, nghiên cứu xác lập quy trình vận hành và súc rửa tối ưu: Cột lọc cát sử dụng van tự động Auto-van chu kỳ 7 đến 10 ngày/lần (thời gian rửa 7 đến 10 phút), màng lọc nano có chu kỳ sử dụng bền bỉ lên đến 6 tháng, giúp giảm hơn 35% chi phí vận hành so với phương án tiếp tế nước đóng bình từ bên ngoài.

Thảo luận kết quả

Khả năng xử lý triệt để của hệ thống bắt nguồn từ cơ chế lọc kết hợp đa tầng: Lọc theo thể tích của vật liệu carbon USVR và lọc theo bề mặt tích điện của màng sợi nano Alumina kích thước 2x250 nanomet. Trong khi các phương pháp truyền thống dùng phèn nhôm hoặc Cloramin B thường để lại dư lượng clo và các hợp chất clo hữu cơ thứ cấp gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, công nghệ nano xử lý cơ học và điện từ thuần túy giúp nước giữ nguyên các vi chất có lợi và vị thanh mát tự nhiên.

Trong các báo cáo phân tích học thuật, dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan qua bảng so sánh các chỉ tiêu lý hóa (độ đục, COD, BOD5, hàm lượng sắt tổng số, Coliform) ở từng công đoạn xử lý. Đồng thời, biểu đồ cột có thể minh họa rõ nét mức độ suy giảm chất ô nhiễm: Cột lọc thô cát thạch anh làm giảm 60% cặn lơ lửng, lõi lọc tinh PP giảm tiếp 30% tạp chất mịn, và màng lọc nano hoàn tất việc xử lý 10% tạp chất siêu vi cùng 100% vi khuẩn gây hại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm ứng dụng rộng rãi công nghệ nano vào thực tế:

Thứ nhất, sản xuất và trang bị đồng loạt từ 20 đến 30 mô-đun lọc nước nano lưu động gắn thuyền (công suất 3 đến 5 m3/giờ) trong giai đoạn 2015 - 2017, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Ninh Bình chủ trì phối hợp với UBND huyện Nho Quan triển khai, nhằm đảm bảo cung cấp kịp thời nước sinh hoạt đạt chuẩn cho 20.300 hộ dân khi có lệnh xả lũ sông Hoàng Long.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình chuyển giao công nghệ và tài liệu hướng dẫn vận hành (thiết lập chế độ Auto-van tự động rửa ngược 7 đến 10 ngày/lần, rửa than hoạt tính định kỳ bằng van tay trong 2 phút và thay thế màng nano định kỳ 6 tháng/lần) cho trạm y tế và ủy ban 17 xã vùng ngập lũ trước quý II năm 2016.

Thứ ba, huy động nguồn vốn từ Chương trình Mục tiêu Quốc gia Nước sạch và Vệ sinh Môi trường Nông thôn để hỗ trợ 40% đến 50% chi phí lắp đặt bồn chứa nước mềm composite (dung tích 5 đến 10 m3) và thiết bị lọc nước nano quy mô hộ gia đình tại các vùng trũng ngập sâu từ 1 đến 3 mét thuộc xã Lạc Vân đến hết năm 2017.

Thứ tư, đẩy mạnh hợp tác nghiên cứu giữa Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường với các doanh nghiệp trong nước nhằm nội địa hóa 100% dây chuyền sản xuất màng nano carbon USVR và màng axetat xenlulo trong lộ trình 3 năm tới, giúp giảm 30% giá thành linh kiện thay thế cho người dân nông thôn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và tính ứng dụng cao đối với 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, Ban Chỉ huy Phòng chống Thiên tai và Tìm kiếm Cứu nạn các cấp cùng cán bộ quản lý tài nguyên môi trường tại địa phương: Luận văn cung cấp luận cứ khoa học và giải pháp công nghệ để xây dựng kịch bản cấp nước dã chiến, bảo vệ sức khỏe cho hơn 81.000 người dân vùng rốn lũ Nho Quan và Gia Viễn.

Thứ hai, kỹ sư ngành Cấp thoát nước và Công nghệ Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu là cẩm nang thiết kế chi tiết về trạm xử lý nước lưu động công suất 3 đến 5 m3/giờ, kết hợp hài hòa giữa các bể keo tụ ống lắng truyền thống với hệ thống lọc tinh màng nano hiện đại.

Thứ ba, các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Khoa học Vật liệu: Luận văn cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm phong phú về tính chất hấp phụ của vật liệu USVR (diện tích bề mặt trên 2000 m2/g) và cơ chế bẫy tĩnh điện của sợi nano Alumina kích thước 2x250 nanomet.

Thứ tư, các tổ chức thiện nguyện xã hội và doanh nghiệp sản xuất thiết bị lọc nước: Nắm bắt mô hình thiết bị cơ động có khối lượng dưới 200 kg, dễ vận hành và độ bền cao, giúp tối ưu hóa hơn 80% hiệu quả cứu trợ nước sạch trong các đợt thiên tai lũ lụt tại miền Trung và đồng bằng sông Hồng.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị lọc màng nano trong nghiên cứu có thể xử lý trực tiếp nước lũ đục ngầu thành nước ăn uống được không?

Hoàn toàn có thể. Nhờ tích hợp quy trình xử lý đa cấp gồm thiết bị phản ứng keo tụ dạng ống, cột lọc cát thạch anh, than hoạt tính, màng lọc tinh PP kích thước 5 đến 10 micromet và màng sợi nano Alumina kết hợp hạt USVR, nước sau lọc loại bỏ 100% vi khuẩn, virus và cặn lơ lửng, đạt tiêu chuẩn QCVN 02/BYT để uống trực tiếp mà không cần đun sôi hay dùng hóa chất Cloramin B.

Công suất và khả năng phục vụ của mô-đun lọc nước nano lưu động trên thuyền đạt mức bao nhiêu?

Hệ thống được thiết kế với công suất lọc thực tế từ 3 đến 5 m3/giờ, vận hành bằng bơm điện 0,6 kW kèm máy phát điện 2 kVA. Khi hoạt động 10 giờ mỗi ngày, thiết bị sản xuất từ 30 đến 50 m3 nước sạch, đáp ứng tiêu chuẩn cấp nước 50 lít/người/ngày cho cụm dân cư cô lập từ 600 đến 1000 người trong điều kiện ngập lụt sâu.

Vật liệu carbon nano USVR có điểm gì vượt trội so với than hoạt tính thông thường?

Vật liệu USVR có diện tích bề mặt tiếp xúc cực lớn trên 2000 m2/g và tính kỵ nước với góc ướt vượt trên 90 độ, cho phép liên kết tạp chất lỏng theo tỷ lệ khối lượng 1:50. USVR lọc theo thể tích khối, loại bỏ triệt để các chất ô nhiễm hữu cơ và kim loại nặng mà không làm thay đổi các khoáng chất hòa tan có lợi trong nguồn nước.

Thời gian thay thế lõi lọc và quy trình súc rửa hệ thống được thực hiện như thế nào?

Cột cát thạch anh được rửa tự động qua Auto-van định kỳ 7 đến 10 ngày/lần trong khoảng 7 đến 10 phút. Cột than hoạt tính rửa bằng van tay sau 5 đến 7 lần rửa cát. Lõi lọc tinh PP được thay thế căn cứ theo chỉ số đồng hồ áp lực, trong khi màng lọc nano có chu kỳ sử dụng bền bỉ và được thay mới định kỳ 6 tháng một lần.

Chi phí đầu tư và tính cơ động của hệ thống có phù hợp với vùng ngập lũ huyện Nho Quan không?

Rất phù hợp. Toàn bộ trạm lọc có tổng khối lượng dưới 200 kg, dễ dàng lắp đặt trên thuyền cứu hộ hoặc khung xe kéo để cơ động qua 17 xã ngập nước. Việc ứng dụng công nghệ nano giúp tiết kiệm hơn 35% chi phí so với việc mua nước đóng bình và loại bỏ hoàn toàn chi phí mua hóa chất khử trùng định kỳ.

Kết luận

  • Đề tài đã phân tích sâu sắc bức tranh ngập lụt tại 17 xã thuộc huyện Nho Quan và khẳng định tính cấp thiết của việc bảo đảm nước sạch QCVN 02/BYT cho 20.300 hộ dân vùng phân lũ sông Hoàng Long.
  • Chứng minh tính ưu việt của vật liệu nano (carbon USVR diện tích bề mặt trên 2000 m2/g, màng sợi Alumina 2x250 nanomet, hạt nano bạc) trong việc khử trùng và loại bỏ 100% cặn bẩn hữu cơ mà không cần hóa chất.
  • Thiết kế và chế tạo thành công mô-đun lọc nước lưu động công suất 3 đến 5 m3/giờ tích hợp trên thuyền dã chiến, cung cấp đủ 50 lít/người/ngày cho cụm dân cư 600 đến 1000 người.
  • Xác lập quy trình vận hành và rửa ngược bán tự động tối ưu với chu kỳ Auto-van 7 đến 10 ngày/lần và tuổi thọ màng lọc 6 tháng, giúp tiết kiệm hơn 35% kinh phí xử lý nước dã chiến.
  • Đề xuất lộ trình triển khai giai đoạn 2015 - 2020 nhằm nhân rộng mô hình cấp nước sạch công nghệ nano cho các vùng phân lũ trên cả nước.

Luận văn thạc sĩ của tác giả Hà Thị Phú là công trình khoa học giá trị, mở ra bước đột phá trong việc ứng dụng công nghệ nano giải quyết bài toán an ninh nguồn nước vùng thiên tai. Các đơn vị quản lý nhà nước, viện nghiên cứu và doanh nghiệp ngành nước cần đẩy mạnh liên kết chuyển giao, sớm đưa mô hình trạm lọc lưu động này vào thực tiễn phòng chống lụt bão tại các địa phương.